電力機(jī)車(chē)輔助電機(jī)供電系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

張全柱， 鄧永紅， 黃成玉

(華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所，北京101601)

目前我國(guó)電力機(jī)車(chē)輔助傳動(dòng)系統(tǒng)基本采用由旋轉(zhuǎn)式異步劈相機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)劈相機(jī)）供電給三相交流異步電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)輔機(jī)）驅(qū)動(dòng)輔助機(jī)械（如通風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、油泵等）的供電傳動(dòng)方式。這種供電方式存在著諸多問(wèn)題（見(jiàn)下面的分析），由于劈相機(jī)存在起動(dòng)復(fù)雜且只能空載起動(dòng)的缺點(diǎn)，往往機(jī)車(chē)在站段停留時(shí)，劈相機(jī)不能停機(jī)，這非常不利于節(jié)能[1-2]。

研究電力機(jī)車(chē)輔機(jī)系統(tǒng)供電的新方案是非常必要的。本文研制了靜止式的交直交變流器，稱(chēng)作輔助變流器，以區(qū)別于給主牽引電機(jī)供電的主變流器。由電力機(jī)車(chē)輔助變流器（系統(tǒng)）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的劈相機(jī)給輔助電機(jī)實(shí)現(xiàn)供電。

1 電力機(jī)車(chē)輔助供電的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

電力機(jī)車(chē)的供電網(wǎng)是高壓交流單相網(wǎng)，AC25kV/50Hz，輔助電動(dòng)機(jī)需要三相交流電源供電，為了將單相交流電變?yōu)槿嘟涣麟?，須借助一種特殊的電機(jī)—劈相機(jī)。劈相機(jī)是將單相交流電變?yōu)槎嘞嘟涣麟姷男D(zhuǎn)電機(jī)，它可看作是單相電動(dòng)機(jī)與多相發(fā)電機(jī)組合而成的電機(jī)，其工作原理如圖1所示。繞組cob與轉(zhuǎn)子起著單相電動(dòng)機(jī)作用，而繞組oa、ob、oc和轉(zhuǎn)子起著三相發(fā)電機(jī)作用。但采用劈相機(jī)給輔助電動(dòng)機(jī)供電存在如下幾點(diǎn)問(wèn)題：

（l）由于繞組oc、ob中既有電動(dòng)機(jī)電流，又有發(fā)電機(jī)電流，所以劈相機(jī)各相中的電流是不對(duì)稱(chēng)的，不對(duì)稱(chēng)電流引起不對(duì)稱(chēng)的電壓降。為了保證在加載或負(fù)載變動(dòng)后輸出的電壓對(duì)稱(chēng)，往往采用不對(duì)稱(chēng)繞組或在發(fā)電機(jī)相和電源之間并聯(lián)電容器。但這些措施只能保證在一定范圍內(nèi)變化負(fù)載的電壓對(duì)稱(chēng)性，仍不能保證任意負(fù)載時(shí)電壓的對(duì)稱(chēng)性。劈相機(jī)輸出電壓的不對(duì)稱(chēng)，使得其供電的輔助異步電動(dòng)機(jī)定子損耗增加，引起電機(jī)發(fā)熱，縮短電機(jī)壽命。同時(shí)也影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了電機(jī)的運(yùn)行效率。

（2）劈相機(jī)要輸出三相電壓，必須一開(kāi)始就得使其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來(lái)，這就是劈相機(jī)的起動(dòng)問(wèn)題。國(guó)產(chǎn)SS型機(jī)車(chē)劈相機(jī)起動(dòng)采用分相電阻起動(dòng)法，就是在coa相中串聯(lián)起動(dòng)電阻RQ，必須合理地選擇RQ的阻值，且要求其可靠的投入，否則會(huì)發(fā)生劈相機(jī)燒損故障。此外，RQ的投入，必然會(huì)增加功率損耗。

（3）劈相機(jī)的運(yùn)行實(shí)質(zhì)上是一不對(duì)稱(chēng)定子繞組的感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行，它的起動(dòng)實(shí)際上是不對(duì)稱(chēng)定子繞組在不對(duì)稱(chēng)電源(單相電源)下的起動(dòng)，這必然造成電網(wǎng)的功率因數(shù)下降，增加電網(wǎng)公害。另外，劈相機(jī)作為電網(wǎng)與輔助異步電動(dòng)機(jī)連接的中間設(shè)備，必然要增加系統(tǒng)功耗，降低系統(tǒng)運(yùn)行效率。

例如，SS3B型電力機(jī)車(chē)上采用了兩臺(tái)型號(hào)為YPX280M-4型異步劈相機(jī)，其驅(qū)動(dòng)的輔助異步電動(dòng)機(jī)作為泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等輔助設(shè)備的驅(qū)動(dòng)源，運(yùn)行的效率較低。

2 輔助變流系統(tǒng)的方案及組成

2.1 輔助變流器負(fù)載分配情況

SS3B電力機(jī)車(chē)共有12臺(tái)輔助電機(jī)，這12臺(tái)輔助電機(jī)分別是：牽引通風(fēng)機(jī)4臺(tái)（單臺(tái)功率37 kW），制動(dòng)風(fēng)機(jī)4臺(tái)（單臺(tái)功率14 kW），壓縮機(jī)2臺(tái)（單臺(tái)功率37 kW），變壓器風(fēng)機(jī)1臺(tái)（功率14 kW），油泵電機(jī)1臺(tái)（功率14 kW）。設(shè)計(jì)使用兩臺(tái)輔助變流器，分別安置在機(jī)車(chē)的兩個(gè)機(jī)柜中，每臺(tái)輔助變流器（機(jī)柜）驅(qū)動(dòng)6臺(tái)輔助電機(jī)，每臺(tái)輔助變流器所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)功率基本相同。

如圖2所示為SS3B電力機(jī)車(chē)其中一臺(tái)輔助變流器及驅(qū)動(dòng)負(fù)載的結(jié)構(gòu)圖。逆變器U1單元驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)牽引通風(fēng)機(jī)，功率為37 kW×2；逆變器U3單元驅(qū)動(dòng)一臺(tái)變壓器風(fēng)機(jī)(或變壓器油泵電機(jī))和二臺(tái)制動(dòng)風(fēng)機(jī)，功率為14 kW+14 kW×2=42 kW；逆變器U5單元驅(qū)動(dòng)一臺(tái)壓縮機(jī)，功率為37 kW。機(jī)車(chē)的另一端輔助變流器的負(fù)載分配情況與此完全相同。

2.2 輔助變流器電路結(jié)構(gòu)

輔助變流器由前級(jí)變流器（網(wǎng)側(cè)變流器）和后級(jí)變流器組成，前級(jí)變流器是一臺(tái)相控整流器（容量300 kVA），后級(jí)變流器由三臺(tái)容量等同的逆變器（容量100 kVA×3）單元組成?；臼前凑蛰o機(jī)的類(lèi)別和工況來(lái)劃分和組合負(fù)載的，并將這些負(fù)載分配到不同的逆變器單元中。

前級(jí)變流器采用單相相控整流器（開(kāi)關(guān)器件：晶閘管；電路結(jié)構(gòu)：?jiǎn)蜗喟肟貥颍娐吩砣鐖D3所示。后級(jí)變流器中的每個(gè)逆變器均為三相橋式逆變器，所用開(kāi)關(guān)器件為IGBT，原理如圖4所示。

3 輔助變流器實(shí)現(xiàn)方法

3.1 輸入側(cè)電壓方案選擇

SS3B電力機(jī)車(chē)主變壓器（牽引變壓器），原來(lái)給劈相機(jī)供電的輔助繞組（a6，x6）電壓為AC397 V，這一電壓經(jīng)過(guò)相控整流器整流后電壓為397×0.9=357 V，不能達(dá)到DC540 V。因此將輔助繞組的電壓提高一倍，為AC794 V，具體實(shí)現(xiàn)方法是：將原來(lái)6根扁銅線(xiàn)（線(xiàn)規(guī)：ZB-0.45,3.28×13.5/3.73×13.95）并聯(lián)繞制的兩個(gè)“雙餅繞組”由并聯(lián)連接改為串聯(lián)連接。這樣輸出電壓就可以提高一倍，載流量下降一半，但繞組的輸出功率（帶負(fù)載能力）與原來(lái)相同。而且這樣改造變壓器并不復(fù)雜，工作量較小，便于實(shí)施。

3.2 中間環(huán)節(jié)直流電壓的確定

網(wǎng)壓的波動(dòng)范圍為（+24%～－30%），在最低網(wǎng)壓下輔助繞組的輸出電壓為604 V，按0.9倍的整流系數(shù)（實(shí)際上中間支撐電容的濾波作用可使整流系數(shù)為1.15）計(jì)算，也可保證整流后的中間環(huán)節(jié)直流電壓為DC 540 V。從逆變器的輸出來(lái)考慮，逆變器的負(fù)載輔助電機(jī)要求的供電電壓為AC380 V，按0.7倍（理想的逆變系數(shù)為0.78） 的逆變系數(shù)計(jì)算，選DC540 V的中間環(huán)節(jié)直流電壓完全可以滿(mǎn)足要求。

3.3 輔助電源的輸出濾波

在SS3B型電力機(jī)車(chē)上加裝輔助變流器，考慮到負(fù)載電機(jī)的絕緣等級(jí)（定子繞組匝間絕緣），逆變器輸出的SPWM電壓波形不宜直接給輔機(jī)供電，波形的dV/dt值太大，容易造成輔機(jī)繞組絕緣的破壞，降低輔機(jī)的運(yùn)行壽命。因此在逆變器與輔機(jī)之間增加了“準(zhǔn)正弦波”濾波器，是一個(gè)LC低通濾波器電路，目的是將逆變器輸出的SPWM波濾成“準(zhǔn)正弦波”。這里所定義的“準(zhǔn)正弦波”的概念為：波形近似于正弦波；諧波含量小于10%；瞬間電壓上升率（dV/dt值）小于200 V；電壓波形上疊加的尖峰脈沖Upk，其幅值小于200 V，寬度小于200 μs；波形失真度（與標(biāo)準(zhǔn)正弦波相比較）不大于10%。這樣的波形完全可以滿(mǎn)足普通異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行要求，對(duì)于機(jī)車(chē)輔機(jī)既可以充分發(fā)揮其額定功率，又可以滿(mǎn)足繞組絕緣等級(jí)的要求。

3.4 按照輔機(jī)的類(lèi)別和工況給逆變器分配負(fù)載

三個(gè)逆變器單元分別驅(qū)動(dòng)不同工況的輔機(jī)負(fù)載，這樣使每個(gè)輔機(jī)都實(shí)現(xiàn)了變頻軟起動(dòng)，避免了輔機(jī)的突然投入（輔機(jī)全壓直接起動(dòng)）對(duì)輔機(jī)的大電流沖擊，影響輔機(jī)的運(yùn)用壽命且不利于節(jié)能。另外輔機(jī)的“突投”對(duì)逆變器的沖擊也是很大的，也影響逆變器的運(yùn)用壽命。因此按照輔機(jī)的類(lèi)別和工況給逆變器分配負(fù)載的方案可以避免輔機(jī)的“突投”運(yùn)行。

4 輔助電機(jī)變流器控制系統(tǒng)

4.1 輔機(jī)變流器控制系統(tǒng)的組成

輔助變流器控制系統(tǒng)的組成原理圖如圖5所示?？刂葡到y(tǒng)是一個(gè)多微機(jī)并行總線(xiàn)的系統(tǒng)，由多個(gè)單片微機(jī)子系統(tǒng)構(gòu)成，CPU為80C196KC，為全數(shù)字化的控制方式。每個(gè)變流單元配有一塊單片微機(jī)控制板，有整流器控制板和逆變控制器板兩種。整個(gè)控制系統(tǒng)還包含一個(gè)總微機(jī)控制器，其置于低壓電氣柜中?？偽C(jī)控制器由三塊控制板組成，分別是：?jiǎn)纹C(jī)總控板、輔機(jī)狀態(tài)采樣板、接觸器驅(qū)動(dòng)板。

總微機(jī)控制器，綜合司控臺(tái)來(lái)的指令信號(hào)、輔機(jī)電流信號(hào)、各個(gè)變流器單元（包括一個(gè)整流器單元和三個(gè)逆變器單元）的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，來(lái)給每個(gè)整流單元和逆變單元發(fā)送起動(dòng)運(yùn)行、變頻運(yùn)行、停車(chē)等指令信號(hào)，還完成輔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)的檢測(cè)與保護(hù)功能，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和輔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)的顯示功能也由總微機(jī)控制器來(lái)完成。

4.2 輔助變流器控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

該電力機(jī)車(chē)輔助變流器具有如下特點(diǎn)：

（1）分單元控制：整流單元和逆變單元都有各自的微機(jī)控制器，分別按照每個(gè)單元所驅(qū)動(dòng)的不同性質(zhì)的負(fù)載工況進(jìn)行控制，滿(mǎn)足了不同性質(zhì)負(fù)載的運(yùn)行工況。

（2）各單元控制器具有互換性：各變流器單元控制板的硬件和軟件完全統(tǒng)一，靠控制板上撥碼開(kāi)關(guān)的設(shè)定位置來(lái)區(qū)別變流器單元，這樣各單元的控制器具有可互換性。

（3）總控制器功能綜合：指揮各變流器單元的運(yùn)行和停機(jī)；診斷并記錄各變流器單元的運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)；接收司機(jī)操縱臺(tái)來(lái)的變流器及輔機(jī)的運(yùn)行/停車(chē)指令；在司機(jī)顯示器（屏）上顯示變流器和輔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)輔機(jī)的過(guò)流（含缺相和過(guò)載）保護(hù)?？梢?jiàn)總控制器的功能非常綜合，它是整個(gè)輔助變流器控制系統(tǒng)的核心。

5 輔助變流系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)

按照上述輔助變流系統(tǒng)主電路、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，我們成功地研制了電力機(jī)車(chē)輔助變流系統(tǒng)，并在既有SS3B電力機(jī)車(chē)上進(jìn)行了裝車(chē)運(yùn)用，通過(guò)電力機(jī)車(chē)大修廠(chǎng)和機(jī)車(chē)運(yùn)用機(jī)務(wù)段進(jìn)行加裝改造來(lái)完成。改造的主要工作有：對(duì)牽引變壓器輔助繞組的改造，將其并繞繞組該為串繞繞組；對(duì)機(jī)車(chē)劈相機(jī)的改造，取消兩臺(tái)劈相機(jī)，用兩臺(tái)輔助變流柜來(lái)代替，輔助變流器就置于原來(lái)劈相機(jī)的位置，設(shè)備長(zhǎng)寬尺寸不變，高度增加；對(duì)機(jī)車(chē)輔助回路控制柜（也稱(chēng)低壓柜）的改造，在低壓柜中增加總微機(jī)控制器、輔機(jī)電流檢測(cè)模塊、輔機(jī)接觸器驅(qū)動(dòng)模塊這三個(gè)控制電路模塊，以完成對(duì)輔助變流器中整流單元和各個(gè)逆變單元的運(yùn)行控制，也完成對(duì)輔助電機(jī)的運(yùn)行控制及故障檢測(cè)與保護(hù)。對(duì)司機(jī)控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)司控器）的改造，在司控器的顯示屏上增加輔助變流器各個(gè)運(yùn)行單元（含整流器和逆變器）的狀態(tài)顯示，如正常顯示綠色，故障顯示紅色。司控臺(tái)的其它操作和顯示功能保持不變。

圖6、7、8給出了研制的電力機(jī)車(chē)輔助變流器輸出波形圖。

6 結(jié)論

分析我國(guó)電力機(jī)車(chē)上應(yīng)用劈相機(jī)給輔助電機(jī)供電存在的缺點(diǎn)，結(jié)合SS3B型電力機(jī)車(chē)輔助電機(jī)的特點(diǎn)，在SS3B型電力機(jī)車(chē)上研制加裝輔助變流系統(tǒng)來(lái)代替劈相機(jī)給電力機(jī)車(chē)輔助電機(jī)供電，可以克服傳統(tǒng)的輔助電機(jī)供電的諸多缺點(diǎn)，充分發(fā)揮新型變流器供電的諸多優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)合國(guó)外電力機(jī)車(chē)輔助變流器成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，采用“交直交功率變換”方式，“集中整流分散逆變（也稱(chēng)一整多逆）”的變流器主電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合SS3B電力機(jī)車(chē)輔助電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，給各變流器單元均衡分配負(fù)載，特別考慮到機(jī)車(chē)輔機(jī)的特點(diǎn)，利用既用機(jī)車(chē)的輔助電機(jī)（不必專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)變頻電機(jī)），在逆變器輸出端加裝“準(zhǔn)正弦波濾波器”，這樣就保證了輔助變流器在SS3B電力機(jī)車(chē)上的成功應(yīng)用。

輔助變流器的控制系統(tǒng)，采用集散型多微機(jī)、并行總線(xiàn)的控制模式，能適時(shí)準(zhǔn)確地接收司機(jī)指令，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輔機(jī)的邏輯控制和自動(dòng)過(guò)分相控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輔機(jī)的運(yùn)行/故障狀態(tài)的檢測(cè)、顯示、記錄和存儲(chǔ)等。這一控制系統(tǒng)可靠性高，具有很強(qiáng)的智能化功能。

[1]侯媛彬.凌陽(yáng)單片機(jī)原理及其畢業(yè)設(shè)計(jì)精選[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[2]羅亞非.凌陽(yáng)16位單片機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2003.