機(jī)車輔助電源系統(tǒng)，你值得了解

目前國內(nèi)首個(gè)基于碳化硅(SiC)變流技術(shù)的永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)項(xiàng)目，蘇州 3 號線 0312 號列車。其牽引電機(jī)的控制方式為軸控(1C1M)，即每個(gè)牽引變流器箱體內(nèi)包含四個(gè) SiC 逆變模塊，每個(gè)模塊獨(dú)立控制一臺電機(jī)。牽引電機(jī)以直驅(qū)抱軸的方式安裝在車軸上，不需要再安裝齒輪箱及聯(lián)軸節(jié)，實(shí)現(xiàn)了車輛輕量化的目的。

由于采用完全的 SiC 半導(dǎo)體技術(shù)替代傳統(tǒng) IGBT 技術(shù)，大大提升了變流器的開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)正弦輸出電壓來驅(qū)動(dòng)永磁直驅(qū)電機(jī)方案，使得電機(jī)的損耗得到顯著降低，因此可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自然冷卻。在提高系統(tǒng)效率的同時(shí)降低了噪聲，提升了乘客的舒適度。

本文我們并不聊軌道牽引，厲害的 C 位永遠(yuǎn)離不開優(yōu)秀的輔助，今天我們就來聊聊機(jī)車輔助電源。

機(jī)車牽引作為 C 位，負(fù)責(zé)機(jī)車跑動(dòng)的主要任務(wù)，但是跑得好不好，跑得舒不舒服，跑得得不得勁兒，則需要一些列的輔助裝置。比如，各冷卻用裝置，為制動(dòng)、受電弓等各種氣動(dòng)機(jī)械裝置提供風(fēng)源的空氣壓縮機(jī)等等;同時(shí)，為了提供良好舒適的乘坐環(huán)境，還裝備有空調(diào)、熱水器、通風(fēng)機(jī)、冰箱、信息顯示裝置、自動(dòng)售貨機(jī)等等，而這些都需要三相交流輔助電源系統(tǒng)。而機(jī)車上的控制系統(tǒng)和照明系統(tǒng)則需要直流電源供電以及還配備有應(yīng)急用蓄電池供電系統(tǒng)。

三相交流電源系統(tǒng)和直流電源系統(tǒng)稱為輔助電源系統(tǒng)~

01 三相交流輔助電源系統(tǒng)

三相交流輔助電源系統(tǒng)大多采用與牽引變流器分開的輔助變流器生成三相交流電?？梢杂幸韵路诸悾?

①根據(jù)輸入側(cè)的不同，可分為 AC-DC-AC 型和 DC-AC 型;

②根據(jù)輸出側(cè)的不同，可分為恒壓恒頻和變壓變頻型，同一車型上，一般 CVCF 型和 VVVF 型逆變器的硬件結(jié)構(gòu)相同，只是控制方式不同;

③根據(jù)主電路電平級數(shù)的不同，可分為兩電平和三電平輔助變流器;這兩種拓?fù)涓饔懈鞯奶攸c(diǎn)：兩電平結(jié)構(gòu)和控制較為簡單，三電平可以降低其開關(guān)器件的耐壓等級，輸出波形相對較好，諧波較少，但是其使用器件較多，控制相對復(fù)雜。

1.AC-DC-AC 型輔助變流系統(tǒng)

下圖是其輔助變流器電路圖：

交 - 直 - 交輔助變流器是由牽引變壓器的輔助繞組供電的，與牽引變流器相同，一般由網(wǎng)側(cè)變流器、中間直流回路、三相逆變器組成。由于接觸網(wǎng)電壓波動(dòng)較大，所以輔助變流器的單相交流電也有較大的波動(dòng)，為了獲得較為穩(wěn)定的中間直流回路電壓，必須采用可控整流電路。

以前采用的相控整流電路，電路和控制簡單，造價(jià)較低，但是網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)的影響較大;而脈沖整流器可以使得網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)接近 1，并且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好。除了整流部分，其他的部分都差不多，交 - 直 - 交型輔助變流器的缺點(diǎn)是過分相時(shí)將失電，導(dǎo)致所有的三相輔機(jī)均停止運(yùn)行。

2.DC-AC 型輔助變流器

直 - 交型輔助變流器是從直流電網(wǎng)(DC750V 或 DC1500V 或者從牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)取電)經(jīng)逆變器實(shí)現(xiàn)直流到三相交流的轉(zhuǎn)換。

由于輸入電壓較高，為了保證輸出電壓滿足輔助設(shè)備需要的電壓等級，一般需采用降壓設(shè)備。降壓的方式有兩種：先逆變后降壓和先降壓后逆變。

①先逆變后降壓

先進(jìn)行逆變，再經(jīng)過三相降壓變壓器將較高的交流電壓降到所需要的電壓等級。

此電路的特點(diǎn)是開關(guān)器件數(shù)量較少，控制較為簡單，但是也有缺點(diǎn)，輸出三相電壓容易受到直流輸入電壓的影響，當(dāng)直流輸入電壓較高時(shí)逆變器中開關(guān)器件的耐壓要求較高，成本也會(huì)相應(yīng)的高。Δ-Y 型變壓器在實(shí)現(xiàn)降壓功能的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了高壓輸入電源的回路和負(fù)載回路之間的相互隔離。

②先降壓后逆變

先降壓后逆變的方式，最簡單的就是單管 Buck 電路，還有復(fù)雜一些的。

?最簡單的 Buck 電路

通過降壓斬波的閉環(huán)控制來保持逆變器輸入電壓的恒定，從而消除輸入電壓的波動(dòng)對三相逆變器輸出的影響;同時(shí)，整個(gè)電路中，斬波器中需要較大功率的開關(guān)器件，而后端逆變電路中的開關(guān)器件可以選擇較低電壓等級的開關(guān)器件，從而降低成本。但這種方式?jīng)]有實(shí)現(xiàn)輸入電壓和輸出電壓的隔離，同時(shí)需要對逆變器和負(fù)載等增加保護(hù)電路，以防在前幾的斬波器失去控制后達(dá)到相應(yīng)的保護(hù)。

?較為復(fù)雜點(diǎn)的

降壓電路通過直 - 交 - 直變換，將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓后輸入給后端的三相逆變器。

在輸入側(cè)采用兩個(gè)半橋逆變器串聯(lián)，輸出側(cè)采用兩個(gè)全橋整流器串聯(lián)，這樣可以降低開關(guān)器件的電壓應(yīng)力。由半橋逆變器將輸入直流變?yōu)槊}寬可控的高頻方波，再通過二極管不可控整流和 LC 濾波器將高頻方波轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒€(wěn)的直流電壓。

這樣的降壓電路經(jīng)過了兩級功率變換，使用的元器件較多，但逆變部分的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，控制也相對簡單。但這種方式技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)還是很高的。

02. 直流電源系統(tǒng)

直流電源系統(tǒng)為列車照明和控制系統(tǒng)供電，以及應(yīng)急供電，其電壓等級一般為 DC110V。直流電源系統(tǒng)包含蓄電池和蓄電池充電機(jī)，正常情況下，由蓄電池充電機(jī)為直流負(fù)載供電，并為蓄電池充電;發(fā)生故障時(shí)，由蓄電池為直流負(fù)載供電。

蓄電池充電機(jī)的輸入一般為輔助逆變器輸出的三相恒壓恒頻交流電，也可以是交 - 直 - 交輔助變流器的中間直流電壓，或者是牽引變流器中間直流電經(jīng)降壓后的電壓。電路結(jié)構(gòu)多樣化：

①采用較大體積工頻變壓器的不可控整流器整流，輸出的 DC110V 電壓容易受到輸入三相交流電的影響。

②三相交流電依次經(jīng)過半控整流器、LC 濾波、單相半橋逆變器、帶中心抽頭變壓器的雙半波不可控整流、LC 濾波后輸出 DC110V。

③輸入為直流電壓，采用方案②的后半部分進(jìn)行變換

④輸入也是直流電壓，但是與方案③不同，采取了全橋逆變器、隔離變壓器、二極管橋式整流器。

如今，輔助電源正往高頻化、輕量化、低噪聲、大容量、高可靠性等方向發(fā)展，與之相應(yīng)的是開關(guān)器件的發(fā)展及電力電子技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)秀的輔助可以造就 C 位，穩(wěn)住大局。