交流传动电力机车新型辅助电源的研究

EI。ECTRIC DRIVE 2008 V01．38 No．1 2 电气传动2008年第38卷第12期

交流传动电力机车新型辅助电源的研究

佟来生1’2，蓝正升2，刘宏2

(1．浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027；

2．中国南车集团株洲电力机车有限公司，湖南株洲412001)

摘要：阐述了交流传动电力机车辅助电源技术发展过程，分析了常用辅助电源技术的优缺点，并探讨了一 种新型集成式辅助电源方案。针对新型集成式辅助电源，采用理论分析和仿真技术相结合的方法，提出了系 统分析的计算公式和参数匹配的基本原则，完成了交流传动电力机车辅助系统工程化设计的理论分析，为系 统设备的技术指标制定提供了技术依据。 关键词：辅助电源；交流传动；电力机车 中图分类号：U264 文献标识码：A

Research on Novel Auxiliary Power Supply of AC Drive Locomotive

TONG Lai—shen91～，LAN Zheng-shen92，LIU Hongz

(1．School of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，Zhejiang，China； 2．CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co．，Ltd．，Zhuzhou 412001，Hunan，China)

Abstract：Developing process of auxiliary power supply of locomotive with inverter—fed induction motors was introduced．Merits and drawbacks of conventional auxiliary power supplies were analyzed and a new type of auxiliary power supply was designed on the basis of analysis results．Theory analysis and technique of simula— tion were adopted to get the formula describing auxiliary system and the principle of parameter match．The re— search results are helpful to define the equipment qualifications． Key words：auxiliary power supply；AC drive；locomotive

1 引言

机车辅助电源是机车的重要组成部分，其作 用就是保障机车牵引、制动工况正常运行。各种 类型电力机车的辅助系统大同小异，如图1所示， 主要包括辅助电源、通风和冷却系统、空调机组、 压缩机等设备。为了适应电力机车严酷的运行环 境，辅助系统还应该满足以下条件[1]：1)在国家有 关标准规定的输入电压范围内具备正常工作的能 力，对我国电力机车而言，即在17．5～31 kV范围 内，其辅助变流器输出电压及频率应能满足空压 机、油泵、风机等负载的正常工作能力；2)除具备 变压变频输出能力外，还应具备允许空压机等负 载在变流器工作时直接启动及切除的能力，以满 足空压机等负载频繁启停的要求；3)具备适应恶 劣环境的工作能力及高可靠性，满足机车在各种 环境下正常运行的要求；4)考虑一定的冗余度，尽 可能避免机车因辅助系统的原因引起运行途中停 车等大事故。

辅助系统 辅

助

变

流

器

冷 却 塔 通 风 机 组 瘫 引 通

风 机 组

变 压 器 油

泵

空

气 压 缩 机 组

变 流 器 风 机 空 调 系

统

图1电力机车辅助系统

Fig．1 Auxiliary system of locomotive

2 辅助电源技术方案分析 早期直流传动电力机车中，辅助电源利用三 相异步劈相机把主变压器辅助绕组的单相工频交 流电源“劈”成三相交流电源，再供给辅助电路驱 动三相异步电动机‘21。由于三相异步劈相机的结

基金项目：浙江省博士后科研项目；湖南省博十后科研项目

作者简介：佟来生(1977一)，男，博士，助理研究员，Email：alanatlsh@126．com 15

万方数据

电气传动2008年第38卷第12期佟来生，等：交流传动电力机车新型辅助电源的研究

构和工作原理决定了辅助回路三相线电压的极不 对称性，不对称度在270 V时达到10％，在460 V 时达到了7％，这使辅助电动机降低了带负载能 力，损耗增大[3]。此外，劈相机工作噪音大，是司 机室的主要噪音源。这种辅助电源方案在交流传 动电力机车中已经淘汰。

交流传动电力机车采用整流逆变方案，整流 器把主变压器辅助绕组单相交流变成直流，然后 利用辅助逆变器输出三相交流驱动辅助电机。这 种方案供电品质高，辅助电机可由逆变器控制实 现软启动，启动电流小；能够实现多种整流器和逆 变器的组合结构，使系统对负载控制的灵活性和 系统冗余性增强，使辅助电源的可靠性得到很大 提高。整流逆变方案在初期整流器采用半控整 流，其特点是降压整流，控制简单，技术成熟。但 半控整流输入功率因数低，对电网影响大，易受电 网波动的影响，已经逐步被4象限整流技术取代。 4象限整流技术其特点是升压整流，运用锁相环 技术跟踪基波相位，使输入功率因数接近1，对电 网影响小。采用辅助逆变器驱动辅机时，一般在 辅助逆变器和辅机之间加入正弦滤波器或者是 dv／dt滤波器来降低辅助逆变器输出的PWM波 对辅机损耗、发热以及绝缘的影响。目前，多数交 流传动电力机车都采用了4象限整流器和逆变器 匹配的方案。4象限整流辅助电源示意图见图2。

图2 4象限整流辅助电源不意图

F毽2 Sketch of all菇liary power unit hy four-quadrant converter

整流逆变方案基本解决了交流传动电力机 车辅助系统供电问题，使机车运行效率得到了提 高，可靠性增加。但是辅助电源采用4象限整流 器时，变压器容器内部还要增加若干个辅助电抗 器，而变压器体积受到严格的限制，这为变压器设 计、制造增加了困难。为了进一步简化变压器设 计，降低辅助电源的复杂性，一种新型辅助电源方 案被应用到HXDl型电力机车中，这种方案类似 于轻轨和地铁直流供电车辆的辅助电源方案。如 图3所示，该辅助电源方案直接从主电路中间回 路获得直流电源，采用高压IGBT逆变成三相电

】6

源，再经过降压、滤波驱动辅助电机。这种集成式 辅助电源与主回路共用支撑电容，省略了变压器 辅助电源供电绕组和辅助4象限整流器；减少了

变压器绕组数量和变流柜中元器件的个数，降低 了故障率；在机车运行过分相时辅助回路可以不 断电运行，中间回路利用牵引电机发电运行供电， 这样减少了频繁启动对辅助电机的冲击，提高了 牵引传动的系统可靠性。文章以中间回路集成式 辅助系统为对象进行讨论分析。

图3集成式辅助系统示意图

Fig．3 Sketch of intergrated auxiliary system

3 辅助逆变器控制方法

机车辅助逆变器有2台，一台采用VVVF工 作方式，给风机负载供电；另一台采用CVCF工 作方式，给压缩机等恒频恒压负载供电。这里以 VVVF工作方式的逆变器为例分析控制方式。 传统的正弦脉宽(SPWM)控制方式，逆变器输出 基波线电压最大不超过√3Ud／2，而电压空间矢量 (SVPWM)在线性调制区最大输出线电压为Ua， 具有更大的线性调制区域[4]，所以这里采用SVP— WM方式控制逆变器。SVPWM技术是利用基

本空间矢量组合作用得到参考电压矢量口。。。作用 的结果，其对应关系如图4所示。

图4 SVPWM调制输出电压与基本电压空间矢量关系

Fig．4 Relationship of basic voltage space vector and

output voltage modulated with SVPWM

空间矢量作用时间为 a。=kMsin(600--a) d，=kMsin口 d。一1一以一d，

(1) (2) (3)

万方数据

佟来生，等：交流传动电力机车新型辅助电源的研究电气传动2008年第38卷第1 2期

其中，愚=函～／u山，因此给定调制深度M，则可以得出dx，d，，d；。

4辅助系统理论分析

为了充分利用变压器的漏感，集成式辅助电 源可以由图5所示电路实现，这样归算到变压器 二次侧漏感和电容器就构成了LC滤波回路，从 而确保电机端电压谐波畸变率(THD)小于5％。 这里把辅助逆变器和理想变压器作为整体电源， 归算到变压器二次侧的漏感和电容器形成LC滤 波器，辅助电机作为整体负载进行稳态分析。辅 助系统电压、电流矢量关系如图6所示，由此

可得： J，={≥L- (4) √3UmN

驴志

(5)

^，oL，mN

Io-----U——mN—2=1：f—N

C

(6)

43

u。一{(警)2+Eu。嵩鼍mN—

omN Luayu

U。N27【。^C)27c，NL 2]2}专(7)

式中：J。，P。为负载有功电流与有功功率；Iqm， Q。为负载无功电流与无功功率；U。N为负载额定 线电压；【，。为电源输出线电压；fN为额定频率；C

为Y接法的LC滤波器电容；L2为变压器二次侧 归算等效漏感。

设辅助变压器线电压之比为走，则U咖一

kU．。式(7)表明当UnIN恒定时，【，inv与L。，C，功率 因数妒有关。

一9一

图5集成式辅助系统电路

Fig．5 Intergrated auxiliary system circuit

LC滤波器满足滤波要求的同时，还要考虑 滤波器的损耗以及对逆变器和电机的影响，这些 限制条件可以作为初步选择滤波器元件参数的依 据。进行滤波器参数优化时，这些限定条件可以 作为目标函数的约束条件。文献Es]中在RLC滤 波器设计中主要考虑了截止频率、滤波电感、滤波

图6辅助电源稳态电压矢量

Fig．6 Steady state vectors of auxiliary power unit

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