雙層動車組牽引系統(tǒng)關鍵技術分析

丁　懿, 鄒檔兵, 鄭　鋼, 章志兵

(株洲中車時代電氣股份有限公司， 湖南株洲 412001)

目前我國京滬線等國內線路開行車次已接近飽和，但仍無法滿足日益增長的鐵路客運需求。雙層動車組能夠滿足人流量較大的運輸需求，緩解客運高峰時的交通運輸壓力，成為快速解決軌道交通客運壓力的首選途徑。

文中介紹了國外雙層動車組牽引系統(tǒng)，對牽引系統(tǒng)關鍵技術進行分析。對雙層動車組牽引系統(tǒng)的設計及優(yōu)化提出合理化意見，為我國雙層動車組牽引系統(tǒng)提供借鑒。

1　國外雙層動車組介紹

國外雙層鐵路客車自1870年問世以來，經過多年的技術更新，已形成系列化產品。主要代表車型有日本的新干線E4系列雙層動車組、Stadler公司Kiss系列雙層動車組等。這幾種典型雙層動車組基本參數如表1。

表1　國外雙層動車組參數

1.1　新干線E4系雙層動車組

新干線E4系雙層動車組最高運行速度為240 km/h，編組為4M4T，單電動機功率為420 kW。整車牽引系統(tǒng)由兩個動力單元組成，牽引設備集中布置于各單元的動車上，每個單元裝有1臺牽引變壓器、4臺牽引變流器、8臺異步牽引電機。牽引電機的控制采用架控的方式，1臺牽引變流器驅動1個轉向架上的2臺電機，提高了動力冗余性。采用主輔分離結構，輔助變流器設置在頭車，每列車2臺輔助變流器。牽引變流器采用三電平的主電路結構，牽引系統(tǒng)主電路拓撲如圖1所示。

1.2　西門子Desiro雙層動車組

2008年西門子為瑞士SBB提供60列Desiro雙層動車組，供電制式為AC 15 kV/16.7 Hz，最高運行速度為160 km/h，編組為2M2T。頭車為動車，每節(jié)動車配置2臺牽引變壓器、2臺牽引變流器、4臺異步牽引電機。牽引變壓器和牽引變流器采用1拖1的方式，1臺牽引變流器驅動1臺轉向架上的2臺電機。采用主輔分離的電路，輔助變流器安裝在中間拖車上。牽引系統(tǒng)拓撲如圖2所示。

圖1　E4系雙層動車組牽引系統(tǒng)拓撲圖

圖2　Desiro雙層動車組牽引系統(tǒng)拓撲

1.3　Stadler公司Kiss雙層動車組

Stadler是一家瑞士公司，目前已經成為軌道車輛供應行業(yè)的主要制造商，已向歐洲多個國家提供Kiss系列雙層動車組，涵蓋AC 15 kV/16.7 Hz、DC 3 000 V等多種供電制式和160,200 km/h等速度等級。

以Stadler公司2011年為瑞士SBB公司提供的50列Kiss雙層動車組為例，供電制式為AC 15 kV/16.7 Hz，最高運行速度為160 km/h，編組為2M4T。頭車為動車，每節(jié)動車配置2臺牽引變壓器、2臺牽引變流器、4臺異步牽引電機。牽引變壓器和牽引變流器采用1拖1的方式，1臺牽引變流器驅動，1臺轉向架上的2臺電機。牽引變流器采用主輔一體設計，有2套完全獨立的單元，單個單元最大輸出功率為分750 kW。當一路故障時，不影響另外一路輸出，提高了冗余性。其中單元1包含兩路輔變輸出，一路為定頻、一路為變頻。牽引系統(tǒng)拓撲如圖3所示。

圖3　Kiss雙層動車組主電路拓撲

1.4　龐巴迪Regio2N雙層動車組

2009年龐巴迪獲得法國SNCF公司860列Regio2N雙層動車組訂單，最高運行速度分別為160 km/h和200 km/h(對應網壓分別為DC 1 500 V和AC 25 kV)。動車組采用單雙層混合編組、鉸接式轉向架，牽引設備布置在單層動車的車頂，拖車為雙層。牽引系統(tǒng)采用共中間直流母線的雙流制設計，實現交流模式和直流模式的靈活切換和配置。牽引變壓器布置在頭車，與牽引變流器共用一套冷卻裝置。頭車的牽引變流器有多重四象限整流器，為其他動車的牽引逆變器和輔助變流器提供穩(wěn)定的中間直流電壓。牽引電機為永磁同步電機，牽引逆變器采用軸控的方式，并設有隔離接觸器。牽引系統(tǒng)主電路拓撲如圖4所示。

2　雙層動車組牽引系統(tǒng)關鍵技術

雙層動車組與傳統(tǒng)分散動力、牽引設備底部安裝的動車組存在較大不同，牽引系統(tǒng)設備一般都安裝在車內或車頂，對牽引系統(tǒng)設計提出了新的需求。下面針對上述國外雙層動車組牽引系統(tǒng)相關關鍵技術進行分析。

2.1　牽引系統(tǒng)動力配置

雙層動車組車輛質量較單層動車組大、動車數量較少，為提高故障工況下動力冗余性，國外雙層動車組牽引變流器均采用架控的方式，1臺牽引變流器驅動1臺轉向架上的兩臺牽引電機。其中Kiss系列雙層動車組和Regio2N雙層動車組均采用軸控的方式，1臺逆變器驅動1臺電機，動力冗余度更高；Desiro雙層動車組和Kiss雙層動車組的牽引變壓器與牽引變流器采用1拖1的方式，1輛動車有兩個完全獨立的基本動力單元。上述設計均有效提高了雙層動車組的動力冗余性，但設備數量、體積和質量也有一定增加。

圖4　Regio2N雙層動車組主電路拓撲

2.2　牽引變流器主電路拓撲

雙層動車組牽引變流器的結構主要有主輔分離和主輔一體化兩種模式。E4系雙層動車組和Desiro雙層動車組采用主輔分離的模式，牽引變壓器設置有單獨的牽引繞組和輔助繞組。牽引變流器和輔助變流器在電氣結構上完全獨立、互不影響。但主輔分離模式下，主變流器和輔助變流器單獨成柜，冷卻系統(tǒng)分開，設備總體積和總質量等顯著增加。

Kiss系列雙層動車組和Regio2N雙層動車組采用主輔一體模式，輔助變流器集成在牽引變流器柜體中，輔助逆變模塊從主變流器的中間直流環(huán)節(jié)取電。主輔一體化模式的牽引系統(tǒng)，輔助變流設備可以與主變流器共用冷卻、散熱等；同時輔助變流器不需要設置單獨的輔助繞組，也不需要單獨設置四象限變流器，設備的體積、質量等大幅降低。

目前牽引變流器主電路拓撲應用最廣泛的兩種結構主要是兩電平和三電平，E4系列雙層動車組采用三電平結構，Desiro雙層動車組、Kiss系列雙層動車組和Regio2N雙層動車組采用兩電平結構。兩電平模式下，單個橋臂的主電路由2個開關器件和2個續(xù)流二極管組成；三電平模式下，單個橋臂需要的開關器件數量翻倍，同時還需要增加中點鉗位二極管。從控制性能看，三電平模式的主電路輸出電壓、輸出電流的諧波性能更優(yōu)，但開關器件增多使得控制策略更加復雜，同時模塊集成和保護的難度也加大。因此兩電平模式的主電路應用更為廣泛。

E4系雙層動車組和Kiss系列雙層動車組均采用無二次諧振回路的設計，取消二次濾波回路中的電抗器和電容器，減少牽引變流器內部器件。同時通過優(yōu)化四象限整流器和三相逆變器的控制策略，消除直流環(huán)節(jié)二次諧波的影響。

2.3　輕量化設計

輕量化的牽引系統(tǒng)有利于降低動車組整車質量，提升牽引和制動性能、降低能耗。雙層動車組對車輛質量要求更為嚴格，牽引系統(tǒng)設備需要盡可能采用輕量化設計。目前主要通過主輔一體高度集成設計、取消二次諧振回路、優(yōu)化柜體設計和新型柜體材料應用等途徑來實現輕量化。

Kiss系列雙層動車組牽引變流器采用主輔一體設計，主電路無二次諧振回路，采用鋁合金骨架和其他輕量化設計，牽引變流器功率密度達到1.5 MW/t(不含水冷裝置)。1997年即上線運營的E4系雙層動車組采用主輔分離設計，牽引變流器采用三電平、無二次諧振回路的主電路，牽引變流器功率密度為0.7 MW/t(含冷卻系統(tǒng))。

2.4　冷卻系統(tǒng)

雙層動車組牽引系統(tǒng)的緊湊化和集成化要求冷卻裝置具有緊湊性、可靠性、高散熱效率、維護簡便等特點，需根據系統(tǒng)散熱需求合理選擇冷卻方式和冷卻系統(tǒng)容量。E4系列雙層動車組牽引變流器冷卻采用風冷技術，冷卻風從動車組車輛端部頂端吸入經散熱器從車底排出。Desiro雙層動車組和Kiss系列雙層動車組牽引變流器采用水冷技術，冷卻系統(tǒng)單獨成柜，布置在車內機械室內，冷卻風從車頂側部吸入經冷卻裝置后從車底排出。Regio2N雙層動車組牽引變壓器與牽引變流器共用一套冷卻裝置，有效降低了冷卻裝置的質量和體積。

2.5　安裝及可維護性

雙層動車組牽引系統(tǒng)設備安裝在車內或車頂，對設備的安裝和可維護性設計有較高要求。E4系列雙層動車組在車體外部設有安裝門，牽引變壓器和牽引變流器通過安裝門車外安裝；Desiro雙層動車組和Kiss系列雙層動車組牽引變壓器和牽引變流器從車頂進行吊裝；Regio2N雙層動車組牽引設備安裝在車頂，安裝簡單方便。

為方便后期維護，Desiro雙層動車組和Kiss系列雙層動車組在安裝牽引設備的機械室均設計了檢修門，牽引變流器模塊和其他器件可以通過檢修門進行維修和更換。

2.6　噪聲和EMC等問題

雙層動車組牽引系統(tǒng)設備大多布置在車內，對相關設備的噪聲控制、EMC指標有更嚴格要求。在采取車體隔聲、降噪措施的同時，牽引系統(tǒng)在設計需考慮通過優(yōu)化電機控制策略、變流器冷卻方式等方法降低設備產生的噪聲。此外針對ECM問題合理選擇整車接地方式和屏蔽抑制措施，如動力電纜采用屏蔽電纜，屏蔽層確保可靠雙端接地或多端接地。

Kiss系列雙層動車組的輔助變流器有一路變頻輸出用于冷卻風機，調節(jié)冷卻風機轉速，能夠有效降低風機噪聲。此外Kiss系列雙層動車組的牽引變流器采用低電壓等級的IGBT，最高開關頻率可達2 kHz，輸出波形正弦度較高，能夠提高電機工作效率、降低噪聲。

3　雙層動車組牽引系統(tǒng)主電路推薦

綜合比較上面幾種雙層動車組牽引系統(tǒng)特點，同時考慮到輕量化、高集成度、高可靠性、安裝維護方便、技術成熟度等多種因素，推薦雙層動車組牽引系統(tǒng)主電路設計如圖5所示。

圖5　雙層動車組牽引系統(tǒng)主電路圖

整車采用4M4T的編組型式，整車牽引系統(tǒng)總共包含兩個動力單元，每個動力單元包含1臺牽引變壓器、4臺牽引變流器、8臺異步牽引電機組成。每臺牽引變流器驅動一個轉向架上的2臺電機。當1臺牽引變流器發(fā)生故障時只損失1/8的動力。

牽引變流器采用主輔一體設計，主電路采用兩電平模式，取消二次諧振回路。輔助變流器采用高頻化設計，用高頻隔離變壓器取代傳統(tǒng)的工頻隔離變壓器。牽引變流器通過車端安裝在車內機械室內，柜體采用鋁合金結構。冷卻方式為強迫水冷循環(huán)，冷卻裝置單獨成柜。冷卻風機為兩級調速，冷卻風從車體側部吸入經冷卻裝置后從車體側部排出。

4　結束語

雙層動車組牽引系統(tǒng)的設計可根據整車性能、可靠性、舒適度、經濟性等方面的要求進行綜合考慮，選擇一種合理的牽引系統(tǒng)結構是動車組成功設計的關鍵。隨著新型電力電子器件和控制技術的發(fā)展、鋁合金和碳纖維等新材料應用、永磁電機牽引系統(tǒng)的成熟、新型牽引變流器的開發(fā)，牽引系統(tǒng)將向高性能、高集成度、高功率密度、高效化等方向發(fā)展。文中對國外雙層動車組牽引系統(tǒng)主電路進行了理論分析和對比，同時也對牽引系統(tǒng)的主電路進行了推薦，對我國雙層動車組牽引系統(tǒng)的設計有一定的借鑒作用。