淺談三相交流電源系統(tǒng)和直流電源系統(tǒng)

據蘇州軌道交通消息：

近日，蘇州軌道交通3號線首列搭載永磁直驅牽引系統(tǒng)的列車（0312號車）順利完成型式試驗靜調部分，這標志著3號線永磁直驅項目正式拉開了動車調試的序幕。

蘇州3號線0312號列車是國內首個基于碳化硅（SiC）變流技術的永磁直驅牽引系統(tǒng)項目。其牽引電機的控制方式為軸控（1C1M），即每個牽引變流器箱體內包含四個SiC逆變模塊，每個模塊獨立控制一臺電機。牽引電機以直驅抱軸的方式安裝在車軸上，不需要再安裝齒輪箱及聯軸節(jié)，實現了車輛輕量化的目的。

由于采用完全的SiC半導體技術替代傳統(tǒng)IGBT技術，大大提升了變流器的開關頻率，實現了準正弦輸出電壓來驅動永磁直驅電機方案，使得電機的損耗得到顯著降低，因此可以實現電機的自然冷卻。在提高系統(tǒng)效率的同時降低了噪聲，提升了乘客的舒適度。 -----摘自“蘇州軌道交通”

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

機車牽引作為C位，負責機車跑動的主要任務，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、受電弓等各種氣動機械裝置提供風源的空氣壓縮機等等；同時，為了提供良好舒適的乘坐環(huán)境，還裝備有空調、熱水器、通風機、冰箱、信息顯示裝置、自動售貨機等等，而這些都需要三相交流輔助電源系統(tǒng)。而機車上的控制系統(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?/p>

①根據輸入側的不同，可分為AC-DC-AC型和DC-AC型；

②根據輸出側的不同，可分為恒壓恒頻和變壓變頻型，同一車型上，一般CVCF型和VVVF型逆變器的硬件結構相同，只是控制方式不同；

③根據主電路電平級數的不同，可分為兩電平和三電平輔助變流器；這兩種拓撲各有各的特點：兩電平結構和控制較為簡單，三電平可以降低其開關器件的耐壓等級，輸出波形相對較好，諧波較少，但是其使用器件較多，控制相對復雜。

1AC-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，一般由網側變流器、中間直流回路、三相逆變器組成。由于接觸網電壓波動較大，所以輔助變流器的單相交流電也有較大的波動，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，造價較低，但是網側的功率因數較低，對電網的影響較大；而脈沖整流器可以使得網側的功率因數接近1，并且動態(tài)響應較好。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是過分相時將失電，導致所有的三相輔機均停止運行。

2DC-AC型輔助變流器

直-交型輔助變流器是從直流電網（DC750V或DC1500V或者從牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)取電）經逆變器實現直流到三相交流的轉換。

由于輸入電壓較高，為了保證輸出電壓滿足輔助設備需要的電壓等級，一般需采用降壓設備。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

先進行逆變，再經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。

此電路的特點是開關器件數量較少，控制較為簡單，但是也有缺點，輸出三相電壓容易受到直流輸入電壓的影響，當直流輸入電壓較高時逆變器中開關器件的耐壓要求較高，成本也會相應的高。Δ-Y型變壓器在實現降壓功能的同時，還實現了高壓輸入電源的回路和負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對三相逆變器輸出的影響；同時，整個電路中，斬波器中需要較大功率的開關器件，而后端逆變電路中的開關器件可以選擇較低電壓等級的開關器件，從而降低成本。但這種方式沒有實現輸入電壓和輸出電壓的隔離，同時需要對逆變器和負載等增加保護電路，以防在前幾的斬波器失去控制后達到相應的保護。

?較為復雜點的

降壓電路通過直-交-直變換，將直流輸入電壓轉換為標準的電壓后輸入給后端的三相逆變器。

在輸入側采用兩個半橋逆變器串聯，輸出側采用兩個全橋整流器串聯，這樣可以降低開關器件的電壓應力。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變?yōu)槠椒€(wěn)的直流電壓。

這樣的降壓電路經過了兩級功率變換，使用的元器件較多，但逆變部分的結構并不復雜，控制也相對簡單。但這種方式技術和經濟指標還是很高的。

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，正常情況下，由蓄電池充電機為直流負載供電，并為蓄電池充電；發(fā)生故障時，由蓄電池為直流負載供電。

蓄電池充電機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降壓后的電壓。電路結構多樣化：

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，與之相應的是開關器件的發(fā)展及電力電子技術的發(fā)展，優(yōu)秀的輔助可以造就C位，穩(wěn)住大局。

原文標題：機車輔助電源系統(tǒng)

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審核編輯：湯梓紅