电力机车辅助电机供电系统的研究设计

张全柱， 邓永红， 黄成玉

(华北科技学院信息与控制技术研究所，北京101601)

目前我国电力机车辅助传动系统基本采用由旋转式异步劈相机（简称劈相机）供电给三相交流异步电动机（简称辅机）驱动辅助机械（如通风机、压缩机、油泵等）的供电传动方式。这种供电方式存在着诸多问题（见下面的分析），由于劈相机存在起动复杂且只能空载起动的缺点，往往机车在站段停留时，劈相机不能停机，这非常不利于节能[1-2]。

研究电力机车辅机系统供电的新方案是非常必要的。本文研制了静止式的交直交变流器，称作辅助变流器，以区别于给主牵引电机供电的主变流器。由电力机车辅助变流器（系统）代替传统的劈相机给辅助电机实现供电。

1 电力机车辅助供电的现状及存在的问题

电力机车的供电网是高压交流单相网，AC25kV/50Hz，辅助电动机需要三相交流电源供电，为了将单相交流电变为三相交流电，须借助一种特殊的电机—劈相机。劈相机是将单相交流电变为多相交流电的旋转电机，它可看作是单相电动机与多相发电机组合而成的电机，其工作原理如图1所示。绕组cob与转子起着单相电动机作用，而绕组oa、ob、oc和转子起着三相发电机作用。但采用劈相机给辅助电动机供电存在如下几点问题：

（l）由于绕组oc、ob中既有电动机电流，又有发电机电流，所以劈相机各相中的电流是不对称的，不对称电流引起不对称的电压降。为了保证在加载或负载变动后输出的电压对称，往往采用不对称绕组或在发电机相和电源之间并联电容器。但这些措施只能保证在一定范围内变化负载的电压对称性，仍不能保证任意负载时电压的对称性。劈相机输出电压的不对称，使得其供电的辅助异步电动机定子损耗增加，引起电机发热，缩短电机寿命。同时也影响电机的输出转矩和系统的稳定性，降低了电机的运行效率。

（2）劈相机要输出三相电压，必须一开始就得使其转子旋转起来，这就是劈相机的起动问题。国产SS型机车劈相机起动采用分相电阻起动法，就是在coa相中串联起动电阻RQ，必须合理地选择RQ的阻值，且要求其可靠的投入，否则会发生劈相机烧损故障。此外，RQ的投入，必然会增加功率损耗。

（3）劈相机的运行实质上是一不对称定子绕组的感应电机的运行，它的起动实际上是不对称定子绕组在不对称电源(单相电源)下的起动，这必然造成电网的功率因数下降，增加电网公害。另外，劈相机作为电网与辅助异步电动机连接的中间设备，必然要增加系统功耗，降低系统运行效率。

例如，SS3B型电力机车上采用了两台型号为YPX280M-4型异步劈相机，其驱动的辅助异步电动机作为泵、风机、压缩机等辅助设备的驱动源，运行的效率较低。

2 辅助变流系统的方案及组成

2.1 辅助变流器负载分配情况

SS3B电力机车共有12台辅助电机，这12台辅助电机分别是：牵引通风机4台（单台功率37 kW），制动风机4台（单台功率14 kW），压缩机2台（单台功率37 kW），变压器风机1台（功率14 kW），油泵电机1台（功率14 kW）。设计使用两台辅助变流器，分别安置在机车的两个机柜中，每台辅助变流器（机柜）驱动6台辅助电机，每台辅助变流器所驱动的电机功率基本相同。

如图2所示为SS3B电力机车其中一台辅助变流器及驱动负载的结构图。逆变器U1单元驱动两台牵引通风机，功率为37 kW×2；逆变器U3单元驱动一台变压器风机(或变压器油泵电机)和二台制动风机，功率为14 kW+14 kW×2=42 kW；逆变器U5单元驱动一台压缩机，功率为37 kW。机车的另一端辅助变流器的负载分配情况与此完全相同。

2.2 辅助变流器电路结构

辅助变流器由前级变流器（网侧变流器）和后级变流器组成，前级变流器是一台相控整流器（容量300 kVA），后级变流器由三台容量等同的逆变器（容量100 kVA×3）单元组成。基本是按照辅机的类别和工况来划分和组合负载的，并将这些负载分配到不同的逆变器单元中。

前级变流器采用单相相控整流器（开关器件：晶闸管；电路结构：单相半控桥），电路原理如图3所示。后级变流器中的每个逆变器均为三相桥式逆变器，所用开关器件为IGBT，原理如图4所示。

3 辅助变流器实现方法

3.1 输入侧电压方案选择

SS3B电力机车主变压器（牵引变压器），原来给劈相机供电的辅助绕组（a6，x6）电压为AC397 V，这一电压经过相控整流器整流后电压为397×0.9=357 V，不能达到DC540 V。因此将辅助绕组的电压提高一倍，为AC794 V，具体实现方法是：将原来6根扁铜线（线规：ZB-0.45,3.28×13.5/3.73×13.95）并联绕制的两个“双饼绕组”由并联连接改为串联连接。这样输出电压就可以提高一倍，载流量下降一半，但绕组的输出功率（带负载能力）与原来相同。而且这样改造变压器并不复杂，工作量较小，便于实施。

3.2 中间环节直流电压的确定

网压的波动范围为（+24%～－30%），在最低网压下辅助绕组的输出电压为604 V，按0.9倍的整流系数（实际上中间支撑电容的滤波作用可使整流系数为1.15）计算，也可保证整流后的中间环节直流电压为DC 540 V。从逆变器的输出来考虑，逆变器的负载辅助电机要求的供电电压为AC380 V，按0.7倍（理想的逆变系数为0.78） 的逆变系数计算，选DC540 V的中间环节直流电压完全可以满足要求。

3.3 辅助电源的输出滤波

在SS3B型电力机车上加装辅助变流器，考虑到负载电机的绝缘等级（定子绕组匝间绝缘），逆变器输出的SPWM电压波形不宜直接给辅机供电，波形的dV/dt值太大，容易造成辅机绕组绝缘的破坏，降低辅机的运行寿命。因此在逆变器与辅机之间增加了“准正弦波”滤波器，是一个LC低通滤波器电路，目的是将逆变器输出的SPWM波滤成“准正弦波”。这里所定义的“准正弦波”的概念为：波形近似于正弦波；谐波含量小于10%；瞬间电压上升率（dV/dt值）小于200 V；电压波形上叠加的尖峰脉冲Upk，其幅值小于200 V，宽度小于200 μs；波形失真度（与标准正弦波相比较）不大于10%。这样的波形完全可以满足普通异步电动机的运行要求，对于机车辅机既可以充分发挥其额定功率，又可以满足绕组绝缘等级的要求。

3.4 按照辅机的类别和工况给逆变器分配负载

三个逆变器单元分别驱动不同工况的辅机负载，这样使每个辅机都实现了变频软起动，避免了辅机的突然投入（辅机全压直接起动）对辅机的大电流冲击，影响辅机的运用寿命且不利于节能。另外辅机的“突投”对逆变器的冲击也是很大的，也影响逆变器的运用寿命。因此按照辅机的类别和工况给逆变器分配负载的方案可以避免辅机的“突投”运行。

4 辅助电机变流器控制系统

4.1 辅机变流器控制系统的组成

辅助变流器控制系统的组成原理图如图5所示。控制系统是一个多微机并行总线的系统，由多个单片微机子系统构成，CPU为80C196KC，为全数字化的控制方式。每个变流单元配有一块单片微机控制板，有整流器控制板和逆变控制器板两种。整个控制系统还包含一个总微机控制器，其置于低压电气柜中。总微机控制器由三块控制板组成，分别是：单片微机总控板、辅机状态采样板、接触器驱动板。

总微机控制器，综合司控台来的指令信号、辅机电流信号、各个变流器单元（包括一个整流器单元和三个逆变器单元）的运行状态信号，来给每个整流单元和逆变单元发送起动运行、变频运行、停车等指令信号，还完成辅机的运行状态和故障状态的检测与保护功能，系统的运行状态和辅机的运行状态的显示功能也由总微机控制器来完成。

4.2 辅助变流器控制系统的特点

该电力机车辅助变流器具有如下特点：

（1）分单元控制：整流单元和逆变单元都有各自的微机控制器，分别按照每个单元所驱动的不同性质的负载工况进行控制，满足了不同性质负载的运行工况。

（2）各单元控制器具有互换性：各变流器单元控制板的硬件和软件完全统一，靠控制板上拨码开关的设定位置来区别变流器单元，这样各单元的控制器具有可互换性。

（3）总控制器功能综合：指挥各变流器单元的运行和停机；诊断并记录各变流器单元的运行状态和故障状态；接收司机操纵台来的变流器及辅机的运行/停车指令；在司机显示器（屏）上显示变流器和辅机的运行状态；实现辅机的过流（含缺相和过载）保护。可见总控制器的功能非常综合，它是整个辅助变流器控制系统的核心。

5 辅助变流系统的运行实现

按照上述辅助变流系统主电路、控制系统的设计方案，我们成功地研制了电力机车辅助变流系统，并在既有SS3B电力机车上进行了装车运用，通过电力机车大修厂和机车运用机务段进行加装改造来完成。改造的主要工作有：对牵引变压器辅助绕组的改造，将其并绕绕组该为串绕绕组；对机车劈相机的改造，取消两台劈相机，用两台辅助变流柜来代替，辅助变流器就置于原来劈相机的位置，设备长宽尺寸不变，高度增加；对机车辅助回路控制柜（也称低压柜）的改造，在低压柜中增加总微机控制器、辅机电流检测模块、辅机接触器驱动模块这三个控制电路模块，以完成对辅助变流器中整流单元和各个逆变单元的运行控制，也完成对辅助电机的运行控制及故障检测与保护。对司机控制器（简称司控器）的改造，在司控器的显示屏上增加辅助变流器各个运行单元（含整流器和逆变器）的状态显示，如正常显示绿色，故障显示红色。司控台的其它操作和显示功能保持不变。

图6、7、8给出了研制的电力机车辅助变流器输出波形图。

6 结论

分析我国电力机车上应用劈相机给辅助电机供电存在的缺点，结合SS3B型电力机车辅助电机的特点，在SS3B型电力机车上研制加装辅助变流系统来代替劈相机给电力机车辅助电机供电，可以克服传统的辅助电机供电的诸多缺点，充分发挥新型变流器供电的诸多优点。

结合国外电力机车辅助变流器成功应用的经验，采用“交直交功率变换”方式，“集中整流分散逆变（也称一整多逆）”的变流器主电路结构，结合SS3B电力机车辅助电机的实际运行工况，给各变流器单元均衡分配负载，特别考虑到机车辅机的特点，利用既用机车的辅助电机（不必专门设计变频电机），在逆变器输出端加装“准正弦波滤波器”，这样就保证了辅助变流器在SS3B电力机车上的成功应用。

辅助变流器的控制系统，采用集散型多微机、并行总线的控制模式，能适时准确地接收司机指令，实现了对辅机的逻辑控制和自动过分相控制，实现了对辅机的运行/故障状态的检测、显示、记录和存储等。这一控制系统可靠性高，具有很强的智能化功能。

[1]侯媛彬.凌阳单片机原理及其毕业设计精选[M].北京：科学出版社，2005.

[2]罗亚非.凌阳16位单片机应用基础[M].北京：北京航空航天大学出版社,2003.