交流傳動(dòng)內(nèi)燃客運(yùn)機(jī)車DC 600 V列車供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏 宏，曲天威

（中國(guó)北車集團(tuán) 大連機(jī)車車輛有限公司 技術(shù)開發(fā)部，遼寧大連116022）

專題研究

交流傳動(dòng)內(nèi)燃客運(yùn)機(jī)車DC 600 V列車供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏 宏，曲天威

（中國(guó)北車集團(tuán) 大連機(jī)車車輛有限公司 技術(shù)開發(fā)部，遼寧大連116022）

在國(guó)內(nèi)既有的大功率交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車平臺(tái)上設(shè)計(jì)DC 600 V列車供電系統(tǒng)，以滿足內(nèi)燃高速客運(yùn)機(jī)車的需求，介紹了該列車供電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)，并通過(guò)仿真的方式驗(yàn)證了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車；列車供電；仿真

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)“和諧型”交流傳動(dòng)內(nèi)燃貨運(yùn)機(jī)車的廣泛使用，交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車的平臺(tái)已經(jīng)得以完善。為了滿足內(nèi)燃客運(yùn)機(jī)車研發(fā)的需求，在目前即有的HXN3大功率交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車平臺(tái)下研制DC 600 V列車供電系統(tǒng)（以下稱列供系統(tǒng)）。將架控的牽引主傳動(dòng)系統(tǒng)中間直流環(huán)節(jié)作為列車供電的輸入，供電裝置將直流環(huán)節(jié)的DC 600－DC 2 600 V電壓經(jīng)斬波降壓電路和全橋中頻隔離變換電路轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的DC 600 V電壓輸出，滿足客車供電的需求。產(chǎn)品性能指標(biāo)及性能參數(shù)均滿足TB/T3063－2002《旅客列車DC 600 V供電系統(tǒng)技術(shù)條件》中的相關(guān)要求。

1 列車供電系統(tǒng)架構(gòu)

目前比較普遍采用的內(nèi)燃機(jī)車列車供電方式為通過(guò)輔助柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，經(jīng)相控整流轉(zhuǎn)換為客車供電的方式。如DF11G型雙機(jī)連掛客運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車。該方式架構(gòu)簡(jiǎn)單，但也存在較大的缺點(diǎn)。首先，輔助柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組勢(shì)必會(huì)增加機(jī)車的總重，而軸重問題是困擾內(nèi)燃機(jī)車高速客運(yùn)的主要難題；其次，牽引發(fā)電機(jī)和列車供電用的輔助發(fā)電機(jī)分離的架構(gòu)不利于電能在兩者之間的自由分配；最后，這種架構(gòu)無(wú)法利用機(jī)車電阻制動(dòng)時(shí)回饋的電能作為列車供電時(shí)的電能輸入使用。

為了克服以上缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新的列車供電系統(tǒng)架構(gòu)。利用架控模式的牽引主回路具有兩組相互獨(dú)立的中間直流環(huán)節(jié)即主發(fā)整流輸出的特點(diǎn)，分別從其中抽出部分電能作為列車供電系統(tǒng)的電能輸入，然后進(jìn)行斬波降壓、逆變隔離后再整流輸出DC 600 V。其在內(nèi)燃機(jī)車主柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組功率等級(jí)足夠的前提下，不僅降低了機(jī)車軸重；還因其列供直流電能輸入和牽引中間直流環(huán)節(jié)共用的特點(diǎn)，可以較好的實(shí)現(xiàn)牽引電能和列供電能彼此之間的實(shí)時(shí)分配；更可以在機(jī)車電阻制動(dòng)工況下，把列車供電作為牽引電機(jī)回饋制動(dòng)時(shí)的負(fù)載，利用牽引電動(dòng)機(jī)回饋到中間直流環(huán)節(jié)的電能為列車供電提供電能輸入。

同時(shí)，兩組列車供電雖完全相同，但彼此獨(dú)立，其互為冗余，當(dāng)一路供電回路故障時(shí)，另一路仍然可向旅客列車供電。此外，因?yàn)椴捎昧烁綦x電路，又最大限度的降低了其對(duì)牽引主回路的影響。

2 技術(shù)特點(diǎn)

（1）主要性能指標(biāo)

輸入電壓范圍： DC 600～2 600 V；

額定輸出電壓： DC 600 V；

輸出電壓范圍： DC 570～630 V；

額定輸出電流： 2×667 A；

額定輸出容量： 2×400 k W；

相對(duì)峰峰紋波系數(shù)： ≤15%；

額定輸出效率： ≥92%；

冷卻方式： 強(qiáng)迫風(fēng)冷。

（2）原理說(shuō)明

列供系統(tǒng)電氣原理圖見圖1。以單組400 k W為例，機(jī)車牽引回路中間直流環(huán)節(jié)的工作電壓范圍為DC 600～2 600 V，該直流電通過(guò)熔斷器FU1、UP1和UP2并聯(lián)斬波降壓回路降壓到穩(wěn)定的DC 540 V，然后再經(jīng)過(guò)UP3和UP4的IGBT中頻隔離變換、整流及濾波后輸出穩(wěn)定的DC 600 V。

圖2所示UP1和UP2為斬波降壓電路，其內(nèi)的IGBT單管開關(guān)頻率800 Hz，采用電壓、電流閉環(huán)調(diào)節(jié)的控制策略，當(dāng)輸入電壓在DC 600～2 600 V范圍內(nèi)變化時(shí)，斬波降壓的占空比在0.2～0.9之間自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證在斬波降壓后，輸出穩(wěn)定的DC 540 V。

圖2 斬波降壓電路

圖3所示的UP3和UP4為中頻隔離變換電路，其為全橋隔離逆變電路，開關(guān)頻率設(shè)置為最高3 k Hz，目的是減小配套電感、變壓器等磁性元器件的體積和質(zhì)量。通過(guò)對(duì)電壓和電流的閉環(huán)檢測(cè)，控制IGBT占空比在0.45左右，保證將DC 540 V電壓變換為穩(wěn)定的DC 600 V輸出。

圖3 中頻隔離變換電路

該列車供電系統(tǒng)的控制單元一方面通過(guò)采集各個(gè)傳感器和外部I/O控制指令，實(shí)現(xiàn)接觸器和各電路穩(wěn)壓控制以及保護(hù)功能；另一方面通過(guò)接口電路將各種電信號(hào)變換后傳送給顯示計(jì)量電路及MVB通訊，使得運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的任何故障以及發(fā)生故障時(shí)間、運(yùn)行參數(shù)都被記錄在控制單元內(nèi)，方便故障追蹤。

整個(gè)列供系統(tǒng)具備如下功能：①集中控制功能；②故障診斷及信息轉(zhuǎn)儲(chǔ)；③通訊功能；④電能計(jì)量功能；⑤輸入輸出過(guò)欠壓保護(hù)；⑥輸入輸出過(guò)流保護(hù)；⑦輸入輸出短路保護(hù)；⑧過(guò)熱保護(hù)；⑨輸出接地保護(hù)。

3 列車供電系統(tǒng)熱性能分析

由于內(nèi)燃機(jī)車特殊的自身環(huán)境，相對(duì)于電力機(jī)車而言，內(nèi)燃機(jī)車對(duì)列車供電系統(tǒng)的散熱能力要求較高。為此要求列供系統(tǒng)的最高工作溫度為50℃。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了損耗計(jì)算和散熱仿真。

對(duì)斬波降壓電路進(jìn)行了功率損耗計(jì)算，其主要功率損耗來(lái)自于IGBT、續(xù)流二極管、主電感、換流電感、輸入電容和輸出電容。各功率器件損耗計(jì)算結(jié)果見表1。可以看出在最高輸入電壓時(shí)，即DC 2 600 V輸入時(shí)，斬波降壓電路的功率損耗最大。

再對(duì)隔離變換電路進(jìn)行功率損耗計(jì)算，其主要功率損耗來(lái)自于IGBT、整流二極管、變壓器、濾波電感、輸入電容和輸出電容。各功率器件損耗計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 斬波降壓電路各功率器件損耗表 W

表2 隔離變換電路各功率器件損耗表 W

根據(jù)表1和表2的計(jì)算結(jié)果，選取了一款三相交流風(fēng)機(jī)作為強(qiáng)迫通風(fēng)風(fēng)機(jī)，其額定功率為790 W，額定轉(zhuǎn)速3 580 r/min。對(duì)主要功率器件在50℃的工作環(huán)境下進(jìn)行熱功分布仿真，其仿真后的溫度分布云圖見圖4。

從溫度云圖可以看出，溫度最高的部件為續(xù)流二極管，達(dá)到了88.4℃。各主要器件的溫度仿真結(jié)果見表3。結(jié)果表明，各個(gè)主要發(fā)熱器件的最高溫度均在安全工作范圍內(nèi)。

圖4 溫度仿真分布云圖

表3 溫度仿真結(jié)果表 ℃

從圖5所示的風(fēng)速軌跡圖來(lái)看，風(fēng)速平均值為0.26 m/s，風(fēng)機(jī)的工作靜壓為999 Pa，出風(fēng)口流量為0.444 m3/s，出風(fēng)口平均溫度為74.5℃，尾部散熱器平均溫度為79.8℃，總體而言，風(fēng)的分布較為均勻，風(fēng)能利用率和散熱效率較高。

通過(guò)熱性能分析，可以看出該列供系統(tǒng)是能夠適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)車相對(duì)惡劣使用環(huán)境的。

圖5 風(fēng)速軌跡圖

4 結(jié)束語(yǔ)

內(nèi)燃客運(yùn)機(jī)車DC 600 V列供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，滿足了內(nèi)燃機(jī)車客運(yùn)的需求，打通了后續(xù)內(nèi)燃客運(yùn)機(jī)車研發(fā)過(guò)程中的瓶頸。對(duì)于內(nèi)燃客運(yùn)機(jī)車在部分干線特別是中國(guó)西部地區(qū)獲得更好的運(yùn)用前景，發(fā)揮內(nèi)燃機(jī)車的余熱，擴(kuò)大鐵路運(yùn)輸能力具有重要的意義。

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，工程師（

2013－11－04）