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辅助变流器,吴强,机车或动车组辅助电气设备是为机车或动车组牵引及制动系统等提供保障的设备包括辅助电源、压缩机、空调、通风、冷却系统及其驱动电机等。它的好坏直接关系到机车能否正常运行。,辅助电气设备简述：,早期的辅助系统传动方式,内燃机车采用机械传动或液力传动方式，电力机车多采用电动-发电机组或旋转劈相机向辅助电机供电方式，客车则多采用柴油发电机组或电动-发电机组供电方式。,早期辅助系统的特点：,较简单，体积大，重量重，维护工作量大不能节能运行，效率低三相输出电压不平衡且随输入电压变化。（对于劈相机供电的辅助系统而言）,现代辅助系统传动方式,采用交流传动方式的辅助系统的核心是静止变流器，通常称辅助变流器。,采用交流传动方式的辅助系统具有三相输出电压稳定、平衡、节能降噪、维护工作量小、系统总体质量小的优点。发达国家的机车或动车组辅助系统目前已普遍采用交流传动方式,1.1对辅助变流器的要求,（1）在国家有关标准规定的输入电压范围内具备正常工作的能力，具体对我国电力机车而言，即在17.531kV范围内。其辅助变流器输出的电压及频率应能满足包括空压机、油泵、风机等负载的正常工作能力。,2）除具备变压变频输出能力外，还应具备允许空压机等负载在辅助变流器工作时直接启动及切除的能力，以满足空压机等负载频繁启停的要求。,（3）具备适应恶劣环境的工作能力及高可靠性，以满足机车或动车组在各种环境下正常运行的要求。,（4）考虑一定的冗余度，以尽可能避免机车或动车组因辅助变流器的原因而发生运行途中停车等大事故。当然，故障冗余设计应从辅助系统的角度来通盘考虑。,功能,简单地说，辅助变流器的功能就是对车上辅助电气设备供电。相对于主变流器，它所起的作用虽然不同，体积功率也较小，但电路结构完整，功能齐备.其单台容量一般在几十千伏安至几百千伏安之间，属典型的中小功率“交直交”变流器。,种类,辅助变流器的种类多样，可以多种形式划分。辅助变流器的设计一般均采用模块化设计。根据机车或动车组上应用的变流器目前均为电压型这一情况，以不同环节的稳压方式来划分，辅助变流器可分为输入侧变流器稳压控制型和输出侧变流器直接稳压控制型两大类。,输入侧变流器稳压控制型特点及构成,输入侧变流器中间直流环节输出侧变流器此类型的特点是输入侧变流器和输出侧变流器均为可控型，并通过对输入侧变流器的控制来实现保持中间直流环节电压的稳定。交流供电的电力机车辅助变流器即属于此类型，其构成示意图如图1。,图1输入侧变流器稳压控制型构成示意,辅助变流器输入的几种方式,交流供电的可取自其主变压器的辅助绕组，直流供电的可直接从电网取电。有采用从主变流器中间直流环节取电的方式。在欧洲，为更好更经济地适应多电压制式供电的要求，采用这种方式，在多电压制式供电的情况下，可以简化辅助变流器的电路，此时辅助变流器的电路通常采用斩波器加逆变器的构成方式，并放置在主变流器的柜体中，从而尽可能降低成本。,种类,典型电路：四象限变流器电路，相控桥式整流电路、斩波器电路，高频逆变电路等。这类变流器在交流输入条件下应用很多，在直流输入条件下，斩波器电路，高频逆变电路等在目前也有较多的应用。,相控桥式整流电路开发较早，应用时间较长，特点是属于降压整流方式，要求输入电压高于输出电压，控制简单，技术成熟，造价较低，但输入侧功率因数较低，对电网的影响较大，控制响应速度也较慢。,图2应用相控桥式整流电路的辅助变流器电路示意,四象限脉冲整流电路为解决相控桥式整流电路存在的问题而发展起来的技术特点是属于升压整流方式，要求输入电压低于输出电压，其输入侧功率因数较高，接近于1，达到了对电网“友好”的目标；采用IGBT作为其功率器件后，调制频率提高，因而控制响应速度加快，当其输入端或输出端发生变化时，控制系统能很快作出响应，快速调节使输出保持稳定。,图3含四象限变流器的辅助变流器电路示意,高频逆变电路，实际是DC-AC-DC，即先逆变再整流，其逆变部分工作频率一般在10KHz以上，在逆变与整流部分之间有变压器，其作用一是改变电压，二是实现输入与输出的隔离。体积和质量小，非常适宜对体积质量要求较高的场合；但器件较多，成本较高。其原理图如图5示,图4应用高频逆变电路的辅助变流器电路示意,输出侧变流器直接稳压型,此类型的辅助变流器与输入侧变流器稳压控制型相比，其输入侧变流器或没有，或只是不可控整流桥，而控制的重点是逆变器，所用的电路有两电平逆变、三电平逆变、多重逆变、十二脉冲逆变等多种形式。,两电平逆变器的特点,电路结构简单，器件少，可靠性高，应用最为广泛。其输出方式既可以选择变压变频（VVVF）方式，也可以选择恒压恒频（CVCF）方式，以满足不同负载的需要。现代逆变器的特点是采用IGBT及无吸收电路。简化了电路结构，降低了逆变器的损耗，提高了效率，逆变器的体积质量也得以减小。,十二脉冲逆变器,十二脉冲逆变器主要由逆变桥和输出变压器两部分组成。逆变桥部分由2个结构一样的三相逆变桥组成。2个逆变桥由波形相同但有30相位移的脉冲控制,从而使两个输出变压器上的波形也有30的相位移。Dy 型变压器T 1和Dz 型变压器T2的一次侧都是三角形连接,T 2的二次侧采用“之”字形连接,然后与T1的二次侧串联输出。优点是开关频率低，IGB损耗小，对IGBT电压等级要求低。但由于需要2个逆变器与输出变压器，存在电路结构复杂、开关元件数量多、输出变压器复杂、质量较大的缺点。,图5 十二脉冲逆变器,滤波器,辅助变流器的输出端一般配有滤波器，以适应辅助电动机等的要求。滤波器有2种，一为du/dt滤波器，另一为正弦波滤波器。选择什么样的输出波形，则配相应的滤波器。考虑系统整体成本对变流器输出电压波形的选择，是选择正弦波形还是选择PWM波形，则不仅要考虑到输出电压波形对辅助电动机的损耗、散热及绝缘的影响，还应考虑与之相应的辅助变流器和辅助电动机的综合成本以及其总的体积质量等方面的因素。采用变流器输出正弦电压波形方案时，对电动机的要求较低，但变流器需要加装正弦波滤波器，相应地其体积、质量、成本均要增加，采用变流器输出PWM电压波形方案时，则变流器只需加装小体积的du/dt滤波器,不需要加装正弦波滤波器，虽然对电动机在绝缘、散热等方面的要求相对高一些，但实现这些要求的技术已较成熟，且因此增加的成本比变流器加装正弦波滤波器所增加的成本要低得多，对电机体积、质量的影响也不大。因而与正弦波形方案相比，PWM波形方案实际在辅助变流器和辅助电动机的总的体积、质量及成本几方面均有优势；从辅助系统的角度考虑，选择变流器输出PWM电压波形方案则相对更优，西欧国家目前机车的辅助变流器主要采用这一方案。采用这一方案时，按照有关标准，要求变流器输出电压的du/dt500V/us，且电动机最好与逆变器进行匹配设计，使之在起动、运行的状态平稳，也使逆变器运行更为可靠；电动机调整范围广，恒力矩起动，起动电流冲击小，可恒功率运行，节能；有效抑制高次谐波的措施和防止du/dt对电机绝缘的冲击的措施；降低由逆变器脉宽调制（PWM）引起的电磁噪声。,控制系统的作用及特点,辅助变流器的控制系统按功能可分为整流控制、逆变控制、外围接口及管理等几个部分。整流控制部分与整流器模块配合共同完成输入整流任务；逆变控制部分与逆变器模块配合共同完成逆变器输出任务；外围接口及管理则包括故障诊断、系统管理、计算机通信接口及I/O接口等部分，完成接收指令、发送信息、协调内部及外部关系的任务。辅助变流器的控制系统的特点是采用计算机化、网络化。以逆变器控制为例，已从过去的矩形波控制发展到现在的SPWM波控制、磁链跟踪控制、矢量控制、直接转矩控制等多种方式，这使得辅助变流器性能越来越优化，适应性越来越好。,2、产品图片,产品图片,DJ4机车辅助系统供电原理说明,1.概述,车载电源系统的目的是确保辅助设备的供电。对于所有的辅助设备（例如：压缩机，风机），辅助电源具有恒频和变频的三相正弦滤波440 V 3 AC,60 Hz电源系统。通过一个接有后续变压器的辅助逆变器，辅助设备可直接从牵引中间直流电路获取所需的功率。,2.机车辅助电源配置,辅助逆变器连接图，见附件1机车辅助设备通过连接在牵引变流吕中间直流电路上的辅助逆变器进行供电（见3.2节）。,3.辅助设备3.1电压等级和辅助设备,提供如下电压等级：Three-phase current三相交流3AC 440V 60HzThree-phase current三相交流3AC 80V to 440V 10 to 60HzThree-phase current三相交流3AC 230V 60HzAlternating current单相交流1AC 230V 60Hz,(3 AC 440 V 60 Hz)交流负载下列负载由恒频辅助电源供电（参考附件2）：,一台主压缩机一台变压器油泵一个主逆变器水泵一台机械间风机一台低压柜风机（电子元件）一个空调单元（带加热）一台空调单元的压缩机个辅助加热器（司机侧和副司机侧）一个CCB II加热器（制动柜）一个低压柜风扇一个充电机一个能提供230V电源的变压器,(3AC 80V to 440V 10Hz to 60Hz)交流负载下列负载由变频辅助电源供电（参考附件2）：,4台牵引电机风机1台冷却系统风机辅助电源根据部件的承载情况来调整输出电压和频率（牵引电机，牵引变流器单元和主变压器）。在冗余模式下（一个PWM逆变器或者辅助电源变压器故障），负载由恒频恒压3 AC 440V 60Hz电源供电。,(3AC and 1AC 230V 60Hz)交流负载,对于230V负载，车上设有一个与恒频辅助电源连接的三相变压器。因此，可对三相和单相负载（在相线L1和相线L3之间）供电。在230V一侧，两相(L1-L3)最大的承载能力大约为10kW。,下列负载与恒频辅助电源连接（参考附件2）：,三相：卫生间加热器一组砂箱加热器（8个在相线L1-L2和L2-L3之间的单相配电）单相：,单相:2个前窗玻璃加热器一个低压柜加热装置一个监控柜加热装置一个CCB II加热器风机一个空调系统风机一个空调控制单元二个辅助加热器风机一个供热饭炉和微波炉用的插座一个砂箱加热器,辅助设备与牵引中间直流电路连接,在机车上，辅助设备的电气操作有恒频三相系统440V,60 Hz和变频变压三相系统(电压80 V 到 440 V,频率10 Hz到 60 Hz)。机车辅助设备电源通过辅助逆变器由牵引中间直流电路提供。为实现这一目的，IGBT辅助逆变器将中间直流电压转换成一个具有恒频恒压和变频变压的三相系统。串联连接的隔离变压器保护辅助设备不受牵引系统中高压部分干扰（电绝缘）。变压器控制单元和串联电容器构成一个正弦滤波器。隔离变压器二次侧中性点被引出连接到容性接地点上。230 V 60 Hz负载（单相或三相电压）由另外一个变压器供电，该变压器通过一个三相回路连接到恒频440 V,60 Hz电源。,图1.辅助设备连接,输入电压范围,辅助设备根据最小中间直流电压1600V和最大中间直流电压1850V进行设计。在正常工作过程中，假定中间电压不低于最小值或者不大于最大值。如果中间直流电压超出了允许的范围，正常的保护动作开始起作用，这会导致中间直流环节电路断开。,负载起动,为了使辅助逆变器不过载，大功率负载起动时必须依次错开。依次错开的时间间隔取决于负载及它们的起动特性，在首次调试过程中，对时间间隔进行了定义。额定功率大约为40 kVA及以下的异步机组可以硬起动（不必考虑起动特性）且不削弱与同一变流器相连接的其它部件的功能。（例如：风机和泵电机不需分步起动，冷却压缩机不能够停止）。在这里，辅助电源的基本负载必须考虑详尽。假如起动电流太大，可通过控制系统，自动降低输出电压以便使辅助逆变器的输出不致由于过载被关断。列车预备正常后，必须避免在同一时间内合上多个负载。控制系统设计时必须考虑到这一点。,外部供电,在机车每一侧，有一个电压为380 V,50 Hz的外部供电插座（也能够用于400 V,50 Hz）为辅助负载供电。它也能够用于库内动车。在这种情况下，辅助变压器次边的滤波电容器必须与供电系统断开。库内动车所需的能量，通过辅助变压器和辅助逆变器的二极管，供给中间直流电路。通过中间直流电路，牵引电机可以运转。在低压侧，通过预充电电阻对中间电路充电。,接地故障和短路监控,对辅助逆变器次边的接地故障和短路进行监控。如果检测到一个接地故障并发出故障信号，此时，机车仍然可以继续运行。随后该故障必须在机务段排除。如果检测到一个负载短路，该负载则被隔离，机车可以继续运行（在隔离该负载可以运行的条件下）。在辅助逆变器内部，如果出现接地或者短路故障，该辅助逆变器被隔离且与之相连接的负载被切换到另一个辅助逆变器上。见“冗余设计”。,冗余设计（限制容量工作）,系统的高可用性是三相辅助电源系统的基本特征。1)如果其中一个故障出现，仍可提供相关部件所需功率的100%（因为一个中间直流环节电路断开，两个牵引风机则不再工作，小于车载三相电源系统额定功率的100）。另外，仅它节机车的压缩机工作。2)因为一个变压器不再工作，所以不能够适应过载情况，车载三相电源系统的输出功率约为额定功率的50。,附件1：辅助逆变器与牵引中间直流电路之间的连接,谢 谢！,2007年6月15日,