引言

為保證列車牽引 、制動(dòng)等系統(tǒng)的正常運(yùn)行 ， 車上設(shè)有各種必需的輔助裝置 ， 包括各冷卻用風(fēng)機(jī) 、 變壓器冷卻用油泵、變流器冷卻用水泵 ， 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。 此外 ，為保證良好 、舒適的乘坐環(huán)境和工作環(huán)境 ， 車上還設(shè)置了空調(diào) 、電熱器 、通風(fēng)機(jī) 、冰箱 、信息顯示裝置 、 自動(dòng)售貨機(jī)等電器設(shè)備 。 為此， 列車上必須有三相交流輔助電源系統(tǒng)。 同時(shí) ， 列車的控制 系統(tǒng)及照明系統(tǒng)等則需要由直流電源供電 ， 在升弓前或高壓設(shè)備 、 牽 引變壓器故障時(shí)， 由蓄電池供電。 相交流電源系統(tǒng)和直流電源系統(tǒng)二者 統(tǒng)稱為輔助電源系統(tǒng) 。中電華星作為國(guó)內(nèi)鐵道行業(yè)較大的電源模塊供應(yīng)商，為客戶提供多款輔助電源系統(tǒng)，涵蓋牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、娛樂(lè)系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等，歡迎廣大客戶咨詢。

初期的電力機(jī)車輔助電源裝置采用電動(dòng)發(fā)電機(jī)(MG)或旋轉(zhuǎn)劈相機(jī)方式 ， 其體積大 、重量重 、 響應(yīng)性差 、效率低 、 噪聲大 ， 需要經(jīng)常進(jìn)行檢查 、 維修 。1958年晶閘管面世后 ， 出現(xiàn)了靜止式輔助電源裝置 (SIV )， 該方式?jīng)]有電刷和旋轉(zhuǎn)部分， 維修量大為減少 ， 容量 、效率等方面均有提高 ， 體積反而減小了。 隨著電力電子技術(shù)和開關(guān)器件的發(fā)展 ， 目前電動(dòng)車組 、 電力機(jī)車 、 城軌列車基本都采用IGBT的靜止輔助電源裝置 ， 做到了體積小、重量輕 、效率高、性能佳。 同時(shí)， 為提高列車運(yùn)行可靠性 ， 輔助電源設(shè)置了各種故障保護(hù)以及冗余功能。

1 三相交流輔助 電源系統(tǒng)

三相交流輔助電源系統(tǒng)多采用輔助變流器生成三相交流電壓為機(jī)車 、動(dòng)車組上輔助電氣設(shè)備供電。 輔助變流器根據(jù)輸入側(cè)的不同 ， 主電路可分為交直交型和直交型; 根據(jù)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 ; 根據(jù)主電路電平級(jí)數(shù)的不 同 ， 可分為二電平輔助變流器和三電平輔助變流器 。

動(dòng)車組輔助逆變器一般為CVCF逆變器。在機(jī)車上 ，除了提供恒壓恒頻的輔助變流器，為節(jié)約能耗 、降低通風(fēng)機(jī)噪聲 ，還有按照不同狀態(tài)下設(shè)備所需要的功率來(lái)調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)相同，僅控制方式不同。

三電平輔助變流器的特點(diǎn)是可降低開關(guān)器件的耐壓等級(jí) ，輸出波形較好 ，諧波較少 ，但采用的器件較多，控制方式也較復(fù)雜 。因此 ，隨著電力電子器件的發(fā)展 ，結(jié)構(gòu)和控制均簡(jiǎn)單的二電平輔助變流器占據(jù)了主流地位。下面分別探討交直交型和直交型輔助變流器的實(shí)現(xiàn)方案 。

1.1 交直交型輔助變流器

交直交型輔助變流器是由牽引變壓器輔助繞組供電，與主變流器相同，一般也是由網(wǎng)側(cè)變流器 、中間直流環(huán)節(jié) 、三相逆變器3部分組成。由于接觸網(wǎng)電壓的波動(dòng)較大 ，因此 ，交直交型輔助變流器輸入的單相交流電也有較大的波動(dòng)。為了獲得穩(wěn)定的中間直流環(huán)節(jié)電壓 ，輔助變流器的網(wǎng)側(cè)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(jiǎn)單，造價(jià)較低，但網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)較低 ，對(duì)電網(wǎng)的影響大。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展 ，脈沖整流器已開始取代相控整流器 ，它可使網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)接近1 ，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好。圖1給出了交直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(shè)計(jì))等。交直交型輔助變流器的缺點(diǎn)是過(guò)分相時(shí)將失電，所有三相輔機(jī)均停止運(yùn)行。

1.2 直交型輔助變流器系統(tǒng)

直交型輔助變流器是從直流電網(wǎng) (DC750V或DC1500V)或直接從主變流器的中間直流環(huán)節(jié)取電，由逆變器實(shí)現(xiàn)直流電到三相交流電的轉(zhuǎn)換 。直交型輔助變流器在機(jī)車 、動(dòng)車組 、城軌列車等場(chǎng)合得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

由于輸入電壓較高，為保證輸出輔助電氣設(shè)備所要求的電壓等級(jí) ，一般需要增加降壓設(shè)備。有2種方式 ，一種是先逆變 ，再通過(guò)三相降壓變壓器將較高的交流電壓降到所要求的電壓等級(jí) ;另一種是先通過(guò)降壓電路將直流輸入電壓降低到合適的值 ，再進(jìn)行逆變。圖2和圖3分別給出了2種輔助變流器的電路結(jié)構(gòu)。

為得到品質(zhì)良好的三相交流電源 ，通常需要增加濾波環(huán)節(jié)。在方式一中，三相電抗器/電容器濾波或三相LC濾波器可放置在逆變器和降壓變壓器之間 ，也可放置在變壓器之后 。方式二中.則將濾波器放置在逆變器輸出之后 。

方式一中，△一Y 型變壓器不僅實(shí)現(xiàn)降壓的功能，還實(shí)現(xiàn)了高壓輸入電源電路和負(fù)載電路之間的相互隔離。此電路的特點(diǎn)是開關(guān)元器件數(shù)量少 、控制較為簡(jiǎn)單 ;缺點(diǎn)是輸出三相電壓易受直流輸入電壓的影響 ，且當(dāng)直流輸入電壓較高時(shí)逆變器開關(guān)元件的耐壓要求高，成本較高。因此該方案比較適用于由主變流器中間直流環(huán)節(jié)供電場(chǎng)合。

方式二中，可采取不同的電路實(shí)現(xiàn)降壓。最簡(jiǎn)單的是單管降壓斬波器，如圖3(a)所示。它有以下特點(diǎn) ：①通過(guò)降壓斬波的閉環(huán)控制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(duì)l一相逆變器輸出的影響 ;②整個(gè)電路中僅需1只大功率高壓IGBT元件，逆變器則可選擇較低電壓級(jí)別的IGBT元件 ，以降低設(shè)備成本。但是這種方式?jīng)]有實(shí)現(xiàn)輸入電壓與輸出電壓之間的隔離 ，同時(shí)還應(yīng)設(shè)置在降壓斬波器失去控制后對(duì)逆變器和負(fù)載等的保護(hù) 電路：

圖3(b)所示的降壓電路通過(guò)直交直變換 ，將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的DC600V后供給三相逆變器。

在直交直變換電路的輸入側(cè)采用2個(gè)半橋式逆變器串聯(lián) 、輸出側(cè)采用2個(gè)全橋整流器串聯(lián) ，這樣可降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力 。由半橋逆變器將輸入的直流變?yōu)槊}寬可控的高頻方波，再通過(guò)二極管整流和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(guò)了2級(jí)功率變換 ，使用的元器件較多，但逆變部分的主電路結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，控制也簡(jiǎn)單 ，已有各種集成控制芯片可供選用。中間交流環(huán)節(jié)的變壓器是高頻變壓器 ，其重量 、體積都不大，電路中的LC濾波器也較小。因此雖有2級(jí)功率變換 ，但這種方式總體技術(shù) 、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)仍然較高 ，在中小容量直流電源中應(yīng)用廣泛 。

2 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(含應(yīng)急供電)，十分重要，其電壓等級(jí)常為DC110V 。CRH5型動(dòng)車組采用了DC24V ，雖然省去了110V到24V的變換 ，但直流母線電壓低 ，發(fā)揮同樣功率時(shí)電流大 ，所用的線纜粗 ，損耗大，且抗干擾能力差。

直流電源系統(tǒng)包括蓄電池和蓄電池充電機(jī) 。正常時(shí)由蓄電池充電機(jī)為直流負(fù)載供電，并給蓄電池浮充電;電網(wǎng)沒(méi)電時(shí)由蓄電池供電給直流負(fù)載 。

蓄電池充電機(jī)的輸入常為輔助逆變器輸出的三相恒壓恒頻交流電 ，也可為交直交型輔助變流器的中間直流電壓或主變流器中間直流電壓經(jīng)降壓斬波后的電壓。電路結(jié)構(gòu)則多種多樣 ，圖4給出了4種方案。

方案一中，輔助變流器輸出的三相交流電經(jīng)過(guò)A-y型變壓器后由三 相不控整流器整流 ，濾波后輸出DC100V 。該方案結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，且不用控制。其缺點(diǎn)是采用的工頻變壓器體積較大，且輸出的DC100V品質(zhì)易受輸入的三相交流電影響。

方案二中，三相交流電依次經(jīng)過(guò)半控整流器 、LC濾波 、單相半橋逆變器 、帶變壓器中心抽頭的雙半波不控整流 、LC濾波后輸出DC110 V ，實(shí)際上是一個(gè)交直交直的變換 。該方案變換環(huán)節(jié)較多 ，使用元器件和濾波設(shè)備多 ，通過(guò)控制半橋逆變器來(lái)保證輸出直流電壓的穩(wěn)定 ，采用帶中心抽頭的變壓器實(shí)現(xiàn)直流負(fù)載和交流電源側(cè)的電氣隔離。

方案三的輸入為直流電壓，與方案二后半部分的直交直完全相同。

方案四中，輸入為直流電壓，也是直交直方案，但與方案三不同，采取了全橋逆變器 、隔離變壓器 、二極管橋式整流器 。

方案三和方案四在蓄電池充電機(jī)等場(chǎng)合應(yīng)用較多。比較二者可知 ，若兩者的輸入輸出電壓和額定功率相同，則方案三中半橋逆變器開關(guān)元件上承受的電壓是直流輸入電壓 ，而方案四中全橋逆變器開關(guān)元件則承受一半的直流輸入電壓。但是全橋逆變器用的功率器件較多 ，控制及驅(qū)動(dòng)相比半橋式復(fù)雜 ，且隔離變壓器鐵心存在直流偏磁現(xiàn)象。半橋逆變器則功率器件少 ，可靠性高，且隔離變壓器雙向磁化。

3 其他系統(tǒng)

電力機(jī)車 、電動(dòng)車組E除了三相負(fù)載 ，常見(jiàn)的還有單相220V 、50 Hz負(fù)載。通常有2種獲得單相220V 、50Hz電源的途徑：①在有三相△-y型輔助變壓器 (如圖2所示)或三相Y型C濾波器[如圖3(b)所示]的系統(tǒng)中有中性點(diǎn) ，即可取三相交流電的相電壓 。該方法簡(jiǎn)單 、直接 。②采用單相變壓器將三相交流電的線電壓降壓為單相交流220V 。該方法多了1個(gè)變壓器，并且會(huì)引起三相電源負(fù)荷不平衡，一般應(yīng)用在無(wú)二三相輔助變壓器的系統(tǒng)中。

4 電動(dòng)車組和 電力機(jī)車 的輔助 電源 系統(tǒng)

表1歸納了CRH1、CRH2、CRH5這3種型號(hào)的200km/h動(dòng)車組和HXD1、HXD2、HXD33種型號(hào)的“和諧號(hào)”系列電力機(jī)車的輔助電源系統(tǒng)。

CRH1、CRH5、HXD1的所有輔助負(fù)載均由三相交流輔助電源的輸出供電，包括蓄電池充電機(jī) 、單相負(fù)載等HXD2 、HXD3的二相輔助交流輔助電源則供給除蓄電池充電機(jī)之外的其他負(fù)載 ，例如各=相負(fù)載 、單相負(fù)載等。CRH2的輔助電源輸出制式則較多，其所有輔助負(fù)載是由牽引變壓器的輔助繞組(額定容量為490kVA)供電;除i相交流輔助電源系統(tǒng)和直流電源系統(tǒng)外 ，輔助電源系統(tǒng)還有以下制式 ：①單相

系統(tǒng) ，由輔助繞組直接給列車的空調(diào)裝置和換氣裝置供電;②22kVA的單相

系統(tǒng) ，由單相變壓器將牽引變壓器輔助繞組的AC400V電壓直接降壓至AC100 V .向熱水器的加熱器等允許電壓變動(dòng)的負(fù)荷供電;③12kVA的單相

系統(tǒng)，由單相變壓器將相輔助逆變器輸出的UV線電壓轉(zhuǎn)換為單相AC100V，供給顯示器 、水泵裝置 、輔助動(dòng) 、空調(diào)控制 、廣播等;④12kVA的單相

50Hz系統(tǒng) ，由單相變壓器將j相輔助逆變器輸出的VW線電壓轉(zhuǎn)換為單相AC220V，供給各插座、自動(dòng)售貨機(jī)等 。

從表1中可以看出，不同動(dòng)車組 、機(jī)車的輔助電源系統(tǒng)容量及主電路結(jié)構(gòu)各異。CRH2、HXD3采用了l所示的交直交型輔助變流器 ，CRH1 、HXD1采用了2所示的直接逆變 、直交型輔助變流器 ，HXD2 、CRH5分別采用了圖3(a)、(b)所示的降壓逆變 、直交型輔助變流器。蓄電池充電機(jī)主電路方案中，除HXD2、HXD3外.輸入均為三相交流輔助變流器的輸出，且CRH1、CRH5、HXDI均采用了圖4(b)所示的方案 。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述探討 ，可以得到如下結(jié)論 ：

①直交型 、二電平輔助變流器在鐵道機(jī)車車輛輔助電源中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 。

②輔助電源中，多采用高頻技術(shù)從而減少變壓器 、濾波電感和濾波電容等主要元件的體積和重量 ，實(shí)現(xiàn)裝置的小型輕量化 。

③常利用隔離變壓器實(shí)現(xiàn)電源輸入和負(fù)載間的電壓調(diào)整和電氣隔離，簡(jiǎn)單易行 ，且安全性高。

④不同機(jī)車 、動(dòng)車輔助電源的電路結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)各異 ，國(guó)產(chǎn)化輔助電源應(yīng)直選擇成熟 、性能優(yōu)良的電路結(jié)構(gòu)，盡量實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化 、模塊化，并形成系列 ，生產(chǎn)出滿足機(jī)車 、動(dòng)車組 、城軌車輛及客車等不同需求的輔助電源裝置系列產(chǎn)品。

⑤ 隨著IPM 等開關(guān)器件和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展 ，今后的鐵道機(jī)車車輛輔助電源裝置將向體積更小 、輕量化 、低噪聲 、大容量 、高可靠性等方向發(fā)展 。