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電力機車輔助電源系統的分析與比較
西安鐵路職業枝術學院 陶若冰 王易平
1 引言
電力機車輔助電源系統是機車的重要組成部分，擔負著除機車牽引系統主電路以外各種裝置的供電任務，是提供風源的空氣壓縮機、空調、通風機等輔助電動機的三相交流電源，電熱器、冰箱、信息顯示裝置的電源等。機車輔助電源系統由三相交流輔助電源和直流電源系統組成。早期的電力機車三相交流輔助電源裝置采用旋轉劈相機方式，這種電源裝置體積大、重量重、響應性差、效率低、噪聲大，故障率，需經常檢查、維修。隨著電力電子和開關器件的發展，采用IGBT的型輔助逆變系統正在替代傳統的劈相機三相交流系統。輔助逆變系統不僅為機車各輔助電機提供對稱三相電源，同時可輔助電機軟啟動、軟制動，不受電網波動影響。為防止因輔助供電設備故障而影響機車正常運行，輔助逆變系統同時設置各種故障保護及冗余功能。機車直流電源系統主要由整流裝置、蓄電池組成，為機車的控制系統及照明系統等提供所需直流電源，為蓄電池充電，在升弓前或壓設備、牽引變壓器故障時，由蓄電池給上述設備供電。
2 三相交流輔助電源系統
該系統多采用輔助變流器生成三相交流電壓為機車輔助電氣設備供電。輔助變流器根據輸入側的不同將主電路可分為交一直一交型和直一交型；根據輸出的不同，可分為恒壓恒頻（CVCF）逆變器和變壓變頻（VVVF）逆變器。
在機車上，除了提供恒壓恒頻的輔助變流器，為節約能耗、降低通風機噪聲，按照不同狀態下設備所需要的功率來涮節電壓和頻率的VVVF輔助變流器。通常，在同一種車型上的CVCF逆變器和VVVF逆變器硬件結構相同，僅控制方式不同。下面分別探討交一直一交型和直一交型輔助變流器的實現方案。
2．1 交一直一交型輔助變流器
交一直一交型輔助變流器是南牽引變壓器輔助繞組供電，與牽引變流器相同，一般由網側變流器、中間直流環節、三相逆變器3部分組成。由于接觸網電壓的波動較大，因此，交一直一交型輔助變流器輸入的單相交流電也有較大的波動，為了穩定的中間直流環節電壓，輔助變流器的網側必須采用可控整流電路。以前多采用相控整流電路，電路和控制簡單，造價較低，但網側的功率因數較低，對電網的影響大。隨著電力電子的發展，脈沖整流器已開始取代相控整流器，它可使網側的功率因數接近1，且動態響應特性好。圖1是交一直一交型輔助變流器的典型電路，包括脈沖整流器COV，中間支撐電容，三相逆變器INV，輸入接觸器K、AK，輸入輸出電流傳感器ACCT、CTU、CTW，中間電壓傳感器 VT（冗余設計）等。交一直一交型輔助變流器的缺點是過分相時將失電，三相輔機均停止運行。
與傳統的劈相機電源系統相比，采用交一直一交型結構的輔助變流器特點：（1）仍然需要由牽引變壓器輔助繞組為輔助變流器供電。（2）脈沖整流器可輸入側較的功率因素以及電網電壓波動時中間直流電壓的穩定。（3）由于變壓器二次繞組之間存在耦合，脈沖整流器開關動作產生的脈沖分量會疊加到牽引變壓器輔助繞組的輸出電壓上，使輔助變流器電壓升，溫度上升，影響輔助變流器的性能。（4）變流器的啟動方式為軟啟動，減少輔助電動機的啟動電流。（5）工作在較大網壓范圍內。（6）三相輸出電壓穩定、平衡。
2．2 直-交型輔助變流器系統
直-交型輔助變流器是從主變流器的中間直流環節取流，因此它只需要逆變器就可實現直流電到三相交流電的變換。由于輸入電壓較，為達到輸出輔助電氣設備所要求的電壓，一般需要增加降壓設備。有兩種控制方式：一種是先逆變，再通過三相降壓變壓器將較的交流電壓降到所要求的電壓；另一種是先通過降壓電路將直流輸入電壓降低到合適的值，再進行逆變。圖2和圖3分別給出了兩種輔助變流器的電路結構。
為得到品質良好的三相交流電源，通常需要增加濾波環節。方式1中，三相電抗器／電容器濾波或三相LC濾波器可放置在逆變器和降壓變壓器之間，也可放置在變壓器之后；方式2中，則將濾波器放置在逆變器輸出之后。
方式1中，△-Y型變壓器不僅實現降壓功能，還實現壓輸入電源回路和負載回路之間的相互隔離。此電路的特點是開關元器件數量少、控制較為簡單，缺點是輸出三相電壓易受直流輸入電壓的影響，且當直流輸入電壓較時逆變器開關元件的耐壓要求，成本較。因此該方案比較適，用于由牽引變流器中間直流環節供電的場合。
方式2中，可采取不同的電路實現降壓。zui簡單的是單管降壓斬波器，該器件有以下特點：（1）通過降壓斬波的閉環控制保持逆變器輸入電壓的恒定，從而消除輸入電壓的波動對三相逆變器輸出的影響；（2）整個電路中僅需1只大功率壓IGBT元件，逆變器則可選擇較低電壓級別的IGBT元件，以降低設備成本。但這種方式沒有實現輸入電壓與輸出電壓之間的隔離，同時還應設置在降壓斬波器失去控制后對逆變器和負載等的保護電路。
與交一直一交型輔助變流器相比，直一交型輔助變流器具有兩個顯著特點：（1）無需牽引變壓器提供輔助繞組，而是直接從牽引變流器的中間直流環節取流；（2）必須采取降壓措施，輸出電壓的幅值要求。
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