和谐型交流传动电力机车AC 380 V列车供电系统研究

2018-11-15郝凤荣陶红杰

铁道机车车辆 2018年5期

王威，郝凤荣，陶红杰，张律

(中车大连机车车辆有限公司，辽宁大连 110621)

随着铁路电力机车升级，机车牵引动力已全面实现由直流传动向交流传动转型。和谐型交流电传动电力机车以其更大的功率、更优越的性能成为目前我国客运机车的主力车型。

客运列车供电系统是为铁路旅客列车上各种电器提供电源的系统设备。目前铁路上主流的25型空调列车供电系统主要存在两种供电制式,一种为三相交流380 V/50 Hz,基本采用空调发电车或者内燃机车集中供电,一种为DC 600 V,主要由客运电力机车集中供电。由于目前交流传动电力机车仅能提供DC 600 V列车供电输出，为了满足既有380 V供电车辆的使用需求，以HXD3D机车为例，对机车采用AC 380 V列车供电系统方案进行了探讨。

1 AC 380 V列车供电系统结构

AC 380 V列车供电系统主要由主变压器供电绕组、列车供电柜、供电插座以及连接电缆等组成。通过安装在主变压器内部的2个列车供电绕组，分别向2个列车供电柜供电，供电功率为2×400 kW。当一组故障时，另一组可以维持供电，以提高可靠性。如图1所示，列车系统具有2路完全相同的供电回路，互为冗余，当一路供电回路故障时，另一路仍可向旅客列车供电，以提高可靠性。

图1 列车供电系统构成

2 AC 380 V列车供电系统电气技术方案

2.1 相控整流方案

既有直流电力机车列车供电绕组的单相交流电经单相不可控整流变换成直流电，逆变器在控制单元的控制下，将中间回路直流电变成AC 380 V交流电输出，再经LC滤波供给客车车厢。机车交流输入供电柜主电路由整流电路、逆变电路、滤波电路、信号采集模块、电路保护模块等部分组成，如图2所示。(逆变装置应满足三相四线制输出的需求)

图2 交流输入供电系统框图

电气参数

额定输入电压： AC 860 V/50 Hz

额定输出电压： AC 380 V

额定输出电流： 607 A

额定输出功率： 400 kW(每路)

控制精度： 5%

效率： ≥92%

2.2 交直交电源转换方案1

变压器供电绕组输出的860 V电源经PWM四象限整流器变换为DC 1 800 V，每个桥臂的IGBT采用3 300 V/1 500 A。将DC 1 800 V通过电容器C1、C2、C3及电压平衡回路分压为DC 600 VX3，完成降压过程，再通过3相逆变器将DC 600 V电源逆变为三相AC 380 V电源，经LC滤波后提供给客车车厢电源。由于客车电源需要提供三相四线制电源，因此通过在DC 600 V中间回路串联两组相等的支撑电容，完成中点接地及三相四线制电源中性点的引出，具体见原理图3所示。

针对该回路进行模拟测试，在额定网压25 kV，以及17.5～31 kV变换区间，直流600 V的三分压输出达到了电压平衡。变压器列车供电绕组漏电感0.2 mH，按照电流指令输出波形良好，具体如图4所示。而且采

用该电路模式，可以取消相控整流模式下的平波电抗器，实现了电源变换装置的小型化。

图3 交直交电源转换方案1电气原理示意图

图4 交直交转换回路模拟测试波形

2.3 交直交电源转换方案2

首先变压器供电绕组输出的860 V电源经PWM四象限整流器变换为DC 1 550 V(最小值)，四象限整流器的构成方案同交直交电源转换方案1，每个桥臂的IGBT采用3 300 V/1 500 A；再通过一个由三相逆变器构成的3重降压斩波器进行DC 1 550 V到DC 600 V的降压控制，然后通过FL滤波具体见图5所示，完成从DC 1 550 V 到DC 600 V的降压切换控制；由DC 600 V电源到三相AC 380 V电源的转换过程同交直交电源转换方案1，首先通过三相逆变器将DC 600 V电源逆变为三相AC 380 V电源，再经LC滤波后提供给客车车厢电源。同样三相四线制电源的中性点，也是通过在DC 600 V 中间回路串联两组相等的支撑电容，完成中点接地及三相四线制电源中性点的引出，具体见原理图5所示。

图5 交直交电源转换方案2电气原理示意图

2.4 由DC 600 V到三相AC 380 V的电源逆变装置主要性能指标

输入电压/V DC 600

输出功率/kW 400

输入电压变动/V DC 520～630

输入电流/A DC 667连续、最大750

输出功率/kVA 460

输出电压/V 三相380、50 Hz

输出电压变动率/% ±5(输入电压≥550 V)

+5、-10(输入电压<550 V)

±15、5C/C(负载突变±50%以上)

输出波形畸变率/% 10以下(300 kVA以下)

5以下(300 kVA以上)

输出电流： 700 Arms连续

3 方案对比

以上3种方案均可实现交流传动电力机车的三相AC 380 V列车供电功能，差别就在从列供绕组输出的单相AC 860 V电源到到DC 600 V直流电源的切换过程，鉴于既有运用的和谐型电力机车车内已经存在了DC 600 V的相控整流装置，因此只需考虑增设由

DC 600 V 到三相AC 380 V的电源逆变装置和LC滤波装置，但需要重新考虑整车的空间布局；3种方案里，相控整流方案体积大，交直交电源转换方案1体积小但电压平衡回路的技术控制难度大，交直交电源转换方案2的体积介于前两种方案中间，总之对于新造机车应从列车供电装置的体积、成本及可靠性等方面对3种方案进行综合对比分析，来完成AC 380 V列车供电柜的统一设计，并应尽量实现在原DC 600 V供电柜安装空间内，能替换安装下AC 380 V电源列供柜；如机车需根据实际运用需求，兼容满足DC 600 V或三相AC 380 V 列车供电电源的转换需求，则还应在列车供电柜内增设列供选择开关、交直电源切换接触器，并在原DC 600 V外电源插座基础上再增设AC 380 V列供外电源重联插座，同时机车除了保留既有的DC 600 V电源外接重联电缆外，还应配备三相AC 380 V/50 Hz供电时所需的特制重联供电电缆。