電力機(jī)車(chē)輔助電源系統(tǒng)的分析與比較

1 引言

電力機(jī)車(chē)輔助電源系統(tǒng)是機(jī)車(chē)的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著除機(jī)車(chē)牽引系統(tǒng)主電路以外各種裝置的供電任務(wù)，是提供風(fēng)源的空氣壓縮機(jī)、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。機(jī)車(chē)輔助電源系統(tǒng)由三相交流輔助電源和直流電源系統(tǒng)組成。早期的電力機(jī)車(chē)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，需經(jīng)常檢查、維修。隨著電力電子和開(kāi)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(chē)各輔助電機(jī)提供對(duì)稱(chēng)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。為防止因輔助供電設(shè)備故障而影響機(jī)車(chē)正常運(yùn)行，輔助逆變系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置各種故障保護(hù)及冗余功能。機(jī)車(chē)直流電源系統(tǒng)主要由整流裝置、蓄電池組成，為機(jī)車(chē)的控制系統(tǒng)及照明系統(tǒng)等提供所需直流電源，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)，由蓄電池給上述設(shè)備供電。

2 三相交流輔助電源系統(tǒng)

該系統(tǒng)多采用輔助變流器生成三相交流電壓為機(jī)車(chē)輔助電氣設(shè)備供電。輔助變流器根據(jù)輸入側(cè)的不同將主電路可分為交一直一交型和直一交型；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。

在機(jī)車(chē)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，按照不同狀態(tài)下設(shè)備所需要的功率來(lái)涮節(jié)電壓和頻率的VVVF輔助變流器。通常，在同一種車(chē)型上的CVCF逆變器和VVVF逆變器硬件結(jié)構(gòu)相同，僅控制方式不同。下面分別探討交一直一交型和直一交型輔助變流器的實(shí)現(xiàn)方案。

2．1 交一直一交型輔助變流器

交一直一交型輔助變流器是南牽引變壓器輔助繞組供電，與牽引變流器相同，一般由網(wǎng)側(cè)變流器、中間直流環(huán)節(jié)、三相逆變器3部分組成。由于接觸網(wǎng)電壓的波動(dòng)較大，因此，交一直一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(jiǎn)單，造價(jià)較低，但網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)較低，對(duì)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(kāi)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)特性好。圖1是交一直一交型輔助變流器的典型電路，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。交一直一交型輔助變流器的缺點(diǎn)是過(guò)分相時(shí)將失電，所有三相輔機(jī)均停止運(yùn)行。


與傳統(tǒng)的劈相機(jī)電源系統(tǒng)相比，采用交一直一交型結(jié)構(gòu)的輔助變流器特點(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(kāi)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，溫度上升，影響輔助變流器的性能。(4)變流器的啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，有效減少輔助電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。(5)工作在較大網(wǎng)壓范圍內(nèi)。(6)三相輸出電壓穩(wěn)定、平衡。

2．2 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。有兩種控制方式：一種是先逆變，再通過(guò)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(guò)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，通常需要增加濾波環(huán)節(jié)。方式1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2中，則將濾波器放置在逆變器輸出之后。

方式1中，△-Y型變壓器不僅實(shí)現(xiàn)降壓功能，還實(shí)現(xiàn)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(kāi)關(guān)元器件數(shù)量少、控制較為簡(jiǎn)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(kāi)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)供電的場(chǎng)合。

方式2中，可采取不同的電路實(shí)現(xiàn)降壓。最簡(jiǎn)單的是單管降壓斬波器，該器件有以下特點(diǎn)：(1)通過(guò)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(duì)三相逆變器輸出的影響；(2)整個(gè)電路中僅需1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(duì)逆變器和負(fù)載等的保護(hù)電路。

與交一直一交型輔助變流器相比，直一交型輔助變流器具有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：(1)無(wú)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。

3 直流電源系統(tǒng)

目前鐵道機(jī)車(chē)上直流電源系統(tǒng)有相控型(AC／DC)直流電源系統(tǒng)和IPM高頻開(kāi)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(kāi)關(guān)電源是采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的一種高效、高精度電源，可多模塊并聯(lián)_丁作。該電源的電池兼容性高、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。由于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(jiǎn)便，所以特別適合電力機(jī)車(chē)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?，F(xiàn)將晶閘管相控電源直流系統(tǒng)與高頻開(kāi)關(guān)電源直流系統(tǒng)做一比較，如表1所示，其余性能指標(biāo)滿足TB1395-81中的要求。

4 其他系統(tǒng)

電力機(jī)車(chē)除了三相負(fù)載，常見(jiàn)的還有單相220 V、50 Hz負(fù)載。通常有兩種獲得單相220 V、50 Hz電源的途徑：(1)在有三相輔助變壓器的系統(tǒng)中，變壓器輸出三相380 V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(jiǎn)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220 V。該方法多一個(gè)變壓器，且會(huì)引起三相電源負(fù)荷不平衡，一般應(yīng)用在無(wú)三相輔助變壓器的系統(tǒng)中。

5 幾種典型機(jī)車(chē)的輔助電源系統(tǒng)

在機(jī)車(chē)輔助電源系統(tǒng)中，機(jī)車(chē)直流電源系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，在進(jìn)行輔助電源系統(tǒng)比較時(shí)主要進(jìn)行三相交流輔助電源系統(tǒng)的比較。表2歸納了國(guó)產(chǎn)交一

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