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1 引言 電力機車輔助電源系統是機車的重要組成部分，擔負著除機車牽引系統主電路以外各種裝置的供電任務，是提供風源的空氣壓縮機、空調、通風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。機車輔助電源系統由三相交流輔助電源和直流電源系統組成。早期的電力機車三相交流輔助電源裝置采用旋轉劈相機方式，這種電源裝置體積大、重量重、響應性差、效率低、噪聲大，故障率高，需經常檢查、維修。隨著電力電子和開關器件的發展，采用IGBT的新型輔助逆變系統正在替代傳統的劈相機三相交流系統。輔助逆變系統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，不受電網波動影響。為防止因輔助供電設備故障而影響機車正常運行，輔助逆變系統同時設置各種故障保護及冗余功能。機車直流電源系統主要由整流裝置、蓄電池組成，為機車的控制系統及照明系統等提供所需直流電源，為蓄電池充電，在升弓前或高壓設備、牽引變壓器故障時，由蓄電池給上述設備供電。 2 三相交流輔助電源系統 該系統多采用輔助變流器生成三相交流電壓為機車輔助電氣設備供電。輔助變流器根據輸入側的不同將主電路可分為交一直一交型和直一交型；根據輸出的不同，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，為節約能耗、降低通風機噪聲，按照不同狀態下設備所需要的功率來涮節電壓和頻率的VVVF輔助變流器。通常，在同一種車型上的CVCF逆變器和VVVF逆變器硬件結構相同，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，一般由網側變流器、中間直流環節、三相逆變器3部分組成。由于接觸網電壓的波動較大，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，為了獲得穩定的中間直流環節電壓，輔助變流器的網側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，但網側的功率因數較低，對電網的影響大。隨著電力電子技術的發展，脈沖整流器已開始取代相控整流器，它可使網側的功率因數接近1，且動態響應特性好。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。 與傳統的劈相機電源系統相比，采用交一直一交型結構的輔助變流器特點：(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較高的功率因素以及電網電壓波動時中間直流電壓的穩定。(3)由于變壓器二次繞組之間存在耦合，脈沖整流器開關動作產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)工作在較大網壓范圍內。(6)三相輸出電壓穩定、平衡。 2．2 直-交型輔助變流器系統 直-交型輔助變流器是從主變流器的中間直流環節取流，因此它只需要逆變器就可實現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備所要求的電壓等級，一般需要增加降壓設備。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構。 為得到品質良好的三相交流電源，通常需要增加濾波環節。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型變壓器不僅實現降壓功能，還實現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元器件數量少、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節供電的場合。 方式2中，可采取不同的電路實現降壓。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，以降低設備成本。但這種方式沒有實現輸入電壓與輸出電壓之間的隔離，同時還應設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節取流；(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 目前鐵道機車上直流電源系統有相控型(AC／DC)直流電源系統和IPM高頻開關 (DC／DC)電源系統。傳統的相控直流電源由于器件和技術兩方面的原因，工作頻率低，體積大，噪音高，技術指標和可控性都較差。高頻開關電源是采用軟開關技術的一種高效、高精度電源，可多模塊并聯_丁作。該電源的電池兼容性高、直流可控性好、功率因數高、噪音低、均流性好、體積小、直流成分純凈度高，各項技術指標均遠遠優于傳統可控硅電源，是相控電源更新換代的理想產品。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負荷多、穩壓、穩流、紋波精度要求高和N+1的冗余配置的要求�，F將晶閘管相控電源直流系統與高頻開關電源直流系統做一比較，如表1所示，其余性能指標滿足TB1395-81中的要求。 4 其他系統 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，一般應用在無三相輔助變壓器的系統中。 5 幾種典型機車的輔助電源系統 在機車輔助電源系統中，機車直流電源系統比較簡單，在進行輔助電源系統比較時主要進行三相交流輔助電源系統的比較。表2歸納了國產交一直傳動韶山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。 SS7E型電力機車三相交流輔助電源系統，采用四象限整流器將送入的單相340 V交流電轉變為直流600V中間電壓，再由逆變器將直流600 V轉變為三相380 V，經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LC濾波器再次濾波后為自身冷卻風機提供三相電源。 HXD1機車由三相變壓器將三相恒壓恒頻交流電(440 V、60 Hz)變為三相230 V、60 Hz交流電，供給相應負載。另外，由于HXD1機車三相交流電壓為440 V、60 Hz，為與國內設備兼容，設置了DC110 V／單相230 V、50 Hz轉換模塊。 通過上述分析可以得到如下結論： (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，因此系統對機車主電路的要求較高。但由于系統只需要進行交一直、直一交兩個環節的變換，開關器件的額定電壓低，所以器件數量少、成本低，整個系統效率高，技術實現較容易。 (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對于中間環節電壓不是很高的系統(一般不超過2 000 V)，可直接利用逆變器進行逆變，然后再經降壓變壓器降壓。這種結構中間環節少、控制簡單、開關器件少，系統的效率較高。但由于開關器件電壓等級較高，基于降低能耗考慮，其開關頻率會受到限制，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對于中間環節電壓超過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。這種結構在直一直變換環節比較復雜，器件多、電壓等級較高，還需要增加脈沖變壓器進行隔離，因此系統復雜、效率較低。 6 結束語 通過對電力機車輔助電源系統進行分析和比較，可以看出，在現有開關器件制造水平和性價比的基礎上，采用交一直一交型的輔助電源系統具有一定的優勢，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，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，但也存在系統重量增加，效率降低的問題。 隨著IPM等開關器件和微機控制技術的發展，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、高可靠性等方向發展。 |
