SS9電力機車AC380V列供系統

文/蔡利軍

為了保障AC380V客車正常運用，各路局必須配備大量的空調發電車，依靠大功率柴油機發電給客車供電。隨著鐵路電氣化率逐步提升，至2016年底已超過64.8%，原有的AC380V客車仍然依靠柴油機供電的方式已不符合綠色環保的發展理念，而既有的21177輛AC380V客車統一升級為DC600V客車需要加裝客車車下電源、四合一電氣控制柜、大容量蓄電池，同時更換車體布線等，存在整體改造成本高、周期長等問題。在SS9電力機車上增加AC380V列供系統，直接向客車提供AC380V供電電源，并在客車上加裝不間斷電源裝置，具備系統改造成本低等優點。

1 工作原理

SS9電力機車AC380V列供系統由相控整流、三相逆變、濾波、信號采集和保護等環節組成，其主電路及控制電路關聯關系見圖1。

每臺SS9電力機車上均設置了兩套完全獨立的AC380V列供系統，兩套系統同時向AC380V客車輸出AC380V/50Hz供電電源。兩套AC380V列供系統互為熱備冗余，其中一套系統無法正常輸出時，AC380V客車車廂將自動減載，由正常的另一套系統向整列客車車廂供電。

2 總體及結構設計

每套AC380V列供系統均包含整流逆變模塊、充放電單元、直流濾波回路、冷卻單元、交流濾波回路等。

AC380V列供系統的整流逆變模塊集成了整流二極管元件、IGBT逆變元件、散熱器、傳感器、脈沖分配板、低感母排和供電控制板等部件，高度集成的設計方式大大的縮小了安裝空間與重量。如圖2所示。

圖1：系統主電路及控制電路關聯關系圖

3 關鍵參數計算

整流逆變模塊中的關鍵器件主要有整流二極管、IGBT逆變原件、支撐電容C等。

相控整流中單個橋臂的電流有效值

單個相控整流二極管承受的平均電流

單個相控整流二極管承受的最大反向電壓

式中：Id為中間直流電流；Uin為輸入電壓。

三相逆變中IGBT承受的電壓為：

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。

三相逆變中IGBT元件承受的額定電流：

式中：IACmax為最大交流輸入電流；K3為電流尖峰系數。

支撐電容C的RC時間常數近似等于3～5倍電源半周期：

式中：k為電容系數，可以取3～5之間的值，若希望紋波小，則按5倍取；R為整流器所帶負載等效電阻；C為支撐電容容值。

輸出濾波的電感：

圖3：溫升試驗溫度上升曲線

圖4：雙列供全暖模式

式中：Udc為中間直流電壓；f為開關頻率；△imax為紋波電流最大值，一般取輸出電流的20%。

為了避免逆變器的功率因數降到允許值以下，濾波電容器吸收的基波無功功率不能大于逆變器有功功率的5%，輸出濾波的電容：

式中：τ為時間常數；P為逆變器有功功率；ω為角頻率；Usa為輸出電壓。

4 試驗驗證

4.1 溫升試驗

溫升試驗在于驗證變流器模塊、濾波變壓器等部件在長時間額定工況下運行時表面溫升和內部溫升小于規定的值。在AC380V列供系統溫升試驗中，環境溫度為31.1℃，系統在額定工況下（輸出電壓AC380V、輸出電流607A）持續運行3小時，測得變流器模塊散熱器臺面、濾波變壓器線圈、支撐電容表面各點溫度上升曲線如圖3所示。試驗3小時的溫度已趨于平衡，變流器模塊散熱器臺面溫升為39.7K，濾波變壓器線圈溫升為72K，支撐電容表面溫升為24K，從試驗情況看AC380V列車供電裝置各部件溫升均滿足系統設計要求。

4.2 動態聯調試驗

將裝有AC380V列供系統的SS9電力機車與列車編組進行聯掛（每個編組均包含硬臥客車7輛、軟臥客車7輛、高級軟臥車1輛），試運線路為長春-蔡家溝，主要是試驗兩路供電的自動模式和單路供電的應急模式。

4.2.1 兩路供電時客車自動模式

SS9電力機車同時輸出兩路AC380V供電電源，整個編組以試驗全暖模式運行，一路列供帶一半客車負載，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240A。由于制暖工況下大部分客車負載都是電阻性負載，因此在過分相啟動時非常平穩，電流沖擊非常小。

SS9電力機車同時輸出兩路AC380V供電電源，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。SS9電力機車AC380V列供系統過分相后軟啟動，橋臂峰值電流在598A。延時半分鐘后，客車第二壓縮機啟動，列供橋臂峰值電流544A。

4.2.2 單路供電時試驗

關閉SS9電力機車任意一路列供，由正常的AC380V列供系統維持供電，一路列供帶全部客車試驗全暖負載，單路列供供電可以滿足整個編組客車全暖模式供電要求。

關閉SS9電力機車任意一路列供，由正常的AC380V列供系統維持供電，一路列供帶全部客車試驗強制制冷。在不減載工況下，即使采取過分相軟起的措施，列供橋臂峰值最大電流1700A。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。

通過多次試驗驗證，AC380V列供系統完全能夠滿足客車直供電要求，各項技術參數優于預期設計。

5 總結

SS9電力機車AC380V列供系統采用大功率三相逆變技術、輔助控制以及完善的保護功能。該系統的成功研制，可以提升國內機車電氣系統和車輛裝備的技術水平，以較小的投入來有效降低客車的運行成本來大幅提高客運收入，為新的運行乘務體制提供了有力的技術支持。隨著國內鐵路電氣化鐵路的建設，其系統應用具有更廣闊的發展空間。