動車組動力系統集成技術研究

常呂國

摘 要：隨著國內動車組的快速發展，動力集成技術在其中得到了廣泛的使用，基于此本文針對于，動力分散式內燃動車組集成技術相關的內容做以簡單的研究，希望能夠為我國動車事業的發展做出些許的貢獻。

關鍵詞：動車組；動力系統集成

1 動車組概述

動車組是火車的一種類型，是由至少兩節機車或帶動力的車廂和若干節不帶動力的車廂所組成的列車。動車組起源于機車重聯，但與傳統重聯有所不同。重聯一般用于貨運列車，主要是解決牽引力不足問題，僅僅是增加機車數量，沒有改變車廂車皮的拖車性質。動車組幾乎只用于客運列車，主要是解決加速度不足和最高速度受限的問題，驅動裝置可以分別安放在多節載客車廂內部，使這些車廂成為動車，而火車頭卻可能成為只有操縱平臺但沒有驅動力的拖車，如中國最新的“復興號”動車組。

而動車組牽引系統是由許多電感、電容性元件所組成的復雜電路。主斷路器閉合、斷開的瞬間會使牽引系統從一種電磁狀態過渡為另一種電磁狀態，電磁能與靜電能在感性與容性元件中以電路固有頻率交替轉化，以致使在牽引變壓器一次繞組、牽引繞組上均出現過電壓，稱之為操作過電壓。目前動車組牽引系統主要分為兩類：一是主輔分離結構，其牽引變壓器由牽引繞組、輔助繞組構成；二是主輔一體結構，牽引變壓器只有牽引繞組，輔助系統自牽引變流器的中間電容取電。文章主要探討兩種結構牽引系統在主斷路器閉合、斷開瞬間所產生的操作過電壓特性。

2 某研究所動車組動力系統集成技術案例研究

某研究所有限公司是國內鐵路行業唯一的內燃機車研究所，在柴油機、液力傳動、電傳動、冷卻換熱、電子電控等領域的科學研究均有著悠久的歷史，其技術水平居于國內領先地位。基于中國鐵路走出國門的發展戰略，以及中車企業廣泛拓展的內燃動車組海外市場，并于2012年開始內燃動車組動力系統集成技術的研究工作，并已先后為很多動車組公司提供了車下布置電傳動動力包，為A公司出口HMU項目批量提供了車下布置電傳動動力包。目前正在為國內主機廠進行車下布置液傳動力包的設計研制工作。

案例一：小功率電傳動力包的研制

2013年某公司開始為長春Q公司CJ5型混合動力動車組研制車下布置電傳動力包，采用MAND2876LUE604型柴油機，額定功率375kW，配以永磁同步交流發電機，動力包額定輸出電功率330kW，通過兩級彈性減振器懸掛于車體下部。

該混合動力動車組采用電網與電池混合或柴油機與電池混合兩種牽引模式，兩動一拖編組，電力混合牽引時最高運行速度160km/h，內燃混合牽引時最高運行速度120km/h，主要用于支線、城際、市郊、通勤等旅客運輸。

在研制過程中，先后進行了柴油發電機組軸系扭振、兩級彈性懸掛動力學、安裝框架強度等計算分析，開展了包括動力包性能、溫升、隔振、噪聲、排放、溫度場、低溫起動、振動沖擊等內容的型式試驗，以及動力包與牽引電控系統地面聯調和車上聯調試驗，先后通過了集團公司公司和鐵路主管部門組織的方案評審、技術評審和試用評審，正準備前往呼和浩特鐵路局進行運用考核。

在此基礎上，2016年某公司開始為A公司出口HMU混合動力動車組研制車下布置電傳動力包，采用MAND2876LUE631柴油機，滿足EUⅢB排放要求，額定功率390kW，配以永磁同步交流發電機，動力包額定輸出電功率345kW，最大輸出電功率360kW，通過兩級彈性減振器懸掛于車體下部。

該動車組采用柴油機和超級電容混合牽引模式，兩動兩拖編組，最高運行速度120km/h。主要用于馬來西亞非電氣化干線旅客運輸。

由于其城市使用的是米軌，其動車組車下可用空間非常狹小，因此為其設計的動力包的外形尺寸小于3200mm×2600mm×740mm，整備重量小于4000kg，其各項性能指標均接近甚至超過國外同類產品的技術水平。

案例二：大功率電傳動力包的研制

2015年某公司開始為B公司雙動力城際動車組研制大功率車下布置電傳動力包，采用MAND2862LE631柴油機，滿足EUⅢB排放要求，額定功率735kW，配以永磁同步交流發電機，動力包額定輸出電功率660kW，通過兩級彈性減振器懸掛于車體下部。

該動車組分別采用電力或內燃兩種牽引模式，兩動兩拖編組，電力牽引時最高運行速度160km/h，內燃牽引時最高運行速度140km/h，主要用于城際旅客運輸。

該動力包的外形尺寸小于4800mm×2700mm×900mm，整備重量小于6600kg，其各項性能指標均接近國外同類產品的技術水平。

該動力包是目前國際上能夠用于內燃動車組車下布置的功率最大的動力包，采用的額定功率735kW的D2862LE631型柴油機是MAN公司全球該功率等級的首臺產品。

在研制過程中，先后進行了柴油發電機組軸系扭振、兩級彈性懸掛動力學、安裝框架強度等計算分析，先后通過了四方股份公司和中車股份公司組織的方案和技術設計評審，目前已完成動力包樣機的研制，正在進行型式試驗，預計年底前完成與牽引電控系統的地面聯調試驗。

通過B公司動力包的研制，某公司已基本掌握了內燃動車組大功率電傳動動力系統集成技術，建立了大功率電傳動力包的標準化、模塊化產品平臺，可根據項目的具體要求，略作局部調整即可提供滿足不同客戶個性化要求的設計方案和產品。

案例三：永磁同步電機牽引系統概況

國內，株洲H公司對永磁同步電機牽引系統的研究始于2003年，其研究的內容主要集中在：永磁同步電機牽引系統的設計方法、永磁同步電機的設計方法及對其制造工藝的研究以及永磁同步電機控制策略研究，并在此基礎上建立了永磁同步電機半實物仿真平臺o

2008年，該公司完成了“鐵道車輛傳動系統用永磁同步電機控制技術研究”，針對額定功率100 kW/峰值功率150 kW永磁同步牽引電機完成了功能性試驗研究，并搭載在純電動大巴上進行考核運行，運行情況良好。在此基礎上，針對并聯混合動力客車用40 kW/90 kW永磁同步牽引電機進行了研制并已投入商業運營。2009年，針對地鐵額定功率200 kW/峰值功率300 kW永磁同步牽引系統，完成了系統方案設計、永磁同步電機樣機生產和試驗平臺的搭建工作。2010年，對額定功率200 kW/峰值功率300 kW永磁同步牽引系統進行試驗研究，該試驗平臺完成了全速度范圍內的試驗，試制了多種轉子結構的永磁同步電機，成功解決了電機溫升高、高速帶速重投、矢量控制下的同步調制等技術，掌握了永磁同步牽引系統系統設計方案、電機設計方法和控制方法。2011年，在前期研究基礎上對沈陽地鐵二號線裝車試驗用永磁同步牽引系統進行了定型，完成了裝車樣機的生產、地面組合試驗及相關可靠性試驗，并在沈陽地鐵二號線完成了7000 km的AWO空載和AW3負載的現場裝車試驗，試驗結果表明該系統運行良好。沈陽地鐵二號線車輛永磁同步牽引系統是國內軌道交通領域的首次嘗試及應用，地鐵車輛永磁同步牽引系統集成技術、永磁同步牽引電動機設計技術和控制技術等關鍵技術得到驗證，為永磁同步牽引系統技術在軌道交通領域的發展奠定了良好的基礎。2014年11月6日我國第一輛永磁高鐵下線，標志著我國己經掌握永磁牽引技術，試驗證明在裝備了永磁電機后，一輛原來需要6動2拖的列車，只需要采用4動4拖就可以，其節省的2輛動車的牽引系統成本會使得安裝永磁電機的整列車牽引系統成本降低20%，同時由于永磁電機高效率的特點，不僅提高了列車的牽引效率，節省大量電能，而且能夠降低列車的全壽命周期成本。但是我國永磁同步牽引系統的研究距離商業化仍有一段時間，因此，加大對永磁同步電機牽引系統的研究，實現我國永磁同步電機牽引技術的跨越式大發展，對我國軌道交通行業有一定的經濟和社會意義。

3，總結

總的來講，目前國內外動車組均以電力牽引為發展方向，但內燃牽引永遠是不可或缺的重要補充，無論是在新建和維護成本方面，還是在運用環境條件方面，以及災害搶救、戰備運輸等諸多領域均有著無可替代的優越性。因此，在歐洲和日本的城際鐵路、區域客運、市郊通勤等領域，動力分散式內燃動車組 都是主力軍，德、法、英和日本均有上千列的 動力分散式內燃動車組 保有量，并仍在不斷更新換代，蓬勃發展。近年來，隨著發展中國家經濟的崛起，東歐、南美、東南亞、甚至非洲的 動力分散式內燃動車組 需求量都在迅猛增加。雖然當前國內動力分散式內燃動車組還處在起步階段，只有中車長客股份公司和中車四方股份公司在進行混合動力和雙動力城際動車組的嘗試，但中車作為“一帶一路”的主力軍，已先后有中車唐山、浦鎮、株機公司分別向孟加拉、阿根廷、突尼斯、馬其頓、馬來西亞等國家批量出口了 DMU，未來國外潛在的目標市場眾多，動力分散式內燃動車組 的國際市場潛力巨大。

參考文獻：

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