交流傳動內燃客運機車DC 600 V列車供電系統(tǒng)設計

魏 宏，曲天威

（中國北車集團 大連機車車輛有限公司 技術開發(fā)部，遼寧大連116022）

專題研究

交流傳動內燃客運機車DC 600 V列車供電系統(tǒng)設計

魏 宏，曲天威

（中國北車集團 大連機車車輛有限公司 技術開發(fā)部，遼寧大連116022）

在國內既有的大功率交流傳動內燃機車平臺上設計DC 600 V列車供電系統(tǒng)，以滿足內燃高速客運機車的需求，介紹了該列車供電的系統(tǒng)結構和技術特點，并通過仿真的方式驗證了設計指標。

交流傳動內燃機車；列車供電；仿真

近年來，隨著國內“和諧型”交流傳動內燃貨運機車的廣泛使用，交流傳動內燃機車的平臺已經得以完善。為了滿足內燃客運機車研發(fā)的需求，在目前即有的HXN3大功率交流傳動內燃機車平臺下研制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電壓經斬波降壓電路和全橋中頻隔離變換電路轉換為穩(wěn)定的DC 600 V電壓輸出，滿足客車供電的需求。產品性能指標及性能參數(shù)均滿足TB/T3063－2002《旅客列車DC 600 V供電系統(tǒng)技術條件》中的相關要求。

1 列車供電系統(tǒng)架構

目前比較普遍采用的內燃機車列車供電方式為通過輔助柴油機發(fā)電機組發(fā)電，經相控整流轉換為客車供電的方式。如DF11G型雙機連掛客運內燃機車。該方式架構簡單，但也存在較大的缺點。首先，輔助柴油機發(fā)電機組勢必會增加機車的總重，而軸重問題是困擾內燃機車高速客運的主要難題；其次，牽引發(fā)電機和列車供電用的輔助發(fā)電機分離的架構不利于電能在兩者之間的自由分配；最后，這種架構無法利用機車電阻制動時回饋的電能作為列車供電時的電能輸入使用。

為了克服以上缺點，設計了一種新的列車供電系統(tǒng)架構。利用架控模式的牽引主回路具有兩組相互獨立的中間直流環(huán)節(jié)即主發(fā)整流輸出的特點，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，然后進行斬波降壓、逆變隔離后再整流輸出DC 600 V。其在內燃機車主柴油機發(fā)電機組功率等級足夠的前提下，不僅降低了機車軸重；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，可以較好的實現(xiàn)牽引電能和列供電能彼此之間的實時分配；更可以在機車電阻制動工況下，把列車供電作為牽引電機回饋制動時的負載，利用牽引電動機回饋到中間直流環(huán)節(jié)的電能為列車供電提供電能輸入。

同時，兩組列車供電雖完全相同，但彼此獨立，其互為冗余，當一路供電回路故障時，另一路仍然可向旅客列車供電。此外，因為采用了隔離電路，又最大限度的降低了其對牽引主回路的影響。

2 技術特點

（1）主要性能指標

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；

相對峰峰紋波系數(shù)： ≤15%；

額定輸出效率： ≥92%；

冷卻方式： 強迫風冷。

（2）原理說明

列供系統(tǒng)電氣原理圖見圖1。以單組400 k W為例，機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，然后再經過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，其內的IGBT單管開關頻率800 Hz，采用電壓、電流閉環(huán)調節(jié)的控制策略，當輸入電壓在DC 600～2 600 V范圍內變化時，斬波降壓的占空比在0.2～0.9之間自動調節(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，開關頻率設置為最高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量。通過對電壓和電流的閉環(huán)檢測，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采集各個傳感器和外部I/O控制指令，實現(xiàn)接觸器和各電路穩(wěn)壓控制以及保護功能；另一方面通過接口電路將各種電信號變換后傳送給顯示計量電路及MVB通訊，使得運行過程中發(fā)生的任何故障以及發(fā)生故障時間、運行參數(shù)都被記錄在控制單元內，方便故障追蹤。

整個列供系統(tǒng)具備如下功能：①集中控制功能；②故障診斷及信息轉儲；③通訊功能；④電能計量功能；⑤輸入輸出過欠壓保護；⑥輸入輸出過流保護；⑦輸入輸出短路保護；⑧過熱保護；⑨輸出接地保護。

3 列車供電系統(tǒng)熱性能分析

由于內燃機車特殊的自身環(huán)境，相對于電力機車而言，內燃機車對列車供電系統(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℃。在此基礎上進行了損耗計算和散熱仿真。

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

再對隔離變換電路進行功率損耗計算，其主要功率損耗來自于IGBT、整流二極管、變壓器、濾波電感、輸入電容和輸出電容。各功率器件損耗計算結果見表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的計算結果，選取了一款三相交流風機作為強迫通風風機，其額定功率為790 W，額定轉速3 580 r/min。對主要功率器件在50℃的工作環(huán)境下進行熱功分布仿真，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，達到了88.4℃。各主要器件的溫度仿真結果見表3。結果表明，各個主要發(fā)熱器件的最高溫度均在安全工作范圍內。

圖4 溫度仿真分布云圖

表3 溫度仿真結果表 ℃

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

通過熱性能分析，可以看出該列供系統(tǒng)是能夠適應內燃機車相對惡劣使用環(huán)境的。

圖5 風速軌跡圖

4 結束語

內燃客運機車DC 600 V列供系統(tǒng)的設計開發(fā)，滿足了內燃機車客運的需求，打通了后續(xù)內燃客運機車研發(fā)過程中的瓶頸。對于內燃客運機車在部分干線特別是中國西部地區(qū)獲得更好的運用前景，發(fā)揮內燃機車的余熱，擴大鐵路運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）