淺析城市軌道交通車輛用輔助電源系統(tǒng)
發(fā)布時(shí)間：2022-02-17 05:09:30 來(lái)源：上海華千電氣有限公司
摘要：城市軌道交通車輛一般采用直流供電，通過(guò)車輛上的輔助電源系統(tǒng)為車輛輔助設(shè)備供電，本文就城市軌道交通車輛輔助逆變器的電路結(jié)構(gòu)、形式及輔助電源系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析介紹，并指出了城市軌道交通車輛用輔助電源系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展。
關(guān)鍵詞：輔助逆變器；PWM調(diào)制；隔離變壓器；斬波；控制電源
在城市軌道交通車輛中，通常是從電網(wǎng)獲取直流電壓(一般為1500VDC和750VDC)，經(jīng)由輔助逆變器(也稱靜止逆變器)變換輸出380VAC，給列車上的輔助設(shè)備供電。
城市軌道交通車輛一般采用兩種型號(hào)車輛，對(duì)于兩種車輛，逆變器的工作形式不同:A型車為拖車，其逆變器一路供給列車照明和風(fēng)機(jī)電機(jī);另一路輸出110VDC控制電源，同時(shí)兼向蓄電池充電;B/C型車為動(dòng)車，其逆變器輸出380VAC分別向列車的空調(diào)機(jī)組和空氣壓縮機(jī)供電。
以下，就城市軌道交通車輛的輔助電路系統(tǒng)進(jìn)行分析介紹。
1輔助逆變器電路結(jié)構(gòu)
城市軌道交通車輛中的輔助逆變器電路常見有兩種形式:一種采用直接逆變方式(DC－AC)，如圖1所示;另一種采用先斬波(升/降壓斬波)后逆變方式(DC－DC－AC)，如圖2所示。Siemens公司采用DC—DC—AC形式，如上海一、二線和廣州一號(hào)線地鐵車輛;Bombardier公司采用DC—AC形式，應(yīng)用于長(zhǎng)春生產(chǎn)的車輛中。
其中DC—DC—AC方式升/降壓斬波中，升壓斬波的系統(tǒng)應(yīng)用在DC750V供電網(wǎng)壓的場(chǎng)合;降壓斬波的系統(tǒng)應(yīng)用在網(wǎng)壓為DCl500V的場(chǎng)合。采用升/降壓斬波的目的都是為了使逆變器的輸入電壓穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載變化或電壓波動(dòng)時(shí)，保證斬波器有穩(wěn)定的輸出電壓。
目前，以GTO、IGBT為代表的開關(guān)器件的開關(guān)頻率足以滿足在網(wǎng)壓波動(dòng)范圍內(nèi)，用PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)逆變器穩(wěn)定輸出，且滿負(fù)荷運(yùn)行，因此現(xiàn)在生產(chǎn)的車輛常采用直接逆變的方式。
2輔助逆變器形式
目前我國(guó)城市軌道交通車輛使用的輔助逆變器有兩種形式:一種為單臺(tái)逆變器形式，另一種為兩臺(tái)逆變器串聯(lián)形式。例如上海一號(hào)線直流地鐵車輛使用單臺(tái)逆變器形式，上海二號(hào)線地鐵車輛使用兩臺(tái)逆變器串聯(lián)形式。
2.1單臺(tái)逆變器形式
對(duì)于網(wǎng)壓1500V，容量約200kVA左右的輔助逆變器一般使用3300V／400A的IGBT元件。這種形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，逆變器用PWM調(diào)制可使輸出電壓的諧波含量在限制值以內(nèi)，是目前普遍采用的形式。
2.2兩臺(tái)逆變器串聯(lián)形式
有兩種方案:一為兩臺(tái)逆變器輸出至隔離變壓器，通過(guò)隔離變壓器的電路疊加，或磁路疊加，然后經(jīng)濾波輸出，這種方案的優(yōu)點(diǎn)是逆變器可以用低電壓的IGBT元件;二為控制兩臺(tái)逆變器輸出電壓的相位差，當(dāng)它們經(jīng)過(guò)變壓器的電路疊加或磁路疊加后，使變壓器輸出電壓的諧波減少，這樣對(duì)輸出濾波器的要求可以降低，即可以減小濾波器的體積和質(zhì)量。
需指出的是，這種電路較為復(fù)雜，尤其是變壓器，用電路疊加的變壓器，其副邊繞組較為復(fù)雜。用磁路疊加的變壓器，磁路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。另一方面，這種電路的產(chǎn)生是在早期IGBT元件水平不太高的情況下出現(xiàn)的。因此已基本不再采用該形式。
2.3輔助電源系統(tǒng)
以上海地鐵一號(hào)線為例，其靜止逆變器原理框圖如圖3所示。DCl500V電源經(jīng)L-C濾波器后由GTO斬波器進(jìn)行斬波調(diào)壓至770V，再經(jīng)過(guò)中間濾波器送入六脈沖GTO逆變器，其輸出經(jīng)隔離變壓器后成為AC380V。在隔離變壓器次邊還設(shè)有一組抽頭，其輸出交流電壓經(jīng)整流后提供DC110V電源。
控制單元的核心是微處理器，包括四個(gè)功能包:
電源功能包(P-PAC)-提供控制電源及斬波、逆變器的脈沖。
通信功能包(C-PAC)-傳輸逆變器及列車上的各種信號(hào)，寄存過(guò)程參數(shù)實(shí)際值。
接口功能包(I-PAC)-確定參數(shù)所需值，監(jiān)控逆變器電壓、電流、溫度、延時(shí)時(shí)間及工作過(guò)程。
快速保護(hù)和控制功能包(F-PAC)-控制逆變器工作過(guò)程，寄存過(guò)程參數(shù)中實(shí)際值的模擬量，實(shí)現(xiàn)逆變器快速保護(hù)。
3應(yīng)用及發(fā)展
武漢輕軌一號(hào)線上，輔助電源系統(tǒng)采用IGBT模塊(1700V/1200A)構(gòu)成靜止逆變器，輸出穩(wěn)定的三相AC380V電源、DC110V和DC24V電源，供列車上的空氣壓縮機(jī)、空調(diào)、照明和電熱器等使用，并對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，每列車配備兩組輔助電源逆變器，容量為140KVA。
上海地鐵二號(hào)線的輔助電源系統(tǒng)采用由IGBT模塊(3300V/1200A)構(gòu)成的靜止逆變器，輸出AC380V電源。列車的每節(jié)車均設(shè)一個(gè)輔助逆變器，容量為90KVA。A車的逆變器供電給列車一半的照明和風(fēng)機(jī)電機(jī)，同時(shí)提供DC110V電源，B、C車上的逆變器分別向列車一半的空調(diào)機(jī)組供電。
地鐵車輛大都采用兩動(dòng)一拖(3節(jié)車輛)構(gòu)成一個(gè)單元，由兩個(gè)單元構(gòu)成一列車，每節(jié)車輛均配備一臺(tái)靜止逆變器，每單元共用一臺(tái)DC110V的控制電源。每節(jié)車輛的輔助逆變器的容量為75￣80KVA，DC110V控制電源功率約為25KW。法國(guó)ALSTON生產(chǎn)的地鐵車輛，改為一個(gè)單元中配2臺(tái)靜止輔助逆變器，每臺(tái)容量為120KVA，每臺(tái)含DC110V控制電源，功率為12KW。最近國(guó)外生產(chǎn)的地鐵車輛采用集中控制，在6節(jié)編組中，每單元只配一臺(tái)靜止輔助逆變器，容量約為250KVA，直流110V控制電源一臺(tái)，約25KW。
目前世界上在地鐵與輕軌輔助系統(tǒng)中大都采用絕緣柵雙極型晶體管IGBT(或IPM)模塊構(gòu)成。為了人身安全，低壓系統(tǒng)及控制電源與高壓系統(tǒng)在電位上采用變壓器隔離，現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外都采用直—直變換及高頻變壓器隔離這一方案。從冗余度與軸重均衡出發(fā)，常選用分散供電方案。
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