文/蔡利軍

為了保障AC380V客車正常運(yùn)用，各路局必須配備大量的空調(diào)發(fā)電車，依靠大功率柴油機(jī)發(fā)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(guò)64.8%，原有的AC380V客車仍然依靠柴油機(jī)供電的方式已不符合綠色環(huán)保的發(fā)展理念，而既有的21177輛AC380V客車統(tǒng)一升級(jí)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(shí)更換車體布線等，存在整體改造成本高、周期長(zhǎng)等問(wèn)題。在SS9電力機(jī)車上增加AC380V列供系統(tǒng)，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(tǒng)改造成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 工作原理

SS9電力機(jī)車AC380V列供系統(tǒng)由相控整流、三相逆變、濾波、信號(hào)采集和保護(hù)等環(huán)節(jié)組成，其主電路及控制電路關(guān)聯(lián)關(guān)系見圖1。

每臺(tái)SS9電力機(jī)車上均設(shè)置了兩套完全獨(dú)立的AC380V列供系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)同時(shí)向AC380V客車輸出AC380V/50Hz供電電源。兩套AC380V列供系統(tǒng)互為熱備冗余，其中一套系統(tǒng)無(wú)法正常輸出時(shí)，AC380V客車車廂將自動(dòng)減載，由正常的另一套系統(tǒng)向整列客車車廂供電。

2 總體及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

每套AC380V列供系統(tǒng)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(tǒng)的整流逆變模塊集成了整流二極管元件、IGBT逆變?cè)?、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(shè)計(jì)方式大大的縮小了安裝空間與重量。如圖2所示。

圖1：系統(tǒng)主電路及控制電路關(guān)聯(lián)關(guān)系圖

3 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

整流逆變模塊中的關(guān)鍵器件主要有整流二極管、IGBT逆變?cè)?、支撐電容C等。

相控整流中單個(gè)橋臂的電流有效值

單個(gè)相控整流二極管承受的平均電流

單個(gè)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(guān)斷尖峰電壓；K1為過(guò)電壓系數(shù)，取1.15；K2為安全系數(shù)，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(shù)。

支撐電容C的RC時(shí)間常數(shù)近似等于3～5倍電源半周期：

式中：k為電容系數(shù)，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(fù)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(yàn)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(guān)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(shù)降到允許值以下，濾波電容器吸收的基波無(wú)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(shí)間常數(shù)；P為逆變器有功功率；ω為角頻率；Usa為輸出電壓。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 溫升試驗(yàn)

溫升試驗(yàn)在于驗(yàn)證變流器模塊、濾波變壓器等部件在長(zhǎng)時(shí)間額定工況下運(yùn)行時(shí)表面溫升和內(nèi)部溫升小于規(guī)定的值。在AC380V列供系統(tǒng)溫升試驗(yàn)中，環(huán)境溫度為31.1℃，系統(tǒng)在額定工況下（輸出電壓AC380V、輸出電流607A）持續(xù)運(yùn)行3小時(shí)，測(cè)得變流器模塊散熱器臺(tái)面、濾波變壓器線圈、支撐電容表面各點(diǎn)溫度上升曲線如圖3所示。試驗(yàn)3小時(shí)的溫度已趨于平衡，變流器模塊散熱器臺(tái)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(yàn)情況看AC380V列車供電裝置各部件溫升均滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4.2 動(dòng)態(tài)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

將裝有AC380V列供系統(tǒng)的SS9電力機(jī)車與列車編組進(jìn)行聯(lián)掛（每個(gè)編組均包含硬臥客車7輛、軟臥客車7輛、高級(jí)軟臥車1輛），試運(yùn)線路為長(zhǎng)春-蔡家溝，主要是試驗(yàn)兩路供電的自動(dòng)模式和單路供電的應(yīng)急模式。

4.2.1 兩路供電時(shí)客車自動(dòng)模式

SS9電力機(jī)車同時(shí)輸出兩路AC380V供電電源，整個(gè)編組以試驗(yàn)全暖模式運(yùn)行，一路列供帶一半客車負(fù)載，穩(wěn)定后波形見圖4（藍(lán)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(fù)載都是電阻性負(fù)載，因此在過(guò)分相啟動(dòng)時(shí)非常平穩(wěn)，電流沖擊非常小。

SS9電力機(jī)車同時(shí)輸出兩路AC380V供電電源，整個(gè)編組以試驗(yàn)全制冷模式運(yùn)行，一路列供帶一半客車負(fù)載。SS9電力機(jī)車AC380V列供系統(tǒng)過(guò)分相后軟啟動(dòng)，橋臂峰值電流在598A。延時(shí)半分鐘后，客車第二壓縮機(jī)啟動(dòng)，列供橋臂峰值電流544A。

4.2.2 單路供電時(shí)試驗(yàn)

關(guān)閉SS9電力機(jī)車任意一路列供，由正常的AC380V列供系統(tǒng)維持供電，一路列供帶全部客車試驗(yàn)全暖負(fù)載，單路列供供電可以滿足整個(gè)編組客車全暖模式供電要求。

關(guān)閉SS9電力機(jī)車任意一路列供，由正常的AC380V列供系統(tǒng)維持供電，一路列供帶全部客車試驗(yàn)強(qiáng)制制冷。在不減載工況下，即使采取過(guò)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(shí)，編組客車必須要減載工況下系統(tǒng)才能正常運(yùn)行。

通過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，AC380V列供系統(tǒng)完全能夠滿足客車直供電要求，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)優(yōu)于預(yù)期設(shè)計(jì)。

5 總結(jié)

SS9電力機(jī)車AC380V列供系統(tǒng)采用大功率三相逆變技術(shù)、輔助控制以及完善的保護(hù)功能。該系統(tǒng)的成功研制，可以提升國(guó)內(nèi)機(jī)車電氣系統(tǒng)和車輛裝備的技術(shù)水平，以較小的投入來(lái)有效降低客車的運(yùn)行成本來(lái)大幅提高客運(yùn)收入，為新的運(yùn)行乘務(wù)體制提供了有力的技術(shù)支持。隨著國(guó)內(nèi)鐵路電氣化鐵路的建設(shè)，其系統(tǒng)應(yīng)用具有更廣闊的發(fā)展空間。