上海磁懸浮列車車載電源系統(tǒng)

上海磁懸浮列車車載電源系統(tǒng)

0車載電源系統(tǒng)從一開始，德國(guó)的技術(shù)就被引入上海，世界上第一條高速磁浮車輛的商業(yè)運(yùn)營(yíng)鏈就建立起來。上海引進(jìn)的常導(dǎo)高速磁浮車輛是整個(gè)高速磁懸浮交通的核心技術(shù)之一,而車載電源系統(tǒng)又是車輛的核心技術(shù)之一。經(jīng)多年運(yùn)行,顯示出該技術(shù)的優(yōu)越性。本文介紹該車載電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。1車載電源的整合上海磁懸浮列車采用了如下的供電方案:列車在速度小于20km/h時(shí)完全由供電軌供電;列車速度在約20~100km/h時(shí)由地面的供電軌與列車自帶的直線發(fā)電機(jī)聯(lián)合對(duì)車輛供電;在列車速度大于100km/h時(shí)完全由直線發(fā)電機(jī)供電;車載蓄電池作為列車緊急或故障運(yùn)行情況下的電源;在使用渦流制動(dòng)器緊急制動(dòng)時(shí),高速運(yùn)行段(速度大于約150km/h)電能由直線發(fā)電機(jī)提供,當(dāng)較低速度時(shí)直線發(fā)電機(jī)電能不能滿足渦流制動(dòng)需要,此時(shí)由蓄電池與直線發(fā)電機(jī)聯(lián)合提供電能,緊急制動(dòng)過程中不使用供電軌向列車供電。每一節(jié)車的車載電源包括以下幾部分:(1)4套相互獨(dú)立的440V直流電源,每套最大容量為128kW;(2)4套相互獨(dú)立的24V直流電源,每套容量為1.6kW;(3)2套相互獨(dú)立的230V三相交流電源,每套容量約為5.5kW;(4)1套外部440V直流供電電源。440V電源是車上的主電源,24V電源與230V電源都是通過相應(yīng)的變流設(shè)備從440V電源變換得到的。24V電源是車上的控制電源,主要向控制設(shè)備供電。每套440V電源與24V電源上都接有一組蓄電池作為備用電源。440V電源與24V電源都有較大的冗余,當(dāng)部分供電設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響對(duì)車輛的供電。230V電源則主要向車上與安全無關(guān)的用電設(shè)備供電,它在每節(jié)車上沒有冗余。1.1車載電源供電部件整個(gè)車載電源主要包括如下組件:(1)440V直流車載電源基本組件。它包括的部件為:440V車載電源開關(guān)箱;440V蓄電池箱;蓄電池通風(fēng)機(jī);升壓斬波器。(2)24V直流車載電源基本組件。它包括的部件為:24V蓄電池箱;蓄電池通風(fēng)機(jī);DC-DC變流器;24V車載電源配電柜;24V車載電源開關(guān)箱。(3)230V交流車載電源基本組件。它包括的部件為:230V車載電源開關(guān)箱;230V車載逆變器及230V車載電源配電柜。(4)外部供電基本組件。它包括的部件為:外部供電車載電源;開關(guān)箱受流器;受流器的氣動(dòng)控制組件。車載電源供電部件的關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖1所示。大部分的車載供電設(shè)備都布置在車廂夾層中。車廂夾層分上下兩層布置,分別布置有許多插接箱體。其中供電設(shè)備中只有升壓斬波器布置在夾層下層,其他的布置在夾層上層,還有部分布置在車廂內(nèi)部。1.2結(jié)構(gòu)功能1.2.1受流器及輸出電纜外部供電用于當(dāng)列車速度小于100km/h時(shí)對(duì)列車供電,以及停車時(shí)對(duì)列車供電及對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。列車通過車上的受流器與鋪設(shè)在線路上的供電軌接觸,將地面的電能傳輸?shù)杰嚿?并通過相應(yīng)的變流與配電裝置將電能分配到各用電設(shè)備。每節(jié)車有2組受流器:1組受流器由2個(gè)受流器組成,每組的2個(gè)受流器分別布置在車輛的左右兩側(cè)。一側(cè)接外部供電電源正極,另一側(cè)接外部供電電源負(fù)極。電源正負(fù)極都有2個(gè)受流器供電,所以一個(gè)受流器故障并不影響供電軌對(duì)列車的供電。每節(jié)車有2個(gè)外部供電車載電源開關(guān)箱,接受來自于受流器的電流。每個(gè)外部供電車載電源開關(guān)箱上有16根(端車15根)輸出電纜,每根電纜兩端分別由額定值為25A/660V的保險(xiǎn)器加以保護(hù)。2個(gè)外部供電車載電源開關(guān)箱的32根輸出電纜(端車30根)被分別送到所在車輛的32(端車30)個(gè)升壓斬波器中,升壓斬波器將電纜的連續(xù)輸入電流限制在15A內(nèi)。從受流器到車載電源開關(guān)箱內(nèi)的保險(xiǎn)器間的電纜具有接地與短路保護(hù)功能。1.2.2車間電源掛接方式440V車載電源主要用于向下列設(shè)備提供電能:懸浮控制系統(tǒng)、導(dǎo)向控制系統(tǒng)、渦流制動(dòng)器、空調(diào)器、440V蓄電池加熱器、DC-DC變流器、230V逆變器等。每節(jié)車DC-DC變流器有4個(gè),分別掛接在相應(yīng)的4個(gè)440V電源上。230V逆變器有7個(gè),其中2個(gè)用于230V電源,掛接在2個(gè)不同的440V電源上;4個(gè)用于空調(diào)電源(2個(gè)用于空調(diào)壓縮機(jī),2個(gè)用于空調(diào)通風(fēng)機(jī)),分別掛接在相應(yīng)的4個(gè)440V電源上;1個(gè)用于氣動(dòng)設(shè)備供電,掛接在1個(gè)440V電源上。440V蓄電池加熱器分為4組直接掛接在相應(yīng)的440V電源上。每節(jié)車的4個(gè)440V車載電源彼此相互獨(dú)立,并在440V電源之間及440V電源與230V交流電源、24V電源間采取了安全隔離措施。440V電源采用了IT網(wǎng)絡(luò)接地方式。440V車載電源有3種電源:來自供電軌的440V直流電、直線發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電和440V蓄電池提供的440V直流電。外部供電與直線發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能都要先送到升壓斬波器中進(jìn)行整流、升壓。外部供電之所以也要進(jìn)行整流的原因是列車在線路上是往返行駛的,在正反兩個(gè)方向上行駛時(shí)外部供電電流流入升壓斬波器的方向相反,所以也需要經(jīng)過整流器進(jìn)行整流。1懸浮電磁鐵每節(jié)中間車有160個(gè)直線發(fā)電機(jī),每節(jié)端車有150個(gè)直線發(fā)電機(jī)。直線發(fā)電機(jī)線圈嵌在懸浮電磁鐵磁極鐵心中,但只在懸浮電磁鐵的主磁極中才有直線發(fā)電機(jī)線圈。每個(gè)主磁極上有2個(gè)串聯(lián)的直線發(fā)電機(jī)線圈,每個(gè)線圈為28匝,這2個(gè)直線發(fā)電機(jī)線圈構(gòu)成一個(gè)直線發(fā)電機(jī)。直線發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能通過相應(yīng)的導(dǎo)線輸入到升壓斬波器進(jìn)行整流及升壓。每一個(gè)直線發(fā)電機(jī)的輸出電能的容量為3.2kW。直線發(fā)電機(jī)在懸浮電磁鐵磁極中的具體位置如圖2所示。2可實(shí)現(xiàn)變壓器充放電保護(hù)及動(dòng)態(tài)保護(hù)功能升壓斬波器將來自于直線發(fā)電機(jī)與供電軌的電能變流后輸送給各用電設(shè)備,同時(shí)對(duì)車載440V蓄電池的充放電進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。一節(jié)中間車有32個(gè)升壓斬波器,一節(jié)端車有30個(gè)升壓斬波器。升壓斬波器的主要功能如下:(1)將直線發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能轉(zhuǎn)換為440V直流電;(2)將外部供電軌的直流電能轉(zhuǎn)換為440V直流電;(3)控制蓄電池充電電流大小及充電功率大小;(4)控制蓄電池充電電壓大小;(5)監(jiān)測(cè)蓄電池放電情況;(6)通過輸出端對(duì)各用電設(shè)備供應(yīng)440V直流電;(7)通過內(nèi)部CAN卡診斷升壓斬波器狀態(tài);(8)升壓斬波器的位置識(shí)別功能;(9)升壓斬波器具有過壓與欠壓保護(hù);(10)對(duì)升壓斬波器機(jī)箱散熱片溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè);(11)對(duì)升壓斬波器內(nèi)部的開關(guān)電源狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè);(13)短路保護(hù)功能(過流保護(hù))。升壓斬波器由直線發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電還是和外部供電軌一起供電取決于車載電源控制發(fā)出的“供電啟動(dòng)”信號(hào)與“起浮”信號(hào)的邏輯組合。3開關(guān)箱功能440V車載電源開關(guān)箱用于實(shí)現(xiàn)440V車載電源的配電及電路保護(hù)。每節(jié)車有4個(gè)440V車載電源開關(guān)箱,各440V車載電源開關(guān)箱間相互獨(dú)立。440V車載電源開關(guān)箱功能為:(1)控制440V蓄電池到440V車載電源的通斷;(2)控制DC-DC變流器到440V蓄電池連接的通斷;(3)開/關(guān)440V蓄電池加熱器;(4)作為440V車載電源的配電柜;(5)440V車載電源的過流保護(hù);(6)渦流制動(dòng)控制器電源的接地和短路保護(hù);(7)440V車載電源開關(guān)箱內(nèi)部的8個(gè)電流互感器(LEM)監(jiān)測(cè)蓄電池電流并送到相應(yīng)的8個(gè)升壓斬波器;(8)蓄電池到440V車載電源開關(guān)箱的輸入動(dòng)力電纜與開關(guān)箱到渦流制動(dòng)器的輸出動(dòng)力電纜具有接地與短路保護(hù)功能。1.2.3電源間安全隔離措施24V車載電源主要對(duì)與安全相關(guān)的用電設(shè)備,以及對(duì)供電可用度要求較高的用電設(shè)備供電。每節(jié)車有4套相互獨(dú)立的24V電源,這4套電源以安全冗余方式給用電設(shè)備供電。24V電源之間以及24V電源與440V、230V電源間采取了安全隔離措施。24V電源來源于440V電源,通過4個(gè)DC-DC變流器將440V直流電轉(zhuǎn)換為24V直流電。DC-DC變流器輸出的電能經(jīng)過24V車載電源開關(guān)箱與24V車載電源配電柜將24V直流電源分配給24V用電設(shè)備。由于24V電源主要是為控制設(shè)備及部件提供控制電源,所以對(duì)24V電源供電的安全性、可靠性有更高的要求,并應(yīng)保證在發(fā)生故障24V電源與440V電源斷開時(shí),24V電源還可以對(duì)應(yīng)急照明與應(yīng)急通信提供1h的電能。這部分電能的提供通過24V蓄電池實(shí)現(xiàn)。每個(gè)24V電源上的一組24V蓄電池作為備用電源用于保證電源故障情況下的緊急用電。1車載電源和防壓電路設(shè)計(jì)每節(jié)車有4個(gè)DC-DC變流器,分別向4個(gè)24V電源提供電流隔離且不接地的低壓直流電源。DC-DC變流器間相互獨(dú)立。4個(gè)440V直流電源通過2塊電源母板上的插座對(duì)開關(guān)電源供電。每一個(gè)440V車載電源給2個(gè)開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電,8個(gè)開關(guān)電源模塊的輸出端并聯(lián)。每個(gè)DC-DC變流器的開關(guān)電源都有電壓調(diào)節(jié)、電流調(diào)節(jié)和保護(hù)電路,它們可以在超出允許的電壓范圍時(shí)斷開輸出;同時(shí)具有輸入/輸出濾波功能,用于減少輸入端的電流沖擊和輸出端的電壓波動(dòng)。由于8個(gè)開關(guān)電源模塊的輸出端相互并聯(lián),為了防止輸出端的耦合,每個(gè)開關(guān)電源模塊的輸出端采用了一個(gè)二極管來消除開關(guān)電源模塊間輸出端的相互耦合。2電源開關(guān)箱保護(hù)每節(jié)車有4個(gè)24V車載電源開關(guān)箱,4組24V蓄電池電源分別接入相應(yīng)的24V車載電源開關(guān)箱中,通過24V車載電源開關(guān)箱中相應(yīng)開關(guān)的通斷來接通或斷開24V蓄電池與24V電源的緩沖或?qū)?4V緊急功能的供電。24V車載電源開關(guān)箱具有如下功能:(1)控制24V蓄電池輸出到24V車載電源的通斷;(2)控制電源到24V緊急功能(緊急照明,緊急通信)設(shè)備的通斷;(3)24V車載電源到24V配電柜的電纜保護(hù)。在啟動(dòng)和關(guān)閉過程中控制線路都不能斷電。3v車載電源24V車載電源配電柜用于對(duì)24V用電設(shè)備進(jìn)行線路過載與短路保護(hù),以及對(duì)24V用電設(shè)備進(jìn)行配電。每節(jié)車有一個(gè)24V車載電源配電柜,其電源來自于24V車載電源開關(guān)箱及DC-DC變流器。每節(jié)車的4個(gè)24V車載電源開關(guān)箱分別通過4根16mm2電纜與24V車載電源配電柜相連,其中2根為24V車載電源電源線,另2根為緊急功能電源線。24V車載電源在24V車載電源配電柜中被分為9組,分別通過2極(電源的正、負(fù)極)保險(xiǎn)裝置進(jìn)行防護(hù)后輸出到不同的用電設(shè)備。緊急功能電源也是在24V車載電源配電柜中通過保險(xiǎn)裝置后輸出。1.2.4車載電源供電路徑每節(jié)車的2個(gè)頻率為50Hz的230V車載電源來自于掛在2條440V車載電源上的2個(gè)逆變器。230V電源在車廂和服務(wù)區(qū)域內(nèi)無安全冗余,它主要用于向不涉及到安全的用電設(shè)備提供電能,如風(fēng)機(jī)和空壓機(jī)等。230V電源的供電路徑為:逆變器將440V主電源的直流電壓變換為230V交流電壓,然后送入230V車載電源開關(guān)箱中進(jìn)行電壓隔離后再輸入230V車載電源配電箱中進(jìn)行保護(hù)與配電,并通過230V車載電源配電箱為各用電設(shè)備提供交流電源。通過在230V車載電源配電箱內(nèi)的開關(guān)電源將230V電源變換為28V與24V直流電源,28V直流電源為閱讀燈提供電能,24V直流電源為230V車載電源配電箱中的CAN總線I/O卡提供電能。1空調(diào)供電vd逆變器用于將440V直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率為50Hz的230V三相交流電。每節(jié)車有7個(gè)逆變器,其中2個(gè)為230V電源供電,4個(gè)為空調(diào)供電(其中2個(gè)逆變器為空調(diào)的空壓機(jī)供電,另2個(gè)為空調(diào)其他模塊供電),1個(gè)為氣動(dòng)裝置供電。逆變器在輸入電壓大于330V時(shí)啟動(dòng)工作,在輸入電壓小于310V時(shí),切斷逆變器,停止工作,通過相應(yīng)的繼電器開關(guān)控制440V電源與逆變器的通斷。2v電源開關(guān)箱每節(jié)車有2個(gè)230V車載電源開關(guān)箱,分別與用于230V電源的2個(gè)逆變器對(duì)應(yīng)。230V車載電源開關(guān)箱用于將440V電源與230V電源隔離開。其輸入是來自于逆變器的230V三相交流電,輸出為線電壓400V的三相交流電。3車載電源設(shè)置230V車載電源配電箱把來自車輛逆變器并通過230V車載電源開關(guān)箱傳輸過來的電能分配給230V用電設(shè)備及閱讀燈。每節(jié)車有2個(gè)230V車載電源配電箱,分別與2個(gè)230V電源對(duì)應(yīng),彼此相互獨(dú)立。230V車載電源配電箱的主要功能有:(1)230V用電設(shè)備配電;(2)為28V閱讀燈