淺析城市軌道交通車輛用輔助電源系統
發布時間：2022-02-17 05:09:30 來源：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，通過車輛上的輔助電源系統為車輛輔助設備供電，本文就城市軌道交通車輛輔助逆變器的電路結構、形式及輔助電源系統進行簡單分析介紹，并指出了城市軌道交通車輛用輔助電源系統的應用及發展。
關鍵詞：輔助逆變器；PWM調制；隔離變壓器；斬波；控制電源
在城市軌道交通車輛中，通常是從電網獲取直流電壓(一般為1500VDC和750VDC)，經由輔助逆變器(也稱靜止逆變器)變換輸出380VAC，給列車上的輔助設備供電。
城市軌道交通車輛一般采用兩種型號車輛，對于兩種車輛，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機電機;另一路輸出110VDC控制電源，同時兼向蓄電池充電;B/C型車為動車，其逆變器輸出380VAC分別向列車的空調機組和空氣壓縮機供電。
以下，就城市軌道交通車輛的輔助電路系統進行分析介紹。
1輔助逆變器電路結構
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、二線和廣州一號線地鐵車輛;Bombardier公司采用DC—AC形式，應用于長春生產的車輛中。
其中DC—DC—AC方式升/降壓斬波中，升壓斬波的系統應用在DC750V供電網壓的場合;降壓斬波的系統應用在網壓為DCl500V的場合。采用升/降壓斬波的目的都是為了使逆變器的輸入電壓穩定，當負載變化或電壓波動時，保證斬波器有穩定的輸出電壓。
目前，以GTO、IGBT為代表的開關器件的開關頻率足以滿足在網壓波動范圍內，用PWM調制實現逆變器穩定輸出，且滿負荷運行，因此現在生產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:一種為單臺逆變器形式，另一種為兩臺逆變器串聯形式。例如上海一號線直流地鐵車輛使用單臺逆變器形式，上海二號線地鐵車輛使用兩臺逆變器串聯形式。
2.1單臺逆變器形式
對于網壓1500V，容量約200kVA左右的輔助逆變器一般使用3300V／400A的IGBT元件。這種形式結構簡單、可靠，逆變器用PWM調制可使輸出電壓的諧波含量在限制值以內，是目前普遍采用的形式。
2.2兩臺逆變器串聯形式
有兩種方案:一為兩臺逆變器輸出至隔離變壓器，通過隔離變壓器的電路疊加，或磁路疊加，然后經濾波輸出，這種方案的優點是逆變器可以用低電壓的IGBT元件;二為控制兩臺逆變器輸出電壓的相位差，當它們經過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量。
需指出的是，這種電路較為復雜，尤其是變壓器，用電路疊加的變壓器，其副邊繞組較為復雜。用磁路疊加的變壓器，磁路設計較為復雜。另一方面，這種電路的產生是在早期IGBT元件水平不太高的情況下出現的。因此已基本不再采用該形式。
2.3輔助電源系統
以上海地鐵一號線為例，其靜止逆變器原理框圖如圖3所示。DCl500V電源經L-C濾波器后由GTO斬波器進行斬波調壓至770V，再經過中間濾波器送入六脈沖GTO逆變器，其輸出經隔離變壓器后成為AC380V。在隔離變壓器次邊還設有一組抽頭，其輸出交流電壓經整流后提供DC110V電源。
控制單元的核心是微處理器，包括四個功能包:
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，寄存過程參數實際值。
接口功能包(I-PAC)-確定參數所需值，監控逆變器電壓、電流、溫度、延時時間及工作過程。
快速保護和控制功能包(F-PAC)-控制逆變器工作過程，寄存過程參數中實際值的模擬量，實現逆變器快速保護。
3應用及發展
武漢輕軌一號線上，輔助電源系統采用IGBT模塊(1700V/1200A)構成靜止逆變器，輸出穩定的三相AC380V電源、DC110V和DC24V電源，供列車上的空氣壓縮機、空調、照明和電熱器等使用，并對蓄電池進行充電，每列車配備兩組輔助電源逆變器，容量為140KVA。
上海地鐵二號線的輔助電源系統采用由IGBT模塊(3300V/1200A)構成的靜止逆變器，輸出AC380V電源。列車的每節車均設一個輔助逆變器，容量為90KVA。A車的逆變器供電給列車一半的照明和風機電機，同時提供DC110V電源，B、C車上的逆變器分別向列車一半的空調機組供電。
地鐵車輛大都采用兩動一拖(3節車輛)構成一個單元，由兩個單元構成一列車，每節車輛均配備一臺靜止逆變器，每單元共用一臺DC110V的控制電源。每節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ALSTON生產的地鐵車輛，改為一個單元中配2臺靜止輔助逆變器，每臺容量為120KVA，每臺含DC110V控制電源，功率為12KW。最近國外生產的地鐵車輛采用集中控制，在6節編組中，每單元只配一臺靜止輔助逆變器，容量約為250KVA，直流110V控制電源一臺，約25KW。
目前世界上在地鐵與輕軌輔助系統中大都采用絕緣柵雙極型晶體管IGBT(或IPM)模塊構成。為了人身安全，低壓系統及控制電源與高壓系統在電位上采用變壓器隔離，現今國內外都采用直—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，常選用分散供電方案。
參考文獻
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