（电工理论与新技术专业论文）大功率交流机车的辅助变流器系统研究.pdf

a b s t r a c t a b s i r a c l w i t ht h eb e g i n n i n go ft h es i x t h s p e e db o o s t o fc h i n e s er a i l w a y s c h i n ah a s l a r g e l yd e v e l o p e di t s d o m e s t i cm a n u f a c t u r i n go nn e wh i 曲p o w e ra ce l e c t r i c l o c o m o t i v e i nw h i c hd j ii st h ef i r s ts t y l e f o rd e c r e a s i n gt h er u n n i n gc o s to ft e s t i n g s y s t e m i n c r e a s i n ge f f i c i e n c y l i g h t e n i n gw o r ks t r e n g t h t h i sp a p e rd e s i g n s a l l o f f l o c o m o t i v e p o w e r l o o p i n gt e s t i n gd e v i c e f o rd j1a u x i l i a r yc o n v e r t e r i tc a l ls a v e e l e c t r i cp o w e ri nac o n s i d e r a b l ed e g r e ew h i c hi sf u l lf i l ls u m m o no fs a v i n ge n e r g yb y o u r c o u n t r y t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n gt r e n d so fa u x i l i a r yc o n v e r t e r0 1 1n e wa c e l e c t r i cl o c o m o t i v e e s p e c i a l l yt ot h ed o m e s t i cp r o d u c t i o nd j1 h x ds e r i e s s s 4 g i r i t h t h ec i r c u i ts 仃u c t u r ea n d w o r k i n gt h e o r y b a s e do nt h ed e v e l o p i n ge x p e r i e n c eo fp o w e r l o o p i n gt e s t i n gs y s t e mf o r8 k d e c t r i cl o c o m o t i v ea u x i l i a r yp o w e r s o m en e wp r o g r a m sf o rd j1a u x i l i a r yc o n v e r t e ra r e c o m p a r e d 1 1 1 ef i n a lo n ep i c k e di st of e e d b a c ki t so u t p u te l e c t r i cp o w e rt oe l e c t r i c 鲥d u s i n gs i m u l a t i n gl o a dt om a k eh i g hp o w e ro u t p u ta n dp o w e rl o o p t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es i m u l a t i n gl o a df r o mt h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o ne 丑o b a n y i n c l u d i n gm a i nc i r c u i t w o r k i n gc o n d i t i o na n dm v bc o m m u n i c a t i o no fd j 1 a u x i l i a r y c o n v e r t e r o p e r a t i o na n dt h e o r ya c t u a l l yo ft e s t i n gs y s t e m a l s oc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e df r o ms y s t e ma n dd e t a i ld e g r e e e s p e c i a l l yt ot h e d s pc o n t r o ls y s t e mb o xa n dc i r c u i ti n s i d e w ed e s i g ns y n c h r o n o u sp ic o n t r o la n d p r e d i c tc u r r e n tc o n t r o lf o rt h et w op o w e ru n i t so fs i m u l a t i n gl o a d e x p e r i m e n tw a v e s a r eg i v e nt op r o v et h i sd e s i g n sw e l lp e r f o r m a n c e k e y w o r d s d j1a u x i l i a r yc o n v e r t e r p o w e r l o o p i n gs y s t e m s i m u l a t i n gl o a d m v b c o m m u n i c a t i o n d s pc o n t r o ls y s t e mb o x s y n c h r o n o u sp ic o n t r o l p r e d i c tc u r r e n t c o n t r o l c l a s s n 0 t m 4 6 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留 使用学位论文的规定 特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 导师签名 签字日期 年月日签字日期 年月日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果 也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 季建旭 签字日期 1 0 0 8 年占月7 口日 致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师郑琼林教授和黄先进老好的悉心指导下完成的 从论文的选题 系统方案的设计 实验问题的解决等方面都凝聚着郑老师和黄老 师的心血 导师严谨的治学态度和坚韧不拨的工作作风让我受益匪浅 在此谨向 两位老师表示衷心的感谢 郑老师渊博的知识 正直的人品 严谨的科学态度 力求完美的做事风格和对待工作的兢兢业业为我树立了科学工作者的榜样 黄老 师指导我完成了实验室的科研工作 在学习上和生活上都给予了我很大的关心程 帮助 在实验室工作及撰写论文期间 得到了游小杰教授 杨中平副教授 林飞副 教授 郝瑞祥老师 孙湖老师 张立伟老师 贺明志老师的指导及热情帮助 为 论文的完成提供了很多宝贵的意见 在此向他们表示诚挚的谢意 另外 特别要感谢我的搭档高吉磊博士 在整个毕业设计项目中 高吉磊与 我并肩攻关 一起度过多少个充满汗水的日夜 并最终顺利完成整个项豳 其不 属不挠的钻研精神与乐观的态度都很值得我学习 同时 我的师弟吴学明 贾鹅 字 欧泽中 在我的毕设项目最艰难的时候 都给予我信心与帮助 在此一并感 谢他们 同时我还曾得到了已经毕业的王磊师兄 张慧涛师兄 訾振宁师兄 还有在 读的俞斌 刘建强 文晓燕 郭超勇 軎旺等同学在生活学习王作方面的鼎力相 助 在此向他们表达谢意 最后 感谢我的父母和家人 是他们的理解和支持 使我能够专心完成我的 研究生学业 1 绪论 1 1 机车辅电源系统发展概况 电力机车的辅助电路主要为机车主电路提供冷却 为空气制动系统提供风源 保证空调 采暖 通风设备的供电 车载蓄电池的充电 插座的供电 照明等供 电 辅助电路正常工作与否直接影响到主电路的工作状态 是机车稳定 安全运 行的关键 早期的辅助系统采用电动 发电机组供电方式 目前 国产电力机 车辅助电路采取两种供电模式 一种为劈相机供电模式 主要用于交直型直流传 动电力机车 例如s s 系列 s s 4 s s 系列 s s s s 等 另一种为辅助变流器 供电模式 也称静止式变流器 主要用于交直交型交流传动机车和部分交直型机 车 例如s s t e 模块化s s 住型直流传动机车 以及 熊猫 蓝箭 奥星 天 梭 中华之星 d j i h x d l h x d 2 c r h 系列等交流传动机车 这是近年 电力电子技术发展的结果 而国外大部分的电力机车均采用辅助变流器供电模式 劈相机供电的辅助电路 辅机全电压起动 起动电流大且不平衡 起动时间 短 且电压随电网波动而波动 为了满足低压下电机起动 容量必须加大 起动 转矩大 但其电压波形为标准正弦波 阻抗电压低 短路电流大 对于辅助变流 器供电的辅助系统来说 电源品质为p w m 波或s p w m 波 其优点供电品质高 可靠性加强 有效降低起动电流 为额定电流2 3 倍 节能降噪效果明显 使 用效率高 并且还能省去繁琐的系统控制装置 缺点是峰值电压较高 近1 0 0 0 v 谐波含量较高 辅助变流器主电路拥有多种拓扑和控制方法 即有独立的整流器模块 也能 与牵引电路共用整流器模块和直流回路 采用相控桥式整流或四象限整流 直流 端可以直接接入逆变器模块 也可先进行直直降压再输入到逆变器或者在逆变器 输出加入降压变压器 逆变器模块一般为独立的一个或多个三相桥模块 采用电 压型逆变 随着电力电子技术的不断发展 i g b t 逆变器逐渐以不可抗拒的优势取 代了g t o 逆变器 采用i g b t 技术 可使变流器开关装置的尺寸减小 复杂性降 低 功率损耗减少 开关频率提高 具备多种保护能力 基于此 1 9 9 9 年初株洲 电力机车研究所研制出t g f 5 型辅助变流器 装于d d j 型2 0 0 k m h 直流传动车 实现了机车辅助变流器的国内自主设计制造 2 0 0 0 年 1 0 0 k v a 的t g f 9 型辅助变 流器研制成功并应用于交流传动电力机车 蓝箭 采用晶闸管半控桥式整流和电 压型逆变的 一整两逆 形式 次年t g f 9 a 型在 奥星 装车 2 0 0 1 年1 2 月 含有四象限整流器的t g f l l 型辅助变流器由株洲电力机车研究所研制成功 各自 独立的整流和逆变模块构成两套1 0 0 k v a 变流器置于同一柜内 输入取自同一变 压器二次绕组 使我国辅助变流器技术水平又向前迈进一步 2 0 0 0 年 香港地铁 进行辅助电源改造 同样采用了株洲电力机车研究所研制的两个二点式三相逆变 器串联结构 输出端分别采用d y 和d z 型变压器进行耦合 消除低次谐波 高速列车辅助供电系统是高速列车技术的重要组成部分 动力集中的动车组 一般采用集中供电母线 如i c e l i c e 2 t g v 等 德国i c e 系列列车采用单一 母线贯穿全列的供电模式 进行各拖车分散变流供电 法国t g v 列车采用集中变 流 多路多电压供电母线供电 不必每车设有电池组 电源变换设备 但是车间 连线较多 连接器芯数多 车端布置困难 动力分散型动车组可以采用单元供电 母线 如日本新干线列车 采用接触网电压经变压器直接对负载供电 虽然简单 但是存在电压变化范围大 频繁断电等缺点 所有新型的高速列车辅助供电系统 都是朝着一个新方向 都是把列车看作一个整体来布置和减重 而不重视单节客 车的机动性 西门子集团的s i b e s t 家族诞生于2 0 0 1 年 作为新一代机车车辆辅助电源紧 凑型变流器装置 旨在建立一种适用于各种应用场合的子单元构成的积木式系统 各组成部分均采用模块化和标准化设计原则 具备标准化的输出功率 并可适应 多流制的工作环境 所有变流器模块都采用可靠的i g b t 工艺技术 结合低电感 母排 无需任何布线 可使变流器成为低损耗的高频变流器 模块通常采用强迫 风冷或水冷 这种冷却方式使变流器最大功率可达约1 2 m w 高绝缘性能可使工 作电压高达5 6 0 0 v 结构紧凑的变流器内除了功率部件之外 还集成了传动所需 的全部控制功能和保护功能 从而大大减少了变流器外部接口的数量 主要是通 过一个串行的总线耦合装置来控制变流器 另外在控制方面 模块化 集成化趋势不可避免 随着数字处理器 d s p 复杂可编程逻辑器件 c p l d 技术的日益成熟 新型的控制系统不断出现 如上 所提的s i b e s t 辅助电源系统就使用全数字化处理信号 另外欧洲许多机车例如 阿尔斯通开发的p r i m a 3 u 1 5 型 奥地利联邦铁路的1 2 1 6 系列 欧洲b r l 8 9 型 瑞士联邦铁路货运公司r e 4 8 4 机车等等全部使用数字处理系统 使用数字化控制 方式有着分立器件控制不可比拟的优点 首先数字信号处理速度远远超过模拟电 路 其次数字处理电路简单 使用器件少 一旦出现问题检修方便 另外数字处 理系统保护动作更加迅速 并且很容易实现人机交互以及微机之间的通信 1 2 国产重载电力机车辅助变流系统 2 1 d j l 重载交流机车辅助变流系统 西门子d j l 重载交流传动电力机车作为国内第一代交流传动电力机车 是由 西门子股份公司交通运输集团专门为中国铁路设计的 于2 0 0 1 年交货并于2 0 0 2 年6 月2 4 日正式投入运用 总数量2 0 台 按照计划 d j l 机车从第一台车起就开 始采用d k l 制动系统等国产设备 第4 台开始实现车体和电气 电子屏柜国产化 生产 从第1 5 台车开始就开始逐步使用国产化的辅助变流器 主变压器 交流牵 引电动机 牵引变流器等关键部件 最后一台8 轴机车尽最大可能实现国产化 包括转向架等 该机车是牵引货物列车 在中国铁路具有通用性 机车由2 节4 轴机车固定连挂而成 轴式为b o b o 电流制为2 5 k v 5 0 h z 额定功率6 4 0 0 k w d j l 的辅助电路采用两组独立的供电方式 主变压器辅助绕组1 主要为辅助变 流器提供单相交流电源 辅助绕组2 主要给机车的辅助设备如蓄电池充电器 砂 加热系统等供电 另外可通过车体两侧的交流库用插座引入三相3 8 0 5 0 h z 的交 流电源来检测辅机工作性能 也可通过车体两侧的单相直流库用插座引入直流 1 1 0 v 电源来给蓄电池充电 如上所述 辅助变流器的输入电压由辅助绕组提供 为单相5 0 h z 3 3 5 v 2 2 6 a 交流电 主变压器从2 5 k v 接触网取电 额定输入参数为单相交流5 0 h z 2 5 k v 1 5 4 a d j l 每节4 轴车设有两个辅助变流柜 一个是标准型 内有两个功率8 0 k v a 的变流器 编号a u x 1 1 a u x 1 2 作为日常列车设备供电之用 另外一个内部 只有一个功率8 0 k v a 变流器 编号a u x 2 1 3 个变流器在电气上互相独立 满 足全车所需辅助功率 并提供可靠的冗余 每个辅助变流器可以输出三相的2 h z 一6 0 h z 删o v 1 0 5 a 的p w m 正弦波 满足机车上所有的辅助电机如变压变 频牵引风机 由c c u 根据牵引电机温度决定风机的转速 和定压定频的油泵风机 还有一些辅助设备 如窗加热和电炉 的供电 辅助逆变器a u x 1 1 a u x 2 1 出 厂被定义为变频机组 a u x 1 2 出厂被定义为定频机组 输出三相4 4 0 v 6 0 h z 交 流电 通过改变其对应s i b c o s 的x 5 0 4 端口 可以改变其工作模式 逆变器输 出最大频率6 0 h z 逆变器开关频率4 k h z 左右 2 h x d l 重载交流机车辅助变流系统 2 0 0 6 年 中国正式引进d j l 机车的改进车型 西门子的h x d l 型大功率交流 传动机车 牵引功率9 6 0 0 k w 为国内最先进的新型重载2 5k v 5 0h z 电流制下的 8 轴双节机车 并已经实现国产化 h x d i 机车与d j l 机车一样由2 节4 轴机车固 定连挂而成 单节轴式为b o b o 每节车有一个牵引变流柜 每个牵引变流柜有两 套i g b t 牵引变流器 每套i g b t 牵引变流器 2 4 0 0 k w 牵引两个牵引电机即驱 动两个轴 可满足2 万吨重载列车的牵引 h x d l 机车的辅助变流系统与d j l 机车有较大区别 它没有专门的辅助变流 3 i 匕立交道厶堂亟 堂位途塞 柜 而是模块集成到牵引变流柜中 也没有专门的四象限整流器4 q c 而是与牵 引变流器共用一个4 q c 同一个直流回路还有其他装置 然后使用一个与牵引逆 变器并列的辅助逆变器通过一个变压器和滤波电容对输出电压进行隔离调压和滤 波后 提供近似正弦波的三相交流电源 这样的变化使整车部件数量得以减少 降低整个系统故障率 每节机车有一套完整的电传动系统 该系统由一台拥有一 个原边绕组 四个牵引绕组和两个二次谐振电抗器的主变压器 通过四个四象限 整流器 4 q c 向两个独立的中间直流电压环节充电 其中每个4 q c 都如d 儿一 样是两个单相桥并联拓扑以提高功率 如图1 1 所示 两个牵引逆变器构造与4 q c 相同 但为三相桥拓扑 中间直流环节还连接有谐波吸收电路 过压保护电路和 接地检测电路 主断路器 图l 一1h x d l 牵引变流系统框图 f i gl 一1s c h e m a t i co fh x d 1t r a c t i o nc o n v e r t e rs y s t e m 牵引绕组输出端的额定电压为9 7 0 v 额定功率为1 3 2 0 k v a 输出电压经过变 压器和电容滤波降压为负载所需的电压等级 如图1 1 所示 为实现额定功率增加 的要求 中问直流电路的最大电压为1 8 0 0 v 正常情况下 一个辅助逆变器输出为 变频变压方式 8 0 4 4 0 v 2 0 6 0 h z 根据实际需要给有变速要求的牵引风机和 冷却塔风机供电 另一个辅助逆变器恒频恒压输出三相交流4 4 0 v 6 0 h z 矛h 单相 三相2 3 0 v 6 0 h z 给剩余的辅助设备 如水泵 变压器油泵 空调及主压缩机 蓄 电池充电机 加热器等车载负载供电 一旦一个辅助逆变器出现故障 另一个将 承担所有负载 此时所有辅助设备都以恒频恒压方式工作 h x d l 牵引变流柜中的模块为s i b e s t 家族中最先进的模块 完全的密闭性与 4 萄 百里一 f 绪i 金 高紧凑性 使其使用范围极大提高 图1 2 为辅助逆变器模块图 因为h x d l 辅 助变流器的高度集成 所以也就省去d j l 中专门用于控制辅助变流系统的 s i b c o s 取而代之的是牵引变流器的牵引控制单元t c u 负责电力牵引设备的开 环一闭环控制 同时集成了对p w m 辅助逆变器的控制 每一个中间直流电路都有 一个t c u 以及它所连接的相模块 当然 t c u 也是通过m v b 总线与中央控制 单元c c u 进行通信 图l 一2h x d l 辅助逆变器模块 f i g1 2h x d 1a u x i l i a r yi n v e r t e rm o d u l e 3 h x d 2 型重载交流机车辅助变流系统 h x d 2 型重载交流机车是从法国阿尔斯通公司引进的车型 同h x d l 型机车 一样 同为大秦线煤炭干线运输设计制造 机车流制与各参数与h x d l 型基本相 同 牵引功率1 0 0 0 0 k w 同为b o b o 轴式 h x d 2 的牵引变流系统与辅助变流系统同样采用共用直流回路的电路结构 但 是牵引变流柜与辅助变流柜是相互独立的 只有直流侧相连 每个牵引变流柜有 两个辅助变流器 s c v l s c v 2 牵引变流柜中的单相p w m 整流器为直流回路 整流出1 8 0 0 v 的直流电压 既供给牵引逆变器直接控制牵引电机 又供给辅助变 流器 s c v l 和s c v 2 的直流电压分别来自不同的牵引变流柜直流回路 d c l 8 0 0 v 先经过直流斩波器变为d c 5 4 5 v d c 5 4 5 v 供给三相逆变器逆变出3 8 0 v 5 0 h z 供 机车辅助设备使用 其中s c v l 的d c 5 4 5 v 还送给蓄电池充电器模块 实际为一 个桥式斩波电路 变为d c l l 0 v 为蓄电池充电 电路如图1 3 所示 辅助变流器的控制器为6 u 控制箱标准的c r a 控制器 使用f i p 控制网络 圃r 一 i 尚 l 憋 r t 胪 枣孽隆 y r 毒豳笛一1 j i l 卤 i l l 一t 一i l f j l l c口 q 一幽 r 厂 翟一t 鬻 竺 一 一砖h 絮 侧晶掣 l c 蘩kili i目 口 l lml l 一 占 i 嘲ll 一c j己 蜜圈匿 r j 一 li t c口 幽 i 一l l 一 朝 馥 竺茹誊j 7 j 图1 3h x d 2 型交流机车辅助变流器电路 f i g1 3h x d 2a u x i l i a r yc o n v e r t e rc i r c u i t 4 h x d 3 型重载交流机车辅助变流系统 h x d 3 型重载交流机车是为在中国主干线进行大型货运为目的而设计制造的 考虑能够在全国全境范围内运行的前提下 最大4 组机车重联控制运行 h x d 3 机车轴式为c o c o 这是h x d 3 与其他h x d 系列车型的主要区别 电传动系统为交直交传动 持续功率7 2 0 0 k w 机车持续制速度7 0 k m h 最高速 度1 2 0 k m h 每台机车装有两台变流装置 每台变流装置内含有三组牵引变流器和一组辅 助变流器 使其结构紧凑 便于设备安装 h x d 3 牵引变流器与辅助变流器的分开 也是与h x d 系统的其它车型不同的地方 其中牵引变流器采用强制循环水冷方 式 辅助变流器 a p u 单独采用强制风冷方式 每组牵引变流器由一个四象限整流器4 q c 和一个逆变器p w i 组成 功率单元 同样适用模块化i g b t 元件 4 q c 采用p w m 方式 两点式电压型 通过高次谐波 整流和错开各组控制载波相位 降低高次谐波和提高功率因数 p w i 采用3 2 b i t 高 速演算控制装置 采用矢量控制方式 实现电机转矩控制 达到快速响应 主回 路输入端a c l 4 5 0 v 9 6 5 a 5 0 h z 直流回路电压2 8 0 0 v 额定三相输出a c 2 15 0 v 3 9 0 a 由于其c o c o 的轴式分布 故每节车有三组牵引变流器x2 a p u 向牵引通风机电机和压缩机电机等辅助机器提供三相交流电 同样具有 6 变压变频 v v v f 和恒压恒频 c v c f 两种控制方式 两台复合冷却器风机和 六台牵引通风机电机为了确保适应机车状况的冷却风量和降低运转声音 按照 w 控制模式进行设定 电路结构与d j l 相同 每节车有两组辅助交流器 u a l l u a l 2 各由一个单相p w m 整流器和一个三相逆变器组成 主回路输入单相 a c 3 9 9 v 5 0 h z 输出三相a c 3 8 0 v 5 0 h z 2 3 0 k v a c v c f v 叭 f 的频率可 变范围0 2 5 0 h z 电压可变范围2 一 3 8 0 v 5 s s 4 改型直流电力机车辅助电路 s s 4 改型电力机车国产s s 4 型电力机车的第二个发展阶段的产物 编号为1 5 9 号以后 是八轴重载牵引货运机车 由两节完全相同的四轴机车连接组成 s s 4 型机车是国内第三代电力机车的起点 于1 9 8 5 年研制成功 在b o b o 轴列 b o 转向架 低位牵引装置以及相控调压 加馈电阻制动 8 0 0 k w 牵引电机等方面填 补当时我国新机型空白 随着8 k 6 k 8 g 型机车的引进 通过吸收消化和应用 对s s 4 型机车作出重大设计改进 即s s 4 改型电力机车 机车都采用直流制牵引 持续功率6 4 0 0 k w s s 4 改型机车采用不等分三段顺控半控桥 但牵引特性为恒流 准恒速特性控 制 其牵引电机电枢电流的给定特性直接反映电流随车速的控制关系 称为特性 控制 而牵引电机电压只是在满足电流特性控制的前提下给出不同机车速度区段 的限制特性 电阻制动为加馈电阻制动 具有与再生制动相当的优良低速制动性 能 缺点是耗能较大 s s 4 改型还采用三次谐波滤波器以改善机车功率因数 缺点 是增加了系统的复杂性 s s 4 改型电力机车辅助电路采用传统劈相机及电容分相起动通风机后备的双 馈单相 三相系统 辅机均采用三相异步电动机拖动 电源来自主变压器辅助 绕组a 6 b 6 一x 6 其中a 6 x 6 的额定电压为3 9 9 v 8 6 v b 6 x 6 的额定电压为2 2 6 v 每节车只设一台劈相机 当该机因故障切除后 可用电容对第一台牵引风机电动 机直接分相起动 然后该电机兼作 劈相机 在网压2 2 k v 以上 可逐一起动其 他辅助机组 避免机破事故 1 3 能流循环试验台的提出 d j i 型重载交流机车自2 0 0 1 年交货于宝鸡电力机务段 2 0 0 3 年2 0 台机车全 部配属大同湖东电力机务段并投入到大秦铁路煤炭运输干线至今已经6 年 车辆 的日常检修工作在湖东电力机务段进行 自2 0 0 2 年运行以来 d j l 型机车出现了 很多技术问题 其中辅助变流器故障很是突出 由于没有车下测试系统 不能在 拆下辅变柜后进行检修试验 只能在出现问题之后换上一套系统 在车上进行试 7 验 这个过程严重影响对d j l 机车辅助变流器系统的诊断和修复 为了克服上 述不足 降低试验台的运行成本 提高生产效率 减少人员劳动强度 提出 研制辅助变流系统测试平台的要求 北京交通大学电力电子研究所曾经与湖东 电力机务段共同立项研发过新型8 k 电力机车辅电源能流循环试验台 基于这方面 的开发经验与研究能力 为了改善测试人员的工作环境 使日常的测试工作安全 高效 并且响应国家工业节能 社会节能的号召 电力电子研究所再次与湖东电 力机务段签订协议 为d j l 辅助变流器开发新的试验台 8 k 电力机车辅电源能流 循环试验台改进了老试验台能量大量损耗的缺点 引入能流循环思想 d j l 辅助变 流器能流循环试验台同样将能流循环作为系统设计的总体目标 进一步改进8 k 试 验台的结构系统与控制思想 全面升级8 k 试验台的控制系统 采用光纤信号传输 以及可替换控制电路板即插即用的新型系统控制箱以提高控制系统的抗干扰性与 易升级性 加入m v b 的新型列车网络控制 主电路循环利用电能 达到了可观的 节能目的 1 4 本论文的主要工作及结构安排 本论文的主要内容是对北京交通大学电力电子研究所与太原铁路局湖东电力 机务段的合作项目 d j l 重载交流机车辅助变流系统能流循环试验台 中试验台 变流系统硬件和软件部分的研究 或者说本文是对该试验台研发和调试过程中 变流系统工作情况的一个总结 文中的原理和试验数据 波形都在该试验台研发 和使用过程中产生 本文的主要内容一共分为五个部分 各部分内容的概述如下 第一章为绪论 简要的介绍目前国内外机车辅电源系统的发展状况以及几款 最新的国产重载电力机车辅变系统的主要工作情况 提出了研发新的能流循环试 验台的必要性 以及用于新试验台的控制系统改进的必要性 第二章大致介绍了能流循环试验台 通过与传统的交流传动试验台的对比 介绍了新的能流循环试验台的工作原理 性能指标和节能优势 提出几种新试验 台的方案 从中选出已经积累一定工程经验并且易于实现的方案 简单介绍其构 成 分别介绍了三相p w m 整流单元 p w m 和单相并网逆变单元 p c i 重点 介绍其工作原理 第三章详细叙述了d j l 辅助变流系统试验台的构造和工作原理 本文的主要 工作就是对d j l 辅助变流系统能流循环试验台中变流系统的电路结构以及监控系 统进行了深入的研究 其中包括两个部分 首先是解决d j l 辅助变流系统的离车 起停和控制问题 重点介绍d j l 辅变系统m v b 通信及模拟机车信号 再者便是 解决能流循环试验台如何完成d j l 辅助变流系统的能流循环 包括其工作原理 变流系统柜中模拟负载的硬件电路 监控系统柜计算机监控操作界面 操作规程 步骤等 第四章叙述了新试验台的控制系统 首先从系统上说明了整个控制系统的结 构 又详细叙述了控制系统的核心数字系统控制箱 以及m v b 网卡s s m v 4 x d d 接着详细叙述试验台三相p w m 整流器 单相并网逆变器和d j l 辅变系统计算机 监控操作界面的软件控制方案 最后给出试验台实验波形 第五章对全文进行了总结 并对今后的h x d 2 型机车辅助变流系统能流循环 试验台的工作进行了展望 9 2 能流循环试验台 能流循环 即电能的循环利用 本章主要介绍能流循环试验台的基本工作 原理 以及跟传统的交流传动试验台之间的差异 2 1 传统试验台与8 k 机车辅变系统能流循环试验台 2 1 1 传统试验台 目前 能应用于牵引传动前期研究工作的交流传动试验台有两种 第一种是 以铁道部科学研究院为代表的 能量消耗式 交流传动试验台 第二种是以株洲 电力机车研究所为代表的 能量反馈式 交流传动试验台 能量消耗式 交流传动试验台的结构如图2 1 所示 变压器向四象限整流 器提供单相交流电 四象限整流器输出直流电 经电感电容组成的二阶滤波环节 后 给逆变器供电 逆变器输出三相交流电供给被测试的交流牵引电机 被测试 的交流牵引电机输出轴上对接一个直流发电机 直流发电机的输出端接电阻性负 载 通过调节直流发电机励磁电压来调节交流电机的输出转矩 即变流器和牵引 电机的负载 这种试验台设备比较简单 调节控制对象比较少 可方便调节直流 发电机转矩 如果采用高性能的控制方式 也能模拟实际负载的动静态特性 实 现起来也不是很复杂 具有较高的稳定性 7 四象 逆变器 蛾b弋t l 限变 j 流器t 引电机 图2 1 能量消耗式 交流传动试验台 f i g2 1e n e r g y c o n s u m e t y p ea cd r i v et e s tr i g 这种方式存在的问题是 由直流发电机发出的电难以被再利用 电能完全被 电阻消耗掉 因而对能源的浪费很大 若长期进行大功率试验 电能浪费惊人 试验费用非常高 用它来做常规检查是不划算的 同时 还必须考虑电阻负载的 散热处理 这往往会增加设备及试验室的面积 另外 该系统不能模拟机车起动 和高速运行试验 l o 能量反馈式 交流传动试验台的结构如图2 2 所示 四象限整流器从电源 变压器取得单相交流电 向逆变器输出直流电源 逆变器向异步牵引电机供三相 交流电 被测试的异步牵引电机输出轴上对接一个 直流发电机 直流电动机 交流同步发电机 构成的能量反馈系统 电能通过变压器返回电网 当异步 牵引电机转动后 调节直流发电机的励磁 直流发电机发出的电压使直流电动机 的转速为同步发电机所需转速 再分别调节直流发电机 直流电动机和同步发电 机的励磁 来调节异步牵引电机的阻力矩 同时维持同步发电机的频率稳定 将 电能返回电网 四象 主 逆变器 玻b 龆 i 限变 工 流器 图2 2 能量反馈式 交流传动试验台 f i g2 2e n c r g y f c e 虻l b a c k t y p ea cd r i v et e s tr i g 这种方式将部分能量反馈回电网 大大节约了电能 节省了试验费用 但使 用设备多 在建设试验平台时一次性投资大 另外由于控制对象多 调控方法复 杂 控制难度增大 容易出现超调 造成系统振荡 由于试验电机驱动的是直流 发电机 转速受到换向器限制 难以试验交流牵引电机的高转速区段 2 1 28 k 机车能流循环试验台 应大同湖东电力机务段大西车间要求 北京交通大学电力电子研究所开始对 8 k 机车辅助变流器传统试验台进行更新 在分析传统交流传动试验平台弊端的基 础上 根据几年来对地铁和轻轨等轨道动车交流传动系统的研究思考 8 k 机车辅 助变流电源专用的能量循环测试台应运而生 这种较新型的辅助交流器能流循环 试验台 采用先进的d s p 控制系统 运用数字控制算法 实现能量互馈 减少能 源消耗 试验台可以进行多种参数不同功能单元的试验 包括逆变器系统 整流 器系统和控制方法的试验 辅助变流器能流循环试验台 操作设定简单直接 仪 表显示清晰醒目 数据存储处理及时准确 监控保护安全可靠 整体外观精致大 方 该试验台可以快速准确的对i g b t 逆变器 g t o 逆变器和s c r 整流器进行特 性测试和故障诊断 测试台系统结构如图2 3 所示 陲 3 8 0 v a c 图2 38 k 辅电源能流循环实验台系统结构图 f i g2 3s t r u c t u r eo fp o w e r l o o p i n gt 骼t m gs y s t e mf o r8 ke l e c t r i cl o c o m o t i v ea u x i l i a r yp o w e r 8 k 机车辅变能流循环系统的基本工作原理如下 单相a c 3 8 0 v 5 0 h z 输入 经过升压变压器升至单相a c 8 6 0 v 5 0 h z 输出 s c r 整流器将变压器的a c 8 6 0 v 输入整流成d c 5 0 0 v 通过接触器k 3 可以接通整流器电阻负载进行整流器性z 再 匕l f i 测 试 也可通过接触器k 4 接通i g b t g t o 辅助逆变器 试验逆变器的性能 进 行辅助逆变器i n v 性能测试时 通过可调负载测试逆变器的输出功率 又通过 p w m 整流器整流成直流回流到逆变器直流侧 这样在进行逆变器性能测试中无需 损失满功率的能量 通过能流循环系统 只需消耗系统的热损耗即可完成逆变器 系统的满功率试验 实现降噪 节能 可调负载可以采用三个参数相同的电感实现 即在被试逆变器三相输出和 p w m 整流器三相输入之间串进一组电感 被试逆变器输出能量与p w m 整流器输 入能量通过电感实现能量传递 此原理与一个电动机带一个发电机对拖运行原理 相同 电动机和发电机对拖实现负载模拟 实际就是控制发电机的输出电流以控 制电动机的输出功率 从而控制逆变器的输出功率 这个能量传输就是电能 磁场能 机械能 磁场能 电能的过程 这个过程简单来看就是能量在电 磁环节的转换 电机的机械能只作为能量转换的桥梁 整个系统的运行由控制台 进行监控 根据试验要求 控制台发出控制指令同时接受各控制器传递的运行数 据 对其进行分析处理和实时显示 该试验系统具有如下特点 1 由于采用了能量互馈的方式 能量在被测逆变器与p w m 整流器内部流 动 因此整个系统的能量消耗仅仅是逆变器与由p w m 整流器构成的可调负载的 损耗 能量利用率得到大大提高 1 2 2 由于 1 中所述原因 因此采用这种方式可以利用小功率等级的供电 电源来试验大功率等级的传动机组 而不需要对电源进行扩容改造 3 该实验台脱离了传统互馈实验台中两台电机对拖的模式可调负载以电感 实现 利用电感进行能量传递 工作噪声比电机的旋转噪声大幅减少 而且使用 成本降低 可靠性更高 4 采用高性能的控制方式对两套变流机组进行联合调节 能够模拟实际负 载的各种动静态特征和机车的调节特性 并可以对各种控制方法进行对比试验 2 2 新型d j l 辅变系统能流循环试验台 拥有了8 k 电力机车辅助变流器能流循环试验台的开发经验 电力电子研究所 再次承担d j l 重载电力机车辅助变流系统能流循环试验台的开发课题 对比8 k 电力机车与d j l 电力机车的辅助变流系统 主要差别有两个 首先 d j l 机车辅助变流系统交一直 交结构中 中间直流回路被完全集成到模块中 只 用铜排代替 而8 k 机车辅变系统整流器与逆变器是相互独立的 之间的直流回路 通过电缆连接 其次d j l 机车辅变系统的整流环节相对8 k 机车有很大改进 即采 用i g b t 功率器件组成的四象限整流器 p w m 整流器 取代老式的晶闸管半控整 流 极大提高系统性能 针对以上的差别 在8 k 机车辅变系统能流循环试验台改进基础上 初步选出 了三个针对d j l 机车辅变系统自身特点的能流循环试验台测试方案 方案设计的 侧重点在于如何实现三相 单相馈流 2 2 1 能流循环试验台方案对比 1 方案一如图2 4 所示 辅变柜 图2 4d j i 辅变系统能流循环试验台方案一 f i 9 2 4p r o g r a mn o 1o fd j1a u x i l i a r yc o n v e r t e rp o w 盯 l o o p i n gt e s t i n gs y s t e m 1 3 此套方案采用了与8 k 机车辅变系统测试台相同的电路拓扑 即被测辅变柜的 输出接三相电感和三相p w m 整流器后 直接把能量回馈到辅变柜的直流回路中 结构简单 原理易于实现 2 方案二如图2 5 所示 图2 5d j l 辅变系统能流循环试验台方案二 f i 9 2 5p r o g r a mn o 2o fd j 1a u x i l i a r yc o n v e r t e rp o w e r l o o p i n gt e s t i n gs y s t e m 此套方案改变了传统能流循环试验台的设计思维模式 将被测辅助变流柜单 独接在馈流环内部 从三相输出向单相输入馈流 试验台接在被测辅变柜的前面 包括一个三相不控整流器和一个三相逆变器 试验台输出三相电 取其中两相作 为辅变柜输入电压 同时三相电经过隔离变压器和三相电感接到辅变柜三相输出 形成馈流回路 能量在辅助变流柜和三相电感问流动 通过测试台的三相逆变器 以及辅变柜来控制负载的能量流动 3 方案三如图2 6 所示 图2 6d j i 辅变系统能流循环试验台方案三 f i 薛 6p r o g r a mn o 3o f d j la u x i l i a r yc o n v e r t e rp o w e r l o o p i n gt e s t i n gs y s t e m 第三套方案是在第一套方案基础上进行改进的 辅助变流柜输入端从电网取 电 测试台中除了一个三相p w m 整流器外 还接入一个单相并网逆变器 其输出 通过单相电感和隔离变压器直接回馈到电网 这个方案的馈流环直接包括辅变柜 与测试台的所有设备 但是馈流环中的两套设备的结构又是完全对称的 辅变柜 实现交流 三相 直流 交流 单相 测试台实现交流 单相 直流 1 4 交流 三相 能量按照完全对称的变化和传递方式进行循环 三套方案中接入可以完成能流回馈并且通过控制电流达到调节被测辅助变流 器输出功率的系统 这个负载不是传统有功负载 而是相当于一个三相星接的电 感负载 只消耗无功功率 通称为模拟负载 2 2 2 能流循环试验台方案选择 综合考虑三种方案 第一种方案无论在原理与控制上是最容易实现的 但是 应用在d j l 辅助变流系统上却并不实际 因为d j l 辅变系统的模块化设计 硬件 结构本身与8 k 机车辅变系统存在较大差异 直流回路高度集成在模块中 无法从 系统外部直接接入馈流所需的电流回路 正因为d j i 辅变系统自身硬件结构的整 体性与不可控性 无法对辅变系统的工作模式进行控制 第一种方案被排除 方案二完全颠覆了传统意义上能流循环试验台的工作模式 采用创新的拓扑 结构 从控制的复杂性上论证 这种方案中测试台的不控整流器无需进行控制 但是对于三相逆变器 辅变柜中的四象限整流器4 q c 还有三相逆变器p w i 都需要 进行控制 使辅变柜作为一个负载来使用 这样的出发点要求辅变柜必须能按照 既定需要工作 所以必须使用新的控制器代替原有的s i b c o s 但是这样操作的话 就失去了试验台本身对辅变柜进行整体测试的意义 另外这个方案中还存在一个 三相与单相电路的分流问题 这将使测试台中三相逆变器的电流控制变得不对称 且格外复杂 不适宜马上应用到实际工程中 方案三是在方案一的原理上进行改进而成 无论从工程经验还是控制原理上 都有比较大的优势 方案中测试台的三相p w m 整流器 p w m 和单相并网逆变 器 p c i 均按照d j l 辅助变流系统的三相逆变器p w i 与四象限整流器4 q c 的硬 件结构相同 工作的原理上也相对简单 即将辅变系统能量的流动方式按照完全 反向的流动方式回馈到电网 这样既避免了方案一中无直流回路可回馈能量的尴 尬 又没有方案二中控制的不对称性 复杂性与低可操作性 由于有了8 k 机车辅 变能流循环试验台的前期工程经验 三相p w m 整流器的控制不存在问题 唯一需 要考虑的就是将原先回馈的直流电流再通过并网逆变器p c i 变为交流能量送回电 网然后再提供给系统使用 p c i 虽称为并网逆变器 其实也是一个p w m 整流器 只不过由于电流从直流侧流向交流测 所以是工作于逆变状态 当然 不可否认 这个方案的难度所在 即由于被控功率单元的数量增加而导致的系统抗干扰性能 下降 而且存在环流问题需要解决 尽管也存在缺点 但是方案三无疑是最适合现阶段的工程实际以及最适合被 测系统实际工况的方案 所以论文选择了第三种方案 1 5 2 3 本章总结 本章重点叙述能流循环试验台原理 将其与传统试验台进行对比 体现其优 势所在 再介绍8 k 机车辅助变流器能流循环