电力机车辅助电源系统的讨论

电力机车辅助电源系统的分析与比较

冷静涛

（朔黄铁路机辆分公司 河北省肃宁县 062350）

摘要：辅助电源系统是电力机车必不可少的重要组成部分。本文综合分析电力机车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,最后介绍了SS7E和“和谐”系列机车的辅助电源系统组成及主要技术参数并进行了比较。

关键词：电力机车 辅助电源系统 控制方式 电路 结构特点

0引言

电力机车机车辅助电源系统是机车的重要组成部分，担负着除机车牵引系统主电路以外各种装置的供电任务，如牵引/制动控制装置的控制电源，各冷却用风机、变压器冷却用油泵、变流器冷却用水泵、制动/受电弓等各种气动机械装置提供风源的空气压缩机、空调、 通风机等辅助电动机的三相交流电源，电热器、冰箱、信息显示装置的电源等等。机车辅助电源系统由三相交流辅助电源系统和直流电源系统组成。

早期的电力机车三相交流辅助电源装置采用旋转劈相机方式，这种电源装置体积大、重量重、响应性差、效率低、噪声大，故障率高，需要经常进行检查、维修。随着电力电子和开关器件的发展，采用IGBT的新型辅助逆变系统正在替代传统的劈相机三相交流系统。辅助逆变系统不仅为机车各辅助电机提供对称三相电源，同时可满足辅助电机软启动、软制动，不受电网波动影响的特殊要求。为了防止因辅助供电设备故障而影响机车的正常运行，辅助逆变系统同时设置了各种故障保护以及冗余功能[7]。

机车直流电源系统主要由整流装置、蓄电池组成，向机车的控制系统及照明系统等提供所需要的直流电源，为蓄电池充电，在升弓前或高压设备、牵引变压器故障时，由蓄电池供电向上述设备供电。

1．三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[1]。

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

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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。下面分别探讨交-直-交型和直-交型辅助变流器的实现方案。 1.1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，一般是由网侧变流器、中间直流环节、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环节电压，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[4]。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。

COV主变压器辅助绕组ACCTAKKVTVTUVINVCTUWCTW 图1 交-直-交型辅助变流器电路图

与传统的劈相机电源系统相比，采用交-直-交型结构的辅助变流器具有以下特点： 1．仍然需要由牵引变压器辅助绕组为辅助变流器供电。

2．脉冲整流器可保证输入侧较高的功率因素以及电网电压波动时中间直流电压的稳定。 3．由于变压器二次绕组之间存在耦合，脉冲整流器开关动作产生的脉冲分量会叠加到牵引变压器辅助绕组的输出电压上，使辅助变流器电压升高，温升上升，影响辅助变流器的性能

4．变流器的起动方式为软起动，有效减少辅助电动机的起动电流。 5．可以在较大网压范围内工作。 6．三相输出电压稳定、平衡。 1.2直-交型辅助变流器系统

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直-交型辅助变流器是从主变流器的中间直流环节取流，因此它只需要逆变器就可实现直流电到三相交流电的变换。由于输入电压较高，为达到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。一般有两种控制方式，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。

直流输入相V交流W输N出图2 直-交型辅助变流器（方式一）

U三

降压斩波器直流输入VT三相交流输出

图3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，缺点是输出三相电压易受直流输入电压的影响，且当直流输入电压较高时逆变器开关元件的耐压要求高，成本较高。因此该方案比较适用于由牵引变流器中间直流环节供电场合。

方式二中，可采取不同的电路实现降压[1]。最简单的是单管降压斩波器，如图3所示。它有以下特点：（1）通过降压斩波的闭环控制保持逆变器输入电压的恒定，从而消除输入电压的波动对三相逆变器输出的影响。（2）整个电路中仅需一只大功率高压IGBT元件，逆变器则可选择较低电压级别的IGBT元件，以降低设备成本。但是这种方式没有实现输入电压与输出电压之间的隔离，同时还应设置在降压斩波器失去控制后对逆变器和负载等的保护电

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路。

与交-直-交型辅助变流器相比，直-交型辅助变流器具有两个显著特点：

1． 无需牵引变压器提供辅助绕组，而是直接从牵引变流器的中间直流环节取流。 2． 必须采取降压措施，满足输出电压的幅值要求。

2.直流电源系统

目前铁道机车上直流电源系统有两种：一是相控型(AC/DC)直流电源系统，另一种是IPM高频开关(DC/DC)电源系统。传统的相控直流电源由于器件和技术两方面的原因,工作频率低，体积大，噪音高, 技术指标和可控性都较差。高频开关电源是采用软开关技术的一种高效高精度电源，可多模块并连工作。它的电磁兼容性高、直流可控性好、功率因数高、噪音低、均流性好、体积小、直流成分纯净度高，各项技术指标均远远优于传统可控硅电源，是相控电源更新换代的理想产品[2]。由于它的输入输出接口都采用硬接插件（热插板）连接方式,维修更换极为简便,所以特别适合电力机车动态负荷多、稳压、稳流、纹波精度要求高和N+1的冗余配置的要求[6]。现将晶闸管相控电源直流系统与高频开关电源直流系统作一比较[3]，见表1。

表1开关电源与传统相控电源的比较

传统电力机车用110V 项 目 TPD17B控制电源柜 相控电源柜 以IPM为开关器件的高频电路形式 DC-DC变换电路 高频变压器（体积小重量变压器类型 轻） 输出滤波器 稳压精度 输出纹波电压 ≤2V（与蓄电池并联） 脉动有效值 整机效率 动态调节时间 控制方式 ≥90% ＜0.01秒 PWM调制 ≤70% ＜0.2秒 相控 ≤5V（与蓄电池并联） 高频LC变压器 ≤1.5% 传统的LC滤波器 ≤5% 工频变压器（体积重量均大） 传统的晶闸管半控桥 其余性能指标均满足TB1395-81《110V控制电源屏技术条件》中的要求。 4

3.其他系统

电力机车除了三相负载，常见的还有单相220V、50Hz负载。通常有两种获得单相220V、50Hz电源的途径：（1）在有三相辅助变压器的系统中，变压器输出三相380V交流电，并有中性点，即可取三相交流电的相电压。该方法简单、直接。（2）采用单相变压器将三相交流电的线电压降压为单相交流220V。该方法多了一个变压器，并且会引起三相电源负荷不平衡，一般应用在无三相辅助变压器的系统中。

4.几种典型机车的辅助电源系统简介与比较

在机车辅助电源系统中，机车直流电源系统比较简单，在进行辅助电源系统比较时主要进行的是三相交流辅助电源系统的比较。表2归纳了国产交—直传动韶山7E(简称SS7E)型电力机车和交—直—交传动HXD1、HXD2、HXD3三种型号的“和谐”系列电力机车的辅助电源系统。

SS7E型电力机车三相交流辅助电源系统，采用四象限整流器将送入的单相340V交流电转变为直流600V中间电压，再由逆变器将直流600V转变为三相380V，经EMC滤波器滤波后输出，一路作为机车用三相辅助电源，另一路经LC滤波器再次滤波后为自身冷却风机提供三相电源。

HXD1机车则由三相变压器将三相恒压恒频交流电（440V、60Hz）变为三相230V、60Hz交流电，供给相应负载。另外，由于HXD1机车三相交流电压为60Hz，为与国内设备兼容，设置了DC110V/单相230V、50Hz转换模块。

表2 SS7E型和“和谐”系列电力机车辅助电源系统概况 输入电压是否需要车型 辅助绕组 压/V 交—直—交型：四象限整流器(需外接电抗器)＋三相两SS7E 是 AC340V 点式逆变器＋三相EMC滤波器＋三相LC滤波器 直—交型：三相逆变器＋降HXD1 否 DC1800V 压隔离变压器+三相C滤波 VVVF： AC80V～440V、10～60Hz CVCF：

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有 变频运行) AC380V±10％ 50±1%Hz(其中变流器1允许无 制式及电电路结构 变流器输出 压器 三相变

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