AC380V/DC600V列车供电装置的研制
2021-09-10李自然
李自然
摘 要:详细介绍了AC380V/DC600V兼容列车供电装置的工作原理,系统参数和试验验证。重点分析AC380V/DC600V列车供电装置的主电路设计以及相关器件参数的计算等关键技术。通过列车供电装置的相关试验以及机车与客车车辆的联调试验,验证列车供电装置的各项性能均满足客车车辆的供电要求。
关键词:IGBT;列车供电装置;系统集成
0 引言
目前铁路机车向客车直供电主要采取是DC600 V供电制式,即机车提供DC600 V電源、客车分散逆变为AC380V的供电方式,而铁路客车主要分为DC600 V、AC380V两种供电制式。为了保障AC380V客车正常运用,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。随着电气化铁路逐步扩展和机车变流技术的重大进步,传统的AC380V客车仍然依靠大功率柴油机供电已不能满足形势发展的需要,而存量的AC380V客车统一升级为DC600 V客车需要加装逆变电源、客车电气控制柜、镍镉碱性电池、更换大量车体布线等,客车改造存在成本大、费用高、周期长等问题。而在电力机车上增加AC380V/DC600 V列车供电系统,直接向客车提供AC380V/DC600 V电源,再辅以客车的配套改造,具备维护简单、独立性强、编组灵活、高效率、无污染、低噪声等优点。
1 列车供电装置的主电路以及工作原理
1.1 列车供电装置主电路
列车供电装置主电路如图1所示。AC380V/DC600 V列车供电装置主电路主要由一个单相全波整流、逆变器、滤波电路、三相不可控整流等部分组成。每台电力机车上配置两套完全独立的列车供电装置,两套系统同时向列车牵引客车车厢供给AC380V/DC600 V电源,同时两套系统具备冗余功能,在其中一套系统出现故障无法正常输出时,牵引客车车厢将自动减载,由正常的供电装置向整列客车供电。
1.2 列车供电装置工作原理
1.2.1 AC380V供电模式
AC380V供电模式下,列车供电装置的输入为机车牵引变压器列供绕组输出的单相AC860V/50 Hz交流电压,通过充电接触器KM2、充电电阻R1向中间支撑电容C1充电,充电结束后闭合短接接触器KM1,经过单相全波二极管整流,中间支撑电容滤波,输出稳定的直流电压,再通过逆变回路输出PWM波。逆变器后端设置有滤波变压器TR1、滤波电容ACC等设备对逆变输出PWM波进行滤波,使系统输出电压波形为正弦波。中间直流环节设置滤波、接地检测等电路,主要功能为稳定中间直流电压。同时在交流输入侧设置快速熔断器FU1,当交流输入侧发生短路时,可快速分断主电路,从而保护功率器件。停机后,接地检测电阻为支撑电容器放电。另外还设置了必要的电流、电压传感器来检测电路中的输入、输出电流,输入、输出电压,中间电压等信号用于控制。在AC380V供电模式下,主电路中接触器KM5为断开状态。
1.2.2 DC600V供电模式
DC600V供电模式下,列车供电装置的输入为机车牵引变压器辅助绕组输出的单相AC860V/50 Hz交流电压,通过充电接触器KM2、充电电阻R1向中间支撑电容C1充电,充电结束后闭合短接接触器KM1,经过单相全波二极管整流,中间支撑电容滤波,输出稳定的直流电压,再通过逆变回路输出PWM波。逆变输出经过变压器TR1、ACC滤波后经过三相不可控整流器输出脉流电。通过输出侧直流回路设置的滤波电容器输出DC600V电源,保证输出电源满足设计要求。DC600V输出侧设置有放电电阻和接地检测电路,停机时,放电电阻用于滤波电容器的固定放电,保证在停机后输出电压在1 min中内输出电压达到安全电压范围内。DC600V供电模式下主电路中接触器KM4为断开状态。
2 关键器件选型
2.1 滤波回路器件选项
(1)支撑电容C1选型。支撑电容C1的选择:
按RC时间常数近似等于3~5倍电源半周期估算:
k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。
(2)AC380V模式下输出侧LC滤波参数。由于逆变器采用SPWM控制方式将中间电压逆变为CVCF(定压定频)电压,其输出电压峰值和谐波含量远远超出辅助负载的承受能力,必须经过隔离和滤波以输出符合要求的三相380 V/50 Hz 正弦电压。要求额定工况下辅助电源输出电压的总谐波畸变率THD ≤ 5%,故采用了隔离变压器(TR1)进行隔离,并利用其二次侧等效漏电感与三相滤波电容ACC组成LC 滤波器的方式,过滤高次谐波,以满足辅助负载对电源品质的要求。
LC滤波器计算要求如下:
式中Udc为中间直流电压;T为开关频率;△imax纹波电流最大值,一般取输出电流的20%。
为了避免逆变器工作时,功率因数降到允许范围以下,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%,由此得到:
式中P:逆变器有功功率;Usa:输出电压。
3 试验验证
AC380V列车供电装置型式试验项目包括温升试验、负载突变、高低温试验、振动及冲击试验的一系列试验。
3.1 负载突变试验
负载突变试验的目的在于验证AC380V/DC600V列车供电装置在负载突变时的承受能力,体现在输出电压的波动上。试验中完成系统额定负载的突切及突投,系统均正常工作,且输出电压波动范围均在设计要求之内。AC380V模式下列供装置突切及突投测得输出电压、电流波形见图2。图2中左图为负载突切工况波形,右图为负载突投模式下波形;DC600V模式下列供装置突切及突投测得输出电压、电流波形见图3。图3中左图为负载突切工况波形,右图为负载突投模式下波形。
通过试验证明,AC380V/DC600V列车供电装置在AC380V供电模式下完全能够满足客车车辆供电要求,各项性能参数均优于预期设计。
4 总结
AC380V/DC600V列车供电装置采用了大功率IGBT变流技术、逆变控制、不可控整流技术以及完善的保护功能。通过联调试验表明,该供电装置各项技术性能指标达到技术条件的要求。目前装载该供电装置的机车已经完成试运行,运行稳定。相信在不久的将来AC380V/DC600V列车供电装置将作为电力机车列供装置的主力军,驰骋在大江南北。
参考文献:
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