電力機車過分相區(qū)輔助和列供系統(tǒng)供電情況試驗分析

電力機車過分相區(qū)輔助和列供系統(tǒng)供電情況試驗分析王保民【摘要】Therearemainlythreewaysforelectriclocomotivestopassneutralsection,wherebyon-boardauto-passingofneutralsectionisthemostlyusedscheme.Powersupplymodesofthelocomotiveauxiliarysystemandthetrainpowersupplysystemwerebrieflyanalyzed.Tractionconvertermiddle-voltagepowersupplyandmaintransformerwindingspowersupplyweretwomainapproaches.Powersupplysituationoftheauxiliarysystemandtrainpowersupplysystemintheprocessoftypicallocomotivepassingneutralsectionsweretestedandanalyzed,anditwasconcludedthattheidealwaywastomaintainuninterruptedpowersupplyforbothsystems.Itisofgreatsignificancetoproposethattheexistinglocomotiveauxiliarysystemandtrainpowersupplysystembeoptimizedandupgraded.%電力機車在通過過分相區(qū)時，主要有三種方式，其中車載自動過分相是目前應(yīng)用較多的一種方式.對機車輔助系統(tǒng)和列供系統(tǒng)的供電方式進行了簡要分析，其主要的供電方式有牽引變流器中壓供電和主變壓器繞組供電兩種.對幾種典型機車過分相過程中輔助系統(tǒng)和列供系統(tǒng)的供電情況進行了試驗分析，得出在機車通過過分相區(qū)時，列供系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)都不斷電是目前比較理想的方式.提出通過優(yōu)化升級實現(xiàn)對現(xiàn)有機車的輔助系統(tǒng)和列供系統(tǒng)的升級改造具有重要意義.【期刊名稱】《電氣自動化》【年(卷)，期】2018(040)003【總頁數(shù)】4頁(P64-66,70)【關(guān)鍵詞】電力機車;輔助供電洌車供電啟動過分相;不間斷供電【作者】王保民【作者單位】中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081；蘭州交通大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅蘭州730070【正文語種】中文【中圖分類】U264基金項目:中國鐵道科學(xué)研究院開發(fā)計劃項目(2015YJ121)0引言電力系統(tǒng)是三相供電系統(tǒng)，而電氣化鐵道電網(wǎng)采用單相供電。為使電力系統(tǒng)三相負荷盡可能平衡，電氣化鐵道的接觸網(wǎng)采用分段換相供電。為防止相間短路，各相間用空氣或絕緣物分割，稱為電分相。目前自動過電分相裝置的基本技術(shù)方案有三種:①地面開關(guān)自動切換方式；②柱上開關(guān)自動切換方式；③車上自動控制斷電方式。上述三種自動過電分相方案都要進行主電路的換相開合操作，機車內(nèi)部過程基本一樣。隨著電力機車向高速發(fā)展、車內(nèi)微機控制的普遍采用和完善，原有的三種自動過分相方案中，由于車載自動過分相具有投資小，適應(yīng)性強等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用［1］。但車載自動過分相實質(zhì)上是斷電過分相，在列車通過分相區(qū)時由于主斷路器斷開，機車不帶電惰性通過分相區(qū)，導(dǎo)致了一系列問題。早期的機車在通過過分相區(qū)時，輔助系統(tǒng)停止供電，對用電設(shè)備的壽命產(chǎn)生影響。隨后人們開始了對過分相區(qū)輔助電源系統(tǒng)不斷電的研究［2］。對幾種典型機車通過過分相區(qū)時的試驗分析，得出列供系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)都不斷電是目前比較理想的方式。1輔助系統(tǒng)和列供系統(tǒng)供電方式輔助系統(tǒng)的三相交流輔助電源根據(jù)輸入側(cè)的不同，可分為交直交型和直交型，兩種供電方式都有一定的應(yīng)用比例。根據(jù)輸出的不同，可分為恒壓恒頻和變壓變頻兩類，一般同一種車型上的三相逆變器具有相同的硬件結(jié)構(gòu)，僅控制方式不同［3］。交直交型三相交流輔助電源輸入端接入牽引變壓器輔助繞組，通過輸入側(cè)整流器、中間直流支撐電路和三相逆變電路后輸出三相交流電，控制方式多采用PWM技術(shù)。其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。交直交型三相輔助電源系統(tǒng)需要在主變壓器上添加輔助繞組，會使主變壓器的體積和質(zhì)量有所增加。圖1交直交型三相輔助電源結(jié)構(gòu)圖直交型三相交流輔助電源的輸入端接入主變流器的中間直流環(huán)節(jié)，控制方式多采用PWM技術(shù)，主要有如圖2~圖4幾種變流實現(xiàn)方式。圖2直交型三相輔助電源變流方式一圖3直交型三相輔助電源變流方式二圖4直交型三相輔助電源變流方式三圖2（方式一）中，直流電經(jīng)三相逆變電路逆變，由變壓器降壓，三相濾波之后輸出三相交流電。該方式所用開關(guān)器件少，控制簡單，工頻變壓器實現(xiàn)了高壓輸入側(cè)與負載電路之間的電氣隔離，但三相輸出電壓易受直流輸入側(cè)電壓波動影響，電路中工頻變壓器體積和質(zhì)量較大，功率開關(guān)器件電壓等級要求較高，電路工作頻率較低。圖3（方式二）中，直流電經(jīng)BUCK降壓斬波電路后接入三相逆變電路，三相濾波之后輸出三相交流電。該方式大幅降低了逆變電路中功率開關(guān)管電壓等級要求，逆變電路輸入端電壓穩(wěn)定，三相輸出質(zhì)量較高，但沒有實現(xiàn)輸入高壓側(cè)與負載電路之間的電氣隔離。圖4（方式三）相比方式二，用高頻隔離降壓電路代替BUCK降壓斬波電路，該方式從系統(tǒng)成本和控制復(fù)雜度上有所增加，但利用高頻變壓器實現(xiàn)電氣隔離，安全性有所提高，體積和質(zhì)量有所下降［4］。圖5列供系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖列供系統(tǒng)的直流600V電源輸入端接入牽引變壓器二次側(cè)的列供繞組，通過二極管整流后輸出直流電，其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。此種方式需要在主變壓器上添加列供繞組，會使主變壓器的體積和質(zhì)量相應(yīng)增加。目前，我國的客運電力機車大多數(shù)采用此種方式實現(xiàn)對旅客列車的供電。2典型機車過分相過程中供電情況分析在環(huán)形試驗線按照既有線模式布置地感器，模擬分相區(qū)。機車通過分相區(qū)時，環(huán)形試驗線變電所根據(jù)車上試驗人員指令斷電和恢復(fù)供電，模擬實現(xiàn)機車的過分相測試。在測試過程中，監(jiān)測機車車載自動過分相裝置的預(yù)告、強迫、恢復(fù)信號、網(wǎng)壓信號、機車速度、牽引電機功率、牽引繞組電壓、牽引繞組電流和牽引變流器中間電壓；監(jiān)測機車輔助電源輸出和列供系統(tǒng)的主要電氣參數(shù)，如列供輸出電壓、輔助VVVF輸出電壓、輔助CVCF輸出電壓等信號［5］。在機車牽引、電制動、惰行三種運行工況下，對自動過分相過程中列供系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)電源的狀態(tài)進行了測試。A型機車為貨運機車只有輔助系統(tǒng)電源輸出，沒有列供電源輸出。該型機車采用的是從主變流器的中間直流環(huán)節(jié)取電的方式。在通過過分相區(qū)過程中，主斷路器斷開，牽引變流器和牽引電機停止工作。圖6~圖8分別為該型機車在牽引工況、電制工況和惰行工況下通過過分相區(qū)時的主要信號的波形圖。圖6A型機車牽引工況過分相區(qū)試驗曲線圖7A型機車電制動工況過分相區(qū)試驗曲線圖8A型機車惰行工況過分相區(qū)試驗曲線通過測試可以得出，在三種工況下，機車在過分相過程中，機車速度在110km/h左右，牽引電機停止工作，輸出功率基本為零；牽引變流器中間電壓出現(xiàn)下降現(xiàn)象;牽引繞組電壓、牽引繞組電流都出現(xiàn)了回零現(xiàn)象；輔助電源系統(tǒng)的VVVF和CVCF輸出電壓都出現(xiàn)了斷電現(xiàn)象。采用該種供電方式的機車可以通過升級改造實現(xiàn)輔助電源系統(tǒng)的不斷電。B型機車為客運機車既有輔助系統(tǒng)電源輸出也有列供電源輸出。該型機車輔助系統(tǒng)采用的是從主變流器的中間直流環(huán)節(jié)取電的方式，列供系統(tǒng)采用的是從主變壓列供繞組取電的方式。在通過過分相區(qū)過程中，主斷路器斷開，牽引電機工作在電制工況，牽引逆變器工作在整流狀態(tài)，實現(xiàn)牽引變流器中壓的保持，輔助逆變器從牽引變流器中壓取電，保持輔助系統(tǒng)VVVF和CVCF電壓的持續(xù)輸出。圖9~圖11分別為該型機車在牽引工況、電制工況和惰行工況下通過過分相區(qū)時的主要信號的波形圖。圖9B型機車牽引工況過分相區(qū)試驗曲線圖10B型機車電制工況過分相區(qū)試驗曲線圖11B型機車惰行工況過分相區(qū)試驗曲線通過測試可以得出，在三種工況下，機車在過分相過程中，機車速度在100km/h左右，牽引電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，回饋功率在400kW左右；牽引變流器中間電壓基本保持；牽引繞組電壓、牽引繞組電流都出現(xiàn)了回零現(xiàn)象；輔助電源系統(tǒng)的VVVF和CVCF輸出電壓保持了恒定，但列供系統(tǒng)輸出電壓出現(xiàn)了斷電現(xiàn)象。采用該種供電方式的機車可以通過升級改造實現(xiàn)列供系統(tǒng)的不斷電。C型機車為客運機車既有輔助系統(tǒng)電源輸出也有列供電源輸出。該型機車輔助系統(tǒng)采用的是從主變壓輔助繞組取電的方式，列供系統(tǒng)采用的是從主變壓列供繞組取電的方式。在通過過分相區(qū)過程中，主斷路器斷開，牽引電機工作在電制工況，牽引逆變器工作在整流狀態(tài)，實現(xiàn)牽引變流器中壓的保持，牽引四象限整流器工作在逆變狀態(tài)，將能量回饋到牽引繞組，通過能量的耦合將能量傳遞給輔助繞組和列供繞組，保持輔助系統(tǒng)和列供系統(tǒng)的持續(xù)供電［6-7］。圖12~圖14分別為該型機車在牽引工況、電制工況和惰行工況下通過過分相區(qū)時的主要信號的波形圖。圖12C型機車牽引工況過分相區(qū)試驗曲線圖13C型機車電制工況過分相區(qū)試驗曲線圖14C型機車惰行工況過分相區(qū)試驗曲線通過測試可以得出，在過分相過程中，機車速度在120km/h左右，牽引電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，回饋功率在600kW左右；牽引變流器中間電壓基本保持；牽引繞組電壓基本保持，牽引繞組中有電流流過；輔助電源系統(tǒng)的VVVF和CVCF輸出電壓保持了恒定，列供系統(tǒng)輸出電壓也保持了恒定。該型機車在過分相過程中實現(xiàn)了三種工況下輔助系統(tǒng)和列供系統(tǒng)的不斷電功能。3結(jié)束語機車通過分相區(qū)時，如果輔助系統(tǒng)和列供系統(tǒng)斷電，頻繁的啟停對輔助系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和列車供電系統(tǒng)的壽命和可靠性會產(chǎn)生影響，甚至?xí)驗榻?jīng)常的主斷路器分合而引起操作過電壓損壞設(shè)備。實現(xiàn)輔助供電系統(tǒng)和列供系統(tǒng)不斷電自動過分相，既可以減少輔助系統(tǒng)接觸器、蓄電池、空調(diào)、照明等設(shè)備的運用、維修成本，還可以提高了列車運行的可靠性和運用效率，具有重要的經(jīng)濟效益［8］。此外，隨著人們生活水平的提高，對交通工具的舒適度要求越來越高，空調(diào)、照明等設(shè)備斷電對旅客的乘車舒適度都有很大的影響。對于牽引旅客列車的機車，實現(xiàn)過分相過程中列供系統(tǒng)不斷電，對改善旅客的乘車舒適性也有重要意義。因此，實現(xiàn)機車通過分相過程中，輔助系統(tǒng)和列供系統(tǒng)不斷電具有很好的推廣應(yīng)用價值。目前，我國有大量的機車還沒有實現(xiàn)過分相過程中不斷電的功能，通過優(yōu)化升級實現(xiàn)對現(xiàn)有機車的輔助供電系統(tǒng)和列供系統(tǒng)進行改造，對機車的經(jīng)濟性、安全性和舒適性都有明顯的提高。參考文獻：【相關(guān)文獻】嚴云升.電力機車和電動車組自動過分相方案的發(fā)展方向[J].機車電傳動，2004,41(6):7-10.竇新立.機車過分相區(qū)輔助系統(tǒng)不間斷供電技術(shù)[J].機車電傳動，2007,48(2):31-32.熊成林，馮曉云.不同結(jié)構(gòu)的列車輔助供電系統(tǒng)分析與比較[J].機車電傳動，2008,49(2):15-19.