某型內燃動車組輔助變流系統設計

熊明彬，王永，馬曉媛，高曉芳

(中車資陽機車有限公司研發部，四川 資陽 641301)

1 概述

某型直流內燃動車組是2動6拖編組的動車組，采用帶列車供電功能的輔助變流系統進行動車組列車供電。一般情況下，列車供電采用獨立的柴油機發電機組進行供電，輔助變流系統不具有列車供電功能，有些列車供電功能的輔助變流系統，其列車供電功能只是作為救援或獨立柴油機發電機組故障時應急使用，只能在特殊工況下啟用，在輔助變流系統啟動緊急供電功能后，往往影響機車的正常牽引與電阻制動功能。本文中描述的帶列車供電功能的輔助變流系統能夠滿足列車供電功能需要的同時，不影響動車組的牽引與制動性能的特性發揮，其良好的環保效果和技術效益將成為未來直流內燃動車組進行列車供電的一種趨勢。

2 系統原理

輔助變流系統主要由交流輔發電機、控制器、整流模塊、牽引通風機逆變器、冷卻風扇逆變器、供電逆變器等組成。列車供電系統通過輔交控制器與微機控制系統，以及重聯信號系統進行協調控制，使直流內燃動車組在滿足列車供電的同時，滿足動車組的牽引性能與電阻制動性能。系統工作原理如圖1所示，其主要工作方式如下。

圖1 系統工作原理

1)單繞組的交流輔助發電機在柴油機設定轉速下，能發出滿足動車組列車供電需求的電壓，其容量也能滿足輔助交流系統和列車供電的需求。

2)本務車可對列車供電進行指令，當本務車和重聯車在收到相應的指令后都可控制本車對列車的供電。

3)控制器在列車供電時傳送信號給機車微機，機車微機將柴油機轉速控制在滿足列車供電要求的轉速。

4)控制器與供電逆變器負責監控列車供電系統，確保動車組列車供電的安全。

5)牽引通風機逆變器根據牽引電機電流來控制通風機轉速，保證牽引電機的散熱。

6)冷卻風扇逆變器根據柴油機冷卻水溫來控制冷卻風扇轉速，保證柴油機的散熱與機車的節能。

7)供電逆變器根據逆變控制器發出的供電信號，輸出415 V、50 Hz的交流電來滿足列車供電需求。

8)供電逆變器通過監控供電干線電壓進行閉環電壓調節，保證供電系統在不同負載變化下，電壓始終能穩定在415 V、50 Hz。

3 系統控制

列車供電系統需要AC415 V、50 Hz的定頻定壓動力電；交流輔助傳動系統需要0～500 V，0～87.4 Hz的恒壓頻比PWM動力電；交流輔助發電機限定為單繞阻交流電機。根據以上用電需求與限定條件，確定輔助變流系統控制單元的組成：由1個主微機管理3個子微機，在主微機的統一管理下，子微機負責完成列車供電逆變模塊、通風機逆變模塊、冷卻風扇逆變模塊的控制，實現數字量反饋輸入檢測、數字量輸出控制、頻率量檢測及接收傳感器模擬信號、總線通信等功能。系統控制框圖如圖2所示。

圖2 系統控制框圖

4 關鍵設備選型

輔助變流系統關鍵的設備有2個，一是列車供電逆變模塊，另一個是將輔助發電機發出的三相交流電調試出中性點以滿足動車組單相供電需求的變壓器。

列車供電逆變模塊以系列化、平臺化、可靠性為選型原則，選擇運用更為成熟廣泛，經過性能驗證的更為可靠的列車供電逆變模塊。列車供電模塊采用直流電變定頻、定壓三相交流(415 V，50 Hz)的逆變模塊，該模塊的選擇首要在于其輸出功率可滿足2動6拖編組或2動10拖編組的動車組2種平臺的列車供電需求。列車供電功率負載統計見表1。

表1 列車供電功率統計

變壓器的選型主要是從隔離變壓器或Z型變壓器中進行選擇，兩者都能調試出三相交流電的中性點以保證動車組單相交流用電。雖然隔離變壓器能在供電發生故障時，將變壓器兩邊的設備進行隔離，增強供電設備與用電設備的保護功能，但隔離變壓器與Z型變壓器相比，在體積、重量、成本上都是Z型變壓器的數倍，而且內燃動車組已通過電路控制器和保護繼電器等對用電設備進行充足的保護，無需專門再采用隔離變壓器對故障進行隔離。因此，在功能均能滿足的情況下，從體積、重量與成本的綜合考慮，確定采用Z型變壓器。

5 冗余設計

動車組作為載客列車，要保證列車供電的高可靠性，因此在輔助變流系統故障的情況下，不能影響列車供電功能的正常運行。當柴油機冷卻風扇電機逆變模塊或牽引通風機電機逆變模塊故障時，不能采用傳統的降轉速的方式來直接投入運行，這樣會對列車供電系統造成沖擊。例如冷卻風扇電機逆變模塊發生了故障，可以先通過主微機將柴油機轉速恒定在規定值，然后將交流輔發電機的電壓、頻率、相位參數輸入到冷卻風扇電機逆變模塊，并將這個值與逆變模塊自身的輸出電壓、頻率、相位參數進行對比，將兩者差值控制到最小來調節輸出，這樣可將切換供電系統造成的沖擊減到最小，保證動車組列車供電的穩定。

6 結語

本輔助變流系統目前已在某型內燃動車組上裝車運用，效果良好。該系統相對傳統的獨立柴油機發電機組供電系統有著噪音小、成本低的優勢，相對傳統的交流輔助傳動系統實現了系統負載在任意轉速下的小沖擊直接投入功能，在保證動車組列車供電的同時，也滿足了動車組牽引與制動性能的需要。