城市軌道交通車(chē)輛用輔助電源系統分析

在城市軌道交通車(chē)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(chēng)靜止逆變器） 變換輸出380VAC,給列車(chē)上的輔助設備供電。

　　城市軌道交通車(chē)輛一般采用兩種型號車(chē)輛,對于兩種車(chē)輛,逆變器的工作形式不同:A型車(chē)為拖車(chē),其逆變器一路供給列車(chē)照明和風(fēng)機電機;另一路輸出 110VDC 控制電源,同時(shí)兼向蓄電池充電;B/C 型車(chē)為動(dòng)車(chē),其逆變器輸出 380VAC 分別向列車(chē)的空調機組和空氣壓縮機供電。

　　以下,就城市軌道交通車(chē)輛的輔助電路系統進(jìn)行分析介紹。

1 輔助逆變器電路結構

　　城市軌道交通車(chē)輛中的輔助逆變器電路常見(jiàn)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(xiàn)和廣州一號線(xiàn)地鐵車(chē)輛;Bombardier 公司采用DC ― AC 形式,應用于長(cháng)春生產(chǎn)的車(chē)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(wǎng)壓的場(chǎng)合;降壓斬波的系統應用在網(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定,當負載變化或電壓波動(dòng)時(shí),保證斬波器有穩定的輸出電壓。

　　目前, 以GTO 、IGBT為代表的開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率足以滿(mǎn)足在網(wǎng)壓波動(dòng)范圍內,用PWM 調制實(shí)現逆變器穩定輸出, 且滿(mǎn)負荷運行,因此現在生產(chǎn)的車(chē)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(chē)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(lián)形式。例如上海一號線(xiàn)直流地鐵車(chē)輛使用單臺逆變器形式,上海二號線(xiàn)地鐵車(chē)輛使用兩臺逆變器串聯(lián)形式。

　　2.1 單臺逆變器形式

　　對于網(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。這種形式結構簡(jiǎn)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?xún)?是目前普遍采用的形式。

　　2.2 兩臺逆變器串聯(lián)形式

　　有兩種方案:一為兩臺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;二為控制兩臺逆變器輸出電壓的相位差,當它們經(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(chǎn)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(xiàn)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(chē)上的各種信號,寄存過(guò)程參數實(shí)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(shí)時(shí)間及工作過(guò)程。

　　快速保護和控制功能包（F-PAC）- 控制逆變器工作過(guò)程,寄存過(guò)程參數中實(shí)際值的模擬量,實(shí)現逆變器快速保護。

3 應用及發(fā)展

　　武漢輕軌一號線(xiàn)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(chē)上的空氣壓縮機、空調、照明和電熱器等使用,并對蓄電池進(jìn)行充電,每列車(chē)配備兩組輔助電源逆變器, 容量為140KVA。

　　上海地鐵二號線(xiàn)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(chē)的每節車(chē)均設一個(gè)輔助逆變器,容量為 90KVA。A 車(chē)的逆變器供電給列車(chē)一半的照明和風(fēng)機電機,同時(shí)提供 DC110V 電源,B、C 車(chē)上的逆變器分別向列車(chē)一半的空調機組供電。

　　地鐵車(chē)輛大都采用兩動(dòng)一拖（3節車(chē)輛）構成一個(gè)單元,由兩個(gè)單元構成一列車(chē),每節車(chē)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(chē)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(chǎn)的地鐵車(chē)輛,改為一個(gè)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(chǎn)的地鐵車(chē)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 2 5 0 K V A , 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(fā),常選用分散供電方案。