王保民

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081 ；2.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

基金項(xiàng)目:中國鐵道科學(xué)研究院開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2015YJ121)

0 引 言

電力系統(tǒng)是三相供電系統(tǒng)，而電氣化鐵道電網(wǎng)采用單相供電。為使電力系統(tǒng)三相負(fù)荷盡可能平衡，電氣化鐵道的接觸網(wǎng)采用分段換相供電。為防止相間短路，各相間用空氣或絕緣物分割，稱為電分相。目前自動(dòng)過電分相裝置的基本技術(shù)方案有三種：①地面開關(guān)自動(dòng)切換方式；②柱上開關(guān)自動(dòng)切換方式；③車上自動(dòng)控制斷電方式。上述三種自動(dòng)過電分相方案都要進(jìn)行主電路的換相開合操作，機(jī)車內(nèi)部過程基本一樣。隨著電力機(jī)車向高速發(fā)展、車內(nèi)微機(jī)控制的普遍采用和完善，原有的三種自動(dòng)過分相方案中，由于車載自動(dòng)過分相具有投資小，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但車載自動(dòng)過分相實(shí)質(zhì)上是斷電過分相，在列車通過分相區(qū)時(shí)由于主斷路器斷開，機(jī)車不帶電惰性通過分相區(qū)，導(dǎo)致了一系列問題。早期的機(jī)車在通過過分相區(qū)時(shí)，輔助系統(tǒng)停止供電，對用電設(shè)備的壽命產(chǎn)生影響。隨后人們開始了對過分相區(qū)輔助電源系統(tǒng)不斷電的研究[2]。對幾種典型機(jī)車通過過分相區(qū)時(shí)的試驗(yàn)分析，得出列供系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)都不斷電是目前比較理想的方式。

1 輔助系統(tǒng)和列供系統(tǒng)供電方式

輔助系統(tǒng)的三相交流輔助電源根據(jù)輸入側(cè)的不同，可分為交直交型和直交型，兩種供電方式都有一定的應(yīng)用比例。根據(jù)輸出的不同，可分為恒壓恒頻和變壓變頻兩類，一般同一種車型上的三相逆變器具有相同的硬件結(jié)構(gòu)，僅控制方式不同[3]。

交直交型三相交流輔助電源輸入端接入牽引變壓器輔助繞組，通過輸入側(cè)整流器、中間直流支撐電路和三相逆變電路后輸出三相交流電，控制方式多采用PWM技術(shù)。其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。交直交型三相輔助電源系統(tǒng)需要在主變壓器上添加輔助繞組，會(huì)使主變壓器的體積和質(zhì)量有所增加。

圖1 交直交型三相輔助電源結(jié)構(gòu)圖

直交型三相交流輔助電源的輸入端接入主變流器的中間直流環(huán)節(jié)，控制方式多采用PWM技術(shù),主要有如圖2～圖4幾種變流實(shí)現(xiàn)方式。

圖2 直交型三相輔助電源變流方式一

圖3 直交型三相輔助電源變流方式二

圖4 直交型三相輔助電源變流方式三

圖2(方式一)中，直流電經(jīng)三相逆變電路逆變，由變壓器降壓，三相濾波之后輸出三相交流電。該方式所用開關(guān)器件少，控制簡單，工頻變壓器實(shí)現(xiàn)了高壓輸入側(cè)與負(fù)載電路之間的電氣隔離，但三相輸出電壓易受直流輸入側(cè)電壓波動(dòng)影響，電路中工頻變壓器體積和質(zhì)量較大，功率開關(guān)器件電壓等級要求較高，電路工作頻率較低。圖3(方式二)中，直流電經(jīng)BUCK降壓斬波電路后接入三相逆變電路，三相濾波之后輸出三相交流電。該方式大幅降低了逆變電路中功率開關(guān)管電壓等級要求，逆變電路輸入端電壓穩(wěn)定，三相輸出質(zhì)量較高，但沒有實(shí)現(xiàn)輸入高壓側(cè)與負(fù)載電路之間的電氣隔離。圖4(方式三)相比方式二，用高頻隔離降壓電路代替BUCK降壓斬波電路，該方式從系統(tǒng)成本和控制復(fù)雜度上有所增加，但利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，安全性有所提高，體積和質(zhì)量有所下降[4]。

圖5 列供系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖

列供系統(tǒng)的直流600 V電源輸入端接入牽引變壓器二次側(cè)的列供繞組，通過二極管整流后輸出直流電，其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。此種方式需要在主變壓器上添加列供繞組，會(huì)使主變壓器的體積和質(zhì)量相應(yīng)增加。目前，我國的客運(yùn)電力機(jī)車大多數(shù)采用此種方式實(shí)現(xiàn)對旅客列車的供電。

2 典型機(jī)車過分相過程中供電情況分析

在環(huán)形試驗(yàn)線按照既有線模式布置地感器，模擬分相區(qū)。機(jī)車通過分相區(qū)時(shí)，環(huán)形試驗(yàn)線變電所根據(jù)車上試驗(yàn)人員指令斷電和恢復(fù)供電，模擬實(shí)現(xiàn)機(jī)車的過分相測試。在測試過程中，監(jiān)測機(jī)車車載自動(dòng)過分相裝置的預(yù)告、強(qiáng)迫、恢復(fù)信號、網(wǎng)壓信號、機(jī)車速度、牽引電機(jī)功率、牽引繞組電壓、牽引繞組電流和牽引變流器中間電壓；監(jiān)測機(jī)車輔助電源輸出和列供系統(tǒng)的主要電氣參數(shù)，如列供輸出電壓、輔助VVVF輸出電壓、輔助CVCF輸出電壓等信號[5]。在機(jī)車牽引、電制動(dòng)、惰行三種運(yùn)行工況下，對自動(dòng)過分相過程中列供系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)電源的狀態(tài)進(jìn)行了測試。

A型機(jī)車為貨運(yùn)機(jī)車只有輔助系統(tǒng)電源輸出，沒有列供電源輸出。該型機(jī)車采用的是從主變流器的中間直流環(huán)節(jié)取電的方式。在通過過分相區(qū)過程中，主斷路器斷開，牽引變流器和牽引電機(jī)停止工作。圖6～圖8分別為該型機(jī)車在牽引工況、電制工況和惰行工況下通過過分相區(qū)時(shí)的主要信號的波形圖。

圖6 A型機(jī)車牽引工況過分相區(qū)試驗(yàn)曲線

圖7 A型機(jī)車電制動(dòng)工況過分相區(qū)試驗(yàn)曲線

圖8 A型機(jī)車惰行工況過分相區(qū)試驗(yàn)曲線

通過測試可以得出，在三種工況下，機(jī)車在過分相過程中，機(jī)車速度在110 km/h左右，牽引電機(jī)停止工作，輸出功率基本為零；牽引變流器中間電壓出現(xiàn)下降現(xiàn)象；牽引繞組電壓、牽引繞組電流都出現(xiàn)了回零現(xiàn)象；輔助電源系統(tǒng)的VVVF和CVCF輸出電壓都出現(xiàn)了斷電現(xiàn)象。采用該種供電方式的機(jī)車可以通過升級改造實(shí)現(xiàn)輔助電源系統(tǒng)的不斷電。

B型機(jī)車為客運(yùn)機(jī)車既有輔助系統(tǒng)電源輸出也有列供電源輸出。該型機(jī)車輔助系統(tǒng)采用的是從主變流器的中間直流環(huán)節(jié)取電的方式，列供系統(tǒng)采用的是從主變壓列供繞組取電的方式。在通過過分相區(qū)過程中，主斷路器斷開，牽引電機(jī)工作在電制工況，牽引逆變器工作在整流狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)牽引變流器中壓的保持，輔助逆變器從牽引變流器中壓取電，保持輔助系統(tǒng)VVVF和CVCF電壓的持續(xù)輸出。圖9～圖11分別為該型機(jī)車在牽引工況、電制工況和惰行工況下通過過分相區(qū)時(shí)的主要信號的波形圖。

圖9 B型機(jī)車牽引工況過分相區(qū)試驗(yàn)曲線

圖10 B型機(jī)車電制工況過分相區(qū)試驗(yàn)曲線

圖11 B型機(jī)車惰行工況過分相區(qū)試驗(yàn)曲線

通過測試可以得出，在三種工況下，機(jī)車在過分相過程中，機(jī)車速度在100 km/h左右，牽引電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，回饋功率在400 kW左右；牽引變流器中間電壓基本保持；牽引繞組電壓、牽引繞組電流都出現(xiàn)了回零現(xiàn)象；輔助電源系統(tǒng)的VVVF和CVCF輸出電壓保持了恒定，但列供系統(tǒng)輸出電壓出現(xiàn)了斷電現(xiàn)象。采用該種供電方式的機(jī)車可以通過升級改造實(shí)現(xiàn)列供系統(tǒng)的不斷電。

C型機(jī)車為客運(yùn)機(jī)車既有輔助系統(tǒng)電源輸出也有列供電源輸出。該型機(jī)車輔助系統(tǒng)采用的是從主變壓輔助繞組取電的方式，列供系統(tǒng)采用的是從主變壓列供繞組取電的方式。在通過過分相區(qū)過程中，主斷路器斷開，牽引電機(jī)工作在電制工況，牽引逆變器工作在整流狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)牽引變流器中壓的保持，牽引四象限整流器工作在逆變狀態(tài)，將能量回饋到牽引繞組，通過能量的耦合將能量傳遞給輔助繞組和列供繞組，保持輔助系統(tǒng)和列供系統(tǒng)的持續(xù)供電[6-7]。圖12～圖14分別為該型機(jī)車在牽引工況、電制工況和惰行工況下通過過分相區(qū)時(shí)的主要信號的波形圖。

圖12 C型機(jī)車牽引工況過分相區(qū)試驗(yàn)曲線

圖13 C型機(jī)車電制工況過分相區(qū)試驗(yàn)曲線

圖14 C型機(jī)車惰行工況過分相區(qū)試驗(yàn)曲線

通過測試可以得出，在過分相過程中，機(jī)車速度在120 km/h左右，牽引電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，回饋功率在600 kW左右；牽引變流器中間電壓基本保持；牽引繞組電壓基本保持，牽引繞組中有電流流過；輔助電源系統(tǒng)的VVVF和CVCF輸出電壓保持了恒定，列供系統(tǒng)輸出電壓也保持了恒定。該型機(jī)車在過分相過程中實(shí)現(xiàn)了三種工況下輔助系統(tǒng)和列供系統(tǒng)的不斷電功能。

3 結(jié)束語

機(jī)車通過分相區(qū)時(shí)，如果輔助系統(tǒng)和列供系統(tǒng)斷電，頻繁的啟停對輔助系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和列車供電系統(tǒng)的壽命和可靠性會(huì)產(chǎn)生影響，甚至?xí)驗(yàn)榻?jīng)常的主斷路器分合而引起操作過電壓損壞設(shè)備。實(shí)現(xiàn)輔助供電系統(tǒng)和列供系統(tǒng)不斷電自動(dòng)過分相，既可以減少輔助系統(tǒng)接觸器、蓄電池、空調(diào)、照明等設(shè)備的運(yùn)用、維修成本，還可以提高了列車運(yùn)行的可靠性和運(yùn)用效率，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益[8]。此外，隨著人們生活水平的提高，對交通工具的舒適度要求越來越高，空調(diào)、照明等設(shè)備斷電對旅客的乘車舒適度都有很大的影響。對于牽引旅客列車的機(jī)車，實(shí)現(xiàn)過分相過程中列供系統(tǒng)不斷電，對改善旅客的乘車舒適性也有重要意義。因此，實(shí)現(xiàn)機(jī)車通過分相過程中，輔助系統(tǒng)和列供系統(tǒng)不斷電具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。目前，我國有大量的機(jī)車還沒有實(shí)現(xiàn)過分相過程中不斷電的功能，通過優(yōu)化升級實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有機(jī)車的輔助供電系統(tǒng)和列供系統(tǒng)進(jìn)行改造，對機(jī)車的經(jīng)濟(jì)性、安全性和舒適性都有明顯的提高。