地鐵輔助逆變系統(tǒng)分析報告

地鐵協助逆變系統(tǒng)分析王成均（城軌籌備辦公室）摘要協助逆變系統(tǒng)是地鐵或輕軌車輛上的一個必不行少的關鍵的電氣部分，它可為空調、通風機、空壓機、蓄電池充電器與照明等協助設備供應供電電源，其核心部件就是協助逆變器。本文主要介紹地鐵車輛協助逆變系統(tǒng)的逆變特性、參數和逆變電路等。并對PWM信號線路優(yōu)化，實現限制信號和電力線路的光電隔離。然后具體的分析了六列編組地鐵車輛的配變電系統(tǒng)，主要配電設備，配電線路以與配電原理等。目前世界上在地鐵與輕軌協助逆變系統(tǒng)中大都采納絕緣柵雙極型晶體管IGBT（或IPM）模塊來構成。運用IGBT元件的協助逆變器供應低壓協助電源，其冷卻方式采納強迫風冷。蓄電池采納鎳鎘電池，容量大于100Ah。關鍵詞：地鐵車輛限制系統(tǒng)；協助逆變系統(tǒng)；IGBT逆變器；PWM脈寬限制引言隨電力電子器件發(fā)展，協助逆變系統(tǒng)也經驗著不同方案的發(fā)展過程。由于新一代性能優(yōu)良的IGBT器件快速發(fā)展，20世紀90年頭中后期，歐洲與日本等國的車輛協助逆變系統(tǒng)大都采納IGBT來構成，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，加隔離變壓器構成12脈沖方案；（4）二點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，而且都能滿意地鐵或輕軌車輛的要求。在目前的方案中，對DC110V限制電源主要有兩種不同的設想：（1）通過50Hz隔離降壓變壓器來實現；（2）獨立的直——直變換器干脆接于供電網壓通過高頻變壓器隔離后再整流并濾波得到DC110V限制電源。1協助系統(tǒng)的主電路分析協助逆變器可以產生400VAC和230VAC的中壓。400VAC中壓用于空壓機、空氣調整、牽引設備的通風，230VAC中壓用于正常照明。協助逆變器自帶的變壓器將中壓轉換為低壓，用于車門、應急照明、旅客緊急通風、通訊、限制和數據處理等。圖1協助逆變器的工作原理圖。圖1協助逆變器主電路原理此協助電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：（1）直流輸出部分為交直交變換，不受溝通輸出的限制和影響，可以自主的進行調壓，通過電池的溫度傳感器進行自動的溫度補償，并且可以在浮充的狀況下通過調壓，可以將蓄電池充溢電。（2）模塊化設計，協助逆變器為一個整體，便于安裝布線和修理。1.1IGBT（IPM）型逆變器原理一個三相逆變器擁有6個靜態(tài)開關用于將一個直流電壓轉換成溝通電壓，從圖2中可以看出，中壓由一臺協助逆變器供應。每一臺協助逆變器供應一個相互獨立的三相中壓電網。逆變器是采納IGBT作為開關器件的電壓型三相橋式逆變電路，一個三相逆變器擁有6個靜態(tài)開關，通過微機輸入的PWM信號，IGBT不斷的協作導通，把直流電變換成溝通電，變更三組開關的切換頻率，即可變更輸出溝通電的頻率。但是輸出的三相溝通電還不是規(guī)則的正弦波形，為了得到一個固定頻率的溝通輸出電壓，逆變器還采納了“PWM”（脈沖寬度調制）來限制，而采納三相輸出高頻濾波器就是用于將方波電壓修正為一個正弦波電壓，這樣盡管受逆變器中電壓波動的影響，負載電流也是正弦的。通過濾波器輸出的的三相溝通電還不能干脆供應用電設備，須要做降壓處理，這就須要用到隔離變壓器，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，變壓器是初級線圈三角形連接，次級線圈星形連接。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波變壓隔離電路1.2蓄電池充電原理協助逆變器還自帶一個蓄電池充電器。蓄電池充電器供應一個可控的低壓DC輸出，如圖3所示，它包括一個三相全波二極管橋輸入，半橋單向逆變器，變壓器、輸出整流器和調整輸出平穩(wěn)的DC低通濾波器。單相半橋電路將輸入電壓轉換成方波電壓然后供應變壓器的初級。變壓器確保電池電壓和初級電壓之間的隔離。二極管整流器和輸出濾波器將直流電壓供應應電池和110V負載。這樣，蓄電池充電器動作相當于一個可變轉換比率的DC/DC變壓器。蓄電池充電器的電壓依據溫度和蓄電池的電壓調整。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負載供電，逆變器供應的總線給其他低壓負載供電，在休眠模式下，不向總線供電。有兩個電路供應低壓：一個永久低壓電路和一個預壓電路。⑴永久低壓電路為一些正常工作的低壓負載和處于休眠模式須要喚醒的負載供電。此外，還為列車聯掛和解鉤限制部分供電。⑵預壓電路為全部正常工作和降級模式（比如沒有高壓）不進入休眠狀態(tài)的的低壓負載供電。在車輛整備時，假如儲存有足夠低壓電能，預壓列車線得電。1.3自舉電池運用與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啟動協助逆變器。當蓄電池電壓過低的狀況下，逆變器與充電器有緊急(自舉)啟動的功能。假如蓄電池電壓過低，逆變器電子裝置檢測到后，逆變器不啟動。在蓄電池組欠電壓狀態(tài)中協助供電系統(tǒng)有一個啟動功能。駕駛室中有一個自舉按鈕，可以依靠這個按鈕，將自舉蓄電池啟動。在按下按鈕之前，必需手動升起受電弓給協助逆變器1500V直流電壓。按鈕必需閉合直到蓄電池充電器啟動并給主電池供應足夠的電壓。列車在正常工作條件中，從DC/AC逆變器輸出的3相400Vac電源通過橋路二極管整流裝置對一個逆變器內置的自舉蓄電池充電。當接觸器閉合時自舉電池充電，如圖4所示，將溝通線電壓230V引入自舉電池的充電變壓器，再經過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協助逆變系統(tǒng)配電在地鐵車輛電氣配電系統(tǒng)中，將電壓分為三個等級：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溝通---低壓為110V直流2.1高壓配電高壓通過架空線為整個列車供應電源，用于牽引裝置和通過靜態(tài)逆變器將其轉換為中壓（400/230VAC）然后再轉換為低壓（110VDC）。靜態(tài)逆變器配置在每個拖車和不帶受電弓的動車上。每一臺靜態(tài)逆變器產生一個相互獨立的三相電網。400V的中壓用于空壓機、空氣調整、牽引設備的通風，230V中壓用于正常照明。變壓器將中壓轉換為低壓，低壓用于車門、應急照明、旅客緊急通風、通訊、限制和數據處理（參見圖5）。PB前行/制動情形B.C.蓄電池充電A.I.協助逆變器圖5高壓1500V配電2.2中壓的產生和安排中壓是由一臺靜態(tài)逆變器供應。每一臺靜態(tài)逆變器供應一個相互獨立的三相中壓電網。其中中線是必備的。得到三相電壓，相應的負載得電并依據下列的優(yōu)先級啟動?？諌簷C授權啟動并在啟動時通知TIMS（列車管理系統(tǒng)），車輛運行速度高于零速時牽引風機和可變制動電阻的風機起先啟動。其他負載依據上一級負載的啟動狀況并由TIMS的授權后允許啟動。每一臺靜態(tài)逆變器供應一個獨立的電網。每車至少有兩個獨立的中壓電網。（參見圖6）圖6中壓400/230V配電配電2.3低壓的產生和配電每臺靜態(tài)變換器和蓄電池輸出低壓。兩種低壓總線規(guī)定：永久低壓總線給休眠模式下的負載供電，變換器供應的總線給其他低壓負載供電。在休眠模式下，變換器不向總線供電。一組蓄電池能夠手動地和低壓電源分別并且安排電能。在喚醒模式下，當靜態(tài)變換器不工作時，蓄電池能給負載供電45分鐘。同時，關閉緊急通風裝置以保證剩余的負載持續(xù)工作至少15分鐘。當低壓電源低于較低值時，蓄電池和負載斷開。蓄電池配置在每輛B車和A車上。（參見圖7）圖7低壓110VDC配電3協助逆變系統(tǒng)PWM限制的信號愛護地鐵車輛的協助逆變器采納微機限制并有自診斷功能。直流電源的分類限制，如協助逆變器限制電源、ATC系統(tǒng)限制電源、應急照明限制等。3.1PWM限制過程逆變器通過“PWM”（脈沖寬度調制）來限制，干脆利用轉換電壓從一個不規(guī)則的直流輸入電壓同時得到一個固定頻率的溝通輸出電壓。如圖8為協助限制系統(tǒng)的框圖，數據經過微處理器處理并轉換成PWM調制信號，傳輸給IGBT驅動電路驅動逆變器將直流1500V逆變成400V/230V的溝通，然后給協助設備供電，通過檢測器件將電流、電壓和溫度等信息反饋給處理器進行自動調整IGBT的關斷頻率。圖8協助逆變系統(tǒng)限制框圖3.2PWM信號愛護在協助限制系統(tǒng)中，微機系統(tǒng)模塊一般都在5V～10V低電壓范圍內工作，IGBT模塊前級的脈沖輸出的電壓毛刺可能給它帶來相當大的干擾。為了這個緣由，在模塊和前級輸出之間采納變壓器或光耦（光耦常用于小電壓輸出，如信號電壓）進行電壓隔離。雖然在驅動電路中設置有隔離電路，但其隔離效果有限，因此本文在脈寬輸出模塊和IGBT驅動模塊之間增加了光電隔離模塊，使其與驅動電路中的變壓器隔離組成對微處理模塊的雙愛護，變壓器主要進行干擾信號的隔離，光耦合器主要進行大電壓干擾的隔離。圖9和10表示添加進信號隔離框圖和電路原理圖。圖9加信號隔離的框圖圖10加信號隔離后的PWM逆變原理圖4結論城市軌道車輛協助電源系統(tǒng)是列車正常運營中必不行少的電氣系統(tǒng)，關系到了整個車輛能否正常運行，它負擔列車照明、空調、設備冷卻、蓄電池充電等協助功能的系統(tǒng)。本文對六列編組的地鐵車輛協助逆變系統(tǒng)高、中、低壓配變電，逆變器的特性、參數等進行了系統(tǒng)的介紹。并對PWM限制信號線路優(yōu)化，實現限制信號和電力線路的光電隔離，進一步的確保車輛運營的平安性。尤其對協助逆變器電路進行了具體的分析探討，使我們對地鐵設備的國產化增加了信念，有些電氣設備我國還沒實力進行獨立自主的研發(fā)與制造，因此對這方面的學問不能進行深化的探討。我國應盡快加大這方面與國外的技術合作，駕馭核心技術。協助逆變電源方案的探討，應結合國內電力電子技術的發(fā)展、元器件的運用水平以與國外地鐵電動車組協助逆變電源的發(fā)展方向，研制和開發(fā)出適合我國城市軌道交通地鐵和輕軌車輛的協助逆變供電系統(tǒng)。這樣既能降低成本又可以加快我國獨立自主生產國產化地鐵的