熊明彬，王永，馬曉媛，高曉芳

(中車資陽機(jī)車有限公司研發(fā)部，四川 資陽 641301)

1 概述

某型直流內(nèi)燃動(dòng)車組是2動(dòng)6拖編組的動(dòng)車組，采用帶列車供電功能的輔助變流系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)車組列車供電。一般情況下，列車供電采用獨(dú)立的柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電，輔助變流系統(tǒng)不具有列車供電功能，有些列車供電功能的輔助變流系統(tǒng)，其列車供電功能只是作為救援或獨(dú)立柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組故障時(shí)應(yīng)急使用，只能在特殊工況下啟用，在輔助變流系統(tǒng)啟動(dòng)緊急供電功能后，往往影響機(jī)車的正常牽引與電阻制動(dòng)功能。本文中描述的帶列車供電功能的輔助變流系統(tǒng)能夠滿足列車供電功能需要的同時(shí)，不影響動(dòng)車組的牽引與制動(dòng)性能的特性發(fā)揮，其良好的環(huán)保效果和技術(shù)效益將成為未來直流內(nèi)燃動(dòng)車組進(jìn)行列車供電的一種趨勢。

2 系統(tǒng)原理

輔助變流系統(tǒng)主要由交流輔發(fā)電機(jī)、控制器、整流模塊、牽引通風(fēng)機(jī)逆變器、冷卻風(fēng)扇逆變器、供電逆變器等組成。列車供電系統(tǒng)通過輔交控制器與微機(jī)控制系統(tǒng)，以及重聯(lián)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使直流內(nèi)燃動(dòng)車組在滿足列車供電的同時(shí)，滿足動(dòng)車組的牽引性能與電阻制動(dòng)性能。系統(tǒng)工作原理如圖1所示，其主要工作方式如下。

圖1 系統(tǒng)工作原理

1)單繞組的交流輔助發(fā)電機(jī)在柴油機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速下，能發(fā)出滿足動(dòng)車組列車供電需求的電壓，其容量也能滿足輔助交流系統(tǒng)和列車供電的需求。

2)本務(wù)車可對(duì)列車供電進(jìn)行指令，當(dāng)本務(wù)車和重聯(lián)車在收到相應(yīng)的指令后都可控制本車對(duì)列車的供電。

3)控制器在列車供電時(shí)傳送信號(hào)給機(jī)車微機(jī)，機(jī)車微機(jī)將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制在滿足列車供電要求的轉(zhuǎn)速。

4)控制器與供電逆變器負(fù)責(zé)監(jiān)控列車供電系統(tǒng)，確保動(dòng)車組列車供電的安全。

5)牽引通風(fēng)機(jī)逆變器根據(jù)牽引電機(jī)電流來控制通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保證牽引電機(jī)的散熱。

6)冷卻風(fēng)扇逆變器根據(jù)柴油機(jī)冷卻水溫來控制冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，保證柴油機(jī)的散熱與機(jī)車的節(jié)能。

7)供電逆變器根據(jù)逆變控制器發(fā)出的供電信號(hào)，輸出415 V、50 Hz的交流電來滿足列車供電需求。

8)供電逆變器通過監(jiān)控供電干線電壓進(jìn)行閉環(huán)電壓調(diào)節(jié)，保證供電系統(tǒng)在不同負(fù)載變化下，電壓始終能穩(wěn)定在415 V、50 Hz。

3 系統(tǒng)控制

列車供電系統(tǒng)需要AC415 V、50 Hz的定頻定壓動(dòng)力電；交流輔助傳動(dòng)系統(tǒng)需要0～500 V，0～87.4 Hz的恒壓頻比PWM動(dòng)力電；交流輔助發(fā)電機(jī)限定為單繞阻交流電機(jī)。根據(jù)以上用電需求與限定條件，確定輔助變流系統(tǒng)控制單元的組成：由1個(gè)主微機(jī)管理3個(gè)子微機(jī)，在主微機(jī)的統(tǒng)一管理下，子微機(jī)負(fù)責(zé)完成列車供電逆變模塊、通風(fēng)機(jī)逆變模塊、冷卻風(fēng)扇逆變模塊的控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量反饋輸入檢測、數(shù)字量輸出控制、頻率量檢測及接收傳感器模擬信號(hào)、總線通信等功能。系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

4 關(guān)鍵設(shè)備選型

輔助變流系統(tǒng)關(guān)鍵的設(shè)備有2個(gè)，一是列車供電逆變模塊，另一個(gè)是將輔助發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電調(diào)試出中性點(diǎn)以滿足動(dòng)車組單相供電需求的變壓器。

列車供電逆變模塊以系列化、平臺(tái)化、可靠性為選型原則，選擇運(yùn)用更為成熟廣泛，經(jīng)過性能驗(yàn)證的更為可靠的列車供電逆變模塊。列車供電模塊采用直流電變定頻、定壓三相交流(415 V，50 Hz)的逆變模塊，該模塊的選擇首要在于其輸出功率可滿足2動(dòng)6拖編組或2動(dòng)10拖編組的動(dòng)車組2種平臺(tái)的列車供電需求。列車供電功率負(fù)載統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 列車供電功率統(tǒng)計(jì)

變壓器的選型主要是從隔離變壓器或Z型變壓器中進(jìn)行選擇，兩者都能調(diào)試出三相交流電的中性點(diǎn)以保證動(dòng)車組單相交流用電。雖然隔離變壓器能在供電發(fā)生故障時(shí)，將變壓器兩邊的設(shè)備進(jìn)行隔離，增強(qiáng)供電設(shè)備與用電設(shè)備的保護(hù)功能，但隔離變壓器與Z型變壓器相比，在體積、重量、成本上都是Z型變壓器的數(shù)倍，而且內(nèi)燃動(dòng)車組已通過電路控制器和保護(hù)繼電器等對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行充足的保護(hù)，無需專門再采用隔離變壓器對(duì)故障進(jìn)行隔離。因此，在功能均能滿足的情況下，從體積、重量與成本的綜合考慮，確定采用Z型變壓器。

5 冗余設(shè)計(jì)

動(dòng)車組作為載客列車，要保證列車供電的高可靠性，因此在輔助變流系統(tǒng)故障的情況下，不能影響列車供電功能的正常運(yùn)行。當(dāng)柴油機(jī)冷卻風(fēng)扇電機(jī)逆變模塊或牽引通風(fēng)機(jī)電機(jī)逆變模塊故障時(shí)，不能采用傳統(tǒng)的降轉(zhuǎn)速的方式來直接投入運(yùn)行，這樣會(huì)對(duì)列車供電系統(tǒng)造成沖擊。例如冷卻風(fēng)扇電機(jī)逆變模塊發(fā)生了故障，可以先通過主微機(jī)將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速恒定在規(guī)定值，然后將交流輔發(fā)電機(jī)的電壓、頻率、相位參數(shù)輸入到冷卻風(fēng)扇電機(jī)逆變模塊，并將這個(gè)值與逆變模塊自身的輸出電壓、頻率、相位參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，將兩者差值控制到最小來調(diào)節(jié)輸出，這樣可將切換供電系統(tǒng)造成的沖擊減到最小，保證動(dòng)車組列車供電的穩(wěn)定。

6 結(jié)語

本輔助變流系統(tǒng)目前已在某型內(nèi)燃動(dòng)車組上裝車運(yùn)用，效果良好。該系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)的獨(dú)立柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)有著噪音小、成本低的優(yōu)勢，相對(duì)傳統(tǒng)的交流輔助傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)負(fù)載在任意轉(zhuǎn)速下的小沖擊直接投入功能，在保證動(dòng)車組列車供電的同時(shí)，也滿足了動(dòng)車組牽引與制動(dòng)性能的需要。