AC380V/DC600V列車供電裝置的研制

李自然

摘 要：詳細(xì)介紹了AC380V/DC600V兼容列車供電裝置的工作原理，系統(tǒng)參數(shù)和試驗(yàn)驗(yàn)證。重點(diǎn)分析AC380V/DC600V列車供電裝置的主電路設(shè)計(jì)以及相關(guān)器件參數(shù)的計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)。通過列車供電裝置的相關(guān)試驗(yàn)以及機(jī)車與客車車輛的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，驗(yàn)證列車供電裝置的各項(xiàng)性能均滿足客車車輛的供電要求。

關(guān)鍵詞：IGBT;列車供電裝置;系統(tǒng)集成

0 引言

目前鐵路機(jī)車向客車直供電主要采取是DC600 V供電制式，即機(jī)車提供DC600 V電源、客車分散逆變?yōu)锳C380V的供電方式，而鐵路客車主要分為DC600 V、AC380V兩種供電制式。為了保障AC380V客車正常運(yùn)用，路局必須配備大量的空調(diào)發(fā)電車，依靠大功率柴油機(jī)發(fā)電給客車供電。隨著電氣化鐵路逐步擴(kuò)展和機(jī)車變流技術(shù)的重大進(jìn)步，傳統(tǒng)的AC380V客車仍然依靠大功率柴油機(jī)供電已不能滿足形勢發(fā)展的需要，而存量的AC380V客車統(tǒng)一升級為DC600 V客車需要加裝逆變電源、客車電氣控制柜、鎳鎘堿性電池、更換大量車體布線等，客車改造存在成本大、費(fèi)用高、周期長等問題。而在電力機(jī)車上增加AC380V/DC600 V列車供電系統(tǒng)，直接向客車提供AC380V/DC600 V電源，再輔以客車的配套改造，具備維護(hù)簡單、獨(dú)立性強(qiáng)、編組靈活、高效率、無污染、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

1 列車供電裝置的主電路以及工作原理

1.1 列車供電裝置主電路

列車供電裝置主電路如圖1所示。AC380V/DC600 V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、三相不可控整流等部分組成。每臺電力機(jī)車上配置兩套完全獨(dú)立的列車供電裝置，兩套系統(tǒng)同時向列車牽引客車車廂供給AC380V/DC600 V電源，同時兩套系統(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，牽引客車車廂將自動減載，由正常的供電裝置向整列客車供電。

1.2 列車供電裝置工作原理

1.2.1 AC380V供電模式

AC380V供電模式下，列車供電裝置的輸入為機(jī)車牽引變壓器列供繞組輸出的單相AC860V/50 Hz交流電壓，通過充電接觸器KM2、充電電阻R1向中間支撐電容C1充電，充電結(jié)束后閉合短接接觸器KM1，經(jīng)過單相全波二極管整流，中間支撐電容濾波，輸出穩(wěn)定的直流電壓，再通過逆變回路輸出PWM波。逆變器后端設(shè)置有濾波變壓器TR1、濾波電容ACC等設(shè)備對逆變輸出PWM波進(jìn)行濾波，使系統(tǒng)輸出電壓波形為正弦波。中間直流環(huán)節(jié)設(shè)置濾波、接地檢測等電路，主要功能為穩(wěn)定中間直流電壓。同時在交流輸入側(cè)設(shè)置快速熔斷器FU1，當(dāng)交流輸入側(cè)發(fā)生短路時，可快速分?jǐn)嘀麟娐?，從而保護(hù)功率器件。停機(jī)后，接地檢測電阻為支撐電容器放電。另外還設(shè)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。在AC380V供電模式下，主電路中接觸器KM5為斷開狀態(tài)。

1.2.2 DC600V供電模式

DC600V供電模式下，列車供電裝置的輸入為機(jī)車牽引變壓器輔助繞組輸出的單相AC860V/50 Hz交流電壓，通過充電接觸器KM2、充電電阻R1向中間支撐電容C1充電，充電結(jié)束后閉合短接接觸器KM1，經(jīng)過單相全波二極管整流，中間支撐電容濾波，輸出穩(wěn)定的直流電壓，再通過逆變回路輸出PWM波。逆變輸出經(jīng)過變壓器TR1、ACC濾波后經(jīng)過三相不可控整流器輸出脈流電。通過輸出側(cè)直流回路設(shè)置的濾波電容器輸出DC600V電源，保證輸出電源滿足設(shè)計(jì)要求。DC600V輸出側(cè)設(shè)置有放電電阻和接地檢測電路，停機(jī)時，放電電阻用于濾波電容器的固定放電，保證在停機(jī)后輸出電壓在1 min中內(nèi)輸出電壓達(dá)到安全電壓范圍內(nèi)。DC600V供電模式下主電路中接觸器KM4為斷開狀態(tài)。

2 關(guān)鍵器件選型

2.1 濾波回路器件選項(xiàng)

（1）支撐電容C1選型。支撐電容C1的選擇：

按RC時間常數(shù)近似等于3～5倍電源半周期估算：

k可以取3～5之間的值，若希望紋波小，則按5倍取。

R為整流器所帶負(fù)載等效電阻。

（2）AC380V模式下輸出側(cè)LC濾波參數(shù)。由于逆變器采用SPWM控制方式將中間電壓逆變?yōu)镃VCF（定壓定頻）電壓，其輸出電壓峰值和諧波含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出輔助負(fù)載的承受能力，必須經(jīng)過隔離和濾波以輸出符合要求的三相380 V/50 Hz 正弦電壓。要求額定工況下輔助電源輸出電壓的總諧波畸變率THD ≤ 5%，故采用了隔離變壓器（TR1）進(jìn)行隔離，并利用其二次側(cè)等效漏電感與三相濾波電容ACC組成LC 濾波器的方式，過濾高次諧波，以滿足輔助負(fù)載對電源品質(zhì)的要求。

LC濾波器計(jì)算要求如下：

式中Udc為中間直流電壓;T為開關(guān)頻率;△imax紋波電流最大值，一般取輸出電流的20%。

為了避免逆變器工作時，功率因數(shù)降到允許范圍以下，濾波電容器吸收的基波無功功率不能大于逆變器有功功率的5%，由此得到：

式中P：逆變器有功功率;Usa：輸出電壓。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

AC380V列車供電裝置型式試驗(yàn)項(xiàng)目包括溫升試驗(yàn)、負(fù)載突變、高低溫試驗(yàn)、振動及沖擊試驗(yàn)的一系列試驗(yàn)。

3.1 負(fù)載突變試驗(yàn)

負(fù)載突變試驗(yàn)的目的在于驗(yàn)證AC380V/DC600V列車供電裝置在負(fù)載突變時的承受能力，體現(xiàn)在輸出電壓的波動上。試驗(yàn)中完成系統(tǒng)額定負(fù)載的突切及突投，系統(tǒng)均正常工作，且輸出電壓波動范圍均在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)。AC380V模式下列供裝置突切及突投測得輸出電壓、電流波形見圖2。圖2中左圖為負(fù)載突切工況波形，右圖為負(fù)載突投模式下波形;DC600V模式下列供裝置突切及突投測得輸出電壓、電流波形見圖3。圖3中左圖為負(fù)載突切工況波形，右圖為負(fù)載突投模式下波形。

通過試驗(yàn)證明，AC380V/DC600V列車供電裝置在AC380V供電模式下完全能夠滿足客車車輛供電要求，各項(xiàng)性能參數(shù)均優(yōu)于預(yù)期設(shè)計(jì)。

4 總結(jié)

AC380V/DC600V列車供電裝置采用了大功率IGBT變流技術(shù)、逆變控制、不可控整流技術(shù)以及完善的保護(hù)功能。通過聯(lián)調(diào)試驗(yàn)表明，該供電裝置各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到技術(shù)條件的要求。目前裝載該供電裝置的機(jī)車已經(jīng)完成試運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定。相信在不久的將來AC380V/DC600V列車供電裝置將作為電力機(jī)車列供裝置的主力軍，馳騁在大江南北。

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