電力機車輔助電源系統的分析與比較

1 引言
電力機車輔助電源系統是機車的重要組成部分，擔負著除機車牽引系統主電路以外各種裝置的供電任務，是提供風源的空氣壓縮機、空調、通風機等輔助電動機的三相交流電源，電熱器、冰箱、信息顯示裝置的電源等。機車輔助電源系統由三相交流輔助電源和直流電源系統組成。早期的電力機車三相交流輔助電源裝置采用旋轉劈相機方式，這種電源裝置體積大、重量重、響應性差、效率低、噪聲大，故障率高，需經常檢查、維修。隨著電力電子和開關器件的發展，采用IGBT的新型輔助逆變系統正在替代傳統的劈相機三相交流系統。輔助逆變系統不僅為機車各輔助電機提供對稱三相電源，同時可滿足輔助電機軟啟動、軟制動，不受電網波動影響。為防止因輔助供電設備故障而影響機車正常運行，輔助逆變系統同時設置各種故障保護及冗余功能。機車直流電源系統主要由整流裝置、蓄電池組成，為機車的控制系統及照明系統等提供所需直流電源，為蓄電池充電，在升弓前或高壓設備、牽引變壓器故障時，由蓄電池給上述設備供電。

2 三相交流輔助電源系統
該系統多采用輔助變流器生成三相交流電壓為機車輔助電氣設備供電。輔助變流器根據輸入側的不同將主電路可分為交一直一交型和直一交型；根據輸出的不同，可分為恒壓恒頻(CVCF)逆變器和變壓變頻(VVVF)逆變器。
在機車上，除了提供恒壓恒頻的輔助變流器，為節約能耗、降低通風機噪聲，按照不同狀態下設備所需要的功率來涮節電壓和頻率的VVVF輔助變流器。通常，在同一種車型上的CVCF逆變器和VVVF逆變器硬件結構相同，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現方案。
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，一般由網側變流器、中間直流環節、三相逆變器3部分組成。由于接觸網電壓的波動較大，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，為了獲得穩定的中間直流環節電壓，輔助變流器的網側必須采用可控整流電路。以前多采用相控整流電路，電路和控制簡單，造價較低，但網側的功率因數較低，對電網的影響大。隨著電力電子技術的發展，脈沖整流器已開始取代相控整流器，它可使網側的功率因數接近1，且動態響應特性好。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(冗余設計)等。交一直一交型輔助變流器的缺點是過分相時將失電，所有三相輔機均停止運行。

與傳統的劈相機電源系統相比，采用交一直一交型結構的輔助變流器特點：(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較高的功率因素以及電網電壓波動時中間直流電壓的穩定。(3)由于變壓器二次繞組之間存在耦合，脈沖整流器開關動作產生的脈沖分量會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)變流器的啟動方式為軟啟動，有效減少輔助電動機的啟動電流。(5)工作在較大網壓范圍內。(6)三相輸出電壓穩定、平衡。