電力機(jī)車輔助電源系統(tǒng)的分析與比較

1 引言
電力機(jī)車輔助電源系統(tǒng)是機(jī)車的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著除機(jī)車牽引系統(tǒng)主電路以外各種裝置的供電任務(wù)，是提供風(fēng)源的空氣壓縮機(jī)、空調(diào)、通風(fēng)機(jī)等輔助電動(dòng)機(jī)的三相交流電源，電熱器、冰箱、信息顯示裝置的電源等。機(jī)車輔助電源系統(tǒng)由三相交流輔助電源和直流電源系統(tǒng)組成。早期的電力機(jī)車三相交流輔助電源裝置采用旋轉(zhuǎn)劈相機(jī)方式，這種電源裝置體積大、重量重、響應(yīng)性差、效率低、噪聲大，故障率高，需經(jīng)常檢查、維修。隨著電力電子和開關(guān)器件的發(fā)展，采用IGBT的新型輔助逆變系統(tǒng)正在替代傳統(tǒng)的劈相機(jī)三相交流系統(tǒng)。輔助逆變系統(tǒng)不僅為機(jī)車各輔助電機(jī)提供對(duì)稱三相電源，同時(shí)可滿足輔助電機(jī)軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)，不受電網(wǎng)波動(dòng)影響。為防止因輔助供電設(shè)備故障而影響機(jī)車正常運(yùn)行，輔助逆變系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置各種故障保護(hù)及冗余功能。機(jī)車直流電源系統(tǒng)主要由整流裝置、蓄電池組成，為機(jī)車的控制系統(tǒng)及照明系統(tǒng)等提供所需直流電源，為蓄電池充電，在升弓前或高壓設(shè)備、牽引變壓器故障時(shí)，由蓄電池給上述設(shè)備供電。

2 三相交流輔助電源系統(tǒng)
該系統(tǒng)多采用輔助變流器生成三相交流電壓為機(jī)車輔助電氣設(shè)備供電。輔助變流器根據(jù)輸入側(cè)的不同將主電路可分為交一直一交型和直一交型；根據(jù)輸出的不同，可分為恒壓恒頻(CVCF)逆變器和變壓變頻(VVVF)逆變器。
在機(jī)車上，除了提供恒壓恒頻的輔助變流器，為節(jié)約能耗、降低通風(fēng)機(jī)噪聲，按照不同狀態(tài)下設(shè)備所需要的功率來涮節(jié)電壓和頻率的VVVF輔助變流器。通常，在同一種車型上的CVCF逆變器和VVVF逆變器硬件結(jié)構(gòu)相同，僅控制方式不同。下面分別探討交一直一交型和直一交型輔助變流器的實(shí)現(xiàn)方案。
2．1 交一直一交型輔助變流器
交一直一交型輔助變流器是南牽引變壓器輔助繞組供電，與牽引變流器相同，一般由網(wǎng)側(cè)變流器、中間直流環(huán)節(jié)、三相逆變器3部分組成。由于接觸網(wǎng)電壓的波動(dòng)較大，因此，交一直一交型輔助變流器輸入的單相交流電也有較大的波動(dòng)，為了獲得穩(wěn)定的中間直流環(huán)節(jié)電壓，輔助變流器的網(wǎng)側(cè)必須采用可控整流電路。以前多采用相控整流電路，電路和控制簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，但網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)較低，對(duì)電網(wǎng)的影響大。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，脈沖整流器已開始取代相控整流器，它可使網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)接近1，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好。圖1是交一直一交型輔助變流器的典型電路，包括脈沖整流器COV，中間支撐電容，三相逆變器INV，輸入接觸器K、AK，輸入輸出電流傳感器ACCT、CTU、CTW，中間電壓傳感器 VT(冗余設(shè)計(jì))等。交一直一交型輔助變流器的缺點(diǎn)是過分相時(shí)將失電，所有三相輔機(jī)均停止運(yùn)行。

與傳統(tǒng)的劈相機(jī)電源系統(tǒng)相比，采用交一直一交型結(jié)構(gòu)的輔助變流器特點(diǎn)：(1)仍然需要由牽引變壓器輔助繞組為輔助變流器供電。(2)脈沖整流器可保證輸入側(cè)較高的功率因素以及電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)中間直流電壓的穩(wěn)定。(3)由于變壓器二次繞組之間存在耦合，脈沖整流器開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的脈沖分量會(huì)疊加到牽引變壓器輔助繞組的輸出電壓上，使輔助變流器電壓升高，溫度上升，影響輔助變流器的性能。(4)變流器的啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，有效減少輔助電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。(5)工作在較大網(wǎng)壓范圍內(nèi)。(6)三相輸出電壓穩(wěn)定、平衡。