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1、地鐵輔助逆變系統(tǒng)分析王成均(城軌籌備辦公室)摘要輔助逆變系統(tǒng)是地鐵或輕軌車(chē)輛上的一個(gè)必不可少的關(guān)鍵的電氣部分,它可為空調(diào)、 通風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、蓄電池充電器及照明等輔助設(shè)備提供供電電源,其核心部件就是輔助逆 變器。本文主要介紹地鐵車(chē)輛輔助逆變系統(tǒng)的逆變特性、參數(shù)和逆變電路等。并對(duì)PWM信號(hào)線路優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)和電力線路的光電隔離。然后詳細(xì)的分析了六列編組地鐵車(chē)輛 的配變電系統(tǒng),主要配電設(shè)備,配電線路以及配電原理等。目前世界上在地鐵與輕軌輔助 逆變系統(tǒng)中大都采用絕緣柵雙極型晶體管 IGBT(或 IPM)模塊來(lái)構(gòu)成。使用 IGBT元件的輔助逆變器提供低壓輔助電源, 其冷卻方式采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。 蓄電池采

2、 用鎳鎘電池,容量大于 100Ah。關(guān)鍵詞:地鐵車(chē)輛控制系統(tǒng);輔助逆變系統(tǒng); IGBT逆變器; PWM脈寬控制引言隨電力電子器件發(fā)展,輔助逆變系統(tǒng)也經(jīng)歷著不同方案的發(fā)展過(guò)程。由于新一代性能 優(yōu)良的 IGBT器件迅速發(fā)展, 20世紀(jì) 90 年代中后期,歐洲與日本等國(guó)的車(chē)輛輔助逆變系統(tǒng) 大都采用 IGBT來(lái)構(gòu)成,其方案大致有:(1)斬波穩(wěn)壓再逆變,加變壓器降壓隔離;(2)三點(diǎn)式逆變器加變壓器降壓隔離;3)電容分壓兩路逆變,加隔離變壓器構(gòu)成 12 脈沖方案;(4)二點(diǎn)式逆變器加濾波器與變壓器降壓隔離;(5)直直變換與高頻變壓器隔離加逆變的方案。 這些方案各有其特點(diǎn),而且都能滿足地鐵或輕軌車(chē)輛的要求。

3、在目前的方案中,對(duì)DC110V控制電源主要有兩種不同的設(shè)想:(1)通過(guò) 50Hz隔離降壓變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn);(2)獨(dú)立的直直變換器直接接于供電網(wǎng)壓通過(guò)高頻變壓器隔離后再整流并濾波得 到 DC110V控制電源。1 輔助系統(tǒng)的主電路分析輔助逆變器可以產(chǎn)生 400VAC和 230VAC的中壓。 400VAC中壓用于空壓機(jī)、空氣調(diào)節(jié)、 牽引設(shè)備的通風(fēng), 230VAC中壓用于正常照明。 輔助逆變器自帶的變壓器將中壓轉(zhuǎn)換為低壓, 用于車(chē)門(mén)、應(yīng)急照明、旅客緊急通風(fēng)、通訊、控制和數(shù)據(jù)處理等。圖 1 輔助逆變器的工作 原理圖。圖 1 輔助逆變器主電路原理此輔助電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)直流輸出部分為交直交變

4、換, 不受交流輸出的限制和影響, 可以自主的進(jìn)行調(diào)壓, 通過(guò)電池的溫度傳感器進(jìn)行自動(dòng)的溫度補(bǔ)償,并且可以在浮充的情況下通過(guò)調(diào)壓,可以將 蓄電池充滿電。2)模塊化設(shè)計(jì),輔助逆變器為一個(gè)整體,便于安裝布線和維修1.1 IGBT ( IPM)型逆變器原理一個(gè)三相逆變器擁有 6 個(gè)靜態(tài)開(kāi)關(guān)用于將一個(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓,從圖 2中可 以看出,中壓由一臺(tái)輔助逆變器提供。每一臺(tái)輔助逆變器提供一個(gè)相互獨(dú)立的三相中壓電 網(wǎng)。逆變器是采用 IGBT 作為開(kāi)關(guān)器件的電壓型三相橋式逆變電路,一個(gè)三相逆變器擁有6個(gè)靜態(tài)開(kāi)關(guān),通過(guò)微機(jī)輸入的 PWM信號(hào), IGBT不斷的配合導(dǎo)通,把直流電變換成交流電, 改變?nèi)M開(kāi)關(guān)的

5、切換頻率,即可改變輸出交流電的頻率。但是輸出的三相交流電還不是規(guī) 則的正弦波形,為了得到一個(gè)固定頻率的交流輸出電壓,逆變器還采用了“PWM”(脈沖寬度調(diào)制)來(lái)控制,而采用三相輸出高頻濾波器就是用于將方波電壓修正為一個(gè)正弦波電壓, 這樣盡管受逆變器中電壓波動(dòng)的影響,負(fù)載電流也是正弦的。通過(guò)濾波器輸出的的三相交流電還不能直接供給用電設(shè)備,需要做降壓處理,這就需 要用到隔離變壓器,變壓器在這不僅要起到降壓的作用,同時(shí)還要隔離逆變器的高壓輸入 與逆變器的輸出電壓,變壓器是初級(jí)線圈三角形連接,次級(jí)線圈星形連接。400V的中壓就是三相電的相電壓,而 230V的中壓是三相電的線電壓。圖 2 逆變?yōu)V波變壓隔離

6、電路1.2 蓄電池充電原理輔助逆變器還自帶一個(gè)蓄電池充電器。 蓄電池充電器提供一個(gè)可控的低壓 DC輸出,如 圖 3 所示,它包括一個(gè)三相全波二極管橋輸入,半橋單向逆變器,變壓器、輸出整流器和 調(diào)節(jié)輸出平穩(wěn)的 DC低通濾波器。 單相半橋電路將輸入電壓轉(zhuǎn)換成方波電壓然后供給變壓器 的初級(jí)。變壓器確保電池電壓和初級(jí)電壓之間的隔離。二極管整流器和輸出濾波器將直流 電壓提供給電池和 110V負(fù)載。這樣,蓄電池充電器動(dòng)作相當(dāng)于一個(gè)可變轉(zhuǎn)換比率的 DC/DC變壓器。蓄電池充電器的電壓根據(jù)溫度和蓄電池的電壓調(diào)節(jié)。圖 3 蓄電池充電電路圖低壓可以由逆變器或蓄電池輸出,兩種低壓總線規(guī)定:永久低壓總線給休眠模式下的

7、負(fù)載供電,逆變器提供的總線給其他低壓負(fù)載供電,在休眠模式下,不向總線供電。有兩個(gè)電路提供低壓:一個(gè)永久低壓電路和一個(gè)預(yù)壓電路。永久低壓電路為一些正 常工作的低壓負(fù)載和處于休眠模式需要喚醒的負(fù)載供電。此外,還為列車(chē)聯(lián)掛和解鉤控制 部分供電。預(yù)壓電路為所有正常工作和降級(jí)模式(比如沒(méi)有高壓)不進(jìn)入休眠狀態(tài)的的 低壓負(fù)載供電。在車(chē)輛整備時(shí),如果儲(chǔ)存有足夠低壓電能,預(yù)壓列車(chē)線得電。1.3 自舉電池運(yùn)用及原理逆變器箱中配置了自舉電池,用于在主蓄電池完全放電時(shí)啟動(dòng)輔助逆變器。當(dāng)蓄電池電壓過(guò)低的情況下,逆變器及充電器有緊急 (自舉) 啟動(dòng)的功能。如果蓄電池電壓 過(guò)低,逆變器電子裝置檢測(cè)到后,逆變器不啟動(dòng)。在蓄

8、電池組欠電壓狀態(tài)中輔助供電系統(tǒng) 有一個(gè)啟動(dòng)功能。駕駛室中有一個(gè)自舉按鈕,可以依靠這個(gè)按鈕,將自舉蓄電池啟動(dòng)。在 按下按鈕之前,必須手動(dòng)升起受電弓給輔助逆變器1500V 直流電壓。按鈕必須閉合直到蓄電池充電器啟動(dòng)并給主電池提供足夠的電壓。列車(chē)在正常工作條件中, 從 DC/AC逆變器輸出的 3相 400Vac電源通過(guò)橋路二極管整流 裝置對(duì)一個(gè)逆變器內(nèi)置的自舉蓄電池充電。當(dāng)接觸器閉合時(shí)自舉電池充電,如圖 4 所示, 將交流線電壓 230V引入自舉電池的充電變壓器,再經(jīng)過(guò)橋路二極管整流后獲得直流 110V, 給自舉電池充電。圖 4 自舉電池充電電路原理2 輔助逆變系統(tǒng)配電 在地鐵車(chē)輛電氣配電系統(tǒng)中,將

9、電壓分為三個(gè)等級(jí):即高壓、中壓和低壓。本文以六;列編組為例。- 高壓為 1500V 直流- 中壓為 400/230V 交流- 低壓為 110V直流2.1 高壓配電高壓通過(guò)架空線為整個(gè)列車(chē)提供電源,用于牽引裝置和通過(guò)靜態(tài)逆變器將其轉(zhuǎn)換為中壓( 400/230VAC)然后再轉(zhuǎn)換為低壓( 110VDC)。靜態(tài)逆變器配置在每個(gè)拖車(chē)和不帶受電弓的動(dòng)車(chē)上。每一臺(tái)靜態(tài)逆變器產(chǎn)生一個(gè)相互 獨(dú)立的三相電網(wǎng)。 400V的中壓用于空壓機(jī)、空氣調(diào)節(jié)、牽引設(shè)備的通風(fēng), 230V中壓用于正 常照明。變壓器將中壓轉(zhuǎn)換為低壓,低壓用于車(chē)門(mén)、應(yīng)急照明、旅客緊急通風(fēng)、通訊、控 制和數(shù)據(jù)處理(參見(jiàn)圖 5)。PB前行 / 制動(dòng)情形B

10、.蓄電池充電C.A.I.輔助逆變器圖 5 高壓 1500V 配電2.2 中壓的產(chǎn)生和分配中壓是由一臺(tái)靜態(tài)逆變器提供。 每一臺(tái)靜態(tài)逆變器提供一個(gè)相互獨(dú)立的三相中壓電網(wǎng) 其中中線是必備的。得到三相電壓,相應(yīng)的負(fù)載得電并按照下列的優(yōu)先級(jí)啟動(dòng)。空壓機(jī)授 權(quán)啟動(dòng)并在啟動(dòng)時(shí)通知 TIMS(列車(chē)管理系統(tǒng)),車(chē)輛運(yùn)行速度高于零速時(shí)牽引風(fēng)機(jī)和可變 制動(dòng)電阻的風(fēng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)。 其他負(fù)載根據(jù)上一級(jí)負(fù)載的啟動(dòng)狀況并由 TIMS的授權(quán)后允許啟動(dòng)。每一臺(tái)靜態(tài)逆變器提供一個(gè)獨(dú)立的電網(wǎng)。每車(chē)至少有兩個(gè)獨(dú)立的中壓電網(wǎng)。(參見(jiàn)圖6)圖 6 中壓 400/230V 配電配電2.3 低壓的產(chǎn)生和配電每臺(tái)靜態(tài)變換器和蓄電池輸出低壓。兩種

11、低壓總線規(guī)定:永久低壓總線給休眠模式下的負(fù)載供電,變換器提供的總線給其他低壓負(fù)載供電。在休眠模式下,變換器不向總線供 電。一組蓄電池能夠手動(dòng)地和低壓電源分離并且分配電能。在喚醒模式下,當(dāng)靜態(tài)變換器不工作時(shí),蓄電池能給負(fù)載供電 45 分鐘。同時(shí),關(guān)閉緊急通風(fēng)裝置以保證剩余的負(fù)載持續(xù) 工作至少 15 分鐘。當(dāng)?shù)蛪弘娫吹陀谳^低值時(shí),蓄電池和負(fù)載斷開(kāi)。蓄電池配置在每輛B車(chē)和 A 車(chē)上。(參見(jiàn)圖 7)圖 7 低壓 110VDC配電3 輔助逆變系統(tǒng) PWM控制的信號(hào)保護(hù)地鐵車(chē)輛的輔助逆變器采用微機(jī)控制并有自診斷功能。直流電源的分類(lèi)控制,如輔助 逆變器控制電源、 ATC系統(tǒng)控制電源、應(yīng)急照明控制等。3.1

12、PWM控制過(guò)程逆變器通過(guò)“ PWM”(脈沖寬度調(diào)制)來(lái)控制,直接利用轉(zhuǎn)換電壓從一個(gè)不規(guī)則的直流 輸入電壓同時(shí)得到一個(gè)固定頻率的交流輸出電壓。如圖 8 為輔助控制系統(tǒng)的框圖,數(shù)據(jù)經(jīng) 過(guò)微處理器處理并轉(zhuǎn)換成 PWM調(diào)制信號(hào),傳輸給 IGBT驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)逆變器將直流 1500V逆 變成 400V/230V 的交流,然后給輔助設(shè)備供電,通過(guò)檢測(cè)器件將電流、電壓和溫度等信息 反饋給處理器進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié) IGBT 的關(guān)斷頻率。圖8 輔助逆變系統(tǒng)控制框圖3.2 PWM信號(hào)保護(hù)在輔助控制系統(tǒng)中,微機(jī)系統(tǒng)模塊一般都在 5 V10 V 低電壓范圍內(nèi)工作, IGBT模塊 前級(jí)的脈沖輸出的電壓毛刺可能給它帶來(lái)相當(dāng)大的干

13、擾。為了這個(gè)原因,在模塊和前級(jí)輸 出之間采用變壓器或光耦(光耦常用于小電壓輸出,如信號(hào)電壓)進(jìn)行電壓隔離。雖然在 驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置有隔離電路, 但其隔離效果有限, 因此本文在脈寬輸出模塊和 IGBT驅(qū)動(dòng)模塊之間增加了光電隔離模塊, 使其與驅(qū)動(dòng)電路中的變壓器隔離組成對(duì)微處理模塊的雙保護(hù), 變壓器主要進(jìn)行干擾信號(hào)的隔離, 光耦合器主要進(jìn)行大電壓干擾的隔離。 圖 9和 10 表示添 加進(jìn)信號(hào)隔離框圖和電路原理圖。圖 9 加信號(hào)隔離的框圖圖 10 加信號(hào)隔離后的 PWM逆變?cè)韴D4 結(jié)論城市軌道車(chē)輛輔助電源系統(tǒng)是列車(chē)正常運(yùn)營(yíng)中必不可少的電氣系統(tǒng),關(guān)系到了整個(gè)車(chē) 輛能否正常運(yùn)行,它負(fù)擔(dān)列車(chē)照明、空調(diào)、設(shè)備

14、冷卻、蓄電池充電等輔助功能的系統(tǒng)。本文對(duì)六列編組的地鐵車(chē)輛輔助逆變系統(tǒng)高、中、低壓配變電,逆變器的特性、參數(shù) 等進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹。 并對(duì) PWM控制信號(hào)線路優(yōu)化, 實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)和電力線路的光電隔離, 進(jìn)一步的確保車(chē)輛運(yùn)營(yíng)的安全性。尤其對(duì)輔助逆變器電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究,使我們 對(duì)地鐵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化增加了信心,有些電氣設(shè)備我國(guó)還沒(méi)能力進(jìn)行獨(dú)立自主的研發(fā)與制造,因此對(duì)這方面的知識(shí)不能進(jìn) 行深入的探討。我國(guó)應(yīng)盡快加大這方面與國(guó)外的技術(shù)合作,掌握核心技術(shù)。輔助逆變電源 方案的研究,應(yīng)結(jié)合國(guó)內(nèi)電力電子技術(shù)的發(fā)展、元器件的使用水平以及國(guó)外地鐵電動(dòng)車(chē)組 輔助逆變電源的發(fā)展方向,研制和開(kāi)發(fā)出適合我國(guó)城市軌道交通地鐵和輕軌車(chē)輛的輔助逆 變供電系統(tǒng)。這樣既能降低成本又可以加快我國(guó)獨(dú)立自主生產(chǎn)國(guó)產(chǎn)化地鐵的步伐。參 考 文 獻(xiàn):1 何宗華 , 汪松滋 , 何其光編著 . 城市軌道交

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