電力機(jī)車輔助電源系統(tǒng)的討論

1、電力機(jī)車輔助電源系統(tǒng)的分析與比較冷靜濤（朔黃鐵路機(jī)輛分公司 河北省肅寧縣 062350）摘要：輔助電源系統(tǒng)是電力機(jī)車必不可少的重要組成部分。本文綜合分析電力機(jī)車三相交流輔助電源系統(tǒng)和直流輔助電源系統(tǒng)的不同電路實(shí)現(xiàn)方案及其特點(diǎn),最后介紹了SS7E和“和諧”系列機(jī)車的輔助電源系統(tǒng)組成及主要技術(shù)參數(shù)并進(jìn)行了比較。關(guān)鍵詞：電力機(jī)車 輔助電源系統(tǒng) 控制方式 電路 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)0引言電力機(jī)車機(jī)車輔助電源系統(tǒng)是機(jī)車的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著除機(jī)車牽引系統(tǒng)主電路以外各種裝置的供電任務(wù)，如牽引/制動(dòng)控制裝置的控制電源，各冷卻用風(fēng)機(jī)、變壓器冷卻用油泵、變流器冷卻用水泵、制動(dòng)/受電弓等各種氣動(dòng)機(jī)械裝置提供風(fēng)源的空氣壓縮機(jī)、

2、空調(diào)、通風(fēng)機(jī)等輔助電動(dòng)機(jī)的三相交流電源，電熱器、冰箱、信息顯示裝置的電源等等。機(jī)車輔助電源系統(tǒng)由三相交流輔助電源系統(tǒng)和直流電源系統(tǒng)組成。早期的電力機(jī)車三相交流輔助電源裝置采用旋轉(zhuǎn)劈相機(jī)方式，這種電源裝置體積大、重量重、響應(yīng)性差、效率低、噪聲大，故障率高，需要經(jīng)常進(jìn)行檢查、維修。隨著電力電子和開關(guān)器件的發(fā)展，采用IGBT的新型輔助逆變系統(tǒng)正在替代傳統(tǒng)的劈相機(jī)三相交流系統(tǒng)。輔助逆變系統(tǒng)不僅為機(jī)車各輔助電機(jī)提供對稱三相電源，同時(shí)可滿足輔助電機(jī)軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)，不受電網(wǎng)波動(dòng)影響的特殊要求。為了防止因輔助供電設(shè)備故障而影響機(jī)車的正常運(yùn)行，輔助逆變系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置了各種故障保護(hù)以及冗余功能7。機(jī)車直流電源系統(tǒng)主

3、要由整流裝置、蓄電池組成，向機(jī)車的控制系統(tǒng)及照明系統(tǒng)等提供所需要的直流電源，為蓄電池充電，在升弓前或高壓設(shè)備、牽引變壓器故障時(shí)，由蓄電池供電向上述設(shè)備供電。1三相交流輔助電源系統(tǒng)三相交流輔助電源系統(tǒng)多采用輔助變流器生成三相交流電壓為機(jī)車輔助電氣設(shè)備供電。輔助變流器根據(jù)輸入側(cè)的不同，主電路可分為交-直-交型和直-交型；根據(jù)輸出的不同，可分為恒壓恒頻（CVCF）逆變器和變壓變頻（VVVF）逆變器1。在機(jī)車上，除了提供恒壓恒頻的輔助變流器，為節(jié)約能耗、降低通風(fēng)機(jī)噪聲，還有按照不同狀態(tài)下設(shè)備所需要的功率來調(diào)節(jié)電壓和頻率的VVVF輔助變流器。通常，在同一種車型上的CVCF逆變器和VVVF逆變器硬件結(jié)構(gòu)相

4、同，僅控制方式不同。下面分別探討交-直-交型和直-交型輔助變流器的實(shí)現(xiàn)方案。1.1交-直-交型輔助變流器交-直-交型輔助變流器是由牽引變壓器輔助繞組供電，與牽引變流器相同，一般是由網(wǎng)側(cè)變流器、中間直流環(huán)節(jié)、三相逆變器三部分組成。由于接觸網(wǎng)電壓的波動(dòng)較大，因此，交-直-交型輔助變流器輸入的單相交流電也有較大的波動(dòng)，為了獲得穩(wěn)定的中間直流環(huán)節(jié)電壓，輔助變流器的網(wǎng)側(cè)必須采用可控整流電路。以前多采用相控整流電路，電路和控制簡單，造價(jià)較低，但網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)的影響大。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，脈沖整流器已開始取代相控整流器，它可使網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)接近1，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好4。圖1給出了交-直-交型輔助

5、變流器的典型電路，包括脈沖整流器COV，中間支撐電容，三相逆變器INV，輸入接觸器K、AK，輸入輸出電流傳感器ACCT、CTU、CTW，中間電壓傳感器VT(冗余設(shè)計(jì))等。交-直-交型輔助變流器的缺點(diǎn)是過分相時(shí)將失電，所有三相輔機(jī)均停止運(yùn)行。圖1 交-直-交型輔助變流器電路圖與傳統(tǒng)的劈相機(jī)電源系統(tǒng)相比，采用交-直-交型結(jié)構(gòu)的輔助變流器具有以下特點(diǎn)：1仍然需要由牽引變壓器輔助繞組為輔助變流器供電。2脈沖整流器可保證輸入側(cè)較高的功率因素以及電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)中間直流電壓的穩(wěn)定。3由于變壓器二次繞組之間存在耦合，脈沖整流器開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的脈沖分量會(huì)疊加到牽引變壓器輔助繞組的輸出電壓上，使輔助變流器電壓升高，

6、溫升上升，影響輔助變流器的性能4變流器的起動(dòng)方式為軟起動(dòng)，有效減少輔助電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流。5可以在較大網(wǎng)壓范圍內(nèi)工作。6三相輸出電壓穩(wěn)定、平衡。1.2直-交型輔助變流器系統(tǒng)直-交型輔助變流器是從主變流器的中間直流環(huán)節(jié)取流，因此它只需要逆變器就可實(shí)現(xiàn)直流電到三相交流電的變換。由于輸入電壓較高，為達(dá)到輸出輔助電氣設(shè)備所要求的電壓等級(jí)，一般需要增加降壓設(shè)備。一般有兩種控制方式，一種是先逆變，再通過三相降壓變壓器將較高的交流電壓降到所要求的電壓等級(jí)；另一種是先通過降壓電路將直流輸入電壓降低到合適的值，再進(jìn)行逆變。圖2和圖3分別給出了兩種輔助變流器的電路結(jié)構(gòu)。為得到品質(zhì)良好的三相交流電源，通常需要增加濾波

7、環(huán)節(jié)。在方式一中，三相電抗器/電容器濾波或三相LC濾波器可放置在逆變器和降壓變壓器之間，也可放置在變壓器之后。方式二中，則將濾波器放置在逆變器輸出之后。圖2 直-交型輔助變流器（方式一）圖3直-交型輔助變流器（方式二）方式一中，-Y型變壓器不僅實(shí)現(xiàn)降壓的功能，還實(shí)現(xiàn)了高壓輸入電源回路和負(fù)載回路之間的相互隔離。此電路的特點(diǎn)是開關(guān)元器件數(shù)量少、控制較為簡單，缺點(diǎn)是輸出三相電壓易受直流輸入電壓的影響，且當(dāng)直流輸入電壓較高時(shí)逆變器開關(guān)元件的耐壓要求高，成本較高。因此該方案比較適用于由牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)供電場合。方式二中，可采取不同的電路實(shí)現(xiàn)降壓1。最簡單的是單管降壓斬波器，如圖3所示。它有以下特點(diǎn)

8、：（1）通過降壓斬波的閉環(huán)控制保持逆變器輸入電壓的恒定，從而消除輸入電壓的波動(dòng)對三相逆變器輸出的影響。（2）整個(gè)電路中僅需一只大功率高壓IGBT元件，逆變器則可選擇較低電壓級(jí)別的IGBT元件，以降低設(shè)備成本。但是這種方式?jīng)]有實(shí)現(xiàn)輸入電壓與輸出電壓之間的隔離，同時(shí)還應(yīng)設(shè)置在降壓斬波器失去控制后對逆變器和負(fù)載等的保護(hù)電路。與交-直-交型輔助變流器相比，直-交型輔助變流器具有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：1 無需牽引變壓器提供輔助繞組，而是直接從牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)取流。2 必須采取降壓措施，滿足輸出電壓的幅值要求。2.直流電源系統(tǒng)目前鐵道機(jī)車上直流電源系統(tǒng)有兩種：一是相控型(AC/DC)直流電源系統(tǒng)，另一種是

9、IPM高頻開關(guān)(DC/DC)電源系統(tǒng)。傳統(tǒng)的相控直流電源由于器件和技術(shù)兩方面的原因,工作頻率低，體積大，噪音高, 技術(shù)指標(biāo)和可控性都較差。高頻開關(guān)電源是采用軟開關(guān)技術(shù)的一種高效高精度電源，可多模塊并連工作。它的電磁兼容性高、直流可控性好、功率因數(shù)高、噪音低、均流性好、體積小、直流成分純凈度高，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)可控硅電源，是相控電源更新?lián)Q代的理想產(chǎn)品2。由于它的輸入輸出接口都采用硬接插件（熱插板）連接方式,維修更換極為簡便,所以特別適合電力機(jī)車動(dòng)態(tài)負(fù)荷多、穩(wěn)壓、穩(wěn)流、紋波精度要求高和N+1的冗余配置的要求6?，F(xiàn)將晶閘管相控電源直流系統(tǒng)與高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)作一比較3，見表1。表1開關(guān)電

10、源與傳統(tǒng)相控電源的比較項(xiàng) 目TPD17B控制電源柜傳統(tǒng)電力機(jī)車用110V相控電源柜電路形式以IPM為開關(guān)器件的高頻DC-DC變換電路傳統(tǒng)的晶閘管半控橋變壓器類型高頻變壓器（體積小重量輕）工頻變壓器（體積重量均大）輸出濾波器高頻LC變壓器傳統(tǒng)的LC濾波器穩(wěn)壓精度1.5%5%輸出紋波電壓脈動(dòng)有效值2V（與蓄電池并聯(lián)）5V（與蓄電池并聯(lián)）整機(jī)效率90%70%動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間0.01秒0.2秒控制方式PWM調(diào)制相控其余性能指標(biāo)均滿足TB1395-81110V控制電源屏技術(shù)條件中的要求。3.其他系統(tǒng)電力機(jī)車除了三相負(fù)載，常見的還有單相220V、50Hz負(fù)載。通常有兩種獲得單相220V、50Hz電源的途徑：（

11、1）在有三相輔助變壓器的系統(tǒng)中，變壓器輸出三相380V交流電，并有中性點(diǎn)，即可取三相交流電的相電壓。該方法簡單、直接。（2）采用單相變壓器將三相交流電的線電壓降壓為單相交流220V。該方法多了一個(gè)變壓器，并且會(huì)引起三相電源負(fù)荷不平衡，一般應(yīng)用在無三相輔助變壓器的系統(tǒng)中。4.幾種典型機(jī)車的輔助電源系統(tǒng)簡介與比較在機(jī)車輔助電源系統(tǒng)中，機(jī)車直流電源系統(tǒng)比較簡單，在進(jìn)行輔助電源系統(tǒng)比較時(shí)主要進(jìn)行的是三相交流輔助電源系統(tǒng)的比較。表2歸納了國產(chǎn)交直傳動(dòng)韶山7E(簡稱SS7E)型電力機(jī)車和交直交傳動(dòng)HXD1、HXD2、HXD3三種型號(hào)的“和諧”系列電力機(jī)車的輔助電源系統(tǒng)。SS7E型電力機(jī)車三相交流輔助電源系

12、統(tǒng)，采用四象限整流器將送入的單相340V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?00V中間電壓，再由逆變器將直流600V轉(zhuǎn)變?yōu)槿?80V，經(jīng)EMC濾波器濾波后輸出，一路作為機(jī)車用三相輔助電源，另一路經(jīng)LC濾波器再次濾波后為自身冷卻風(fēng)機(jī)提供三相電源。HXD1機(jī)車則由三相變壓器將三相恒壓恒頻交流電（440V、60Hz）變?yōu)槿?30V、60Hz交流電，供給相應(yīng)負(fù)載。另外，由于HXD1機(jī)車三相交流電壓為60Hz，為與國內(nèi)設(shè)備兼容，設(shè)置了DC110V/單相230V、50Hz轉(zhuǎn)換模塊。表2 SS7E型和“和諧”系列電力機(jī)車輔助電源系統(tǒng)概況車型是否需要輔助繞組輸入電壓制式及電壓/V電路結(jié)構(gòu)變流器輸出三相變壓器SS7E是AC3

13、40V交直交型：四象限整流器(需外接電抗器)三相兩點(diǎn)式逆變器三相EMC濾波器三相LC濾波器AC380V±1050±1%Hz(其中變流器1允許變頻運(yùn)行)無HXD1否DC1800V直交型：三相逆變器降壓隔離變壓器+三相C濾波VVVF：AC80V440V、1060HzCVCF：AC440V±5%，60Hz有HXD2否DC1800V直交型：單管斬波器降壓+三相逆變器+三相L濾波VVVF：190V、380V，25 Hz、50HzCVCF：AC 380V±5%，50±2%Hz無HXD3是AC399V交直交型：脈沖整流器+三相逆變器+三相LC濾波器VVVF：

14、AC：2380V，0.250Hz；CVCF：AC 380V±5%，50±2%Hz無通過上述分析可以得到如下結(jié)論：4.1采用交直交型輔助變流器，必須在牽引變壓器上增加輔助繞組給逆變器供電，因此系統(tǒng)對機(jī)車主電路的要求較高5。但由于系統(tǒng)只需要進(jìn)行交直、直交兩個(gè)環(huán)節(jié)的變換，開關(guān)器件的額定電壓低，所以器件數(shù)量少、成本低，整個(gè)系統(tǒng)效率高，技術(shù)實(shí)現(xiàn)較容易。4.2采用直交型輔助變流器，可省去輔助繞組，提高機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)的能量利用率。其中：(1)對于中間環(huán)節(jié)電壓不是很高的系統(tǒng)（一般不超過2000V），可直接利用逆變器進(jìn)行逆變，然后再經(jīng)降壓變壓器降壓。這種結(jié)構(gòu)中間環(huán)節(jié)少、控制簡單、開關(guān)器件少，

15、系統(tǒng)的效率較高。但由于開關(guān)器件電壓等級(jí)較高，基于降低能耗考慮，其開關(guān)頻率會(huì)受到限制，因此輸出電壓波形不會(huì)很理想，而且降壓變壓器也會(huì)使機(jī)車增加額外重量，增加成本。（2）對于中間環(huán)節(jié)電壓超過2000V的，一般采用直直變換，中間電壓600V左右，然后逆變。這種結(jié)構(gòu)在直直變換環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，器件多、電壓等級(jí)較高，還需要增加脈沖變壓器進(jìn)行隔離，因此系統(tǒng)復(fù)雜、效率較低。5.結(jié)束語通過對電力機(jī)車輔助電源系統(tǒng)分析和比較可以看出，在現(xiàn)有開關(guān)器件制造水平和性價(jià)比的基礎(chǔ)上，采用交直交型的輔助電源系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢，但對機(jī)車牽引變壓器的要求較高；采用直交型輔助電源系統(tǒng)，雖然可以去掉輔助繞組，提高機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)的能量利用率，但也存在系統(tǒng)重量增加，效率降低的問題。隨著IPM等開關(guān)器件和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，今后的電力機(jī)車輔助電源將向裝置更小輕量化、低噪聲、大容量、高可靠性等方向發(fā)展。參考文獻(xiàn)1 菊池高弘. 日本鐵道車輛用新型逆變器J . 國外鐵道車輛, 2000 , 37(5) : 23 26.2第三代I