電力機(jī)車輔助電源系統(tǒng)的分析與比較

1、電力機(jī)車輔助電源系統(tǒng)的分析與比較電力機(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)等輔助的三相溝通電源，電熱器、冰箱、信息顯示裝置的電源等。機(jī)車輔助電源系統(tǒng)由三相溝通輔助電源和直流電源系統(tǒng)組成。早期的電力機(jī)車三相溝通輔助電源裝置采納旋轉(zhuǎn)劈相機(jī)方式，這種電源裝置體積大、分量重、響應(yīng)性差、效率低、噪聲大，故障率高，需常常檢查、修理。隨著和開關(guān)器件的進(jìn)展，采納的新型輔助逆變系統(tǒng)正在替代傳統(tǒng)的劈相機(jī)三相溝通系統(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。為防止因輔助供電

2、設(shè)備故障而影響機(jī)車正常運(yùn)行，輔助逆變系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置各種故障庇護(hù)及冗余功能。機(jī)車直流電源系統(tǒng)主要由整流裝置、蓄電池組成，為機(jī)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、牽引故障時(shí)，由蓄電池給上述設(shè)備供電。2 三相溝通輔助電源系統(tǒng)該系統(tǒng)多采納輔助變流器生成三相溝通為機(jī)車輔助電氣設(shè)備供電。輔助變流器按照輸入側(cè)的不同將主電路可分為交向來一交型和直一交型；按照輸出的不同，可分為恒壓恒頻(cvcf)和變壓變頻(vvvf)逆變器。在機(jī)車上，除了提供恒壓恒頻的輔助變流器，為節(jié)省能耗、降低通風(fēng)機(jī)噪聲，根據(jù)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

3、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。下面分離探討交向來一交型和直一交型輔助變流器的實(shí)現(xiàn)計(jì)劃。21 交向來一交型輔助變流器交向來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，普通由網(wǎng)側(cè)變流器、中間直流環(huán)節(jié)、三相逆變器3部分組成。因?yàn)榻佑|網(wǎng)電壓的波動(dòng)較大，因此，交向來一交型輔助變流器輸入的單相溝通電也有較大的波動(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)必需采納可控整流電路。以前多采納相控整流電路，電路和控制容易，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。隨著電力技術(shù)的進(jìn)展，脈沖整流器已開頭取代相控整流器，它可使網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)臨近1，且

4、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好。圖1是交向來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，三相逆變器inv，輸入接觸器k、ak，輸入輸出acct、ctu、ctw，中間電壓傳感器 vt(冗余設(shè)計(jì))等。交向來一交型輔助變流器的缺點(diǎn)是過分相時(shí)將失電，全部三相輔機(jī)均停止運(yùn)行。與傳統(tǒng)的劈相機(jī)電源系統(tǒng)相比，采納交向來一交型結(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)因?yàn)樽儔浩鞫卫@組之間存在耦合，脈沖整流器開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的脈沖重量會疊加到牽引變壓器輔助繞組的輸出電壓上，使輔助變流器電壓上升，溫度

5、升高，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)，有效削減輔助電動(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。22 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)直流電到三相溝通電的變換。因?yàn)檩斎腚妷狠^高，為達(dá)到輸出輔助電氣設(shè)備所要求的電壓等級，普通需要增強(qiáng)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溝通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，再舉行逆變。圖2和圖3分離給出了兩種輔助變流器的電路結(jié)構(gòu)。為得到品質(zhì)良好的三相溝通電源，通常需要增強(qiáng)濾

6、波環(huán)節(jié)。方式1中，三相電抗器濾波或三相l(xiāng)c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)載回路之間的互相隔離。此電路的特點(diǎn)是開關(guān)元器件數(shù)量少、控制較為容易，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。因此該計(jì)劃比較適，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，可實(shí)行不同的電路實(shí)現(xiàn)降壓。最容易的是單管降壓斬波器，該器件有以下特點(diǎn)：(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，從而消退輸入電壓的波動(dòng)對三相逆變器

7、輸出的影響；(2)囫圇電路中僅需1只大功率高壓igbt元件，逆變器則可挑選較低電壓級別的igbt元件，以降低設(shè)備成本。但這種方式?jīng)]有實(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)載等的庇護(hù)電路。與交向來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)無需牽引變壓器提供輔助繞組，而是挺直從牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)取流；(2)必需實(shí)行降壓措施，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)車上直流電源系統(tǒng)有相控型(acdc)直流電源系統(tǒng)和ipm高頻開關(guān) (dcdc)電源系統(tǒng)。傳統(tǒng)的相控直流電源因?yàn)槠骷图夹g(shù)兩方面的緣由，工作頻率低，體積大，噪音

8、高，技術(shù)指標(biāo)和可控性都較差。高頻是采納軟開關(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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)電源，是相控電源更新?lián)Q代的抱負(fù)產(chǎn)品。因?yàn)檩斎胼敵鼋涌诙疾杉{硬接插件(熱插板)銜接方式，修理更換極為簡便，所以特殊適合電力機(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?，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)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)車除了三相負(fù)載，頻繁的還有單相220 v、50 hz負(fù)載。通常有兩種獲

9、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溝通電，并有中性點(diǎn)，即可取三相溝通電的相電壓。該辦法容易、挺直；(2)采納單相變壓器將三相溝通電的線電壓降壓為單相溝通220 v。該辦法多一個(gè)變壓器，且會引起三相電源負(fù)荷不平衡，普通應(yīng)用在無三相輔助變壓器的系統(tǒng)中。5 幾種典型機(jī)車的輔助電源系統(tǒng)在機(jī)車輔助電源系統(tǒng)中，機(jī)車直流電源系統(tǒng)比較容易，在舉行輔助電源系統(tǒng)比較時(shí)主要舉行三相溝通輔助電源系統(tǒng)的比較。表2歸納了國產(chǎn)交向來傳動(dòng)韶山7e(簡稱ss7e)型電力機(jī)車和交向來一交傳動(dòng)hxd1、hxd2、hxd3 三種型號的“和睦”系列電力機(jī)車的輔助電源系統(tǒng)。

10、ss7e型電力機(jī)車三相溝通輔助電源系統(tǒng)，采納四象限整流器將送入的單相340 v溝通電改變?yōu)橹绷?00v中間電壓，再由逆變器將直流600 v改變?yōu)槿?80 v，經(jīng)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)車由三相變壓器將三相恒壓恒頻溝通電(440 v、60 hz)變?yōu)槿?30 v、60 hz溝通電，供應(yīng)相應(yīng)負(fù)載。另外，因?yàn)閔xd1機(jī)車三相溝通電壓為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)采納交向來一交型輔助變流器，必需在牽引變壓器

11、上增強(qiáng)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。但因?yàn)橄到y(tǒng)只需要舉行交向來、直一交兩個(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，囫圇系統(tǒng)效率高，技術(shù)實(shí)現(xiàn)較簡單。(2)采納直一交型輔助變流器，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：對于中間環(huán)節(jié)電壓不是很高的系統(tǒng)(普通不超過2 000 v)，可挺直利用逆變器舉行逆變，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、控制容易、開關(guān)器件少，系統(tǒng)的效率較高。但因?yàn)殚_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抱負(fù)，而且降壓變壓器也會使機(jī)車增強(qiáng)額外分量，增強(qiáng)成本。對于中間環(huán)節(jié)電壓超過2 000 v的，普通采納直向來變換，中間電壓600v左右，然后舉行逆變。這種結(jié)構(gòu)在直向來變換環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，器件多、電壓等級較高，還需要增強(qiáng)脈沖變壓器舉行隔離，因此系統(tǒng)復(fù)雜、效率較低。6 結(jié)束語通過對電力機(jī)車輔助電源系統(tǒng)舉行分析和比較，可以看出，在現(xiàn)有開關(guān)器件創(chuàng)