SS9机车AC380V列车供电装置研制

摘 要 重点阐述了采用变流器供电方式的SS9机车AC380V列车供电装置，介绍了设计开发的技术特点和试验情况。SS9电力机车AC380V列车供电系统产品已在现场投入使用，其性能日臻完善并得到验证。

【关键词】IGBT 列车供电装置 系统集成 冷却系统

为满足铁路普通旅客列车高达数百千瓦的用电需求，AC380V供电制式客车主要是通过加挂1节空调发电车或DF11G内燃机车来实现，目前基本采用进口的柴油发电机组来完成AC380V供电电源输出，存在运行成本高、燃油污染大、运用效率低、维修困难等问题。

为适应建设环境友好型社会，降低旅客列车运营成本，沈阳铁路局在全路率先启动了电力机车列车供电装置改造，加装了以大功率变流器为基础的AC380V列车供电装置，使电力机车可直接输出三相四线制AC380V供电电源，满足了AC380V供电制式客车的用电需求。

1 AC380V列车供电装置工作原理

AC380V列车供电装置由整流电路、逆变电路、滤波电路、信号采集模块、电路保护模块和冷却系统等关键部件组成。该系统的主电路及控制电路的关联关系见图1。

列车供电装置主电路主要由一个单相全波整流、逆变器、滤波电路组成，见图2。每台SS9电力机车上配置两套完全独立的列车供电装置，两套系统同时向列车牵引客车车厢提供两路完全独立的三相四线制AC380V供电电源，这两套系统具备冗余功能，在其中一套系統出现故障无法正常输出时，客车车厢将自动减载，由正常的供电装置向整列客车供电。

列车供电装置的输入为机车牵引变压器辅助绕组输出的单相AC860V交流，通过充电和短接后，经过单相整流，支撑电容滤波，输出稳定的直流电压，再通过逆变回路输出PWM波。中间直流环节设置滤波、接地检测等电路，主要功能为稳定中间直流电压。另外还设置了必要的电流、电压传感器来检测电路中的输入、输出电流，输入、输出电压，中间电压等信号用于控制。

2 总体及结构设计

AC380V列车供电装置分为列车供电柜和供电滤波柜两个独立的柜体，其中列车供电柜包含整流逆变模块、充放电单元、接地检测单元、中间回路和变流器冷却风机等。滤波柜包括整个滤波系统、输出接触器、滤波变压器、三相滤波电容器、冷却风机等。

2.1 变流器模块

AC380V列车供电装置变流器模块集整流逆变控制于一体。变流器模块集成了IGBT逆变元件、整流二极管元件、散热器、温度传感器、门极驱动单元、门极驱动电源、脉冲分配单元、低感母排、交流输出母排和DCU供电控制单元等部件。整流器与逆变器通过低感母排连接，大大的降低了系统的杂散电感，极大的提高了功率器件的可靠性，高度集成的设计方式也大大的缩小了设备的安装空间与重量。变流器模块部件分布见图2。

2.2 冷却系统

冷却技术是列车供电装置的关键技术之一，冷却效果关系到各部件的稳定运行、使用安全及使用寿命等。AC380V列车供电装置两个独立的柜体中（列车供电柜及列车供电滤波柜）采用完全独立的两套冷却系统，两个柜体均采用强迫风冷的方式。

3 技术参数及关键器件选型

3.1 技术参数

标称输入电压（网压25kV时） AC860V/50Hz

额定输出电压 3AC 380±5%V

输出电压频率 50Hz

额定输出交流电流 607A

额定输出功率 400kVA

网压允许波动范围 2V～AC1077V

效率 ≥90%

3.2 变流器模块器件选型

变流器模块中的关键器件主要有整流二极管、IGBT等。

整流器每个桥臂的电流有效值

整流二极管的平均电流

整流二极管的最大反向电压

式中：Id为中间直流电流；Uin为输入电压。

IGBT上承受的最高电压为：

式中：Ud为直流输入最大电压；Usp为关断尖峰电压；K1为过电压系数，取1.15；K2为安全系数，取1.1。

IGBT元件集电极的电流定额：

式中：IACmax为最大交流输入电流；K3为电流尖峰系数。

4 试验验证

AC380V列车供电装置在研制过程中，机车和客车间进行了静态联调和动态联调，保障了整个列车供电系统可靠运行。

4.1 静态联调试验

SS9机车AC380V列车供电装置与AC380V供电制式客车进行了地面联挂试验，对客车夏季负载、冬季负载、负载启动冲击、列供软启动、模拟过分相等多个项点进行了试验，获取了相关试验参数。

AC380V列车供电装置空载输出线电压基本维持在399V-406V之间，三相线电压略有差异但相差较小，逐节启动客车车厢夏季负载后，线电压出现轻微下降，线电压维持在395V-401V之间。将客车负载由夏季模式转变为冬季模式后，相电流略有上升，线电压维持在397V-401V之间，电压波形与前述波形基本一致。

SS9机车模拟过分相时，客车负载接触器不会释放。过分相前后监视列供停止及再次软启动时的相关波形如图3所示，CH1为网压，CH2为输入电流，CH3为输出电压，CH4为输出电流。由图可以说明列车供电装置在运行过程中过分相后系统能够按照设计要求在检测到网压正常后正常启动。

4.2 动态联调试验

SS9机车AC380V列车供电装置与列车编组进行了动态联挂（每个编组均包含硬卧车7辆、软卧车8辆），试运线路为长春-蔡家沟，主要是试验正常情况下（两路供电）客车的自动模式、试验全暖模式和非正常情况下（一路供电）客车的自动模式、试验全暖模式。

4.2.1 两路供电时客车自动模式

机车输出两路列供供电，整个编组以试验全暖模式运行，一路列供带一半客车负载时稳定后波形见图4（蓝色为中间电压；绿色为输出电流；红色为输出电压），桥臂峰值电流数百安。由于制暖工况下绝大部分客车负载都是电阻，因此客车负载在过分相启动时非常平稳。

机车输出两路列供供电，整个编组以试验全制冷模式运行，一路列供带一半客车负载，机车全制冷过分相软启动，桥臂峰值电流大幅上升，过完分相后，第二压缩机启动桥臂峰值电流再次微升，全冷稳定后波形桥臂峰值电流才开始下降。

4.2.2 单路供电时试验

关闭机车第2路列供，由第1路列供维持供電，一路列供带全部客车试验全暖负载，单列供供电可以满足整个编组客车全暖模式供电要求。

关闭机车第2路列供，由第1路列供维持供电，带全车量辆空调强制制冷、不减载工况下，过分相软起，列供桥臂峰值太大，导致AC380V列车供电装置出现输出过流故障。因此在制冷工况下采用供电冗余时，编组客车必须要减载工况下系统才能正常运行。

通过试验证明，AC380V列车供电装置完全能够满足客车车辆供电要求，各项性能参数均优于预期设计。

5 总结

加装了AC380V列车供电系统的SS9电力机车已在沈阳铁路局小批量投入使用，从2015年5月起陆续担当长春-北京（Z63/4）、大连-北京（Z79/82 Z81/0）、长春-白城（Z5001/2/3/4/5/6）等多对AC380V供电制式旅客列车的牵引和直供电任务，累计运行超过三百万公里，其性能日臻完善并得到验证。

随着铁路电气化的逐步扩展和电力机车大功率变流技术的进步，传统的AC380V客车仍然依靠柴油发电机组供电已不能满足形势发展的需要，而在电力机车上加装AC380V列车供电装置，直接向客车输出三相四线制AC380V电源，再辅以客车的适应性改造，具备运营成本低、免维护、编组灵活、高效率、无污染、低噪声等优点，而且该总体方案的系统成本较低，因此具有广阔的发展前景。

参考文献

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作者简介

王铁成（1968-），男，吉林省长岭县人。大学本科学历。现为沈阳铁路局高级工程师。研究方向为机车车辆。

作者单位

沈阳铁路局 辽宁省沈阳市 110001