电力机车辅助电源系统的分析与比较
1 引言
电力机车辅助电源系统是机车的重要组成部分，担负着除机车牵引系统主电路以外各种装置的供电任务，是提供风源的空气压缩机、空调、通风机等辅助电动机的三相交流电源，电热器、冰箱、信息显示装置的电源等。机车辅助电源系统由三相交流辅助电源和直流电源系统组成。早期的电力机车三相交流辅助电源装置采用旋转劈相机方式，这种电源装置体积大、重量重、响应性差、效率低、噪声大，故障率高，需经常检查、维修。随着电力电子和开关器件的发展，采用IGBT的新型辅助逆变系统正在替代传统的劈相机三相交流系统。辅助逆变系统不仅为机车各辅助电机提供对称三相电源，同时可满足辅助电机软启动、软制动，不受电网波动影响。为防止因辅助供电设备故障而影响机车正常运行，辅助逆变系统同时设置各种故障保护及冗余功能。机车直流电源系统主要由整流装置、蓄电池组成，为机车的控制系统及照明系统等提供所需直流电源，为蓄电池充电，在升弓前或高压设备、牵引变压器故障时，由蓄电池给上述设备供电。
2 三相交流辅助电源系统
该系统多采用辅助变流器生成三相交流电压为机车辅助电气设备供电。辅助变流器根据输入侧的不同将主电路可分为交一直一交型和直一交型；根据输出的不同，可分为恒压恒频(CVCF)逆变器和变压变频(VVVF)逆变器。
在机车上，除了提供恒压恒频的辅助变流器，为节约能耗、降低通风机噪声，按照不同状态下设备所需要的功率来涮节电压和频率的VVVF辅助变流器。通常，在同一种车型上的CVCF逆变器和VVVF逆变器硬件结构相同，仅控制方式不同。下面分别探讨交一直一交型和直一交型辅助变流器的实现方案。
2．1 交一直一交型辅助变流器
交一直一交型辅助变流器是南牵引变压器辅助绕组供电，与牵引变流器相同，一般由网侧变流器、中间直流环节、三相逆变器3部分组成。由于接触网电压的波动较大，因此，交一直一交型辅助变流器输入的单相交流电也有较大的波动，为了获得稳定的中间直流环节电压，辅助变流器的网侧必须采用可控整流电路。以前多采用相控整流电路，电路和控制简单，造价较低，但网侧的功率因数较低，对电网的影响大。随着电力电子技术的发展，脉冲整流器已开始取代相控整流器，它可使网侧的功率因数接近1，且动态响应特性好。图1是交一直一交型辅助变流器的典型电路，包括脉冲整流器COV，中间支撑电容，三相逆变器INV，输入接触器K、AK，输入输出电流传感器ACCT、CTU、CTW，中间电压传感器 VT(冗余设计)等。交一直一交型辅助变流器的缺点是过分相时将失电，所有三相辅机均停止运行。
与传统的劈相机电源系统相比，采用交一直一交型结构的辅助变流器特点：(1)仍然需要由牵引变压器辅助绕组为辅助变流器供电。(2)脉冲整流器可保证输入侧较高的功率因素以及电网电压波动时中间直流电压的稳定。(3)由于变压器二次绕组之间存在耦合，脉冲整流器开关动作产生的脉冲分量会叠加到牵引变压器辅助绕组的输出电压上，使辅助变流器电压升高，温度上升，影响辅助变流器的性能。(4)变流器的启动方式为软启动，有效减少辅助电动机的启动电流。(5)工作在较大网压范围内。(6)三相输出电压稳定、平衡。
2．2 直-交型辅助变流器系统
直-交型辅助变流器是从主变流器的中间直流环节取流，因此它只需要逆变器就可实现直流电到三相交流电的变换。由于输入电压较高，为达到输出辅助电气设备所要求的电压等级，一般需要增加降压设备。有两种控制方式：一种是先逆变，再通过三相降压变压器将较高的交流电压降到所要求的电压等级；另一种是先通过降压电路将直流输入电压降低到合适的值，再进行逆变。图2和图3分别给出了两种辅助变流器的电路结构。
为得到品质良好的三相交流电源，通常需要增加滤波环节。方式1中，三相电抗器／电容器滤波或三相LC滤波器可放置在逆变器和降压变压器之间，也可放置在变压器之后；方式2中，则将滤波器放置在逆变器输出之后。
方式1中，△-Y型变压器不仅实现降压功能，还实现高压输入电源回路和负载回路之间的相互隔离。此电路的特点是开关元器件数量少、控制较为简单，缺点是输出三相电压易受直流输入电压的影响，且当直流输入电压较高时逆变器开关元件的耐压要求高，成本较高。因此该方案比较适，用于由牵引变流器中间直流环节供电的场合。
方式2中，可采取不同的电路实现降压。最简单的是单管降压斩波器，该器件有以下特点：(1)通过降压斩波的闭环控制保持逆变器输入电压的恒定，从而消除输入电压的波动对三相逆变器输出的影响；(2)整个电路中仅需1只大功率高压IGBT元件，逆变器则可选择较低电压级别的IGBT元件，以降低设备成本。但这种方式没有实现输入电压与输出电压之间的隔离，同时还应设置在降压斩波器失去控制后对逆变器和负载等的保护电路。
与交一直一交型辅助变流器相比，直一交型辅助变流器具有两个显著特点：(1)无需牵引变压器提供辅助绕组，而是直接从牵引变流器的中间直流环节取流；(2)必须采取降压措施，满足输出电压的幅值要求。
3 直流电源系统
目前铁道机车上直流电源系统有相控型(AC／DC)直流电源系统和IPM高频开关 (DC／DC)电源系统。传统的相控直流电源由于器件和技术两方面的原因，工作频率低，体积大，噪音高，技术指标和可控性都较差。高频开关电源是采用软开关技术的一种高效、高精度电源，可多模块并联_丁作。该电源的电池兼容性高、直流可控性好、功率因数高、噪音低、均流性好、体积小、直流成分纯净度高，各项技术指标均远远优于传统可控硅电源，是相控电源更新换代的理想产品。由于输入输出接口都采用硬接插件(热插板)连接方式，维修更换极为简便，所以特别适合电力机车动态负荷多、稳压、稳流、纹波精度要求高和N+1的冗余配置的要求。现将晶闸管相控电源直流系统与高频开关电源直流系统做一比较，如表1所示，其余性能指标满足TB1395-81中的要求。
4 其他系统
电力机车除了三相负载，常见的还有单相220 V、50 Hz负载。通常有两种获得单相220 V、50 Hz电源的途径：(1)在有三相辅助变压器的系统中，变压器输出三相380 V交流电，并有中性点，即可取三相交流电的相电压。该方法简单、直接；(2)采用单相变压器将三相交流电的线电压降压为单相交流220 V。该方法多一个变压器，且会引起三相电源负荷不平衡，一般应用在无三相辅助变压器的系统中。
5 几种典型机车的辅助电源系统
在机车辅助电源系统中，机车直流电源系统比较简单，在进行辅助电源系统比较时主要进行三相交流辅助电源系统的比较。表2归纳了国产交一直传动韶山7E(简称SS7E)型电力机车和交一直一交传动HXD1、HXD2、HXD3 三种型号的“和谐”系列电力机车的辅助电源系统。
SS7E型电力机车三相交流辅助电源系统，采用四象限整流器将送入的单相340 V交流电转变为直流600V中间电压，再由逆变器将直流600 V转变为三相380 V，经EMC滤波器滤波后输出，一路作为机车用三相辅助电源，另一路经LC滤波器再次滤波后为自身冷却风机提供三相电源。
HXD1机车由三相变压器将三相恒压恒频交流电(440 V、60 Hz)变为三相230 V、60 Hz交流电，供给相应负载。另外，由于HXD1机车三相交流电压为440 V、60 Hz，为与国内设备兼容，设置了DC110 V／单相230 V、50 Hz转换模块。
通过上述分析可以得到如下结论：
(1)采用交一直一交型辅助变流器，必须在牵引变压器上增加辅助绕组给逆变器供电，因此系统对机车主电路的要求较高。但由于系统只需要进行交一直、直一交两个环节的变换，开关器件的额定电压低，所以器件数量少、成本低，整个系统效率高，技术实现较容易。
(2)采用直一交型辅助变流器，可省去辅助绕组，提高机车再生制动时的能量利用率。其中：①对于中间环节电压不是很高的系统(一般不超过2 000 V)，可直接利用逆变器进行逆变，然后再经降压变压器降压。这种结构中间环节少、控制简单、开关器件少，系统的效率较高。但由于开关器件电压等级较高，基于降低能耗考虑，其开关频率会受到限制，因此输出电压波形不会很理想，而且降压变压器也会使机车增加额外重量，增加成本。②对于中间环节电压超过2 000 V的，一般采用直一直变换，中间电压600V左右，然后进行逆变。这种结构在直一直变换环节比较复杂，器件多、电压等级较高，还需要增加脉冲变压器进行隔离，因此系统复杂、效率较低。
6 结束语
通过对电力机车辅助电源系统进行分析和比较，可以看出，在现有开关器件制造水平和性价比的基础上，采用交一直一交型的辅助电源系统具有一定的优势，但对机车牵引变压器的要求较高：采用直一交型辅助电源系统，虽然可以去掉辅助绕组，提高机车再生制动时的能量利用率，但也存在系统重量增加，效率降低的问题。
随着IPM等开关器件和微机控制技术的发展，今后的电力机车辅助电源将向装置更小轻量化、低噪声、大容量、高可靠性等方向发展。
电力机车辅助电源系统是机车的重要组成部分，担负着除机车牵引系统主电路以外各种装置的供电任务，是提供风源的空气压缩机、空调、通风机等辅助电动机的三相交流电源，电热器、冰箱、信息显示装置的电源等。机车辅助电源系统由三相交流辅助电源和直流电源系统组成。早期的电力机车三相交流辅助电源装置采用旋转劈相机方式，这种电源装置体积大、重量重、响应性差、效率低、噪声大，故障率高，需经常检查、维修。随着电力电子和开关器件的发展，采用IGBT的新型辅助逆变系统正在替代传统的劈相机三相交流系统。辅助逆变系统不仅为机车各辅助电机提供对称三相电源，同时可满足辅助电机软启动、软制动，不受电网波动影响。为防止因辅助供电设备故障而影响机车正常运行，辅助逆变系统同时设置各种故障保护及冗余功能。机车直流电源系统主要由整流装置、蓄电池组成，为机车的控制系统及照明系统等提供所需直流电源，为蓄电池充电，在升弓前或高压设备、牵引变压器故障时，由蓄电池给上述设备供电。
2 三相交流辅助电源系统
该系统多采用辅助变流器生成三相交流电压为机车辅助电气设备供电。辅助变流器根据输入侧的不同将主电路可分为交一直一交型和直一交型；根据输出的不同，可分为恒压恒频(CVCF)逆变器和变压变频(VVVF)逆变器。
在机车上，除了提供恒压恒频的辅助变流器，为节约能耗、降低通风机噪声，按照不同状态下设备所需要的功率来涮节电压和频率的VVVF辅助变流器。通常，在同一种车型上的CVCF逆变器和VVVF逆变器硬件结构相同，仅控制方式不同。下面分别探讨交一直一交型和直一交型辅助变流器的实现方案。
2．1 交一直一交型辅助变流器
交一直一交型辅助变流器是南牵引变压器辅助绕组供电，与牵引变流器相同，一般由网侧变流器、中间直流环节、三相逆变器3部分组成。由于接触网电压的波动较大，因此，交一直一交型辅助变流器输入的单相交流电也有较大的波动，为了获得稳定的中间直流环节电压，辅助变流器的网侧必须采用可控整流电路。以前多采用相控整流电路，电路和控制简单，造价较低，但网侧的功率因数较低，对电网的影响大。随着电力电子技术的发展，脉冲整流器已开始取代相控整流器，它可使网侧的功率因数接近1，且动态响应特性好。图1是交一直一交型辅助变流器的典型电路，包括脉冲整流器COV，中间支撑电容，三相逆变器INV，输入接触器K、AK，输入输出电流传感器ACCT、CTU、CTW，中间电压传感器 VT(冗余设计)等。交一直一交型辅助变流器的缺点是过分相时将失电，所有三相辅机均停止运行。
与传统的劈相机电源系统相比，采用交一直一交型结构的辅助变流器特点：(1)仍然需要由牵引变压器辅助绕组为辅助变流器供电。(2)脉冲整流器可保证输入侧较高的功率因素以及电网电压波动时中间直流电压的稳定。(3)由于变压器二次绕组之间存在耦合，脉冲整流器开关动作产生的脉冲分量会叠加到牵引变压器辅助绕组的输出电压上，使辅助变流器电压升高，温度上升，影响辅助变流器的性能。(4)变流器的启动方式为软启动，有效减少辅助电动机的启动电流。(5)工作在较大网压范围内。(6)三相输出电压稳定、平衡。
2．2 直-交型辅助变流器系统
直-交型辅助变流器是从主变流器的中间直流环节取流，因此它只需要逆变器就可实现直流电到三相交流电的变换。由于输入电压较高，为达到输出辅助电气设备所要求的电压等级，一般需要增加降压设备。有两种控制方式：一种是先逆变，再通过三相降压变压器将较高的交流电压降到所要求的电压等级；另一种是先通过降压电路将直流输入电压降低到合适的值，再进行逆变。图2和图3分别给出了两种辅助变流器的电路结构。
为得到品质良好的三相交流电源，通常需要增加滤波环节。方式1中，三相电抗器／电容器滤波或三相LC滤波器可放置在逆变器和降压变压器之间，也可放置在变压器之后；方式2中，则将滤波器放置在逆变器输出之后。
方式1中，△-Y型变压器不仅实现降压功能，还实现高压输入电源回路和负载回路之间的相互隔离。此电路的特点是开关元器件数量少、控制较为简单，缺点是输出三相电压易受直流输入电压的影响，且当直流输入电压较高时逆变器开关元件的耐压要求高，成本较高。因此该方案比较适，用于由牵引变流器中间直流环节供电的场合。
方式2中，可采取不同的电路实现降压。最简单的是单管降压斩波器，该器件有以下特点：(1)通过降压斩波的闭环控制保持逆变器输入电压的恒定，从而消除输入电压的波动对三相逆变器输出的影响；(2)整个电路中仅需1只大功率高压IGBT元件，逆变器则可选择较低电压级别的IGBT元件，以降低设备成本。但这种方式没有实现输入电压与输出电压之间的隔离，同时还应设置在降压斩波器失去控制后对逆变器和负载等的保护电路。
与交一直一交型辅助变流器相比，直一交型辅助变流器具有两个显著特点：(1)无需牵引变压器提供辅助绕组，而是直接从牵引变流器的中间直流环节取流；(2)必须采取降压措施，满足输出电压的幅值要求。
3 直流电源系统
目前铁道机车上直流电源系统有相控型(AC／DC)直流电源系统和IPM高频开关 (DC／DC)电源系统。传统的相控直流电源由于器件和技术两方面的原因，工作频率低，体积大，噪音高，技术指标和可控性都较差。高频开关电源是采用软开关技术的一种高效、高精度电源，可多模块并联_丁作。该电源的电池兼容性高、直流可控性好、功率因数高、噪音低、均流性好、体积小、直流成分纯净度高，各项技术指标均远远优于传统可控硅电源，是相控电源更新换代的理想产品。由于输入输出接口都采用硬接插件(热插板)连接方式，维修更换极为简便，所以特别适合电力机车动态负荷多、稳压、稳流、纹波精度要求高和N+1的冗余配置的要求。现将晶闸管相控电源直流系统与高频开关电源直流系统做一比较，如表1所示，其余性能指标满足TB1395-81中的要求。
4 其他系统
电力机车除了三相负载，常见的还有单相220 V、50 Hz负载。通常有两种获得单相220 V、50 Hz电源的途径：(1)在有三相辅助变压器的系统中，变压器输出三相380 V交流电，并有中性点，即可取三相交流电的相电压。该方法简单、直接；(2)采用单相变压器将三相交流电的线电压降压为单相交流220 V。该方法多一个变压器，且会引起三相电源负荷不平衡，一般应用在无三相辅助变压器的系统中。
5 几种典型机车的辅助电源系统
在机车辅助电源系统中，机车直流电源系统比较简单，在进行辅助电源系统比较时主要进行三相交流辅助电源系统的比较。表2归纳了国产交一直传动韶山7E(简称SS7E)型电力机车和交一直一交传动HXD1、HXD2、HXD3 三种型号的“和谐”系列电力机车的辅助电源系统。
SS7E型电力机车三相交流辅助电源系统，采用四象限整流器将送入的单相340 V交流电转变为直流600V中间电压，再由逆变器将直流600 V转变为三相380 V，经EMC滤波器滤波后输出，一路作为机车用三相辅助电源，另一路经LC滤波器再次滤波后为自身冷却风机提供三相电源。
HXD1机车由三相变压器将三相恒压恒频交流电(440 V、60 Hz)变为三相230 V、60 Hz交流电，供给相应负载。另外，由于HXD1机车三相交流电压为440 V、60 Hz，为与国内设备兼容，设置了DC110 V／单相230 V、50 Hz转换模块。
通过上述分析可以得到如下结论：
(1)采用交一直一交型辅助变流器，必须在牵引变压器上增加辅助绕组给逆变器供电，因此系统对机车主电路的要求较高。但由于系统只需要进行交一直、直一交两个环节的变换，开关器件的额定电压低，所以器件数量少、成本低，整个系统效率高，技术实现较容易。
(2)采用直一交型辅助变流器，可省去辅助绕组，提高机车再生制动时的能量利用率。其中：①对于中间环节电压不是很高的系统(一般不超过2 000 V)，可直接利用逆变器进行逆变，然后再经降压变压器降压。这种结构中间环节少、控制简单、开关器件少，系统的效率较高。但由于开关器件电压等级较高，基于降低能耗考虑，其开关频率会受到限制，因此输出电压波形不会很理想，而且降压变压器也会使机车增加额外重量，增加成本。②对于中间环节电压超过2 000 V的，一般采用直一直变换，中间电压600V左右，然后进行逆变。这种结构在直一直变换环节比较复杂，器件多、电压等级较高，还需要增加脉冲变压器进行隔离，因此系统复杂、效率较低。
6 结束语
通过对电力机车辅助电源系统进行分析和比较，可以看出，在现有开关器件制造水平和性价比的基础上，采用交一直一交型的辅助电源系统具有一定的优势，但对机车牵引变压器的要求较高：采用直一交型辅助电源系统，虽然可以去掉辅助绕组，提高机车再生制动时的能量利用率，但也存在系统重量增加，效率降低的问题。
随着IPM等开关器件和微机控制技术的发展，今后的电力机车辅助电源将向装置更小轻量化、低噪声、大容量、高可靠性等方向发展。