SS9機車AC380V列車供電裝置研制

摘 要 重點闡述了采用變流器供電方式的SS9機車AC380V列車供電裝置，介紹了設計開發的技術特點和試驗情況。SS9電力機車AC380V列車供電系統產品已在現場投入使用，其性能日臻完善并得到驗證。

【關鍵詞】IGBT 列車供電裝置 系統集成 冷卻系統

為滿足鐵路普通旅客列車高達數百千瓦的用電需求，AC380V供電制式客車主要是通過加掛1節空調發電車或DF11G內燃機車來實現，目前基本采用進口的柴油發電機組來完成AC380V供電電源輸出，存在運行成本高、燃油污染大、運用效率低、維修困難等問題。

為適應建設環境友好型社會，降低旅客列車運營成本，沈陽鐵路局在全路率先啟動了電力機車列車供電裝置改造，加裝了以大功率變流器為基礎的AC380V列車供電裝置，使電力機車可直接輸出三相四線制AC380V供電電源，滿足了AC380V供電制式客車的用電需求。

1 AC380V列車供電裝置工作原理

AC380V列車供電裝置由整流電路、逆變電路、濾波電路、信號采集模塊、電路保護模塊和冷卻系統等關鍵部件組成。該系統的主電路及控制電路的關聯關系見圖1。

列車供電裝置主電路主要由一個單相全波整流、逆變器、濾波電路組成，見圖2。每臺SS9電力機車上配置兩套完全獨立的列車供電裝置，兩套系統同時向列車牽引客車車廂提供兩路完全獨立的三相四線制AC380V供電電源，這兩套系統具備冗余功能，在其中一套系統出現故障無法正常輸出時，客車車廂將自動減載，由正常的供電裝置向整列客車供電。

列車供電裝置的輸入為機車牽引變壓器輔助繞組輸出的單相AC860V交流，通過充電和短接后，經過單相整流，支撐電容濾波，輸出穩定的直流電壓，再通過逆變回路輸出PWM波。中間直流環節設置濾波、接地檢測等電路，主要功能為穩定中間直流電壓。另外還設置了必要的電流、電壓傳感器來檢測電路中的輸入、輸出電流，輸入、輸出電壓，中間電壓等信號用于控制。

2 總體及結構設計

AC380V列車供電裝置分為列車供電柜和供電濾波柜兩個獨立的柜體，其中列車供電柜包含整流逆變模塊、充放電單元、接地檢測單元、中間回路和變流器冷卻風機等。濾波柜包括整個濾波系統、輸出接觸器、濾波變壓器、三相濾波電容器、冷卻風機等。

2.1 變流器模塊

AC380V列車供電裝置變流器模塊集整流逆變控制于一體。變流器模塊集成了IGBT逆變元件、整流二極管元件、散熱器、溫度傳感器、門極驅動單元、門極驅動電源、脈沖分配單元、低感母排、交流輸出母排和DCU供電控制單元等部件。整流器與逆變器通過低感母排連接，大大的降低了系統的雜散電感，極大的提高了功率器件的可靠性，高度集成的設計方式也大大的縮小了設備的安裝空間與重量。變流器模塊部件分布見圖2。

2.2 冷卻系統

冷卻技術是列車供電裝置的關鍵技術之一，冷卻效果關系到各部件的穩定運行、使用安全及使用壽命等。AC380V列車供電裝置兩個獨立的柜體中（列車供電柜及列車供電濾波柜）采用完全獨立的兩套冷卻系統，兩個柜體均采用強迫風冷的方式。

3 技術參數及關鍵器件選型

3.1 技術參數

標稱輸入電壓（網壓25kV時） AC860V/50Hz

額定輸出電壓 3AC 380±5%V

輸出電壓頻率 50Hz

額定輸出交流電流 607A

額定輸出功率 400kVA

網壓允許波動范圍 2V～AC1077V

效率 ≥90%

3.2 變流器模塊器件選型

變流器模塊中的關鍵器件主要有整流二極管、IGBT等。

整流器每個橋臂的電流有效值

整流二極管的平均電流

整流二極管的最大反向電壓

式中：Id為中間直流電流；Uin為輸入電壓。

IGBT上承受的最高電壓為：

式中：Ud為直流輸入最大電壓；Usp為關斷尖峰電壓；K1為過電壓系數，取1.15；K2為安全系數，取1.1。

IGBT元件集電極的電流定額：

式中：IACmax為最大交流輸入電流；K3為電流尖峰系數。

4 試驗驗證

AC380V列車供電裝置在研制過程中，機車和客車間進行了靜態聯調和動態聯調，保障了整個列車供電系統可靠運行。

4.1 靜態聯調試驗

SS9機車AC380V列車供電裝置與AC380V供電制式客車進行了地面聯掛試驗，對客車夏季負載、冬季負載、負載啟動沖擊、列供軟啟動、模擬過分相等多個項點進行了試驗，獲取了相關試驗參數。

AC380V列車供電裝置空載輸出線電壓基本維持在399V-406V之間，三相線電壓略有差異但相差較小，逐節啟動客車車廂夏季負載后，線電壓出現輕微下降，線電壓維持在395V-401V之間。將客車負載由夏季模式轉變為冬季模式后，相電流略有上升，線電壓維持在397V-401V之間，電壓波形與前述波形基本一致。

SS9機車模擬過分相時，客車負載接觸器不會釋放。過分相前后監視列供停止及再次軟啟動時的相關波形如圖3所示，CH1為網壓，CH2為輸入電流，CH3為輸出電壓，CH4為輸出電流。由圖可以說明列車供電裝置在運行過程中過分相后系統能夠按照設計要求在檢測到網壓正常后正常啟動。

4.2 動態聯調試驗

SS9機車AC380V列車供電裝置與列車編組進行了動態聯掛（每個編組均包含硬臥車7輛、軟臥車8輛），試運線路為長春-蔡家溝，主要是試驗正常情況下（兩路供電）客車的自動模式、試驗全暖模式和非正常情況下（一路供電）客車的自動模式、試驗全暖模式。

4.2.1 兩路供電時客車自動模式

機車輸出兩路列供供電，整個編組以試驗全暖模式運行，一路列供帶一半客車負載時穩定后波形見圖4（藍色為中間電壓；綠色為輸出電流；紅色為輸出電壓），橋臂峰值電流數百安。由于制暖工況下絕大部分客車負載都是電阻，因此客車負載在過分相啟動時非常平穩。

機車輸出兩路列供供電，整個編組以試驗全制冷模式運行，一路列供帶一半客車負載，機車全制冷過分相軟啟動，橋臂峰值電流大幅上升，過完分相后，第二壓縮機啟動橋臂峰值電流再次微升，全冷穩定后波形橋臂峰值電流才開始下降。

4.2.2 單路供電時試驗

關閉機車第2路列供，由第1路列供維持供電，一路列供帶全部客車試驗全暖負載，單列供供電可以滿足整個編組客車全暖模式供電要求。

關閉機車第2路列供，由第1路列供維持供電，帶全車量輛空調強制制冷、不減載工況下，過分相軟起，列供橋臂峰值太大，導致AC380V列車供電裝置出現輸出過流故障。因此在制冷工況下采用供電冗余時，編組客車必須要減載工況下系統才能正常運行。

通過試驗證明，AC380V列車供電裝置完全能夠滿足客車車輛供電要求，各項性能參數均優于預期設計。

5 總結

加裝了AC380V列車供電系統的SS9電力機車已在沈陽鐵路局小批量投入使用，從2015年5月起陸續擔當長春-北京（Z63/4）、大連-北京（Z79/82 Z81/0）、長春-白城（Z5001/2/3/4/5/6）等多對AC380V供電制式旅客列車的牽引和直供電任務，累計運行超過三百萬公里，其性能日臻完善并得到驗證。

隨著鐵路電氣化的逐步擴展和電力機車大功率變流技術的進步，傳統的AC380V客車仍然依靠柴油發電機組供電已不能滿足形勢發展的需要，而在電力機車上加裝AC380V列車供電裝置，直接向客車輸出三相四線制AC380V電源，再輔以客車的適應性改造，具備運營成本低、免維護、編組靈活、高效率、無污染、低噪聲等優點，而且該總體方案的系統成本較低，因此具有廣闊的發展前景。

參考文獻

[1]徐林云.DC600V列車供電系統[J].鐵道車輛，2001，39（03）：13-16.

[2]吳強.客運列車供電系統[J].機車電傳動，2003，5：54-61.

[3]TB/T 2396-1993，鐵路空調客車用發電車技術條件[S].

[4]蔡杰，林波.電力機車列車供電系統接地研究[J].電氣技術，2015，16（05）：78-81.

作者簡介

王鐵成（1968-），男，吉林省長嶺縣人。大學本科學歷。現為沈陽鐵路局高級工程師。研究方向為機車車輛。

作者單位

沈陽鐵路局 遼寧省沈陽市 110001