電力機車輔助電源系統(tǒng)的分析與比較
西安鐵路職業(yè)枝術(shù)學(xué)院 陶若冰 王易平
1 引言
電力機車輔助電源系統(tǒng)是機車的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著除機車牽引系統(tǒng)主電路以外裝置的供電任務(wù)，是提供風(fēng)源的空氣壓縮機、空調(diào)、通風(fēng)機等輔助電動機的三相交流電源，電熱器、冰箱、信息顯示裝置的電源等。機車輔助電源系統(tǒng)由三相交流輔助電源和直流電源系統(tǒng)組成。早期的電力機車三相交流輔助電源裝置采用旋轉(zhuǎn)劈相機方式，這種電源裝置體積大、重量重、響應(yīng)差、效率低、噪聲大，故障率，需經(jīng)常檢查、維修。隨著電力電子和開關(guān)器件的發(fā)展，采用IGBT的輔助逆變系統(tǒng)正在替代傳統(tǒng)的劈相機三相交流系統(tǒng)。輔助逆變系統(tǒng)不為機車各輔助電機提供對稱三相電源，同時可輔助電機軟啟動、軟制動，不受電網(wǎng)波動影響。為防止因輔助供電設(shè)備故障而影響機車正常運行，輔助逆變系統(tǒng)同時設(shè)置故障保護及冗余功能。機車直流電源系統(tǒng)主要由整流裝置、蓄電池組成，為機車的系統(tǒng)及照明系統(tǒng)等提供所需直流電源，為蓄電池充電，在升弓前或壓設(shè)備、牽引變壓器故障時，由蓄電池給上述設(shè)備供電。
2 三相交流輔助電源系統(tǒng)
該系統(tǒng)多采用輔助變流器生成三相交流電壓為機車輔助電氣設(shè)備供電。輔助變流器根據(jù)輸入側(cè)的不同將主電路可分為交直交型和直交型；根據(jù)輸出的不同，可分為恒壓恒頻（CVCF）逆變器和變壓變頻（VVVF）逆變器。
在機車上，除了提供恒壓恒頻的輔助變流器，為節(jié)約能耗、降低通風(fēng)機噪聲，按照不同狀態(tài)下設(shè)備所需要的功率來涮節(jié)電壓和頻率的VVVF輔助變流器。通常，在同種車型上的CVCF逆變器和VVVF逆變器硬件結(jié)構(gòu)相同，方式不同。下面分別探討交直交型和直交型輔助變流器的實現(xiàn)方案。
2．1 交直交型輔助變流器
交直交型輔助變流器是南牽引變壓器輔助繞組供電，與牽引變流器相同，般由網(wǎng)側(cè)變流器、中間直流環(huán)節(jié)、三相逆變器3部分組成。由于接觸網(wǎng)電壓的波動較大，因此，交直交型輔助變流器輸入的單相交流電也有較大的波動，為了獲得穩(wěn)定的中間直流環(huán)節(jié)電壓，輔助變流器的網(wǎng)側(cè)必須采用可控整流電路。以前多采用相控整流電路，電路和簡單，造價較低，但網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)的影響大。隨著電力電子的發(fā)展，脈沖整流器已開始取代相控整流器，它可使網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)接近1，且動態(tài)響應(yīng)特好。圖1是交直交型輔助變流器的電路，包括脈沖整流器COV，中間支撐電容，三相逆變器INV，輸入接觸器K、AK，輸入輸出電流傳感器ACCT、CTU、CTW，中間電壓傳感器 VT（冗余設(shè)計）等。交直交型輔助變流器的缺點是過分相時將失電，三相輔機均停止運行。
與傳統(tǒng)的劈相機電源系統(tǒng)相比，采用交直交型結(jié)構(gòu)的輔助變流器特點：（1）仍然需要由牽引變壓器輔助繞組為輔助變流器供電。（2）脈沖整流器可輸入側(cè)較的功率因素以及電網(wǎng)電壓波動時中間直流電壓的穩(wěn)定。（3）由于變壓器二次繞組之間存在耦合，脈沖整流器開關(guān)動作產(chǎn)生的脈沖分量會疊加到牽引變壓器輔助繞組的輸出電壓上，使輔助變流器電壓升，溫度上升，影響輔助變流器的能。（4）變流器的啟動方式為軟啟動，減少輔助電動機的啟動電流。（5）工作在較大網(wǎng)壓范圍內(nèi)。（6）三相輸出電壓穩(wěn)定、平衡。
2．2 直-交型輔助變流器系統(tǒng)
直-交型輔助變流器是從主變流器的中間直流環(huán)節(jié)取流，因此它只需要逆變器就可實現(xiàn)直流電到三相交流電的變換。由于輸入電壓較，為達(dá)到輸出輔助電氣設(shè)備所要求的電壓等，般需要增加降壓設(shè)備。有兩種方式：種是先逆變，再通過三相降壓變壓器將較的交流電壓降到所要求的電壓等；另種是先通過降壓電路將直流輸入電壓降低到合適的值，再進行逆變。圖2和圖3分別給出了兩種輔助變流器的電路結(jié)構(gòu)。
為得到品質(zhì)良好的三相交流電源，通常需要增加濾波環(huán)節(jié)。方式1中，三相電抗器／電容器濾波或三相LC濾波器可放置在逆變器和降壓變壓器之間，也可放置在變壓器之后；方式2中，則將濾波器放置在逆變器輸出之后。
方式1中，△-Y型變壓器不實現(xiàn)降壓功能，還實現(xiàn)壓輸入電源回路和負(fù)載回路之間的相互。此電路的特點是開關(guān)元器件數(shù)量少、較為簡單，缺點是輸出三相電壓易受直流輸入電壓的影響，且當(dāng)直流輸入電壓較時逆變器開關(guān)元件的耐壓要求，成本較。因此該方案比較適，用于由牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)供電的場合。
方式2中，可采取不同的電路實現(xiàn)降壓。zui簡單的是單管降壓斬波器，該器件有以下特點：（1）通過降壓斬波的閉環(huán)保持逆變器輸入電壓的恒定，從而消除輸入電壓的波動對三相逆變器輸出的影響；（2）整個電路中需1只大功率壓IGBT元件，逆變器則可選擇較低電壓別的IGBT元件，以降低設(shè)備成本。但這種方式?jīng)]有實現(xiàn)輸入電壓與輸出電壓之間的，同時還應(yīng)設(shè)置在降壓斬波器失去后對逆變器和負(fù)載等的保護電路。
與交直交型輔助變流器相比，直交型輔助變流器具有兩個顯著特點：（1）無需牽引變壓器提供輔助繞組，而是直接從牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)取流；（2）必須采取降壓措施，輸出電壓的幅值要求。
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