AC380V/DC600V列車供電裝置的研制

李自然

摘 要：詳細介紹了AC380V/DC600V兼容列車供電裝置的工作原理，系統參數和試驗驗證。重點分析AC380V/DC600V列車供電裝置的主電路設計以及相關器件參數的計算等關鍵技術。通過列車供電裝置的相關試驗以及機車與客車車輛的聯調試驗，驗證列車供電裝置的各項性能均滿足客車車輛的供電要求。

關鍵詞：IGBT;列車供電裝置;系統集成

0 引言

目前鐵路機車向客車直供電主要采取是DC600 V供電制式，即機車提供DC600 V電源、客車分散逆變為AC380V的供電方式，而鐵路客車主要分為DC600 V、AC380V兩種供電制式。為了保障AC380V客車正常運用，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。隨著電氣化鐵路逐步擴展和機車變流技術的重大進步，傳統的AC380V客車仍然依靠大功率柴油機供電已不能滿足形勢發展的需要，而存量的AC380V客車統一升級為DC600 V客車需要加裝逆變電源、客車電氣控制柜、鎳鎘堿性電池、更換大量車體布線等，客車改造存在成本大、費用高、周期長等問題。而在電力機車上增加AC380V/DC600 V列車供電系統，直接向客車提供AC380V/DC600 V電源，再輔以客車的配套改造，具備維護簡單、獨立性強、編組靈活、高效率、無污染、低噪聲等優點。

1 列車供電裝置的主電路以及工作原理

1.1 列車供電裝置主電路

列車供電裝置主電路如圖1所示。AC380V/DC600 V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、三相不可控整流等部分組成。每臺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供給AC380V/DC600 V電源，同時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，牽引客車車廂將自動減載，由正常的供電裝置向整列客車供電。

1.2 列車供電裝置工作原理

1.2.1 AC380V供電模式

AC380V供電模式下，列車供電裝置的輸入為機車牽引變壓器列供繞組輸出的單相AC860V/50 Hz交流電壓，通過充電接觸器KM2、充電電阻R1向中間支撐電容C1充電，充電結束后閉合短接接觸器KM1，經過單相全波二極管整流，中間支撐電容濾波，輸出穩定的直流電壓，再通過逆變回路輸出PWM波。逆變器后端設置有濾波變壓器TR1、濾波電容ACC等設備對逆變輸出PWM波進行濾波，使系統輸出電壓波形為正弦波。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。同時在交流輸入側設置快速熔斷器FU1，當交流輸入側發生短路時，可快速分斷主電路，從而保護功率器件。停機后，接地檢測電阻為支撐電容器放電。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。在AC380V供電模式下，主電路中接觸器KM5為斷開狀態。

1.2.2 DC600V供電模式

DC600V供電模式下，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/50 Hz交流電壓，通過充電接觸器KM2、充電電阻R1向中間支撐電容C1充電，充電結束后閉合短接接觸器KM1，經過單相全波二極管整流，中間支撐電容濾波，輸出穩定的直流電壓，再通過逆變回路輸出PWM波。逆變輸出經過變壓器TR1、ACC濾波后經過三相不可控整流器輸出脈流電。通過輸出側直流回路設置的濾波電容器輸出DC600V電源，保證輸出電源滿足設計要求。DC600V輸出側設置有放電電阻和接地檢測電路，停機時，放電電阻用于濾波電容器的固定放電，保證在停機后輸出電壓在1 min中內輸出電壓達到安全電壓范圍內。DC600V供電模式下主電路中接觸器KM4為斷開狀態。

2 關鍵器件選型

2.1 濾波回路器件選項

（1）支撐電容C1選型。支撐電容C1的選擇：

按RC時間常數近似等于3～5倍電源半周期估算：

k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。

（2）AC380V模式下輸出側LC濾波參數。由于逆變器采用SPWM控制方式將中間電壓逆變為CVCF（定壓定頻）電壓，其輸出電壓峰值和諧波含量遠遠超出輔助負載的承受能力，必須經過隔離和濾波以輸出符合要求的三相380 V/50 Hz 正弦電壓。要求額定工況下輔助電源輸出電壓的總諧波畸變率THD ≤ 5%，故采用了隔離變壓器（TR1）進行隔離，并利用其二次側等效漏電感與三相濾波電容ACC組成LC 濾波器的方式，過濾高次諧波，以滿足輔助負載對電源品質的要求。

LC濾波器計算要求如下：

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

為了避免逆變器工作時，功率因數降到允許范圍以下，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%，由此得到：

式中P：逆變器有功功率;Usa：輸出電壓。

3 試驗驗證

AC380V列車供電裝置型式試驗項目包括溫升試驗、負載突變、高低溫試驗、振動及沖擊試驗的一系列試驗。

3.1 負載突變試驗

負載突變試驗的目的在于驗證AC380V/DC600V列車供電裝置在負載突變時的承受能力，體現在輸出電壓的波動上。試驗中完成系統額定負載的突切及突投，系統均正常工作，且輸出電壓波動范圍均在設計要求之內。AC380V模式下列供裝置突切及突投測得輸出電壓、電流波形見圖2。圖2中左圖為負載突切工況波形，右圖為負載突投模式下波形;DC600V模式下列供裝置突切及突投測得輸出電壓、電流波形見圖3。圖3中左圖為負載突切工況波形，右圖為負載突投模式下波形。

通過試驗證明，AC380V/DC600V列車供電裝置在AC380V供電模式下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。

4 總結

AC380V/DC600V列車供電裝置采用了大功率IGBT變流技術、逆變控制、不可控整流技術以及完善的保護功能。通過聯調試驗表明，該供電裝置各項技術性能指標達到技術條件的要求。目前裝載該供電裝置的機車已經完成試運行，運行穩定。相信在不久的將來AC380V/DC600V列車供電裝置將作為電力機車列供裝置的主力軍，馳騁在大江南北。

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