1 引言

   　 電力機(jī)車輔助電源系統(tǒng)是機(jī)車的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著除機(jī)車牽引系統(tǒng)主電路以外各種裝置的供電任務(wù)，是提供風(fēng)源的空氣壓縮機(jī)、空調(diào)坦康、通風(fēng)機(jī)等輔助電動(dòng)機(jī)的三相交流電源，電熱器、冰箱滞欠、信息顯示裝置的電源等古胆。機(jī)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(jī)車三相交流輔助電源裝置采用旋轉(zhuǎn)劈相機(jī)方式筛璧，這種電源裝置體積大逸绎、重量重、響應(yīng)性差夭谤、效率低棺牧、噪聲大，故障率高朗儒，需經(jīng)常檢查颊乘、維修。隨著電力電子和開關(guān)器件的發(fā)展醉锄，采用IGBT的新型輔助逆變系統(tǒng)正在替代傳統(tǒng)的劈相機(jī)三相交流系統(tǒng)乏悄。輔助逆變系統(tǒng)不僅為機(jī)車各輔助電機(jī)提供對稱三相電源，同時(shí)可滿足輔助電機(jī)軟啟動(dòng)榆鼠、軟制動(dòng)，不受電網(wǎng)波動(dòng)影響漠盔。為防止因輔助供電設(shè)備故障而影響機(jī)車正常運(yùn)行规倚，輔助逆變系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置各種故障保護(hù)及冗余功能。機(jī)車直流電源系統(tǒng)主要由整流裝置奸涤、蓄電池組成评贫，為機(jī)車的控制系統(tǒng)及照明系統(tǒng)等提供所需直流電源，為蓄電池充電祷燥，在升弓前或高壓設(shè)備枕调、牽引變壓器故障時(shí)，由蓄電池給上述設(shè)備供電翁乌。

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(jī)車輔助電氣設(shè)備供電堪锌。輔助變流器根據(jù)輸入側(cè)的不同將主電路可分為交一直一交型和直一交型；根據(jù)輸出的不同蒙搅，可分為恒壓恒頻(CVCF)逆變器和變壓變頻(VVVF)逆變器肺疾。
   　 在機(jī)車上，除了提供恒壓恒頻的輔助變流器潘尿，為節(jié)約能耗届慈、降低通風(fēng)機(jī)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輔助變流器忿偷。通常金顿，在同一種車型上的CVCF逆變器和VVVF逆變器硬件結(jié)構(gòu)相同，僅控制方式不同。下面分別探討交一直一交型和直一交型輔助變流器的實(shí)現(xiàn)方案揍拆。
2．1 交一直一交型輔助變流器
    　交一直一交型輔助變流器是南牽引變壓器輔助繞組供電渠概，與牽引變流器相同，一般由網(wǎng)側(cè)變流器礁凡、中間直流環(huán)節(jié)高氮、三相逆變器3部分組成。由于接觸網(wǎng)電壓的波動(dòng)較大顷牌，因此剪芍，交一直一交型輔助變流器輸入的單相交流電也有較大的波動(dòng)，為了獲得穩(wěn)定的中間直流環(huán)節(jié)電壓窟蓝，輔助變流器的網(wǎng)側(cè)必須采用可控整流電路罪裹。以前多采用相控整流電路，電路和控制簡單迄咸，造價(jià)較低茶踪，但網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)的影響大屿钥。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展教叽，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坎市，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好嘶忘。圖1是交一直一交型輔助變流器的典型電路，包括脈沖整流器COV盹馅，中間支撐電容躁银，三相逆變器INV，輸入接觸器K毒奇、AK蔑辽，輸入輸出電流傳感器ACCT、CTU沥葛、CTW触尚，中間電壓傳感器 VT(冗余設(shè)計(jì))等。交一直一交型輔助變流器的缺點(diǎn)是過分相時(shí)將失電齿穗，所有三相輔機(jī)均停止運(yùn)行筐带。

    　與傳統(tǒng)的劈相機(jī)電源系統(tǒng)相比，采用交一直一交型結(jié)構(gòu)的輔助變流器特點(diǎn)：(1)仍然需要由牽引變壓器輔助繞組為輔助變流器供電缤灵。(2)脈沖整流器可保證輸入側(cè)較高的功率因素以及電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)中間直流電壓的穩(wěn)定伦籍。(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(dòng)作產(chǎn)生的脈沖分量會(huì)疊加到牽引變壓器輔助繞組的輸出電壓上腮出，使輔助變流器電壓升高帖鸦，溫度上升，影響輔助變流器的性能。(4)變流器的啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)作儿，有效減少輔助電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流洛二。(5)工作在較大網(wǎng)壓范圍內(nèi)。(6)三相輸出電壓穩(wěn)定攻锰、平衡晾嘶。
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(shí)現(xiàn)直流電到三相交流電的變換娶吞。由于輸入電壓較高垒迂，為達(dá)到輸出輔助電氣設(shè)備所要求的電壓等級，一般需要增加降壓設(shè)備肖糖。有兩種控制方式：一種是先逆變笨拯，再通過三相降壓變壓器將較高的交流電壓降到所要求的電壓等級；另一種是先通過降壓電路將直流輸入電壓降低到合適的值睹蜈，再進(jìn)行逆變讶粹。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牲课，通常需要增加濾波環(huán)節(jié)贩仇。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女灸，也可放置在變壓器之后切役；方式2中，則將濾波器放置在逆變器輸出之后摘链。

  　  方式1中羔仅，△-Y型變壓器不僅實(shí)現(xiàn)降壓功能丘多，還實(shí)現(xiàn)高壓輸入電源回路和負(fù)載回路之間的相互隔離岗努。此電路的特點(diǎn)是開關(guān)元器件數(shù)量少、控制較為簡單谢鹊，缺點(diǎn)是輸出三相電壓易受直流輸入電壓的影響算吩，且當(dāng)直流輸入電壓較高時(shí)逆變器開關(guān)元件的耐壓要求高，成本較高佃扼。因此該方案比較適偎巢，用于由牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)供電的場合。
    　方式2中兼耀，可采取不同的電路實(shí)現(xiàn)降壓压昼。最簡單的是單管降壓斬波器，該器件有以下特點(diǎn)：(1)通過降壓斬波的閉環(huán)控制保持逆變器輸入電壓的恒定瘤运，從而消除輸入電壓的波動(dòng)對三相逆變器輸出的影響窍霞；(2)整個(gè)電路中僅需1只大功率高壓IGBT元件，逆變器則可選擇較低電壓級別的IGBT元件，以降低設(shè)備成本但金。但這種方式?jīng)]有實(shí)現(xiàn)輸入電壓與輸出電壓之間的隔離韭山，同時(shí)還應(yīng)設(shè)置在降壓斬波器失去控制后對逆變器和負(fù)載等的保護(hù)電路。
    　與交一直一交型輔助變流器相比冷溃，直一交型輔助變流器具有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：(1)無需牽引變壓器提供輔助繞組腻危，而是直接從牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)取流；(2)必須采取降壓措施碰素，滿足輸出電壓的幅值要求雇法。

3 直流電源系統(tǒng)
    　目前鐵道機(jī)車上直流電源系統(tǒng)有相控型(AC／DC)直流電源系統(tǒng)和IPM高頻開關(guān) (DC／DC)電源系統(tǒng)。傳統(tǒng)的相控直流電源由于器件和技術(shù)兩方面的原因狞饮，工作頻率低供辰，體積大，噪音高佣各，技術(shù)指標(biāo)和可控性都較差梢苍。高頻開關(guān)電源是采用軟開關(guān)技術(shù)的一種高效、高精度電源指胡，可多模塊并聯(lián)_丁作诲有。該電源的電池兼容性高、直流可控性好橘忿、功率因數(shù)高药封、噪音低、均流性好侯选、體積小吠谢、直流成分純凈度高，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)可控硅電源诗茎，是相控電源更新?lián)Q代的理想產(chǎn)品工坊。由于輸入輸出接口都采用硬接插件(熱插板)連接方式，維修更換極為簡便敢订，所以特別適合電力機(jī)車動(dòng)態(tài)負(fù)荷多王污、穩(wěn)壓、穩(wěn)流楚午、紋波精度要求高和N+1的冗余配置的要求≌哑耄現(xiàn)將晶閘管相控電源直流系統(tǒng)與高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)做一比較，如表1所示矾柜，其余性能指標(biāo)滿足TB1395-81中的要求阱驾。

4 其他系統(tǒng)
   　 電力機(jī)車除了三相負(fù)載，常見的還有單相220 V怪蔑、50 Hz負(fù)載里覆。通常有兩種獲得單相220 V吁伺、50 Hz電源的途徑：(1)在有三相輔助變壓器的系統(tǒng)中，變壓器輸出三相380 V交流電堤酿，并有中性點(diǎn)谷培，即可取三相交流電的相電壓。該方法簡單镇评、直接藤侦；(2)采用單相變壓器將三相交流電的線電壓降壓為單相交流220 V。該方法多一個(gè)變壓器牺鱼，且會(huì)引起三相電源負(fù)荷不平衡樊何，一般應(yīng)用在無三相輔助變壓器的系統(tǒng)中。

5 幾種典型機(jī)車的輔助電源系統(tǒng)
    　在機(jī)車輔助電源系統(tǒng)中跪晕，機(jī)車直流電源系統(tǒng)比較簡單秀彤，在進(jìn)行輔助電源系統(tǒng)比較時(shí)主要進(jìn)行三相交流輔助電源系統(tǒng)的比較。表2歸納了國產(chǎn)交一直傳動(dòng)韶山7E(簡稱SS7E)型電力機(jī)車和交一直一交傳動(dòng)HXD1啄崖、HXD2笙吠、HXD3 三種型號的“和諧”系列電力機(jī)車的輔助電源系統(tǒng)。

    　SS7E型電力機(jī)車三相交流輔助電源系統(tǒng)垄暗，采用四象限整流器將送入的單相340 V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?00V中間電壓轴座，再由逆變器將直流600 V轉(zhuǎn)變?yōu)槿?80 V，經(jīng)EMC濾波器濾波后輸出简烘，一路作為機(jī)車用三相輔助電源苔严，另一路經(jīng)LC濾波器再次濾波后為自身冷卻風(fēng)機(jī)提供三相電源。
    　HXD1機(jī)車由三相變壓器將三相恒壓恒頻交流電(440 V孤澎、60 Hz)變?yōu)槿?30 V届氢、60 Hz交流電，供給相應(yīng)負(fù)載覆旭。另外退子，由于HXD1機(jī)車三相交流電壓為440 V、60 Hz姐扮，為與國內(nèi)設(shè)備兼容絮供，設(shè)置了DC110 V／單相230 V衣吠、50 Hz轉(zhuǎn)換模塊茶敏。
 　   通過上述分析可以得到如下結(jié)論：
  　  (1)采用交一直一交型輔助變流器，必須在牽引變壓器上增加輔助繞組給逆變器供電缚俏，因此系統(tǒng)對機(jī)車主電路的要求較高惊搏。但由于系統(tǒng)只需要進(jìn)行交一直、直一交兩個(gè)環(huán)節(jié)的變換忧换，開關(guān)器件的額定電壓低减点，所以器件數(shù)量少饥猴、成本低，整個(gè)系統(tǒng)效率高街粟，技術(shù)實(shí)現(xiàn)較容易屉胳。
  　  (2)采用直一交型輔助變流器，可省去輔助繞組稍圾，提高機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)的能量利用率履剔。其中：①對于中間環(huán)節(jié)電壓不是很高的系統(tǒng)(一般不超過2 000 V)，可直接利用逆變器進(jìn)行逆變钠彬，然后再經(jīng)降壓變壓器降壓轨来。這種結(jié)構(gòu)中間環(huán)節(jié)少、控制簡單汹改、開關(guān)器件少基霞，系統(tǒng)的效率較高。但由于開關(guān)器件電壓等級較高僵禁，基于降低能耗考慮阎瘩，其開關(guān)頻率會(huì)受到限制，因此輸出電壓波形不會(huì)很理想碰缔，而且降壓變壓器也會(huì)使機(jī)車增加額外重量温鸽，增加成本。②對于中間環(huán)節(jié)電壓超過2 000 V的手负，一般采用直一直變換涤垫，中間電壓600V左右，然后進(jìn)行逆變竟终。這種結(jié)構(gòu)在直一直變換環(huán)節(jié)比較復(fù)雜蝠猬，器件多、電壓等級較高统捶，還需要增加脈沖變壓器進(jìn)行隔離榆芦，因此系統(tǒng)復(fù)雜、效率較低喘鸟。

6 結(jié)束語
   　 通過對電力機(jī)車輔助電源系統(tǒng)進(jìn)行分析和比較匆绣，可以看出，在現(xiàn)有開關(guān)器件制造水平和性價(jià)比的基礎(chǔ)上什黑，采用交一直一交型的輔助電源系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢崎淳，但對機(jī)車牽引變壓器的要求較高：采用直一交型輔助電源系統(tǒng)，雖然可以去掉輔助繞組伺罗，提高機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)的能量利用率寨衣，但也存在系統(tǒng)重量增加，效率降低的問題奇巍。
    　隨著IPM等開關(guān)器件和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展遇托，今后的電力機(jī)車輔助電源將向裝置更小輕量化债烹、低噪聲、大容量笔广、高可靠性等方向發(fā)展闪侨。

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