AC380V/DC600V列车供电装置的研制

李自然

摘 要：详细介绍了AC380V/DC600V兼容列车供电装置的工作原理，系统参数和试验验证。重点分析AC380V/DC600V列车供电装置的主电路设计以及相关器件参数的计算等关键技术。通过列车供电装置的相关试验以及机车与客车车辆的联调试验，验证列车供电装置的各项性能均满足客车车辆的供电要求。

关键词：IGBT;列车供电装置;系统集成

0 引言

目前铁路机车向客车直供电主要采取是DC600 V供电制式，即机车提供DC600 V電源、客车分散逆变为AC380V的供电方式，而铁路客车主要分为DC600 V、AC380V两种供电制式。为了保障AC380V客车正常运用，路局必须配备大量的空调发电车，依靠大功率柴油机发电给客车供电。随着电气化铁路逐步扩展和机车变流技术的重大进步，传统的AC380V客车仍然依靠大功率柴油机供电已不能满足形势发展的需要，而存量的AC380V客车统一升级为DC600 V客车需要加装逆变电源、客车电气控制柜、镍镉碱性电池、更换大量车体布线等，客车改造存在成本大、费用高、周期长等问题。而在电力机车上增加AC380V/DC600 V列车供电系统，直接向客车提供AC380V/DC600 V电源，再辅以客车的配套改造，具备维护简单、独立性强、编组灵活、高效率、无污染、低噪声等优点。

1 列车供电装置的主电路以及工作原理

1.1 列车供电装置主电路

列车供电装置主电路如图1所示。AC380V/DC600 V列车供电装置主电路主要由一个单相全波整流、逆变器、滤波电路、三相不可控整流等部分组成。每台电力机车上配置两套完全独立的列车供电装置，两套系统同时向列车牵引客车车厢供给AC380V/DC600 V电源，同时两套系统具备冗余功能，在其中一套系统出现故障无法正常输出时，牵引客车车厢将自动减载，由正常的供电装置向整列客车供电。

1.2 列车供电装置工作原理

1.2.1 AC380V供电模式

AC380V供电模式下，列车供电装置的输入为机车牵引变压器列供绕组输出的单相AC860V/50 Hz交流电压，通过充电接触器KM2、充电电阻R1向中间支撑电容C1充电，充电结束后闭合短接接触器KM1，经过单相全波二极管整流，中间支撑电容滤波，输出稳定的直流电压，再通过逆变回路输出PWM波。逆变器后端设置有滤波变压器TR1、滤波电容ACC等设备对逆变输出PWM波进行滤波，使系统输出电压波形为正弦波。中间直流环节设置滤波、接地检测等电路，主要功能为稳定中间直流电压。同时在交流输入侧设置快速熔断器FU1，当交流输入侧发生短路时，可快速分断主电路，从而保护功率器件。停机后，接地检测电阻为支撑电容器放电。另外还设置了必要的电流、电压传感器来检测电路中的输入、输出电流，输入、输出电压，中间电压等信号用于控制。在AC380V供电模式下，主电路中接触器KM5为断开状态。

1.2.2 DC600V供电模式

DC600V供电模式下，列车供电装置的输入为机车牵引变压器辅助绕组输出的单相AC860V/50 Hz交流电压，通过充电接触器KM2、充电电阻R1向中间支撑电容C1充电，充电结束后闭合短接接触器KM1，经过单相全波二极管整流，中间支撑电容滤波，输出稳定的直流电压，再通过逆变回路输出PWM波。逆变输出经过变压器TR1、ACC滤波后经过三相不可控整流器输出脉流电。通过输出侧直流回路设置的滤波电容器输出DC600V电源，保证输出电源满足设计要求。DC600V输出侧设置有放电电阻和接地检测电路，停机时，放电电阻用于滤波电容器的固定放电，保证在停机后输出电压在1 min中内输出电压达到安全电压范围内。DC600V供电模式下主电路中接触器KM4为断开状态。

2 关键器件选型

2.1 滤波回路器件选项

（1）支撑电容C1选型。支撑电容C1的选择：

按RC时间常数近似等于3～5倍电源半周期估算：

k可以取3～5之间的值，若希望纹波小，则按5倍取。

R为整流器所带负载等效电阻。

（2）AC380V模式下输出侧LC滤波参数。由于逆变器采用SPWM控制方式将中间电压逆变为CVCF（定压定频）电压，其输出电压峰值和谐波含量远远超出辅助负载的承受能力，必须经过隔离和滤波以输出符合要求的三相380 V/50 Hz 正弦电压。要求额定工况下辅助电源输出电压的总谐波畸变率THD ≤ 5%，故采用了隔离变压器（TR1）进行隔离，并利用其二次侧等效漏电感与三相滤波电容ACC组成LC 滤波器的方式，过滤高次谐波，以满足辅助负载对电源品质的要求。

LC滤波器计算要求如下：

式中Udc为中间直流电压;T为开关频率;△imax纹波电流最大值，一般取输出电流的20%。

为了避免逆变器工作时，功率因数降到允许范围以下，滤波电容器吸收的基波无功功率不能大于逆变器有功功率的5%，由此得到：

式中P：逆变器有功功率;Usa：输出电压。

3 试验验证

AC380V列车供电装置型式试验项目包括温升试验、负载突变、高低温试验、振动及冲击试验的一系列试验。

3.1 负载突变试验

负载突变试验的目的在于验证AC380V/DC600V列车供电装置在负载突变时的承受能力，体现在输出电压的波动上。试验中完成系统额定负载的突切及突投，系统均正常工作，且输出电压波动范围均在设计要求之内。AC380V模式下列供装置突切及突投测得输出电压、电流波形见图2。图2中左图为负载突切工况波形，右图为负载突投模式下波形;DC600V模式下列供装置突切及突投测得输出电压、电流波形见图3。图3中左图为负载突切工况波形，右图为负载突投模式下波形。

通过试验证明，AC380V/DC600V列车供电装置在AC380V供电模式下完全能够满足客车车辆供电要求，各项性能参数均优于预期设计。

4 总结

AC380V/DC600V列车供电装置采用了大功率IGBT变流技术、逆变控制、不可控整流技术以及完善的保护功能。通过联调试验表明，该供电装置各项技术性能指标达到技术条件的要求。目前装载该供电装置的机车已经完成试运行，运行稳定。相信在不久的将来AC380V/DC600V列车供电装置将作为电力机车列供装置的主力军，驰骋在大江南北。

参考文献：

[1]李翠.200 km/h客运机车DC600V供电柜控制系统设计[D].北京交通大学，2008.

[2]李国平，陈明惠，何丹炉，等.铁道车辆电气装置50年的回顾与展望[J].铁道车辆，2013，51（12）：54-61+7.

[3]林辉，王辉.电力电子技术[M].武汉：武汉理工大学出版社，2002.

[4]GB/T 32587-2016，旅客列车DC600V供电系统技术要求及试验[S].