SS9機車AC380V列車供電裝置研制

摘 要 重點闡述了采用變流器供電方式的SS9機車AC380V列車供電裝置，介紹了設計開發(fā)的技術特點和試驗情況。SS9電力機車AC380V列車供電系統(tǒng)產(chǎn)品已在現(xiàn)場投入使用，其性能日臻完善并得到驗證。

【關鍵詞】IGBT 列車供電裝置 系統(tǒng)集成 冷卻系統(tǒng)

為滿足鐵路普通旅客列車高達數(shù)百千瓦的用電需求，AC380V供電制式客車主要是通過加掛1節(jié)空調(diào)發(fā)電車或DF11G內(nèi)燃機車來實現(xiàn)，目前基本采用進口的柴油發(fā)電機組來完成AC380V供電電源輸出，存在運行成本高、燃油污染大、運用效率低、維修困難等問題。

為適應建設環(huán)境友好型社會，降低旅客列車運營成本，沈陽鐵路局在全路率先啟動了電力機車列車供電裝置改造，加裝了以大功率變流器為基礎的AC380V列車供電裝置，使電力機車可直接輸出三相四線制AC380V供電電源，滿足了AC380V供電制式客車的用電需求。

1 AC380V列車供電裝置工作原理

AC380V列車供電裝置由整流電路、逆變電路、濾波電路、信號采集模塊、電路保護模塊和冷卻系統(tǒng)等關鍵部件組成。該系統(tǒng)的主電路及控制電路的關聯(lián)關系見圖1。

列車供電裝置主電路主要由一個單相全波整流、逆變器、濾波電路組成，見圖2。每臺SS9電力機車上配置兩套完全獨立的列車供電裝置，兩套系統(tǒng)同時向列車牽引客車車廂提供兩路完全獨立的三相四線制AC380V供電電源，這兩套系統(tǒng)具備冗余功能，在其中一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障無法正常輸出時，客車車廂將自動減載，由正常的供電裝置向整列客車供電。

列車供電裝置的輸入為機車牽引變壓器輔助繞組輸出的單相AC860V交流，通過充電和短接后，經(jīng)過單相整流，支撐電容濾波，輸出穩(wěn)定的直流電壓，再通過逆變回路輸出PWM波。中間直流環(huán)節(jié)設置濾波、接地檢測等電路，主要功能為穩(wěn)定中間直流電壓。另外還設置了必要的電流、電壓傳感器來檢測電路中的輸入、輸出電流，輸入、輸出電壓，中間電壓等信號用于控制。

2 總體及結(jié)構設計

AC380V列車供電裝置分為列車供電柜和供電濾波柜兩個獨立的柜體，其中列車供電柜包含整流逆變模塊、充放電單元、接地檢測單元、中間回路和變流器冷卻風機等。濾波柜包括整個濾波系統(tǒng)、輸出接觸器、濾波變壓器、三相濾波電容器、冷卻風機等。

2.1 變流器模塊

AC380V列車供電裝置變流器模塊集整流逆變控制于一體。變流器模塊集成了IGBT逆變元件、整流二極管元件、散熱器、溫度傳感器、門極驅(qū)動單元、門極驅(qū)動電源、脈沖分配單元、低感母排、交流輸出母排和DCU供電控制單元等部件。整流器與逆變器通過低感母排連接，大大的降低了系統(tǒng)的雜散電感，極大的提高了功率器件的可靠性，高度集成的設計方式也大大的縮小了設備的安裝空間與重量。變流器模塊部件分布見圖2。

2.2 冷卻系統(tǒng)

冷卻技術是列車供電裝置的關鍵技術之一，冷卻效果關系到各部件的穩(wěn)定運行、使用安全及使用壽命等。AC380V列車供電裝置兩個獨立的柜體中（列車供電柜及列車供電濾波柜）采用完全獨立的兩套冷卻系統(tǒng)，兩個柜體均采用強迫風冷的方式。

3 技術參數(shù)及關鍵器件選型

3.1 技術參數(shù)

標稱輸入電壓（網(wǎng)壓25kV時） AC860V/50Hz

額定輸出電壓 3AC 380±5%V

輸出電壓頻率 50Hz

額定輸出交流電流 607A

額定輸出功率 400kVA

網(wǎng)壓允許波動范圍 2V～AC1077V

效率 ≥90%

3.2 變流器模塊器件選型

變流器模塊中的關鍵器件主要有整流二極管、IGBT等。

整流器每個橋臂的電流有效值

整流二極管的平均電流

整流二極管的最大反向電壓

式中：Id為中間直流電流；Uin為輸入電壓。

IGBT上承受的最高電壓為：

式中：Ud為直流輸入最大電壓；Usp為關斷尖峰電壓；K1為過電壓系數(shù)，取1.15；K2為安全系數(shù)，取1.1。

IGBT元件集電極的電流定額：

式中：IACmax為最大交流輸入電流；K3為電流尖峰系數(shù)。

4 試驗驗證

AC380V列車供電裝置在研制過程中，機車和客車間進行了靜態(tài)聯(lián)調(diào)和動態(tài)聯(lián)調(diào)，保障了整個列車供電系統(tǒng)可靠運行。

4.1 靜態(tài)聯(lián)調(diào)試驗

SS9機車AC380V列車供電裝置與AC380V供電制式客車進行了地面聯(lián)掛試驗，對客車夏季負載、冬季負載、負載啟動沖擊、列供軟啟動、模擬過分相等多個項點進行了試驗，獲取了相關試驗參數(shù)。

AC380V列車供電裝置空載輸出線電壓基本維持在399V-406V之間，三相線電壓略有差異但相差較小，逐節(jié)啟動客車車廂夏季負載后，線電壓出現(xiàn)輕微下降，線電壓維持在395V-401V之間。將客車負載由夏季模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎灸Ｊ胶螅嚯娏髀杂猩仙?，線電壓維持在397V-401V之間，電壓波形與前述波形基本一致。

SS9機車模擬過分相時，客車負載接觸器不會釋放。過分相前后監(jiān)視列供停止及再次軟啟動時的相關波形如圖3所示，CH1為網(wǎng)壓，CH2為輸入電流，CH3為輸出電壓，CH4為輸出電流。由圖可以說明列車供電裝置在運行過程中過分相后系統(tǒng)能夠按照設計要求在檢測到網(wǎng)壓正常后正常啟動。

4.2 動態(tài)聯(lián)調(diào)試驗

SS9機車AC380V列車供電裝置與列車編組進行了動態(tài)聯(lián)掛（每個編組均包含硬臥車7輛、軟臥車8輛），試運線路為長春-蔡家溝，主要是試驗正常情況下（兩路供電）客車的自動模式、試驗全暖模式和非正常情況下（一路供電）客車的自動模式、試驗全暖模式。

4.2.1 兩路供電時客車自動模式

機車輸出兩路列供供電，整個編組以試驗全暖模式運行，一路列供帶一半客車負載時穩(wěn)定后波形見圖4（藍色為中間電壓；綠色為輸出電流；紅色為輸出電壓），橋臂峰值電流數(shù)百安。由于制暖工況下絕大部分客車負載都是電阻，因此客車負載在過分相啟動時非常平穩(wěn)。

機車輸出兩路列供供電，整個編組以試驗全制冷模式運行，一路列供帶一半客車負載，機車全制冷過分相軟啟動，橋臂峰值電流大幅上升，過完分相后，第二壓縮機啟動橋臂峰值電流再次微升，全冷穩(wěn)定后波形橋臂峰值電流才開始下降。

4.2.2 單路供電時試驗

關閉機車第2路列供，由第1路列供維持供電，一路列供帶全部客車試驗全暖負載，單列供供電可以滿足整個編組客車全暖模式供電要求。

關閉機車第2路列供，由第1路列供維持供電，帶全車量輛空調(diào)強制制冷、不減載工況下，過分相軟起，列供橋臂峰值太大，導致AC380V列車供電裝置出現(xiàn)輸出過流故障。因此在制冷工況下采用供電冗余時，編組客車必須要減載工況下系統(tǒng)才能正常運行。

通過試驗證明，AC380V列車供電裝置完全能夠滿足客車車輛供電要求，各項性能參數(shù)均優(yōu)于預期設計。

5 總結(jié)

加裝了AC380V列車供電系統(tǒng)的SS9電力機車已在沈陽鐵路局小批量投入使用，從2015年5月起陸續(xù)擔當長春-北京（Z63/4）、大連-北京（Z79/82 Z81/0）、長春-白城（Z5001/2/3/4/5/6）等多對AC380V供電制式旅客列車的牽引和直供電任務，累計運行超過三百萬公里，其性能日臻完善并得到驗證。

隨著鐵路電氣化的逐步擴展和電力機車大功率變流技術的進步，傳統(tǒng)的AC380V客車仍然依靠柴油發(fā)電機組供電已不能滿足形勢發(fā)展的需要，而在電力機車上加裝AC380V列車供電裝置，直接向客車輸出三相四線制AC380V電源，再輔以客車的適應性改造，具備運營成本低、免維護、編組靈活、高效率、無污染、低噪聲等優(yōu)點，而且該總體方案的系統(tǒng)成本較低，因此具有廣闊的發(fā)展前景。

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作者簡介

王鐵成（1968-），男，吉林省長嶺縣人。大學本科學歷。現(xiàn)為沈陽鐵路局高級工程師。研究方向為機車車輛。

作者單位

沈陽鐵路局 遼寧省沈陽市 110001