200km_h交流传动客运电力机车辅助变流柜
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控制系统采用数字控制技术通过FIP 网络与外设 进 行 数 据 交 换 ，实 现 辅 助 系 统 的 系 统 控 制 、状 态 检 测 和故障信息的存储传输。
—1—
机车电传动
2010 年
辅助变流器具有完善的电气保护和防火保护功 能：各功率模块具有过流、过压、接地、散热器过热等 保护功能；各辅助负载具有过载和短路保护功能；电 气线路具有防火保护功能，一旦发生线路过热或火灾 能够自动采取措施切断机车电源，并通知司乘人员进 行故障处理。
—2—
图 2 充电机电气原理图
第4期
孙 杰，徐玉峰，王传芳：2 0 0 k m / h 交流传动客运电力机车辅助变流柜
DC110 V负载和为蓄电池充电。 2.3 主要技术参数
①四象限整流器
额定输入电压
AC 340 V
容量
2×160 kVA
波动范围
-24% ～ +24%
短时波动范围
-30% ～ +24%
检测保护电路用于完成输入电压和输出电压的检 测、显示、浪涌抑制及电路保护，布置在同一区域便于 检测和维护；功率模块分 2 列对称布置，可以使模块达 到最佳的散热效果；各种负载断路器、接触器布置在 低压控制区便于人员操控。
图 3 辅助变流柜前部（移去面板）
图 4 辅助变流柜后部（移去过滤网）
辅助变流柜冷却系统为独立风道结构，采取从柜 体 后 部 吸 风 、柜 体 下 排 风 的 强 迫 通 风 冷 却 方 式 ，且 在 吸风处设有除尘设施，主要为辅助变流柜中的功率模 块和功率器件提供冷却。柜中具有 2 组结构相同的冷却 通风系统。 3.2 技术特点
0 引言
200 km/h 机车的辅助变流柜是在消化吸收HXD2交 流传动机车辅助变流柜的设计和制造技术的基础上结 合200 km/h 速度等级电力机车的技术特点和性能要求 进行的再创新项目。
1 200 km/h 机车辅助变流柜的特点
200 km/h机车的辅助变流柜主要由辅助电源、充电 机 、辅 助 负 载 和 相 应 的 控 制 电 路 等 组 成 ，除 辅 助 负 载 之 外 ，其 余 部 分 都 被 设 计 集 成 安 装 在 辅 助 变 流 柜 中 。 辅助电源包括AC 380 V 电源和单相AC 220 V 电源。辅 助负载有3种：三相交流380 V负载，单相交流220 V负 载，直流110 V负载。
摘
要 ：详细介绍了 200 km/h 交流传动客运电力机车辅助变流柜的电气原理、技术特点、性能
作者简介：孙 杰（1977-）， 男，高级工程师，主要从事
参数和结构组成。该辅助变流柜用于200 km/h速度等级电力机车的电传动系统，采用数字控制模式及 电 力 机 车 电 传 动 设 计 工器、充电机、低压控制和网络传输于一体，现已通过型式试验，
辅助变流器采用AC-DC-AC 的变换模式实现电源 的变换输出，其输入电源取自牵引变压器的辅助绕组
收稿日期：20 10 - 0 1 - 1 2
AC 340 V。每台辅助变流柜有2 组辅助变流装置，分为 2 组变流模式，一组为变频变压型（VVVF），一组为定频 定压型（CVCF），互为冗余，当其中任意一组故障时，另 一组为所有的辅助负载提供电源，以确保机车能够满 功率运行。
2010 年第 4 期 2010 年 7 月 10 日
机车电传动 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES
№ 4, 2010 July 10, 2010
研
200 km/h 交流传动客运
究
电力机车辅助变流柜
开
孙 杰，徐玉峰，王传芳
发
（大同电力机车有限责任公司 技术中心，山西 大同 037038）
SUN Jie, XU Yu-feng, WANG Chuan-fang
(Technical Center, NCR Datong Electric Locomotive Co., Ltd., Datong, Shanxi 037038, China)
Abstract: This paper introduced the electrical theory, technical characteristics, performance parameters and structure of the auxiliary converter cabinet of 200 km/h AC drive passenger electric locomotive. This kind of auxiliary converter cabinet was applied to the traction system of 200 km/h electric locomotive, which adopted digital control mode and the modular structure design concept. The auxiliary converter integrated the auxiliary converter, charger, low voltage control, and network transmission into one, which has passed type test and achieve the load operation requirement.
Key words: AC drive; 200 km/h AC drive passenger electric locomotive; auxiliary converter cabinet; technical characteristic; performance paramter; modular structure
-5% ～ +5%
三相对称时，三相基波电压有效值相差最大
不超过 5 %
电压上升斜率
du/dt ≤1 000 V/μs
最大尖峰电压（负载电机输入端） Upk≤2 000 V ④逆变器输出电抗器
额定电感 额定电流 ⑤充电机模块
2×（3×0.5 mH） 120 A
额定输入电压 额定功率 额定输出电压（25 ℃） 额定输出电流 逆变输出参数
在 正 常 工 况 下 ，故 障 切 换 接 触 器 不 吸 合 ，输 出 接 触器吸合，2 组逆变器同时工作为整车的辅助负载提供
电 源 。在 故 障 情 况 下 ，故 障 逆变器的输出接触器不吸 合，另一个输出接触器和故 障切换接触器吸合，此时由 一组逆变器为整车辅助负 载提供电源。
蓄电池充电机的电气原 理如图 2 所示，其输入来自 辅助变流器的中间直流环 节，通过相应的控制将 D C 600 V逆变为交流电源，开关 频率为10 kHz，通过高频变 压器隔离变压，再经过全波 整流电路和滤波电路输出 DC 110 V电源，提供给整车上
DC 600（1±5%）V 10 kW 108 V
ILS=92 A
高频变压器一次侧额定电压（有效值） 214 V
工作频率
10（1±5%）kHz
⑥整机额定效率
>90 %
⑦冷却方式
热管冷却，独立风道，强迫风冷
3 辅助变流柜布置
3.1 概述
该 辅 助 变 流 柜 是 由 输 入 电 路 、四 象 限 整 流 电 路 、 中间直流环节、三相逆变电路、充电机电路、控制单元 和冷却风机几部分组成。辅助变流柜的结构示意图见 图 3、图 4。
辅助变流柜从电气原理上说，采用AC-DC-AC 变 换方式。从结构功能上说，采用整体集成技术，将辅助 变流器、蓄电池充电机和输出辅机控制低压电器集成 在一起。
采用模块化的结构设计和电气原理设计思路，提 高了系统的稳定性和可维护性，体现了设计的先进性。 整个柜内具有8 组不同功能的电器模块，2 组冷却风机 单元和1 组冷却风扇。
图 1 辅助电源电气原理图
用于减少对支撑电容的电流冲击，快速熔断器是当主 电路发生短路故障时保护前端供电部件防止故障进一 步 扩 大 ，浪 涌 抑 制 器 用 来 抑 制 输 入 的 过 电 压 ，保 护 四 象限整流模块）。四象限整流模块将输入的AC 340 V整 流为DC 600 V，为三相逆变模块和蓄电池充电机模块 提供电源。接地检测用于检测辅助绕组、辅助电机、中 间直流环节的接地故障。高压指示用于指示中间直流 环节的电压，防止在中间直流环节电压高于50 V 时接 触带电部分造成触电事故。三相逆变模块将DC 600 V 逆变为三相AC 380 V 为辅助三相负载提供电源。输出 电抗器抑制电源输出的dv/dt 和短路电流，输出电流传 感器用来测量变流器的输出电流。
蓄电池充电机的电气原理如图所示其输入来自辅助变流器的中间直流环节通过相应的控制将dc600逆变为交流电源开关频率为10khz通过高频变压器隔离变压再经过全波整流电路和滤波电路输出dc110主要技术参数四象限整流器额定输入电压ac340160kva波动范围24短时波动范围24频率hz牵引变压器相应辅助绕组短路阻抗4额定输出电压dc600输出电压范围dc600储能电抗器额定电感073mh额定电流720三相逆变器容量150kva基波电压有效值hz电压波动范围5三相对称时三相基波电压有效值相差最大不超过电压上升斜率dudt逆变器输出电抗器额定电感05mh额定电流120充电机模块额定输入电压dc600额定功率10kw额定输出电压25ls92逆变输出参数高频变压器一次侧额定电压有效值214工作频率10khz整机额定效率90冷却方式热管冷却独立风道强迫风冷概述该辅助变流柜是由输入电路四象限整流电路中间直流环节三相逆变电路充电机电路控制单元和冷却风机几部分组成
图1 为辅助电源电气原理图。200 km/h 电力机车每 台（节）机车的辅助电源由2 组辅助变流器、1 组充电机 电路和1组AC 220 V电路组成。其中辅助变流器一组为 定 频 输 出 ，另 一 组 为 变 频 输 出 。定 频 输 出 为 泵 类 等 不 需要变频功能的负载供电，输出为AC 380 V/50 Hz。变 频输出为风机类需要变频功能的负载供电。3 种输出方
达到装车运行要求。
关键词：交流传动 ；200 km/h 客运电力机车； 辅助变流柜；技术特点；性能参数；模块化结构 中图分类号：U264.3+7；U264.2+23 文献标识码 ：A 文章编号：1000-128X(2010)04-0001-04
Auxiliary Converter Cabinet of 200 km/h AC Drive Passenger Electric Locomotive
其中AC 380 V 电路主要包括辅助变流器、风机类 负载、泵类负载、接触器等。AC 220 V电路主要包括380 V/220 V变压器、滤波电容、生活设施和窗加热设备等。 DC 600 V电路主要包括相控整流电路、滤波电抗器和滤 波电容器等。蓄电池充电电路主要包括单相逆变模块、 高频变压器和半桥整流模块等。蓄电池充电机主电路图 见图 2。
2 辅助变流柜主电路
200 km/h 机车辅助变流柜主电路主要由辅助变流 器供电电路、中间直流环节、三相负载电路、单相负载 电路和库内动车辅助电路组成。辅助变流器的输入由 牵引变压器的辅助绕组提供，库内动车辅助电路输入 通过380 V 三相插座引入，将库用接触器吸合后可由库 内电源供电。 2.1 电路组成
式为AC 380 V/50 Hz、AC 210 V/40 Hz和AC 190 V/25 Hz。2组变流器在 电 路 和 器 件 参 数 上 完 全 相 同 ，主 要 由 输 入 电 路 、中 间 直 流 环 节 和 输出电路组成。 2.2 原理说明
牵引变压器辅助绕组A C 340 V 作为辅助变流器的输入，经 快 速 熔 断 器 、预 充 电 接 触 器 或 输 入接触器和电流传感器送入四象 限 整 流 模 块（ 其 中 预 充 电 电 路 是
采用全数字控制技术、网络通信技术实现了 1 6 0 kVA 等级四象限整流器、150 kVA 等级三相逆变器、10 kW 等级充电机的控制和通信。
采用成熟可靠的FIP 网络传输技术，实现与外部设 备的通信。
辅助变流器、充电机和网络通信均具有冗余功能， 以确保在故障的情况下，机车仍然能够满功率运行。
充电机具有恒流充电、恒压充电和蓄电池温度补 偿功能，能够根据蓄电池充电时的温度特性进行充电 电压调整，以确保蓄电池的性能发挥和使用寿命。
频率
（50 ±1）Hz
牵引变压器相应辅助绕组短路阻抗
<4%
额定输出电压
DC 600 V
输出电压范围
DC600（1±5%）V
②储能电抗器
额定电感（I=720 A） 额定电流 ③三相逆变器
2×0.73 mH 720 A
容量
2×150 kVA
基波电压有效值
3×380 V
基波电压频率
（50 ±1）Hz
电压波动范围
充电机采用DC-AC-DC 的变换模式，输入电路取 自辅助变流器的中间直流环节。充电机具有快速充电 和浮充电及蓄电池温度补偿功能，能够根据蓄电池的 温度变化调节充电电流，使蓄电池的性能和使用寿命 达到最佳。每台辅助变流柜具有2 台充电机，工作时只 启动其中一台为蓄电池充电和为DC 110 V 负载提供电 源，2 台充电机互为冗余，任一台充电机故障时，由另 一台充电机为蓄电池充电和为整车的DC 110 V 负载提 供电源。
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机车电传动
2010 年
辅助变流器具有完善的电气保护和防火保护功 能：各功率模块具有过流、过压、接地、散热器过热等 保护功能；各辅助负载具有过载和短路保护功能；电 气线路具有防火保护功能，一旦发生线路过热或火灾 能够自动采取措施切断机车电源，并通知司乘人员进 行故障处理。
—2—
图 2 充电机电气原理图
第4期
孙 杰，徐玉峰，王传芳：2 0 0 k m / h 交流传动客运电力机车辅助变流柜
DC110 V负载和为蓄电池充电。 2.3 主要技术参数
①四象限整流器
额定输入电压
AC 340 V
容量
2×160 kVA
波动范围
-24% ～ +24%
短时波动范围
-30% ～ +24%
检测保护电路用于完成输入电压和输出电压的检 测、显示、浪涌抑制及电路保护，布置在同一区域便于 检测和维护；功率模块分 2 列对称布置，可以使模块达 到最佳的散热效果；各种负载断路器、接触器布置在 低压控制区便于人员操控。
图 3 辅助变流柜前部（移去面板）
图 4 辅助变流柜后部（移去过滤网）
辅助变流柜冷却系统为独立风道结构，采取从柜 体 后 部 吸 风 、柜 体 下 排 风 的 强 迫 通 风 冷 却 方 式 ，且 在 吸风处设有除尘设施，主要为辅助变流柜中的功率模 块和功率器件提供冷却。柜中具有 2 组结构相同的冷却 通风系统。 3.2 技术特点
0 引言
200 km/h 机车的辅助变流柜是在消化吸收HXD2交 流传动机车辅助变流柜的设计和制造技术的基础上结 合200 km/h 速度等级电力机车的技术特点和性能要求 进行的再创新项目。
1 200 km/h 机车辅助变流柜的特点
200 km/h机车的辅助变流柜主要由辅助电源、充电 机 、辅 助 负 载 和 相 应 的 控 制 电 路 等 组 成 ，除 辅 助 负 载 之 外 ，其 余 部 分 都 被 设 计 集 成 安 装 在 辅 助 变 流 柜 中 。 辅助电源包括AC 380 V 电源和单相AC 220 V 电源。辅 助负载有3种：三相交流380 V负载，单相交流220 V负 载，直流110 V负载。
摘
要 ：详细介绍了 200 km/h 交流传动客运电力机车辅助变流柜的电气原理、技术特点、性能
作者简介：孙 杰（1977-）， 男，高级工程师，主要从事
参数和结构组成。该辅助变流柜用于200 km/h速度等级电力机车的电传动系统，采用数字控制模式及 电 力 机 车 电 传 动 设 计 工器、充电机、低压控制和网络传输于一体，现已通过型式试验，
辅助变流器采用AC-DC-AC 的变换模式实现电源 的变换输出，其输入电源取自牵引变压器的辅助绕组
收稿日期：20 10 - 0 1 - 1 2
AC 340 V。每台辅助变流柜有2 组辅助变流装置，分为 2 组变流模式，一组为变频变压型（VVVF），一组为定频 定压型（CVCF），互为冗余，当其中任意一组故障时，另 一组为所有的辅助负载提供电源，以确保机车能够满 功率运行。
2010 年第 4 期 2010 年 7 月 10 日
机车电传动 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES
№ 4, 2010 July 10, 2010
研
200 km/h 交流传动客运
究
电力机车辅助变流柜
开
孙 杰，徐玉峰，王传芳
发
（大同电力机车有限责任公司 技术中心，山西 大同 037038）
SUN Jie, XU Yu-feng, WANG Chuan-fang
(Technical Center, NCR Datong Electric Locomotive Co., Ltd., Datong, Shanxi 037038, China)
Abstract: This paper introduced the electrical theory, technical characteristics, performance parameters and structure of the auxiliary converter cabinet of 200 km/h AC drive passenger electric locomotive. This kind of auxiliary converter cabinet was applied to the traction system of 200 km/h electric locomotive, which adopted digital control mode and the modular structure design concept. The auxiliary converter integrated the auxiliary converter, charger, low voltage control, and network transmission into one, which has passed type test and achieve the load operation requirement.
Key words: AC drive; 200 km/h AC drive passenger electric locomotive; auxiliary converter cabinet; technical characteristic; performance paramter; modular structure
-5% ～ +5%
三相对称时，三相基波电压有效值相差最大
不超过 5 %
电压上升斜率
du/dt ≤1 000 V/μs
最大尖峰电压（负载电机输入端） Upk≤2 000 V ④逆变器输出电抗器
额定电感 额定电流 ⑤充电机模块
2×（3×0.5 mH） 120 A
额定输入电压 额定功率 额定输出电压（25 ℃） 额定输出电流 逆变输出参数
在 正 常 工 况 下 ，故 障 切 换 接 触 器 不 吸 合 ，输 出 接 触器吸合，2 组逆变器同时工作为整车的辅助负载提供
电 源 。在 故 障 情 况 下 ，故 障 逆变器的输出接触器不吸 合，另一个输出接触器和故 障切换接触器吸合，此时由 一组逆变器为整车辅助负 载提供电源。
蓄电池充电机的电气原 理如图 2 所示，其输入来自 辅助变流器的中间直流环 节，通过相应的控制将 D C 600 V逆变为交流电源，开关 频率为10 kHz，通过高频变 压器隔离变压，再经过全波 整流电路和滤波电路输出 DC 110 V电源，提供给整车上
DC 600（1±5%）V 10 kW 108 V
ILS=92 A
高频变压器一次侧额定电压（有效值） 214 V
工作频率
10（1±5%）kHz
⑥整机额定效率
>90 %
⑦冷却方式
热管冷却，独立风道，强迫风冷
3 辅助变流柜布置
3.1 概述
该 辅 助 变 流 柜 是 由 输 入 电 路 、四 象 限 整 流 电 路 、 中间直流环节、三相逆变电路、充电机电路、控制单元 和冷却风机几部分组成。辅助变流柜的结构示意图见 图 3、图 4。
辅助变流柜从电气原理上说，采用AC-DC-AC 变 换方式。从结构功能上说，采用整体集成技术，将辅助 变流器、蓄电池充电机和输出辅机控制低压电器集成 在一起。
采用模块化的结构设计和电气原理设计思路，提 高了系统的稳定性和可维护性，体现了设计的先进性。 整个柜内具有8 组不同功能的电器模块，2 组冷却风机 单元和1 组冷却风扇。
图 1 辅助电源电气原理图
用于减少对支撑电容的电流冲击，快速熔断器是当主 电路发生短路故障时保护前端供电部件防止故障进一 步 扩 大 ，浪 涌 抑 制 器 用 来 抑 制 输 入 的 过 电 压 ，保 护 四 象限整流模块）。四象限整流模块将输入的AC 340 V整 流为DC 600 V，为三相逆变模块和蓄电池充电机模块 提供电源。接地检测用于检测辅助绕组、辅助电机、中 间直流环节的接地故障。高压指示用于指示中间直流 环节的电压，防止在中间直流环节电压高于50 V 时接 触带电部分造成触电事故。三相逆变模块将DC 600 V 逆变为三相AC 380 V 为辅助三相负载提供电源。输出 电抗器抑制电源输出的dv/dt 和短路电流，输出电流传 感器用来测量变流器的输出电流。
蓄电池充电机的电气原理如图所示其输入来自辅助变流器的中间直流环节通过相应的控制将dc600逆变为交流电源开关频率为10khz通过高频变压器隔离变压再经过全波整流电路和滤波电路输出dc110主要技术参数四象限整流器额定输入电压ac340160kva波动范围24短时波动范围24频率hz牵引变压器相应辅助绕组短路阻抗4额定输出电压dc600输出电压范围dc600储能电抗器额定电感073mh额定电流720三相逆变器容量150kva基波电压有效值hz电压波动范围5三相对称时三相基波电压有效值相差最大不超过电压上升斜率dudt逆变器输出电抗器额定电感05mh额定电流120充电机模块额定输入电压dc600额定功率10kw额定输出电压25ls92逆变输出参数高频变压器一次侧额定电压有效值214工作频率10khz整机额定效率90冷却方式热管冷却独立风道强迫风冷概述该辅助变流柜是由输入电路四象限整流电路中间直流环节三相逆变电路充电机电路控制单元和冷却风机几部分组成
图1 为辅助电源电气原理图。200 km/h 电力机车每 台（节）机车的辅助电源由2 组辅助变流器、1 组充电机 电路和1组AC 220 V电路组成。其中辅助变流器一组为 定 频 输 出 ，另 一 组 为 变 频 输 出 。定 频 输 出 为 泵 类 等 不 需要变频功能的负载供电，输出为AC 380 V/50 Hz。变 频输出为风机类需要变频功能的负载供电。3 种输出方
达到装车运行要求。
关键词：交流传动 ；200 km/h 客运电力机车； 辅助变流柜；技术特点；性能参数；模块化结构 中图分类号：U264.3+7；U264.2+23 文献标识码 ：A 文章编号：1000-128X(2010)04-0001-04
Auxiliary Converter Cabinet of 200 km/h AC Drive Passenger Electric Locomotive
其中AC 380 V 电路主要包括辅助变流器、风机类 负载、泵类负载、接触器等。AC 220 V电路主要包括380 V/220 V变压器、滤波电容、生活设施和窗加热设备等。 DC 600 V电路主要包括相控整流电路、滤波电抗器和滤 波电容器等。蓄电池充电电路主要包括单相逆变模块、 高频变压器和半桥整流模块等。蓄电池充电机主电路图 见图 2。
2 辅助变流柜主电路
200 km/h 机车辅助变流柜主电路主要由辅助变流 器供电电路、中间直流环节、三相负载电路、单相负载 电路和库内动车辅助电路组成。辅助变流器的输入由 牵引变压器的辅助绕组提供，库内动车辅助电路输入 通过380 V 三相插座引入，将库用接触器吸合后可由库 内电源供电。 2.1 电路组成
式为AC 380 V/50 Hz、AC 210 V/40 Hz和AC 190 V/25 Hz。2组变流器在 电 路 和 器 件 参 数 上 完 全 相 同 ，主 要 由 输 入 电 路 、中 间 直 流 环 节 和 输出电路组成。 2.2 原理说明
牵引变压器辅助绕组A C 340 V 作为辅助变流器的输入，经 快 速 熔 断 器 、预 充 电 接 触 器 或 输 入接触器和电流传感器送入四象 限 整 流 模 块（ 其 中 预 充 电 电 路 是
采用全数字控制技术、网络通信技术实现了 1 6 0 kVA 等级四象限整流器、150 kVA 等级三相逆变器、10 kW 等级充电机的控制和通信。
采用成熟可靠的FIP 网络传输技术，实现与外部设 备的通信。
辅助变流器、充电机和网络通信均具有冗余功能， 以确保在故障的情况下，机车仍然能够满功率运行。
充电机具有恒流充电、恒压充电和蓄电池温度补 偿功能，能够根据蓄电池充电时的温度特性进行充电 电压调整，以确保蓄电池的性能发挥和使用寿命。
频率
（50 ±1）Hz
牵引变压器相应辅助绕组短路阻抗
<4%
额定输出电压
DC 600 V
输出电压范围
DC600（1±5%）V
②储能电抗器
额定电感（I=720 A） 额定电流 ③三相逆变器
2×0.73 mH 720 A
容量
2×150 kVA
基波电压有效值
3×380 V
基波电压频率
（50 ±1）Hz
电压波动范围
充电机采用DC-AC-DC 的变换模式，输入电路取 自辅助变流器的中间直流环节。充电机具有快速充电 和浮充电及蓄电池温度补偿功能，能够根据蓄电池的 温度变化调节充电电流，使蓄电池的性能和使用寿命 达到最佳。每台辅助变流柜具有2 台充电机，工作时只 启动其中一台为蓄电池充电和为DC 110 V 负载提供电 源，2 台充电机互为冗余，任一台充电机故障时，由另 一台充电机为蓄电池充电和为整车的DC 110 V 负载提 供电源。