和諧型交流傳動(dòng)電力機(jī)車AC 380 V列車供電系統(tǒng)研究

王 威， 郝鳳榮， 陶紅杰， 張 律

(中車大連機(jī)車車輛有限公司， 遼寧大連 110621)

隨著鐵路電力機(jī)車升級(jí)，機(jī)車牽引動(dòng)力已全面實(shí)現(xiàn)由直流傳動(dòng)向交流傳動(dòng)轉(zhuǎn)型。和諧型交流電傳動(dòng)電力機(jī)車以其更大的功率、更優(yōu)越的性能成為目前我國(guó)客運(yùn)機(jī)車的主力車型。

客運(yùn)列車供電系統(tǒng)是為鐵路旅客列車上各種電器提供電源的系統(tǒng)設(shè)備。目前鐵路上主流的25型空調(diào)列車供電系統(tǒng)主要存在兩種供電制式,一種為三相交流380 V/50 Hz,基本采用空調(diào)發(fā)電車或者內(nèi)燃機(jī)車集中供電,一種為DC 600 V,主要由客運(yùn)電力機(jī)車集中供電。由于目前交流傳動(dòng)電力機(jī)車僅能提供DC 600 V列車供電輸出，為了滿足既有380 V供電車輛的使用需求，以HXD3D機(jī)車為例，對(duì)機(jī)車采用AC 380 V列車供電系統(tǒng)方案進(jìn)行了探討。

1 AC 380 V列車供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

AC 380 V列車供電系統(tǒng)主要由主變壓器供電繞組、列車供電柜、供電插座以及連接電纜等組成。通過(guò)安裝在主變壓器內(nèi)部的2個(gè)列車供電繞組，分別向2個(gè)列車供電柜供電，供電功率為2×400 kW。當(dāng)一組故障時(shí)，另一組可以維持供電，以提高可靠性。如圖1所示，列車系統(tǒng)具有2路完全相同的供電回路，互為冗余，當(dāng)一路供電回路故障時(shí)，另一路仍可向旅客列車供電，以提高可靠性。

圖1 列車供電系統(tǒng)構(gòu)成

2 AC 380 V列車供電系統(tǒng)電氣技術(shù)方案

2.1 相控整流方案

既有直流電力機(jī)車列車供電繞組的單相交流電經(jīng)單相不可控整流變換成直流電，逆變器在控制單元的控制下，將中間回路直流電變成AC 380 V交流電輸出，再經(jīng)LC濾波供給客車車廂。機(jī)車交流輸入供電柜主電路由整流電路、逆變電路、濾波電路、信號(hào)采集模塊、電路保護(hù)模塊等部分組成，如圖2所示。(逆變裝置應(yīng)滿足三相四線制輸出的需求)

圖2 交流輸入供電系統(tǒng)框圖

電氣參數(shù)

額定輸入電壓： AC 860 V/50 Hz

額定輸出電壓： AC 380 V

額定輸出電流： 607 A

額定輸出功率： 400 kW(每路)

控制精度： 5%

效率： ≥92%

2.2 交直交電源轉(zhuǎn)換方案1

變壓器供電繞組輸出的860 V電源經(jīng)PWM四象限整流器變換為DC 1 800 V，每個(gè)橋臂的IGBT采用3 300 V/1 500 A。將DC 1 800 V通過(guò)電容器C1、C2、C3及電壓平衡回路分壓為DC 600 VX3，完成降壓過(guò)程，再通過(guò)3相逆變器將DC 600 V電源逆變?yōu)槿郃C 380 V電源，經(jīng)LC濾波后提供給客車車廂電源。由于客車電源需要提供三相四線制電源，因此通過(guò)在DC 600 V中間回路串聯(lián)兩組相等的支撐電容，完成中點(diǎn)接地及三相四線制電源中性點(diǎn)的引出，具體見(jiàn)原理圖3所示。

針對(duì)該回路進(jìn)行模擬測(cè)試，在額定網(wǎng)壓25 kV，以及17.5～31 kV變換區(qū)間，直流600 V的三分壓輸出達(dá)到了電壓平衡。變壓器列車供電繞組漏電感0.2 mH，按照電流指令輸出波形良好，具體如圖4所示。而且采

用該電路模式，可以取消相控整流模式下的平波電抗器，實(shí)現(xiàn)了電源變換裝置的小型化。

圖3 交直交電源轉(zhuǎn)換方案1電氣原理示意圖

圖4 交直交轉(zhuǎn)換回路模擬測(cè)試波形

2.3 交直交電源轉(zhuǎn)換方案2

首先變壓器供電繞組輸出的860 V電源經(jīng)PWM四象限整流器變換為DC 1 550 V(最小值)，四象限整流器的構(gòu)成方案同交直交電源轉(zhuǎn)換方案1，每個(gè)橋臂的IGBT采用3 300 V/1 500 A；再通過(guò)一個(gè)由三相逆變器構(gòu)成的3重降壓斬波器進(jìn)行DC 1 550 V到DC 600 V的降壓控制，然后通過(guò)FL濾波具體見(jiàn)圖5所示，完成從DC 1 550 V 到DC 600 V的降壓切換控制；由DC 600 V電源到三相AC 380 V電源的轉(zhuǎn)換過(guò)程同交直交電源轉(zhuǎn)換方案1，首先通過(guò)三相逆變器將DC 600 V電源逆變?yōu)槿郃C 380 V電源，再經(jīng)LC濾波后提供給客車車廂電源。同樣三相四線制電源的中性點(diǎn)，也是通過(guò)在DC 600 V 中間回路串聯(lián)兩組相等的支撐電容，完成中點(diǎn)接地及三相四線制電源中性點(diǎn)的引出，具體見(jiàn)原理圖5所示。

圖5 交直交電源轉(zhuǎn)換方案2電氣原理示意圖

2.4 由DC 600 V到三相AC 380 V的電源逆變裝置主要性能指標(biāo)

輸入電壓/V DC 600

輸出功率/kW 400

輸入電壓變動(dòng)/V DC 520～630

輸入電流/A DC 667連續(xù)、最大750

輸出功率/kVA 460

輸出電壓/V 三相380、50 Hz

輸出電壓變動(dòng)率/% ±5(輸入電壓≥550 V)

+5、-10(輸入電壓<550 V)

±15、5C/C(負(fù)載突變±50%以上)

輸出波形畸變率/% 10以下(300 kVA以下)

5以下(300 kVA以上)

輸出電流： 700 Arms連續(xù)

3 方案對(duì)比

以上3種方案均可實(shí)現(xiàn)交流傳動(dòng)電力機(jī)車的三相AC 380 V列車供電功能，差別就在從列供繞組輸出的單相AC 860 V電源到到DC 600 V直流電源的切換過(guò)程，鑒于既有運(yùn)用的和諧型電力機(jī)車車內(nèi)已經(jīng)存在了DC 600 V的相控整流裝置，因此只需考慮增設(shè)由

DC 600 V 到三相AC 380 V的電源逆變裝置和LC濾波裝置，但需要重新考慮整車的空間布局；3種方案里，相控整流方案體積大，交直交電源轉(zhuǎn)換方案1體積小但電壓平衡回路的技術(shù)控制難度大，交直交電源轉(zhuǎn)換方案2的體積介于前兩種方案中間，總之對(duì)于新造機(jī)車應(yīng)從列車供電裝置的體積、成本及可靠性等方面對(duì)3種方案進(jìn)行綜合對(duì)比分析，來(lái)完成AC 380 V列車供電柜的統(tǒng)一設(shè)計(jì)，并應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)在原DC 600 V供電柜安裝空間內(nèi)，能替換安裝下AC 380 V電源列供柜；如機(jī)車需根據(jù)實(shí)際運(yùn)用需求，兼容滿足DC 600 V或三相AC 380 V 列車供電電源的轉(zhuǎn)換需求，則還應(yīng)在列車供電柜內(nèi)增設(shè)列供選擇開(kāi)關(guān)、交直電源切換接觸器，并在原DC 600 V外電源插座基礎(chǔ)上再增設(shè)AC 380 V列供外電源重聯(lián)插座，同時(shí)機(jī)車除了保留既有的DC 600 V電源外接重聯(lián)電纜外，還應(yīng)配備三相AC 380 V/50 Hz供電時(shí)所需的特制重聯(lián)供電電纜。

4 結(jié)束語(yǔ)

和諧型交流電傳動(dòng)電力機(jī)車是我國(guó)客運(yùn)機(jī)車主力車型，本文提出了3種由機(jī)車為車輛提供AC 380 V列車供電負(fù)載的方案，為既有機(jī)車功能改造及新造機(jī)車相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了借鑒。