交流传动内燃客运机车DC 600 V列车供电系统设计

魏 宏，曲天威

（中国北车集团 大连机车车辆有限公司 技术开发部，辽宁大连116022）

专题研究

交流传动内燃客运机车DC 600 V列车供电系统设计

魏 宏，曲天威

（中国北车集团 大连机车车辆有限公司 技术开发部，辽宁大连116022）

在国内既有的大功率交流传动内燃机车平台上设计DC 600 V列车供电系统，以满足内燃高速客运机车的需求，介绍了该列车供电的系统结构和技术特点，并通过仿真的方式验证了设计指标。

交流传动内燃机车；列车供电；仿真

近年来，随着国内“和谐型”交流传动内燃货运机车的广泛使用，交流传动内燃机车的平台已经得以完善。为了满足内燃客运机车研发的需求，在目前即有的HXN3大功率交流传动内燃机车平台下研制DC 600 V列车供电系统（以下称列供系统）。将架控的牵引主传动系统中间直流环节作为列车供电的输入，供电装置将直流环节的DC 600－DC 2 600 V电压经斩波降压电路和全桥中频隔离变换电路转换为稳定的DC 600 V电压输出，满足客车供电的需求。产品性能指标及性能参数均满足TB/T3063－2002《旅客列车DC 600 V供电系统技术条件》中的相关要求。

1 列车供电系统架构

目前比较普遍采用的内燃机车列车供电方式为通过辅助柴油机发电机组发电，经相控整流转换为客车供电的方式。如DF11G型双机连挂客运内燃机车。该方式架构简单，但也存在较大的缺点。首先，辅助柴油机发电机组势必会增加机车的总重，而轴重问题是困扰内燃机车高速客运的主要难题；其次，牵引发电机和列车供电用的辅助发电机分离的架构不利于电能在两者之间的自由分配；最后，这种架构无法利用机车电阻制动时回馈的电能作为列车供电时的电能输入使用。

为了克服以上缺点，设计了一种新的列车供电系统架构。利用架控模式的牵引主回路具有两组相互独立的中间直流环节即主发整流输出的特点，分别从其中抽出部分电能作为列车供电系统的电能输入，然后进行斩波降压、逆变隔离后再整流输出DC 600 V。其在内燃机车主柴油机发电机组功率等级足够的前提下，不仅降低了机车轴重；还因其列供直流电能输入和牵引中间直流环节共用的特点，可以较好的实现牵引电能和列供电能彼此之间的实时分配；更可以在机车电阻制动工况下，把列车供电作为牵引电机回馈制动时的负载，利用牵引电动机回馈到中间直流环节的电能为列车供电提供电能输入。

同时，两组列车供电虽完全相同，但彼此独立，其互为冗余，当一路供电回路故障时，另一路仍然可向旅客列车供电。此外，因为采用了隔离电路，又最大限度的降低了其对牵引主回路的影响。

2 技术特点

（1）主要性能指标

输入电压范围： DC 600～2 600 V；

额定输出电压： DC 600 V；

输出电压范围： DC 570～630 V；

额定输出电流： 2×667 A；

额定输出容量： 2×400 k W；

相对峰峰纹波系数： ≤15%；

额定输出效率： ≥92%；

冷却方式： 强迫风冷。

（2）原理说明

列供系统电气原理图见图1。以单组400 k W为例，机车牵引回路中间直流环节的工作电压范围为DC 600～2 600 V，该直流电通过熔断器FU1、UP1和UP2并联斩波降压回路降压到稳定的DC 540 V，然后再经过UP3和UP4的IGBT中频隔离变换、整流及滤波后输出稳定的DC 600 V。

图2所示UP1和UP2为斩波降压电路，其内的IGBT单管开关频率800 Hz，采用电压、电流闭环调节的控制策略，当输入电压在DC 600～2 600 V范围内变化时，斩波降压的占空比在0.2～0.9之间自动调节，保证在斩波降压后，输出稳定的DC 540 V。

图2 斩波降压电路

图3所示的UP3和UP4为中频隔离变换电路，其为全桥隔离逆变电路，开关频率设置为最高3 k Hz，目的是减小配套电感、变压器等磁性元器件的体积和质量。通过对电压和电流的闭环检测，控制IGBT占空比在0.45左右，保证将DC 540 V电压变换为稳定的DC 600 V输出。

图3 中频隔离变换电路

该列车供电系统的控制单元一方面通过采集各个传感器和外部I/O控制指令，实现接触器和各电路稳压控制以及保护功能；另一方面通过接口电路将各种电信号变换后传送给显示计量电路及MVB通讯，使得运行过程中发生的任何故障以及发生故障时间、运行参数都被记录在控制单元内，方便故障追踪。

整个列供系统具备如下功能：①集中控制功能；②故障诊断及信息转储；③通讯功能；④电能计量功能；⑤输入输出过欠压保护；⑥输入输出过流保护；⑦输入输出短路保护；⑧过热保护；⑨输出接地保护。

3 列车供电系统热性能分析

由于内燃机车特殊的自身环境，相对于电力机车而言，内燃机车对列车供电系统的散热能力要求较高。为此要求列供系统的最高工作温度为50℃。在此基础上进行了损耗计算和散热仿真。

对斩波降压电路进行了功率损耗计算，其主要功率损耗来自于IGBT、续流二极管、主电感、换流电感、输入电容和输出电容。各功率器件损耗计算结果见表1。可以看出在最高输入电压时，即DC 2 600 V输入时，斩波降压电路的功率损耗最大。

再对隔离变换电路进行功率损耗计算，其主要功率损耗来自于IGBT、整流二极管、变压器、滤波电感、输入电容和输出电容。各功率器件损耗计算结果见表2。

表1 斩波降压电路各功率器件损耗表 W

表2 隔离变换电路各功率器件损耗表 W

根据表1和表2的计算结果，选取了一款三相交流风机作为强迫通风风机，其额定功率为790 W，额定转速3 580 r/min。对主要功率器件在50℃的工作环境下进行热功分布仿真，其仿真后的温度分布云图见图4。

从温度云图可以看出，温度最高的部件为续流二极管，达到了88.4℃。各主要器件的温度仿真结果见表3。结果表明，各个主要发热器件的最高温度均在安全工作范围内。

图4 温度仿真分布云图

表3 温度仿真结果表 ℃

从图5所示的风速轨迹图来看，风速平均值为0.26 m/s，风机的工作静压为999 Pa，出风口流量为0.444 m3/s，出风口平均温度为74.5℃，尾部散热器平均温度为79.8℃，总体而言，风的分布较为均匀，风能利用率和散热效率较高。

通过热性能分析，可以看出该列供系统是能够适应内燃机车相对恶劣使用环境的。

图5 风速轨迹图

4 结束语

内燃客运机车DC 600 V列供系统的设计开发，满足了内燃机车客运的需求，打通了后续内燃客运机车研发过程中的瓶颈。对于内燃客运机车在部分干线特别是中国西部地区获得更好的运用前景，发挥内燃机车的余热，扩大铁路运输能力具有重要的意义。

Design of DC 600 V Train Power Supply System for AC Drive Diesel Passenger Locomotive

WEI Hong，QU Tianwei
（Technology Development Department，Dalian locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，CNR Group，Dalian 116022 Liaoning，China）

A DC 600 V train power supply system was designed for domestic AC drive diesel passenger locomotive to meet the demands of high speed diesel passenger locomotive.In this article，the structure and technical characteristics of the train power supply system are described，and the design is verified by simulation.

AC drive diesel locomotive；train power supply；simulation

U266.1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.02.08

1008－7842（2014）02－0034－03

）男，工程师（

2013－11－04）