采用IGBT的電力機車新型輔助電源系統(tǒng)的應(yīng)用研究

1 引言

電力機車輔助電源系統(tǒng)是機車的重要組成部分，擔(dān)負著除機車牽引系統(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、空調(diào)、通風(fēng)機等輔助電動機的三相交流電源，電熱器、冰箱、信息顯示裝置的電源等。機車輔助電源系統(tǒng)由三相交流輔助電源和直流電源系統(tǒng)組成。早期的電力機車三相交流輔助電源裝置采用旋轉(zhuǎn)劈相機方式，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)的劈相機三相交流系統(tǒng)。輔助逆變系統(tǒng)不僅為機車各輔助電機提供對稱三相電源，同時可滿足輔助電機軟啟動、軟制動，不受電網(wǎng)波動影響。為防止因輔助供電設(shè)備故障而影響機車正常運行，輔助逆變系統(tǒng)同時設(shè)置各種故障保護及冗余功能。機車直流電源系統(tǒng)主要由整流裝置、蓄電池組成，為機車的控制系統(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，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)機噪聲，按照不同狀態(tài)下設(shè)備所需要的功率來涮節(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，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）等。交一直一交型輔助變流器的缺點是過分相時將失電，所有三相輔機均停止運行。

與傳統(tǒng)的劈相機電源系統(tǒng)相比，采用交一直一交型結(jié)構(gòu)的輔助變流器特點：（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)電壓波動時中間直流電壓的穩(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)動作產(chǎn)生的脈沖分量會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）變流器的啟動方式為軟啟動，有效減少輔助電動機的啟動電流。（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現(xiàn)直流電到三相交流電的變換。由于輸入電壓較高，為達到輸出輔助電氣設(shè)備所要求的電壓等級，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；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型變壓器不僅實現(xiàn)降壓功能，還實現(xiàn)高壓輸入電源回路和負載回路之間的相互隔離。此電路的特點是開關(guān)元器件數(shù)量少、控制較為簡單，缺點是輸出三相電壓易受直流輸入電壓的影響，且當直流輸入電壓較高時逆變器開關(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)供電的場合。

方式2中，可采取不同的電路實現(xiàn)降壓。最簡單的是單管降壓斬波器，該器件有以下特點：（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對三相逆變器輸出的影響；（2）整個電路中僅需1只大功率高壓IGBT元件，逆變器則可選擇較低電壓級別的IGBT元件，以降低設(shè)備成本。但這種方式?jīng)]有實現(xiàn)輸入電壓與輸出電壓之間的隔離，同時還應(yīng)設(shè)置在降壓斬波器失去控制后對逆變器和負載等的保護電路。

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顯著特點：（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。

3 直流電源系統(tǒng)

目前鐵道機車上直流電源系統(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，各項技術(shù)指標均遠遠優(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，維修更換極為簡便，所以特別適合電力機車動態(tài)負荷多、穩(wěn)壓、穩(wěn)流、紋波精度要求高和N+1的冗余配置的要求。現(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)做一比較，如表1所示，其余性能指標滿足TB1395-81中的要求。

4 其他系統(tǒng)

電力機車除了三相負載，常見的還有單相220 V、50 Hz負載。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，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220 V。該方法多一個變壓器，且會引起三相電源負荷不平衡，一般應(yīng)用在無三相輔助變壓器的系統(tǒng)中。

5 幾種典型機車的輔助電源系統(tǒng)

在機車輔助電源系統(tǒng)中，機車直流電源系統(tǒng)比較簡單，在進行輔助電源系統(tǒng)比較時主要進行三相交流輔助電源系統(tǒng)的比較。表2歸納了國產(chǎn)交一直傳動韶山7E（簡稱SS7E）型電力機車和交一直一交傳動HXD1、HXD2、HXD3 三種型號的“和諧”系列電力機車的輔助電源系統(tǒng)。

SS7E型電力機車三相交流輔助電源系統(tǒng)，采用四象限整流器將送入的單相340 V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?00V中間電壓，再由逆變器將直流600 V轉(zhuǎn)變?yōu)槿?80 V，經(jīng)EMC濾波器濾波后輸出，一路作為機車用三相輔助電源，另一路經(jīng)LC濾波器再次濾波后為自身冷卻風(fēng)機提供三相電源。

HXD1機車由三相變壓器將三相恒壓恒頻交流電（440 V、60 Hz）變?yōu)槿?30 V、60 Hz交流電，供給相應(yīng)負載。另外，由于HXD1機車三相交流電壓為440 V、60 Hz，為與國內(nèi)設(shè)備兼容，設(shè)置了DC110 V／單相230 V、50 Hz轉(zhuǎn)換模塊。

通過上述分析可以得到如下結(jié)論：

（1）采用交一直一交型輔助變流器，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)對機車主電路的要求較高。但由于系統(tǒng)只需要進行交一直、直一交兩個環(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，整個系統(tǒng)效率高，技術(shù)實現(xiàn)較容易。

（2）采用直一交型輔助變流器，可省去輔助繞組，提高機車再生制動時的能量利用率。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2 000 V），可直接利用逆變器進行逆變，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，系統(tǒng)的效率較高。但由于開關(guān)器件電壓等級較高，基于降低能耗考慮，其開關(guān)頻率會受到限制，因此輸出電壓波形不會很理想，而且降壓變壓器也會使機車增加額外重量，增加成本。②對于中間環(huán)節(jié)電壓超過2 000 V的，一般采用直一直變換，中間電壓600V左右，然后進行逆變。這種結(jié)構(gòu)在直一直變換環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，器件多、電壓等級較高，還需要增加脈沖變壓器進行隔離，因此系統(tǒng)復(fù)雜、效率較低。

6 結(jié)束語

通過對電力機車輔助電源系統(tǒng)進行分析和比較，可以看出，在現(xiàn)有開關(guān)器件制造水平和性價比的基礎(chǔ)上，采用交一直一交型的輔助電源系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢，但對機車牽引變壓器的要求較高：采用直一交型輔助電源系統(tǒng)，雖然可以去掉輔助繞組，提高機車再生制動時的能量利用率，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)器件和微機控制技術(shù)的發(fā)展，今后的電力機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。

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