電(dian)力機車輔(fu)助電(dian)源(yuan)系(xi)統(tong)的(de)分析(xi)與比較
西安鐵(tie)路(lu)職業(ye)枝(zhi)術學院(yuan) 陶若冰 王(wang)易(yi)平(ping)
1 引(yin)言
電(dian)力機車輔(fu)助電(dian)源(yuan)系(xi)統(tong)是(shi)機車的(de)重要組(zu)成部(bu)分，擔負(fu)著(zhe)除(chu)機(ji)車牽(qian)引(yin)系統(tong)主(zhu)電(dian)路(lu)以外(wai)裝(zhuang)置的(de)供(gong)電(dian)任務，是提供(gong)風源(yuan)的(de)空(kong)氣壓(ya)縮(suo)機、空(kong)調、通(tong)風機(ji)等輔(fu)助電(dian)動機的三相交流(liu)電(dian)源(yuan)，電(dian)熱器(qi)、冰(bing)箱、信息顯(xian)示(shi)裝(zhuang)置的(de)電(dian)源(yuan)等(deng)。機(ji)車輔(fu)助電(dian)源(yuan)系(xi)統(tong)由三相交流(liu)輔(fu)助電(dian)源(yuan)和(he)直(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)系(xi)統(tong)組(zu)成。早(zao)期的(de)電(dian)力機車三相交流(liu)輔(fu)助電(dian)源(yuan)裝(zhuang)置采(cai)用(yong)旋轉劈相機方式，這種電(dian)源(yuan)裝(zhuang)置體(ti)積(ji)大、重量重、響應差(cha)、效(xiao)率低(di)、噪(zao)聲大，故(gu)障率(lv)，需(xu)經(jing)常檢查、維修(xiu)。隨著電(dian)力電(dian)子和(he)開關(guan)器(qi)件的發(fa)展，采(cai)用(yong)IGBT的輔(fu)助逆變(bian)系(xi)統(tong)正(zheng)在(zai)替(ti)代傳統(tong)的(de)劈相機三相交流(liu)系統(tong)。輔(fu)助逆變(bian)系(xi)統(tong)不(bu)為機車各(ge)輔(fu)助電(dian)機提供(gong)對稱三相電(dian)源(yuan)，同(tong)時(shi)可輔(fu)助電(dian)機軟啟(qi)動、軟制(zhi)動，不(bu)受電(dian)網波(bo)動影響(xiang)。為防止(zhi)因(yin)輔(fu)助供(gong)電(dian)設備故障(zhang)而(er)影響(xiang)機車正(zheng)常運行(xing)，輔(fu)助逆變(bian)系(xi)統(tong)同(tong)時(shi)設置(zhi)故(gu)障(zhang)保護及(ji)冗余(yu)功能。機車直(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)系(xi)統(tong)主(zhu)要由整流(liu)裝(zhuang)置、蓄(xu)電(dian)池組(zu)成，為(wei)機車的(de)系(xi)統(tong)及(ji)照(zhao)明系統(tong)等(deng)提供(gong)所(suo)需(xu)直(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)，為(wei)蓄(xu)電(dian)池充電(dian)，在升弓前(qian)或壓(ya)設備、牽引(yin)變(bian)壓(ya)器(qi)故(gu)障時(shi)，由蓄(xu)電(dian)池給(gei)上述設(she)備供(gong)電(dian)。
2 三相交流(liu)輔(fu)助電(dian)源(yuan)系(xi)統(tong)
該(gai)系(xi)統(tong)多采(cai)用(yong)輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)生(sheng)成三相交流(liu)電(dian)壓為機車輔(fu)助電(dian)氣設備供(gong)電(dian)。輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)根據輸入(ru)側(ce)的(de)不(bu)同(tong)將主電(dian)路(lu)可分為(wei)交直(zhi)交型(xing)和(he)直(zhi)交型(xing)；根據輸出的不同，可分為(wei)恒壓(ya)恒頻(pin)（CVCF）逆變(bian)器(qi)和(he)變(bian)壓(ya)變(bian)頻(pin)（VVVF）逆變(bian)器(qi)。
在(zai)機車上，除(chu)了(le)提供(gong)恒(heng)壓恒(heng)頻(pin)的(de)輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)，為(wei)節約能耗、降(jiang)低(di)通(tong)風機(ji)噪(zao)聲，按照(zhao)不同狀態下設備所需(xu)要的(de)功(gong)率來涮節(jie)電(dian)壓和(he)頻(pin)率(lv)的VVVF輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)。通(tong)常，在同種車型(xing)上的(de)CVCF逆變(bian)器(qi)和(he)VVVF逆變(bian)器(qi)硬件結構(gou)相同，方式不(bu)同(tong)。下面分別(bie)探(tan)討交直(zhi)交型(xing)和(he)直(zhi)交型(xing)輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)的(de)實現(xian)方案(an)。
2．1 交直(zhi)交型(xing)輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)
交(jiao)直(zhi)交型(xing)輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)是(shi)南牽引(yin)變(bian)壓(ya)器(qi)輔(fu)助繞組(zu)供(gong)電(dian)，與牽引(yin)變(bian)流(liu)器(qi)相同，般由網(wang)側(ce)變(bian)流(liu)器(qi)、中(zhong)間(jian)直(zhi)流(liu)環(huan)節、三相逆變(bian)器(qi)3部(bu)分組(zu)成。由於(yu)接觸網電(dian)壓的波(bo)動較大(da)，因(yin)此，交(jiao)直(zhi)交型(xing)輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)輸入(ru)的單(dan)相交流(liu)電(dian)也有較大(da)的波(bo)動，為(wei)了(le)獲得穩(wen)定的中(zhong)間(jian)直(zhi)流(liu)環(huan)節電(dian)壓，輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)的(de)網側(ce)必(bi)須(xu)采(cai)用(yong)可控(kong)整流(liu)電(dian)路(lu)。以前(qian)多采(cai)用(yong)相控整流(liu)電(dian)路(lu)，電(dian)路(lu)和(he)簡單(dan)，造(zao)價較低(di)，但網側(ce)的(de)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)較低(di)，對電(dian)網的影響(xiang)大。隨著電(dian)力電(dian)子的發展(zhan)，脈(mai)沖整流(liu)器(qi)已(yi)開始取代相控整流(liu)器(qi)，它(ta)可使(shi)網(wang)側(ce)的(de)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)接近1，且(qie)動(dong)態響應(ying)特好(hao)。圖(tu)1是(shi)交直(zhi)交型(xing)輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)的(de)電(dian)路(lu)，包括(kuo)脈(mai)沖整流(liu)器(qi)COV，中(zhong)間(jian)支(zhi)撐電(dian)容(rong)，三相逆變(bian)器(qi)INV，輸入(ru)接觸器(qi)K、AK，輸入(ru)輸出電(dian)流(liu)傳感器(qi)ACCT、CTU、CTW，中(zhong)間(jian)電(dian)壓傳感器(qi) VT（冗(rong)余(yu)設計）等(deng)。交(jiao)直(zhi)交型(xing)輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)的(de)缺點(dian)是(shi)過分相時(shi)將失電(dian)，三相輔(fu)機均(jun)停(ting)止(zhi)運(yun)行(xing)。
與傳統(tong)的(de)劈相機電(dian)源(yuan)系(xi)統(tong)相比，采(cai)用(yong)交直(zhi)交型(xing)結(jie)構(gou)的輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)特點(dian)：（1）仍然(ran)需(xu)要由牽(qian)引(yin)變(bian)壓(ya)器(qi)輔(fu)助繞組(zu)為輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)供(gong)電(dian)。（2）脈(mai)沖整流(liu)器(qi)可輸入(ru)側(ce)較的(de)功率因(yin)素(su)以(yi)及(ji)電(dian)網電(dian)壓波(bo)動時(shi)中(zhong)間(jian)直(zhi)流(liu)電(dian)壓的穩(wen)定。（3）由於(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)二(er)次(ci)繞組(zu)之間(jian)存(cun)在耦合(he)，脈(mai)沖整流(liu)器(qi)開(kai)關動作產(chan)生(sheng)的脈(mai)沖分量會(hui)疊(die)加到牽(qian)引(yin)變(bian)壓(ya)器(qi)輔(fu)助繞組(zu)的輸出電(dian)壓上，使(shi)輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)電(dian)壓升，溫(wen)度(du)上升，影響(xiang)輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)的(de)能。（4）變(bian)流(liu)器(qi)的(de)啟動方式為(wei)軟啟(qi)動，減(jian)少輔(fu)助電(dian)動機的啟(qi)動電(dian)流(liu)。（5）工作在較大(da)網壓範圍內(nei)。（6）三相輸出電(dian)壓穩(wen)定、平(ping)衡(heng)。
2．2 直(zhi)-交型(xing)輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)系(xi)統(tong)
直(zhi)-交型(xing)輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)是(shi)從主(zhu)變(bian)流(liu)器(qi)的(de)中(zhong)間(jian)直(zhi)流(liu)環(huan)節取流(liu)，因(yin)此它(ta)只(zhi)需(xu)要逆變(bian)器(qi)就(jiu)可實現(xian)直(zhi)流(liu)電(dian)到三相交流(liu)電(dian)的變(bian)換。由於(yu)輸入(ru)電(dian)壓較，為(wei)達到輸出輔(fu)助電(dian)氣設備所要求(qiu)的電(dian)壓等，般需(xu)要增(zeng)加降(jiang)壓(ya)設(she)備。有兩(liang)種方式：種是(shi)先逆變(bian)，再(zai)通(tong)過三相降(jiang)壓(ya)變(bian)壓(ya)器(qi)將(jiang)較的(de)交流(liu)電(dian)壓降(jiang)到(dao)所(suo)要求(qiu)的電(dian)壓等；另種是(shi)先通過降(jiang)壓(ya)電(dian)路(lu)將直(zhi)流(liu)輸入(ru)電(dian)壓降(jiang)低(di)到(dao)合適(shi)的值(zhi)，再(zai)進行(xing)逆變(bian)。圖(tu)2和(he)圖3分別(bie)給(gei)出了(le)兩(liang)種輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)的(de)電(dian)路(lu)結構(gou)。
為得(de)到品質良(liang)好(hao)的(de)三相交流(liu)電(dian)源(yuan)，通(tong)常需(xu)要增(zeng)加濾波(bo)環(huan)節。方式1中(zhong)，三相電(dian)抗(kang)器(qi)／電(dian)容(rong)器(qi)濾(lv)波(bo)或三相LC濾波(bo)器(qi)可放(fang)置(zhi)在(zai)逆變(bian)器(qi)和(he)降(jiang)壓(ya)變(bian)壓(ya)器(qi)之(zhi)間(jian)，也(ye)可放(fang)置(zhi)在(zai)變(bian)壓(ya)器(qi)之(zhi)後；方式2中(zhong)，則(ze)將濾(lv)波(bo)器(qi)放(fang)置(zhi)在(zai)逆變(bian)器(qi)輸出之後。
方式1中(zhong)，△-Y型變(bian)壓(ya)器(qi)不(bu)實現(xian)降(jiang)壓(ya)功(gong)能，還(hai)實現(xian)壓(ya)輸入(ru)電(dian)源(yuan)回(hui)路(lu)和(he)負載(zai)回路(lu)之間(jian)的(de)相互(hu)。此電(dian)路(lu)的特點(dian)是(shi)開關元器(qi)件數(shu)量少(shao)、較為(wei)簡單(dan)，缺點(dian)是(shi)輸出三相電(dian)壓易受直(zhi)流(liu)輸入(ru)電(dian)壓的影響(xiang)，且(qie)當(dang)直(zhi)流(liu)輸入(ru)電(dian)壓較時(shi)逆變(bian)器(qi)開(kai)關元件的耐(nai)壓要求(qiu)，成本(ben)較。因(yin)此該(gai)方案(an)比較適(shi)，用於由牽(qian)引(yin)變(bian)流(liu)器(qi)中(zhong)間(jian)直(zhi)流(liu)環(huan)節供(gong)電(dian)的場(chang)合。
方式2中(zhong)，可采(cai)取(qu)不同的電(dian)路(lu)實現(xian)降(jiang)壓(ya)。zui簡單(dan)的是(shi)單(dan)管降(jiang)壓(ya)斬波(bo)器(qi)，該(gai)器(qi)件有以(yi)下特點(dian)：（1）通(tong)過降(jiang)壓(ya)斬波(bo)的閉環(huan)保持逆變(bian)器(qi)輸入(ru)電(dian)壓的恒定，從而(er)消除輸入(ru)電(dian)壓的波(bo)動對三相逆變(bian)器(qi)輸出的影響(xiang)；（2）整個電(dian)路(lu)中(zhong)需(xu)1只(zhi)大(da)功率壓(ya)IGBT元件，逆變(bian)器(qi)則(ze)可選(xuan)擇較低(di)電(dian)壓別(bie)的IGBT元件，以降(jiang)低(di)設(she)備成本(ben)。但這種方式沒(mei)有(you)實現(xian)輸入(ru)電(dian)壓與輸出電(dian)壓之間(jian)的(de)，同時(shi)還(hai)應(ying)設(she)置在(zai)降(jiang)壓(ya)斬波(bo)器(qi)失去(qu)後對逆變(bian)器(qi)和(he)負載(zai)等的(de)保護電(dian)路(lu)。
與交(jiao)直(zhi)交型(xing)輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)相比，直(zhi)交型(xing)輔(fu)助變(bian)流(liu)器(qi)具有(you)兩(liang)個(ge)顯著特點(dian)：（1）無需(xu)牽(qian)引(yin)變(bian)壓(ya)器(qi)提供(gong)輔(fu)助繞組(zu)，而(er)是直(zhi)接從牽(qian)引(yin)變(bian)流(liu)器(qi)的(de)中(zhong)間(jian)直(zhi)流(liu)環(huan)節取流(liu)；（2）必(bi)須(xu)采(cai)取(qu)降(jiang)壓(ya)措施，輸出電(dian)壓的幅(fu)值要求(qiu)。
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