SS9电力机车AC380V列供系统

文/蔡利军

为了保障AC380V客车正常运用，各路局必须配备大量的空调发电车，依靠大功率柴油机发电给客车供电。随着铁路电气化率逐步提升，至2016年底已超过64.8%，原有的AC380V客车仍然依靠柴油机供电的方式已不符合绿色环保的发展理念，而既有的21177辆AC380V客车统一升级为DC600V客车需要加装客车车下电源、四合一电气控制柜、大容量蓄电池，同时更换车体布线等，存在整体改造成本高、周期长等问题。在SS9电力机车上增加AC380V列供系统，直接向客车提供AC380V供电电源，并在客车上加装不间断电源装置，具备系统改造成本低等优点。

1 工作原理

SS9电力机车AC380V列供系统由相控整流、三相逆变、滤波、信号采集和保护等环节组成，其主电路及控制电路关联关系见图1。

每台SS9电力机车上均设置了两套完全独立的AC380V列供系统，两套系统同时向AC380V客车输出AC380V/50Hz供电电源。两套AC380V列供系统互为热备冗余，其中一套系统无法正常输出时，AC380V客车车厢将自动减载，由正常的另一套系统向整列客车车厢供电。

2 总体及结构设计

每套AC380V列供系统均包含整流逆变模块、充放电单元、直流滤波回路、冷却单元、交流滤波回路等。

AC380V列供系统的整流逆变模块集成了整流二极管元件、IGBT逆变元件、散热器、传感器、脉冲分配板、低感母排和供电控制板等部件，高度集成的设计方式大大的缩小了安装空间与重量。如图2所示。

图1：系统主电路及控制电路关联关系图

3 关键参数计算

整流逆变模块中的关键器件主要有整流二极管、IGBT逆变原件、支撑电容C等。

相控整流中单个桥臂的电流有效值

单个相控整流二极管承受的平均电流

单个相控整流二极管承受的最大反向电压

式中：Id为中间直流电流；Uin为输入电压。

三相逆变中IGBT承受的电压为：

式中：Ud为直流输入最大电压；Usp为关断尖峰电压；K1为过电压系数，取1.15；K2为安全系数，取1.1。

三相逆变中IGBT元件承受的额定电流：

式中：IACmax为最大交流输入电流；K3为电流尖峰系数。

支撑电容C的RC时间常数近似等于3～5倍电源半周期：

式中：k为电容系数，可以取3～5之间的值，若希望纹波小，则按5倍取；R为整流器所带负载等效电阻；C为支撑电容容值。

输出滤波的电感：

图3：温升试验温度上升曲线

图4：双列供全暖模式

式中：Udc为中间直流电压；f为开关频率；△imax为纹波电流最大值，一般取输出电流的20%。

为了避免逆变器的功率因数降到允许值以下，滤波电容器吸收的基波无功功率不能大于逆变器有功功率的5%，输出滤波的电容：

式中：τ为时间常数；P为逆变器有功功率；ω为角频率；Usa为输出电压。

4 试验验证

4.1 温升试验

温升试验在于验证变流器模块、滤波变压器等部件在长时间额定工况下运行时表面温升和内部温升小于规定的值。在AC380V列供系统温升试验中，环境温度为31.1℃，系统在额定工况下（输出电压AC380V、输出电流607A）持续运行3小时，测得变流器模块散热器台面、滤波变压器线圈、支撑电容表面各点温度上升曲线如图3所示。试验3小时的温度已趋于平衡，变流器模块散热器台面温升为39.7K，滤波变压器线圈温升为72K，支撑电容表面温升为24K，从试验情况看AC380V列车供电装置各部件温升均满足系统设计要求。

4.2 动态联调试验

将装有AC380V列供系统的SS9电力机车与列车编组进行联挂（每个编组均包含硬卧客车7辆、软卧客车7辆、高级软卧车1辆），试运线路为长春-蔡家沟，主要是试验两路供电的自动模式和单路供电的应急模式。

4.2.1 两路供电时客车自动模式

SS9电力机车同时输出两路AC380V供电电源，整个编组以试验全暖模式运行，一路列供带一半客车负载，稳定后波形见图4（蓝色为中间电压，绿色为输出电流，红色为输出电压），桥臂峰值电流240A。由于制暖工况下大部分客车负载都是电阻性负载，因此在过分相启动时非常平稳，电流冲击非常小。

SS9电力机车同时输出两路AC380V供电电源，整个编组以试验全制冷模式运行，一路列供带一半客车负载。SS9电力机车AC380V列供系统过分相后软启动，桥臂峰值电流在598A。延时半分钟后，客车第二压缩机启动，列供桥臂峰值电流544A。

4.2.2 单路供电时试验

关闭SS9电力机车任意一路列供，由正常的AC380V列供系统维持供电，一路列供带全部客车试验全暖负载，单路列供供电可以满足整个编组客车全暖模式供电要求。

关闭SS9电力机车任意一路列供，由正常的AC380V列供系统维持供电，一路列供带全部客车试验强制制冷。在不减载工况下，即使采取过分相软起的措施，列供桥臂峰值最大电流1700A。因此在制冷工况下采用供电冗余时，编组客车必须要减载工况下系统才能正常运行。

通过多次试验验证，AC380V列供系统完全能够满足客车直供电要求，各项技术参数优于预期设计。

5 总结

SS9电力机车AC380V列供系统采用大功率三相逆变技术、辅助控制以及完善的保护功能。该系统的成功研制，可以提升国内机车电气系统和车辆装备的技术水平，以较小的投入来有效降低客车的运行成本来大幅提高客运收入，为新的运行乘务体制提供了有力的技术支持。随着国内铁路电气化铁路的建设，其系统应用具有更广阔的发展空间。