AC380V列车供电装置的研制
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摘 要
详细介绍了ac380v列车供电装置的工作原理，总体结构和冷却系统。重点分析AC380V列车供电装置的主电路设计以及相关器件参数的计算等关键技术。通过列供装置的相关试验以及机车与客车车辆的联调试验，验证列车供电装置的各项性能均满足客车车辆的供电要求。
【关键词】IGBT 列车供电装置 系统集成 冷却系统
自铁路第五次大提速后，部分直达客车和快速客车采用了电力机车向客车进行DC600V供电的技术，并产生了巨大的经济效益和社会效益。但受制于当时的变流技术水平，电力机车无法直接向传统的AC380V客车进行供电，而这些客车目前在各铁路局的保有量仍然非常大。
在电力机车上增加AC380V列车供电系统，直接向客车提供3AC380V电源，再辅以客车的配套改造，具备维护简单、独立性强、编组灵活、高效率、无污染、低噪声等优点。
1 列车供电装置的主电路以及工作原理
1.1 主电路
主电路如图1所示。AC380V列车供电装置主电路由一个单相全波整流、逆变器、滤波电路组成。
1.2 工作原理
AC380V列车供电装置的单相交流输入电压，通过充电接触器KM2、充电电阻R1向中间支撑电容C1、C2、C3充电，充电结束后闭合短接接触器KM1，经过单相全波二极管整流，中间支撑电容滤波，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。同时在交流输入侧设置快速熔断器FU，当交流输入侧发生短路时，可快速分断主电路，从而保护功率器件。停机后，接地检测电阻为支撑电容器放电。AC380V输出设置有滤波变压器TR1、滤波电容ACC、EMI滤波器等设备对逆变输出PWM波进行滤波，使系统输出电压波形为正弦波。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
2.1 变流器模块
AC380V列车供电装置的变流器模块采用模块化设计，变流器模块集整流逆变控制于一体。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。还有这样高度集成的设计方式也大大的缩小了设备的安装空间及重量。
2.2 冷却系统
变流器的冷却技术是变流器的关键技术之一，冷却效果关系到变流器各部件的稳定运行、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。列供柜及滤波柜的冷却风道设计及冷却风走向分别见图4及图5。通过AC380V列车供电装置型式试验的温升试验以及产品现场试验充分验证了该冷却系统设计满足系统冷却性能要求，充分保障了产品的可靠运行。
3 关键器件选型
3.1 变流器模块器件选型
逆变器开关元件选型
逆变器模块IGBT选型从电压定额及电流定额两方面考虑：
IGBT元件的电压定额
UN=（K1*Ud+Usp）*K2
式中：Ud：直流输入最大电压；Usp：关断尖峰电压；K1：过电压系数1.15；K2：安全系数1.1。
IGBT元件的电流定额
IC=IAC max*K3
式中：IC为流过IGBT元件集电极的电流；IAC max为最大交流输入电流；K3为电流尖峰系数。
4 试验验证
AC380V列车供电装置进行了型式试验、地面静态试验、联调试验等。
4.1 负载突变试验
负载突变试验的目的在于验证AC380V列车供电装置在负载突变时的承受能力，体现在输出电压的波动上。试验中完成系统额定负载的突切及突投，系统均正常工作，且输出电压波动范围均在设计要求之内，突切及突投测得输出电压、电流波形见图2。图中粉红色波形为电压，蓝色为电流。
4.2 静态联调试验
将装有AC380V列车供电装置的机车与两节客车餐车联挂，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。
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
AC380V列车供电装置采用大功率IGBT变流技术、辅助逆变控制以及完善的保护功能。通过联调试验表明，该供电装置各项技术性能指标达到技术条件的要求。目前装载该供电装置的机车正在试运行，相信在不久的将来AC380V列车供电装置将作为电力机车列供装置的主力军，驰骋在大江南北。
参考文献
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作者简介
李自然（1987-），男，湖南省株洲市人。现为株洲南车时代电气股份有限公司技术中心助理工程师。主要研究方向为电力机车、动车组、城轨系统的供电。
作者单位
株洲南车时代电气股份有限公司技术中心 湖南生株洲市 412001