和諧型交流傳動電力機車AC 380 V列車供電系統研究

王 威， 郝鳳榮， 陶紅杰， 張 律

(中車大連機車車輛有限公司， 遼寧大連 110621)

隨著鐵路電力機車升級，機車牽引動力已全面實現由直流傳動向交流傳動轉型。和諧型交流電傳動電力機車以其更大的功率、更優越的性能成為目前我國客運機車的主力車型。

客運列車供電系統是為鐵路旅客列車上各種電器提供電源的系統設備。目前鐵路上主流的25型空調列車供電系統主要存在兩種供電制式,一種為三相交流380 V/50 Hz,基本采用空調發電車或者內燃機車集中供電,一種為DC 600 V,主要由客運電力機車集中供電。由于目前交流傳動電力機車僅能提供DC 600 V列車供電輸出，為了滿足既有380 V供電車輛的使用需求，以HXD3D機車為例，對機車采用AC 380 V列車供電系統方案進行了探討。

1 AC 380 V列車供電系統結構

AC 380 V列車供電系統主要由主變壓器供電繞組、列車供電柜、供電插座以及連接電纜等組成。通過安裝在主變壓器內部的2個列車供電繞組，分別向2個列車供電柜供電，供電功率為2×400 kW。當一組故障時，另一組可以維持供電，以提高可靠性。如圖1所示，列車系統具有2路完全相同的供電回路，互為冗余，當一路供電回路故障時，另一路仍可向旅客列車供電，以提高可靠性。

圖1 列車供電系統構成

2 AC 380 V列車供電系統電氣技術方案

2.1 相控整流方案

既有直流電力機車列車供電繞組的單相交流電經單相不可控整流變換成直流電，逆變器在控制單元的控制下，將中間回路直流電變成AC 380 V交流電輸出，再經LC濾波供給客車車廂。機車交流輸入供電柜主電路由整流電路、逆變電路、濾波電路、信號采集模塊、電路保護模塊等部分組成，如圖2所示。(逆變裝置應滿足三相四線制輸出的需求)

圖2 交流輸入供電系統框圖

電氣參數

額定輸入電壓： AC 860 V/50 Hz

額定輸出電壓： AC 380 V

額定輸出電流： 607 A

額定輸出功率： 400 kW(每路)

控制精度： 5%

效率： ≥92%

2.2 交直交電源轉換方案1

變壓器供電繞組輸出的860 V電源經PWM四象限整流器變換為DC 1 800 V，每個橋臂的IGBT采用3 300 V/1 500 A。將DC 1 800 V通過電容器C1、C2、C3及電壓平衡回路分壓為DC 600 VX3，完成降壓過程，再通過3相逆變器將DC 600 V電源逆變為三相AC 380 V電源，經LC濾波后提供給客車車廂電源。由于客車電源需要提供三相四線制電源，因此通過在DC 600 V中間回路串聯兩組相等的支撐電容，完成中點接地及三相四線制電源中性點的引出，具體見原理圖3所示。

針對該回路進行模擬測試，在額定網壓25 kV，以及17.5～31 kV變換區間，直流600 V的三分壓輸出達到了電壓平衡。變壓器列車供電繞組漏電感0.2 mH，按照電流指令輸出波形良好，具體如圖4所示。而且采

用該電路模式，可以取消相控整流模式下的平波電抗器，實現了電源變換裝置的小型化。

圖3 交直交電源轉換方案1電氣原理示意圖

圖4 交直交轉換回路模擬測試波形

2.3 交直交電源轉換方案2

首先變壓器供電繞組輸出的860 V電源經PWM四象限整流器變換為DC 1 550 V(最小值)，四象限整流器的構成方案同交直交電源轉換方案1，每個橋臂的IGBT采用3 300 V/1 500 A；再通過一個由三相逆變器構成的3重降壓斬波器進行DC 1 550 V到DC 600 V的降壓控制，然后通過FL濾波具體見圖5所示，完成從DC 1 550 V 到DC 600 V的降壓切換控制；由DC 600 V電源到三相AC 380 V電源的轉換過程同交直交電源轉換方案1，首先通過三相逆變器將DC 600 V電源逆變為三相AC 380 V電源，再經LC濾波后提供給客車車廂電源。同樣三相四線制電源的中性點，也是通過在DC 600 V 中間回路串聯兩組相等的支撐電容，完成中點接地及三相四線制電源中性點的引出，具體見原理圖5所示。

圖5 交直交電源轉換方案2電氣原理示意圖

2.4 由DC 600 V到三相AC 380 V的電源逆變裝置主要性能指標

輸入電壓/V DC 600

輸出功率/kW 400

輸入電壓變動/V DC 520～630

輸入電流/A DC 667連續、最大750

輸出功率/kVA 460

輸出電壓/V 三相380、50 Hz

輸出電壓變動率/% ±5(輸入電壓≥550 V)

+5、-10(輸入電壓<550 V)

±15、5C/C(負載突變±50%以上)

輸出波形畸變率/% 10以下(300 kVA以下)

5以下(300 kVA以上)

輸出電流： 700 Arms連續

3 方案對比

以上3種方案均可實現交流傳動電力機車的三相AC 380 V列車供電功能，差別就在從列供繞組輸出的單相AC 860 V電源到到DC 600 V直流電源的切換過程，鑒于既有運用的和諧型電力機車車內已經存在了DC 600 V的相控整流裝置，因此只需考慮增設由

DC 600 V 到三相AC 380 V的電源逆變裝置和LC濾波裝置，但需要重新考慮整車的空間布局；3種方案里，相控整流方案體積大，交直交電源轉換方案1體積小但電壓平衡回路的技術控制難度大，交直交電源轉換方案2的體積介于前兩種方案中間，總之對于新造機車應從列車供電裝置的體積、成本及可靠性等方面對3種方案進行綜合對比分析，來完成AC 380 V列車供電柜的統一設計，并應盡量實現在原DC 600 V供電柜安裝空間內，能替換安裝下AC 380 V電源列供柜；如機車需根據實際運用需求，兼容滿足DC 600 V或三相AC 380 V 列車供電電源的轉換需求，則還應在列車供電柜內增設列供選擇開關、交直電源切換接觸器，并在原DC 600 V外電源插座基礎上再增設AC 380 V列供外電源重聯插座，同時機車除了保留既有的DC 600 V電源外接重聯電纜外，還應配備三相AC 380 V/50 Hz供電時所需的特制重聯供電電纜。

4 結束語

和諧型交流電傳動電力機車是我國客運機車主力車型，本文提出了3種由機車為車輛提供AC 380 V列車供電負載的方案，為既有機車功能改造及新造機車相關系統設計提供了借鑒。