铁道机车车辆辅助电源系统研究分析.docVIP

铁道机车车辆辅助电源系统的研究 郭晓燕 （铁道科学研究院机车车辆研究所，北京，100081） 摘要：辅助电源系统是电动车组、电力机车、城轨车辆等铁道机车车辆必不可少的重要组成部分。本文综合分析比较了电动车组、电力机车、城轨车辆三相交流辅助电源系统和直流辅助电源系统的不同电路实现方案及其特点，并介绍了200km/h动车组和“和谐”系列机车的辅助电源系统的组成及主要技术参数。 关键词：辅助电源，动车组，机车 引言 为保证列车牵引、制动等系统的正常运行，车上设有各种必需的辅助机械装置，包括各冷却用风机、变压器冷却用油泵、变流器冷却用水泵，为制动、受电弓等各种气动机械装置提供风源的空气压缩机等。此外，为保证良好、舒适的乘坐环境和工作环境，车上还设置了空调、电热器、通风机、冰箱、信息显示装置、自动售货机等电器设备。为此，列车上必须有三相交流辅助电源系统。同时，列车的控制系统及照明系统等则需要由直流电源供电，在升弓前或高压设备、牵引变压器故障时，由蓄电池供电。三相交流电源系统和直流电源系统二者统称为辅助电源系统。 初期的电力机车辅助电源装置采用电动发电机（MG）或旋转劈相机方式，它体积大、重量重、响应性差、效率低、噪声大，需要经常进行检查、维修。1958年晶闸管面世后，出现了静止式辅助电源装置（SIV），该方式没有电刷和旋转部分，维修量大为减少，容量、效率、体积等方面均有提高。随着电力电子和开关器件的发展，目前电动车组、电力机车、城轨列车基本都采用IGBT的静止辅助电源装置，做到了体积小、重量轻、效率高、性能佳。同时，为提高列车运行可靠性，辅助电源设置了各种故障保护以及冗余功能。 三相交流辅助电源系统 三相交流辅助电源系统多采用辅助变流器生成三相交流电压为机车、动车组上辅助电气设备供电。辅助变流器根据输入侧的不同，主电路可分为交-直-交型和直-交型；根据输出的不同，可分为恒压恒频（CVCF）逆变器和变压变频（VVVF）逆变器；根据主电路电平级数的不同，可分为两电平辅助变流器和三电平辅助变流器。 动车组辅助逆变器一般为CVCF逆变器。在机车上，除了提供恒压恒频的辅助变流器，为节约能耗、降低通风机噪声，还有按照不同状态下设备所需要的功率来调节电压和频率的VVVF辅助变流器。通常，在同一种车型上的CVCF逆变器和VVVF逆变器硬件结构相同，仅控制方式不同。 三电平辅助变流器的特点是可降低开关器件的耐压等级，输出波形较好，谐波较少，但采用的器件较多，控制方式也较复杂，因此，随着电力电子器件的发展，结构和控制均简单的两电平辅助变流器占据了主流地位。下面分别探讨交-直-交型和直-交型辅助变流器的实现方案。 2.1交-直-交型辅助变流器 交-直-交型辅助变流器是由牵引变压器辅助绕组供电，与牵引变流器相同，一般也是由网侧变流器、中间直流回路、三相逆变器三部分组成。由于接触网电压的波动较大，因此，交-直-交型辅助变流器输入的单相交流电也有较大的波动，为了获得稳定的中间直流回路电压，辅助变流器的网侧必须采用可控整流电路。以前多采用相控整流电路，电路和控制简单，造价较低，但网侧的功率因数较低，对电网的影响大。随着电力电子技术的发展，脉冲整流器已开始取代相控整流器，它可使网侧的功率因数接近1，且动态响应性好。图1给出了交-直-交型辅助变流器的典型电路，包括脉冲整流器COV，中间支撑电容，三相逆变器INV，输入接触器K、AK，输入输出电流传感器ACCT、CTU、CTW，中间电压传感器VT(冗余设计)等。交-直-交型辅助变流器的缺点是过分相时将失电，所有三相辅机均停止运行。 图1 交-直-交型辅助变流器电路图 2.2直-交型辅助变流器系统 直-交型辅助变流器是从直流电网（DC750V或DC1500V）或直接从牵引变流器的中间直流环节取电，由逆变器实现直流电到三相交流电的转换。直-交型辅助变流器在机车、动车组、城轨等场合得到了越来越广泛的应用。 由于输入电压较高，为保证输出辅助电气设备所要求的电压等级，一般需要增加降压设备。有两种方式，一种是先逆变，再通过三相降压变压器将较高的交流电压降到所要求的电压等级；另一种是先通过降压电路将直流输入电压降低到合适的值，再进行逆变。图2和图3分别给出了两种辅助变流器的电路结构。 为得到品质良好的三相交流电源，通常需要增加滤波环节。在方式一中，三相电抗器/电容器滤波或三相LC滤波器可放置在逆变器和降压变压器之间，也可放置在变压器之后。方式二中，则将滤波器放置在逆变器输出之后。 图2 直-交型辅助变流器（方式一） 图3（a）直-交型辅助变流器（方式二） 图3（b）直-交型辅助变流器（方式二） 方式一中，Δ-Y型变压器不仅实现降压的功能，还实现了高压输入电源回路和负载回路之间的相互隔离。此电路的特点是开关元器件数量少、控制较为简单，缺点