城市軌道交通車輛電氣控制 課件 項目5 城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)控制

城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)控制任務一輔助供電系統(tǒng)概述目錄輔助供電系統(tǒng)的作用13輔助供電系統(tǒng)的構成2輔助供電系統(tǒng)的要求

第一部分輔助供電系統(tǒng)的作用01輔助供電系統(tǒng)可為列車提供的電壓制式如下：三相AC380V。主要用電設備為空調單元、客室座椅電加熱器、空氣壓縮機、牽引逆變器冷卻風機、制動電阻冷卻風機等。單相AC220V。主要用電設備為客室內外接負載插座、司機室通風單元等。DC110V。主要用電設備為列車各控制系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、車載通信與信號系統(tǒng)等。

第二部分輔助供電系統(tǒng)的要求02輔助逆變設備需要滿足的要求1.輸出電壓為三相四線制，輸出電壓和頻率滿足規(guī)定的精度要求。2.在寬輸入電壓變化范圍內，輸出額定容量的工作能力，輸出電壓與頻率應能滿足額定負載容量的正常工作能力。3.輸出電壓為正弦波形或準正弦波形。4.較強的負載突變能力。具備允許空調壓縮機、通風機、空氣壓縮機等負載直接啟動和切除的能力，并且其輸出電壓的瞬時變化不超過規(guī)定值及在規(guī)定的時間內恢復穩(wěn)定。5.一定的冗余度。部分輔助逆變器發(fā)生故障時，在切除部分負載的條件下，其余正常工作的輔助逆變器應可同時向列車運行所需的必要負載供電。

第三部分輔助供電系統(tǒng)的構成03列車輔助供電方式根據輔助供電系統(tǒng)設備布置位置，可分為分散供電與集中供電兩種方式。（1）分散供電指的是每節(jié)車輛均配備一臺輔助供電裝置為列車380V交流母線供電。其特點是供電冗余度大，可均衡配置列車各軸重，但造價高，總重量大，集成化程度低，故障率較高。例如廣州地鐵1號線，圖中AC為列車交流負載，DC為直流負載，SIV為輔助逆變器，分布在每節(jié)車廂，DC/DC變流器設置于A車，負責直流負載供電。列車輔助供電方式（2）集中供電指的是在列車上集中安置一定量的輔助逆變器（通常設置在兩端的Tc車），由它們?yōu)檎囂峁┹o助電源。其特點是供電冗余度小，列車每軸的配重難以一致，但總重量小，組成部件集中，集成化程度高，故障率較低，且成本也低。我國在上海地鐵2號線車輛后引進的城市軌道車輛輔助供電多采用這種供電方式。例如寧波軌道交通1號線一期車輛，其輔助供電系統(tǒng)采用集中供電的方式，每節(jié)Tc車底下設置一個輔助逆變箱，每個輔助逆變箱內含兩個輔助逆變單元，所有輔助逆變單元通過并聯方式向列車380V交流母線供電。列車輔助供電方式根據輔助供電系統(tǒng)的AC380V供電模式，可分為交叉供電、擴展供電和并網供電。（1）交叉供電交叉供電是將每節(jié)車廂的交流負載采用分組式母線供電。正常供電的時候，每個車負載根據功率平均分為兩組，由兩套輔助逆變設備通過兩路不同供電干線對列車負載進行供電。對于牽引、輔助系統(tǒng)的冷卻風機等重要負載，兩套輔助供電設備均為其供電，起到冗余作用。（2）擴展供電擴展供電是將車輛分為兩個獨立的供電單元，僅有一路供電母線貫穿整列車。兩套輔助逆變設備均連接到母線上，中間設有一個接觸器將兩套輔助逆變設備分斷，使其不會并網運行。當兩套輔助逆變設備都正常工作時，擴展接觸器處于斷開狀態(tài)，每套逆變器為本單元交流負載供電。當其中一套逆變器故障時，通過控制擴展接觸器閉合，由工作狀態(tài)良好的逆變器為整列車的交流負載供電，考慮到逆變器的容量限制，此時每節(jié)車的空調需要減載運行。列車輔助供電方式根據輔助供電系統(tǒng)的AC380V供電模式，可分為交叉供電、擴展供電和并網供電。（3）并網供電并網供電同擴展供電，僅有一路供電母線貫穿整列車，兩套輔助逆變設備同時向交流母線進行供電，整列車的負載都在母線上取電。在設備故障的時候，故障的輔助逆變器停止工作，由剩余的輔助逆變器向母線供電。當故障的輔助逆變器數量達到設定值時（如：1/2或3/4故障），相關負載將會減載運行。列車輔助供電方式交叉供電、擴展供電與并網供電三種供電方式的比較：從負載切換方式來看，交叉供電和并網供電負載切換方式簡單，影響較小，擴展供電影響大。對于交叉供電和并網供電，當輔助逆變器故障或恢復時，負載切換由網絡負責判斷控制，不需要單獨設置復雜的硬件電路。擴展供電設置了擴展接觸器，為了不損壞擴展接觸器，在切換過程中，需要將車輛所有輔助逆變器停機。從布線上來看，擴展供電和并網供電布線少，交叉供電布線復雜。交叉供電需要在列車上布設兩路三相四線制的列車線，而擴展和并網供電只需一路列車線，從數量上減少一半，線纜重量也減少一半，對整車減重有明顯優(yōu)勢。從舒適度來看，交叉供電方式下輔助逆變設備故障只能啟用一半負載，而擴展供電和并網供電能最大限度地利用輔助逆變器的容量，讓更多的負載工作，為乘客提供更舒適的環(huán)境。綜合以上比較，并網供電切換方式簡單，布線少，能最大程度保證列車輔助系統(tǒng)運行。目前，隨著并網供電方案的不斷完善，并網供電方式正在越來越多地被推廣應用。輔助供電系統(tǒng)設備構成西門子輔助供電系統(tǒng)采用了分布式布置、集中供電以及并網供電的方式，主要由輔助逆變器、蓄電池充電機和蓄電池三部分構成，其分布特點如下：1.列車采用每節(jié)Tc車（帶司機室的拖車）底下設置一個輔助逆變箱和兩個蓄電池箱的供電方式。輔助逆變箱和蓄電池箱在車底的布置位置輔助供電系統(tǒng)設備構成2.一個輔助逆變箱內有兩個輔助逆變器和兩個蓄電池充電機，其中輔助逆變器將DC1500V電逆變成AC380V電供車輛負載使用，蓄電池充電機將DC1500V電轉換成DC110V電供車輛負載使用，并且負責給列車蓄電池充電。3.蓄電池為車輛常用負載供電，并且在車輛失去高壓的情況下為整車供電。輔助供電系統(tǒng)設備構成輔助逆變箱是輔助供電系統(tǒng)中的主要設備，其在車輛中的位置示意如圖所示。接觸網上的DC1500V電通過列車受電弓引至高壓箱的三位閘刀開關。列車正常工作時三位閘刀開關打在受電弓位，DC1500V電經二極管、熔斷器輸入到Tc車底的輔助逆變箱，為其提供輸入電源，同時還將DC1500V電送至另一單元的輔助逆變箱，當一個受電弓降弓時，另一個受電弓可以為整列車輔助系統(tǒng)提供1500V電源。輔助逆變箱輔助供電系統(tǒng)設備構成輔助逆變箱內部構成如圖所示，一個輔助逆變箱包含兩個相同的單元，一個單元是一套輔助逆變系統(tǒng)，主要包括DC/DC變換模塊、充電機模塊、DC/AC逆變模塊、電磁部件、控制器及應急啟動模塊等。輔助逆變箱內部構成1-DC/DC模塊；2-充電機模塊；3-DC/AC模塊；4-電磁部件；5-控制器及應急啟動模塊輔助供電系統(tǒng)設備構成輔助逆變箱內部供電網絡如圖所示。輔助逆變箱內部供電網絡輔助供電系統(tǒng)設備構成供電網絡主要包含1500V輸入電路、DC/DC模塊、DC/AC模塊、充電機模塊、輸出電路、SIBCOS控制器、DBS應急啟動模塊等單元。輔助供電系統(tǒng)的啟動由輸入端高壓情況和列車控制與診斷系統(tǒng)的控制來決定。每個輔助逆變器配置一個切除開關用來進行手動切除控制，該切除開關設置于帶鎖的Tc車電器柜內。切除輔助逆變器時，輔助逆變器斷開輸入端的DC1500V接觸器和輸出端的三相AC380V輸出接觸器。輔助供電系統(tǒng)設備構成輔助逆變箱內各單元的主要功能如下：1.1500V輸入電路：包括輸入熔斷器、輸入接觸器、EMC濾波器、預充電/過電壓保護、濾波電容等環(huán)節(jié)，用于消除電源電磁干擾、濾除電源交流成分，將DC1500V電輸入后續(xù)電路中，并起到限流、過壓保護、防止浪涌電壓的功能。輸入電路輔助供電系統(tǒng)設備構成2.DC/DC模塊：將輸入變化的電壓轉變成隔離的恒定的DC700V電，以供DC/AC模塊和蓄電池充電機使用。3.DC/AC模塊：又稱為逆變器模塊，利用脈寬調制原理將直流環(huán)節(jié)的電壓逆變成50Hz三相AC380V電壓輸出，再經過三相正弦濾波器輸出三相正弦交流電。DC/AC模塊內部通過CAN總線通訊。4.充電機模塊：充電機將輸入的DC700V電壓轉換為DC110V輸出，供列車直流負載使用，同時為蓄電池充電。輔助供電系統(tǒng)設備構成5.輸出電路：包括正弦濾波器、三相交流輸出主接觸器、熔斷器等，其作用是將經正弦濾波后的三相交流電輸出，供列車交流負載使用。輸出電路輔助供電系統(tǒng)設備構成6.SIBCOS控制器：負責監(jiān)控輔助逆變器的輸入、輸出和內部電壓、電流，以及主部件的溫度。如檢測到任何故障，將關閉輔助逆變器。SIBCOS控制器可以通過RS232接口與筆記本電腦連接。7.DBS應急啟動模塊：若蓄電池電壓過低，可啟動該裝置直接將DC1500V電轉變?yōu)镈C110V電給輔助逆變器內部控制電路供電并啟動蓄電池充電機，為蓄電池充電。輔助供電系統(tǒng)設備構成結束！城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)控制任務二輔助逆變器及其電氣控制目錄輔助逆變器作用及原理認知13輔助逆變器的啟動操作2輔助逆變器電路應用分析

第一部分輔助逆變器作用及原理認知01輔助逆變器作用及特點：輔助逆變器可利用輸入DC1500V電壓產生380V三相交流電，用于車輛空調、空氣壓縮機、牽引制動設備冷卻風機等交流負載的運行?，F代輔助供電系統(tǒng)主要有電壓隔離和變流兩個功能部分，電壓隔離是將電網上的高壓與低壓用電設備進行電氣隔離，尤其是常需人工操作的控制電源的設備，在電氣電位上實現隔離；變流部分則是用來進行電能形式的轉換，需要將波動的直流電壓逆變?yōu)楹銐汉泐l的三相交流電現代輔助逆變系統(tǒng)主要有以下特點：1.采用IGBT或IPM技術。早期的輔助逆變器采用的功率器件有晶閘管、大功率晶體管和門極可關斷晶閘管GTO等。IGBT（絕緣柵雙極晶體管）具有高開關頻率，功率損耗低，自我保護能力強，電路結構簡單，無須換流和吸收電路，控制電路簡單等優(yōu)點，它的使用減少了輸入與輸出濾波器的體積和重量，減少了元件數量，增加了使用可靠性。IPM（智能功率模塊）是一種先進的功率開關器件，兼有大功率晶體管高電流、低飽和電壓和高耐壓的優(yōu)點，以及場效應晶體管高輸入阻抗、高開關頻率和低驅動功率的優(yōu)點。2.模塊化設計。可實現模塊化和簡單系統(tǒng)化的目標，能充分利用車輛既有空間，體積小，維護方便，成本較低，可適應不同類型的地鐵車輛，滿足用戶使用需求。3.高質量的輸出電壓。使標準的工業(yè)電機與壓縮機負載和其他設備等在地鐵車輛中得到可靠應用。4.采用微機數字控制。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，系統(tǒng)控制以高性能微機為基礎，以脈寬調制控制為中心的控制運算中心部分采用數字信號處理器DSP，其強大功能促進了控制方式的不斷進步，具有良好的穩(wěn)定性和快速的動態(tài)響應性能。輔助逆變原理認知一般來講，輔助逆變系統(tǒng)按逆變的工作過程可分為兩種形式，一種是直接逆變，另一種是間接逆變。直接逆變是城市軌道交通車輛輔助逆變電源最簡單的電路結構形式，輔助逆變電源直接從接觸網或第三軌受流，輸入電壓經濾波后直接由逆變器逆變成三相交流電。我國上海地鐵3號線和輕軌車輛，廣州地鐵1、2、3號線車輛，武漢輕軌和天津輕軌濱海線等車輛的輔助逆變器均采用這種方式。輔助逆變原理認知逆變電路中的開關器件采用大功率GTO、IGBT或IPM，逆變器按U/?等于常數的方式控制，輸出的三相脈寬調制電壓采用變壓器隔離向負載供電。該電路的特點是結構簡單，器件使用數量少，控制方便，但缺點是逆變器電源輸出電壓容易受電網輸入電壓波動的影響，IGBT等功率電子器件換相時承受的過電壓較大，特別是在DC1500V接觸網受流的情況下，電網電壓波動范圍大，可達1000V~1800V。直接逆變電路原理框圖輔助逆變原理認知間接逆變指的是先經升/降壓穩(wěn)壓后再進行逆變，我國上海地鐵1、2、4號線車輛輔助逆變器采用的是這種逆變方式。圖中CHO為升/降壓器，一般有斬波升/降壓（如上海地鐵1號線）和逆變升/降壓（如上海地鐵2、4號線）兩種，其目的一方面是穩(wěn)定逆變器INV的輸入電壓，另一方面是對逆變器進行保護。逆變器將直流電逆變成交流電后，經電感電容濾波網絡FIL濾波，輸入隔離變壓器T0，△-Y連接的隔離變壓器輸出三相四線電壓AC380V，50Hz。對于采用DC750V電壓供電的車輛，其輔助逆變器可采用先升壓再逆變的系統(tǒng)，對于采用DC1500V電壓供電的車輛，其輔助逆變器可采用先降壓再逆變的系統(tǒng)。直接逆變電路原理框圖

第二部分輔助逆變器電路應用分析02輔助逆變器電路應用分析以西門子輔助供電系統(tǒng)為例，分析其輔助逆變器電路逆變的工作過程，該逆變過程的基本原理采用了間接逆變的方式，整個逆變原理流程如圖所示。輔助逆變器逆變流程輔助逆變器電路應用分析1.斬波隔離：斬波隔離過程在DC/DC模塊中進行。來自接觸網的DC1500V高壓電經輸入電路的濾波之后，輸入DC/DC模塊，在該模塊的中進行斬波，最終降壓隔離成DC700V中間電壓。2.PWMI逆變：該逆變過程在DC/AC模塊中進行。利用斬波隔離后的中間環(huán)節(jié)DC700V電壓作為輸入，采用PWMI（脈寬調制）原理將中間環(huán)節(jié)直流電逆變成三相AC380V電。3.正弦濾波：該過程在正弦濾波器中進行。用于將DC/AC模塊輸出端的三相交流方波電壓修正成為三相交流正弦波電壓，供車輛設備使用。輔助逆變器電路應用分析1500V輸入電路分析：1500V輸入電路總體上起到消除電源電磁干擾、濾除電源交流成分，進行限流、過壓保護等功能，以便將更穩(wěn)定的直流電輸入后續(xù)電路中。主要有進線端子X2、輸入熔斷器F10、進線扼流圈R10、EMC濾波器、輸入接觸器Q10、帶預充電電阻的過壓保護單元、濾波電容等部分組成，輸入電路旁邊還并聯一個DBS（蓄電池應急啟動）單元。輔助逆變器電路應用分析1500V輸入電路輔助逆變器電路應用分析1.DC1500V輸入進線端子X2：1500V線電壓在進線端子-X2:L+和-X2:L-處連接到輔助逆變器，端子L+和L-為螺栓M10，用于連接端子處的輸入電纜接頭。2.輸入熔斷器F10：如出現短路情況，輸入熔斷器F10可將輔助逆變器從接觸網斷開，起到短路保護作用。3.進線扼流圈R10：設置該環(huán)節(jié)的目的是消除由于切換IGBT操作而造成的輸入電流波動，并吸收線路上的浪涌電壓，防止對輔助逆變器造成損壞。進線扼流圈R10可將輸入電流的諧波量保持在非常低的水平。4.EMC濾波器：EMC濾波器又稱為“電磁兼容性濾波器”，它包括電容器V3、V4和環(huán)形線芯V1，將EMC濾波器串接于電源進線端，用于消除各類感性負載啟動、制動和運行期間產生的對電源的干擾，保證了電網自身的電磁兼容性。輔助逆變器電路應用分析5.輸入接觸器Q10：根據列車控制系統(tǒng)的指令，起到接通、斷開輔助逆變器和高壓DC1500V輸入之間的電路連接的作用。6.帶預充電電阻的過壓保護單元：由一個限制電涌的IGBT和預充電電阻組成，主要起到瞬態(tài)保護的作用。接觸網網壓有時存在跳變，電壓跳變可能來自于同一供電分區(qū)內的其他城市軌道交通車輛的再生制動，瞬態(tài)保護功能使輔助逆變器電路免受接觸網的電涌。如果在直流環(huán)節(jié)電壓達到規(guī)定值，IGBT將短暫關閉，輸入電路電源能量將通過電阻被斷開，防止直流環(huán)節(jié)電路出現電涌。7.濾波電容：進一步濾除直流環(huán)節(jié)電路的交流成分，起到穩(wěn)定直流電壓的作用。8.DBS：即蓄電池應急啟動單元，在蓄電池欠電壓情況下使用，可使列車在蓄電池饋電的情況下重新激活。輔助逆變器電路應用分析DC/DC模塊電路分析：

DC1500V高壓電經過輔助供電系統(tǒng)輸入電路環(huán)節(jié)之后，首先進入DC/DC模塊，轉變成DC700V中間電壓。DC/DC模塊具有功率密度高、設計緊湊的特點。電路包含升壓斬波電路、中頻逆變器以及整流器三大部分。輔助逆變器電路應用分析1.升壓斬波電路：可將輸入直流電壓斬波成另一直流電壓。電網輸入直流電壓范圍為1000V~1800V，利用升壓斬波電路可在電容C1兩端得到高于輸入電壓的直流電壓。電路通常采用兩級IGBT串聯的方式，通過該電路中的IGBT模塊的導通和關閉，使輸出至中頻逆變器輸入端的電壓穩(wěn)定在DC2400V。2.中頻逆變器：中頻逆變器由4個IGBT組成，4個IGBT為全橋式開關，組成兩個橋臂，通過PWMI脈寬調制控制IGBT管的導通或截止，將輸入直流電壓逆變?yōu)榫匦谓涣麟妷?，逆變頻率為20kHz，兩個橋臂的輸出經一個電容C2連接至整流器。全橋型逆變電路與電容C2、整流器環(huán)節(jié)的變壓器T原邊線圈共同組成準諧振電路，降低IGBT模塊導通和關斷時的開關應力。另外，足夠高的脈寬調制頻率可盡可能減小變壓器T的尺寸和重量。輔助逆變器電路應用分析3.整流器：整流器將上一環(huán)節(jié)逆變得到的交流電壓整流成恒定的DC700V電，以供DC/AC模塊和蓄電池充電機。整流器由變壓器和四個二極管組成的橋式整流電路構成。變壓器T將其次邊電壓調至適用電壓，并通過由四個二極管組成的整流橋，輸出穩(wěn)定的DC700V電壓。輔助逆變器電路應用分析DC/AC模塊電路分析：

DC/AC模塊又稱為逆變模塊，在輔助逆變器電路中，起到將DC700V中間電壓逆變?yōu)槿?0Hz/380V交流電的作用。該電路由位于輸入端的直流中間回路、逆變電路、IGBT驅動單元和SIBCOS控制器組成。DC/AC模塊電路1-IGBT驅動單元；2-SIBCOS控制器輔助逆變器電路應用分析1.直流中間回路：由電容、電阻組成的直流回路位于輸入端，起到穩(wěn)定直流回路電壓的作用，電容器可吸收直流中間回路電壓中的高頻干擾。2.逆變電路：包括三個橋臂，每個橋臂負責一個相位，各由2個IGBT元件組成。該電路采用PWMI脈寬調制的原理，對輸入直流電進行逆變，產生3相交流方波電壓。通過對IGBT元件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來等效正弦波或所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出電壓頻率。逆變電路輸出的脈動波形輔助逆變器電路應用分析3.IGBT驅動單元：對控制器產生的IGBT驅動信號進行功率增益，IGBT的短路保護和過壓保護也位于此模塊。4.SIBCOS控制器：實際上控制器集成在輔助逆變器中，不在DC/AC模塊上。它為IGBT元件產生驅動脈沖，并承擔所有的調整控制任務和監(jiān)測、保護功能。DC/AC模塊輔助逆變器電路應用分析正弦濾波電路分析：

由DC/AC模塊輸出的三相AC380V電壓仍是方波電壓，該波形在經過電纜傳輸后容易在列車負載端產生過沖電壓，頻繁的過電壓沖擊會對負載繞組絕緣產生不良影響，甚至損壞電機繞組絕緣，因此需要將該波形轉變?yōu)轵寗迂撦d的理想波形——正弦波。輔助逆變器電路應用分析如圖所示為一個簡單的正弦濾波電路。該正弦濾波電路由串聯電抗L和并聯電容C構成，電路截止頻率為f=1/(2πLC)。因DC/AC模塊輸出的交流電壓波形比同頻率正弦波多出很多高階奇次諧波，通過適當選取濾波電路的截止頻率，可將輸出波形中大部分高階奇次諧波濾除，得到所需正弦波。簡單的正弦濾波電路輔助逆變器電路應用分析

正弦濾波器設置于DC/AC模塊的輸出端，可將輸出端的三相交流方波電壓修正為接近正弦波的三相AC380V電壓，驅動車輛的交流負載，如圖所示。輔助逆變器輸出端正弦濾波電路輔助逆變器電路應用分析

正弦濾波器由正弦濾波器扼流圈R50和正弦濾波器電容A4-C51、A4-C52、A4-C53組成。扼流圈限制正弦濾波器電容中PWMI電流的增加，正弦濾波器電容降低PWMI輸出電壓的頻率，兩個部件相互形成一個濾波器，通?？蓪⑹д嫦禂担═HD總諧波失真）提高到5-10%，確保濾波后的電壓實際上為正弦曲線。

第三部分輔助逆變器的啟動操作03輔助逆變器的啟動操作

啟動輔助逆變器不需要對其進行特殊操作，當滿足以下條件時，輔助逆變器將自行啟動：1.存在DC110V電源電壓；2.存在輸入電壓，并在正常范圍內；3.已通過MVB（多功能列車總線）從列車控制發(fā)出激活信號；4.輔助逆變器無故障。輔助逆變器的啟動操作輔助逆變器啟動順序：1.輔助逆變器系統(tǒng)進行自檢，如果自檢沒有錯誤，為了與列車的交流母線同步，PWMI會一次關斷；2.如果列車三相交流母線上沒有電壓，輸出保護接通，PWMI接通，系統(tǒng)重新啟動。3.如果在系統(tǒng)自檢后列車三相交流母線已經存在電壓，PWMI開始執(zhí)行與列車三相交流母線的同步，達到同步后輸出保護接通，此時PWMI已經接管整個列車母線輸出。結束！城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)控制任務三蓄電池系統(tǒng)及其電氣控制目錄蓄電池及充電機系統(tǒng)概述12蓄電池及充電機控制系統(tǒng)電路應用分析

第一部分蓄電池及充電機系統(tǒng)概述011.蓄電池及蓄電池箱概述蓄電池箱位于Tc車，每節(jié)Tc車車底設置兩個蓄電池箱，其中一個蓄電池箱帶有溫度傳感器及外掛熔斷器箱，箱體采用懸掛安裝方式，冷卻方式為自然通風。圖為地鐵車輛蓄電池箱。

地鐵車輛蓄電池一般是由80或84只鎳鎘可充電電池單體串聯組成的電池組，滿電壓DC110V。鎳鎘電池具有使用壽命長（充放電循環(huán)周期高達數千次）、機械性能好（耐沖擊和振動）、自放電小、低溫性能好等優(yōu)點。鎳鎘蓄電池充放電過程中電池的電化學反應如下：負極：正極：總反應：蓄電池充電時，正極發(fā)生氧化反應，負極發(fā)生還原反應。蓄電池放電時，負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應。

蓄電池的額定容量用C表示，單位是A·h，它是放電電流和放電時間的乘積。蓄電池在工作中的電流常用“放電倍率”（簡稱“放電率”）表示，寫作NC，N是一個倍數。放電倍率對電池放電容量的影響很大。放電倍率越大，放電電流就越大，電化學極化和濃差極化急劇增加，使電池放電電壓急劇下降，電極活性物質來不及充分反應，電池容量會減少很多。根據放電倍率的大小，電池可分為低倍率（小于0.5C）、中倍率（0.5C~3.5C）、高倍率（3.5C~7C）和超高倍率（大于7C）四類。

本小節(jié)所舉例介紹的車輛，其蓄電池箱內的蓄電池為地鐵車輛用鎳鎘堿性中倍率蓄電池。車輛采用的蓄電池型號為FNC140MR2，標稱電壓為1.2V，電池容量為140Ah。蓄電池箱1內共有40個電池單元，蓄電池箱2內共有40個電池單元，電池單元串聯連接如圖所示，作為列車110V直流供電系統(tǒng)的備用電源，使用環(huán)境溫度為-40℃到50℃。地鐵車輛蓄電池蓄電池箱內電池單元的連接方式2.充電機模塊概述

蓄電池充電機屬于車輛輔助逆變箱內的一個緊湊型模塊，列車每個單元包含兩個充電機，一列車共有4個充電機，其將DC/DC模塊輸出的中間直流環(huán)節(jié)電壓轉換成電位隔離的DC110V電壓。在正常模式下，本單元1臺充電機為本單元蓄電池充電，同時與另一臺充電機共同向DC110V母線供電。輔助供電系統(tǒng)直流負載供電及蓄電池充電電路原理圖充電機模塊項目數據輸入電壓/VDC700輸出電壓/VDC110輸出充電電壓控制精度±2%輸出電壓紋波±1%rms輸出電壓調整范圍/VDC77~137.5額定輸出功率/kW12最大輸出電流/A109（有效電流限制）電流限制控制精度±5%效率(cosφ=0.85)>90%諧波畸變<5%rms充電機基本性能參數

第二部分蓄電池及充電機控制系統(tǒng)電路應用分析021.充電機模塊電路分析充電機模塊實際上是一個DC110V電壓轉換裝置，根據充電機模塊與輔助逆變模塊在電路中的邏輯關系，一般充電機電路設置方式有兩種。

第一種是先逆變再轉換的方式，這種方式也稱為間接轉換，如圖所示。間接轉換在進行工作時需要經輔助逆變器逆變、濾波后，在進行降壓、整流，得到DC110V電壓。DC110V電壓的間接轉換

第二種是轉換和逆變過程同步進行的方式，這種方式也稱為直接轉換，一般可采用全橋高頻逆變降壓后整流的方式工作。本任務中分析介紹的西門子輔助供電系統(tǒng)所采用的充電機就是這種工作方式，如圖所示。由于充電機模塊與DC/AC逆變模塊并聯連接，所以DC110V轉換和輔助逆變過程是同步進行的，這種直接轉換的工作方式不會對輔助逆變器工作造成影響。DC110V電壓的直接轉換采用第二種直接轉換方式進行工作的充電機模塊電路如圖所示。該電路采用DC/DC高頻變流技術，包括逆變部分、變壓部分和整流部分組成。由IGBT元件組成的逆變電路將輸入的中間環(huán)節(jié)DC700V電壓進行逆變，產生交流電壓，輸入中頻變壓器一次側。經變壓器變壓，在二次側產生隔離的交流電壓，再經整流電路，輸出恒定的DC110V電壓。輸出部分有兩條正母線，一條為蓄電池組充電，另一條為列車永久負載、常規(guī)負載和延時負載供電。充電機模塊按照蓄電池的充放電特性給蓄電池充電，蓄電池的電壓、電流、溫度以及相應的充電均被集成在模塊中的SIBCOS控制器監(jiān)控，充電電壓等具體應用參數可通過軟件設置。充電機的數字、電子、開環(huán)、閉環(huán)控制也由SIBCOS控制器執(zhí)行，通過CAN總線接口連接到更高級別的控制。

此外，為了向列車司機室內的廣播控制盒等DC24V負載供電，在充電機模塊之后，通過并聯的方式從DC110V母線接出一路，經過另一個功率為1kW的DC/DC斬波模塊，將DC110V電轉變?yōu)镈C24V電壓，為司機室DC24V負載供電，如圖所示。24VDC/DC斬波電路模塊2.蓄電池充電機控制電路分析蓄電池充電機為列車負載供電的控制電路如圖所示。

控制電路主要由充電機、蓄電池組、相關功能繼電器及其觸點、熔斷器、空氣開關、二極管等組成。以下簡要介紹本電路的主要控制功能。

（1）熔斷器=32-Q01位于蓄電池箱，可手動拆裝，正常工作時熔斷器閉合。在電氣檢修時，為避免檢修人員觸電，需將=32-Q01熔斷器拉下。

（2）永久負載線供電：閉合位于司機室繼電器柜內的永久負載空氣開關=32-F05，蓄電池組通過充電機正母線以及=32-F05空氣開關觸點1、2自動為列車永久負載線供電，列車無需激活，永久負載線也能得電。

（3）常規(guī)負載線供電：閉合位于司機室繼電器柜內的永久負載空氣開關=32-F05，蓄電池組通過充電機正母線以及=32-F05空氣開關觸點1、2為=32-K01欠壓檢測繼電器供電。當蓄電池電壓低于84V時，欠壓檢測繼電器關斷，當蓄電池電壓高于96V時，欠壓檢測繼電器導通，其=32-K01觸點11、14閉合，在列車激活的前提下，=32-K02輸出控制繼電器得電→=32-K02繼電器的觸點1和2、3和4、5和6閉合→=32-K03KM輸出繼電器得電→=32-K03的觸點1和2、3和4、5和6閉合→蓄電池組通過充電機正母線為常規(guī)負載線供電。

（4）延遲負載線供電：通過空氣開關=32-F05的閉合，使=32-K04延時繼電器A1端得電，在蓄電池組電壓大于96V且列車激活的前提下，=32-K04延時繼電器B1端得電，→=32-K04的觸點15、18閉合→=32-K05延時斷電輸出繼電器得電→=32-K05的觸點1和2、3和4、5和6閉合→蓄電池組通過充電機正母線為延遲負載線供電。由于=32-K04延時繼電器具有失電延遲30s控制對應觸點恢復常開狀態(tài)的特點，因此當蓄電池組欠壓的時候，延遲負載線具有延時斷電的功能。結束！城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)控制任務四輔助供電系統(tǒng)控制器及其他功能目錄輔助供電系統(tǒng)控制器12輔助供電系統(tǒng)的冷卻3輔助供電系統(tǒng)應急功能4輔助供電系統(tǒng)故障工作工況

第一部分輔助供電系統(tǒng)控制器01

輔助供電系統(tǒng)由以下控制：SIBCOS-M2500型主控制器SIBCOS-M2000型模塊控制器二進制輸入和輸出的SIBCOS-M9000CAN節(jié)點主控制單元SIBCOS-M2500通過多功能車輛總線（MVB）向車輛控制單元發(fā)送信息，也可以通過以太網向車輛控制單元發(fā)送信息，在這種情況下，需裝有接口轉換器RS232-RJ45。控制單元之間的連接如圖所示。1、二進制輸入/輸出K1、SIBCOS-M25002、CAN總線A9-K2、SIBCOS-M20003、服務接口K3、SIBCOS-M90004、MVBK4、接口轉換器5、以太網T3、DC/DC模塊

T5、DC/AC模塊

T6、蓄電池充電機（1）SIBCOS-M2500主控制器控制器SIBCOS-M2500是主控制與模塊控制的組合，負責全面系統(tǒng)控制以及與更高等級控制的通訊。它可監(jiān)控輔助逆變器的輸入、輸出和內部電壓、電流，以及主部件的溫度，如檢測到任何故障，將關閉輔助逆變器。該控制器有16個IGBT控制通道和14個IGBT反饋輸入以及8個數字輸入和4個數字輸出。SIBCOS-M2500控制器配有兩個40MHz微處理器，每個處理器都有自己的電源、總線、存儲器、模擬輸入和CAN總線接口。一個微處理器執(zhí)行輔助逆變器所有監(jiān)控和診斷功能，包括傳感器信號的評估、電壓和電流控制、順序控制和標準監(jiān)控功能。該處理器也控制產生IGBT起始脈沖的可編程邏輯電路。第二個微處理器用于特殊的獨立檢查功能，例如：干擾電路監(jiān)控。也可用于冗余處理安全相關控制信號。SIBCOS-M2500主控制器的附加接口為：①MVB接口：負責與車輛控制單元的通信，該接口符合TCN標準。②CAN接口：負責與其他CAN節(jié)點的通信。③RS232接口：可與筆記本電腦連接，該接口用于調試、啟動、診斷和程序下載。（2）SIBCOS-M2000模塊控制器SIBCOS-M2000控制器控制DC/AC模塊和蓄電池充電機模塊。該控制器有11個IGBT控制通道和10個IGBT反饋輸入?？刂破魃习幸粋€20MHz微處理器、512KBEPROM（可擦編程只讀存儲器）和64KBSRAM（靜態(tài)隨機存儲器）。SIBCOS-M2000模塊控制器的附加接口為：①CAN接口：用于將SIBCOS-M2000模塊控制器連接至主控制器或其他從控制單元。②RS232接口：可與筆記本電腦連接，該接口用于啟動和診斷等

SIBCOS-M2500和SIBCOS-M2000控制器（3）SIBCOS-M9000CAN節(jié)點SIBCOS-M9000含有1個20MHz微處理器、8個二進制輸出和12個二進制輸入。它屬于一個二進制輸入輸出的控制子系統(tǒng)，一些二進制輸入輸出控制信號可以通過列車硬線和SIBCOS-M9000CAN節(jié)點傳輸到主控制器。SIBCOS-M9000通過CAN總線與主控制器進行通信。

第二部分輔助供電系統(tǒng)的冷卻02

輔助逆變器為強制風冷，一個輔助逆變箱中的兩個輔助逆變單元H1/H2各有其自身的冷卻系統(tǒng)。系統(tǒng)的設計使主風機盡量保持低速，使噪音最小化，并保證優(yōu)化通風。列車啟動后主風機打開，它由輔助供電系統(tǒng)自身輸出的三相AC380V電源供電，主風機的轉速由主控制器SIBCOS-M2500控制，主控制器監(jiān)控輔助逆變器的溫度并逐步調整主風機轉速?？諝鈴妮o助逆變箱側面的雙進氣格柵被吸入，在機箱內通過整流器、變壓器、濾波器扼流圈等設備的散熱片后到達出氣格柵，并向下吹出實現風冷散熱。輔助逆變箱進氣格柵和出氣格柵輔助逆變箱主風機

除了主風機之外，在DC/DC模塊與充電機模塊之間，設置一個內部風機進行內部空氣循環(huán)，如圖所示，內部風機由DC110V電控制開啟或關閉。輔助逆變箱內部風機位置

第三部分輔助供電系統(tǒng)應急功能031.蓄電池應急啟動模塊正常情況下，列車蓄電池可為列車提供DC110V電壓，列車可通過轉動司機室繼電器柜內的列車激活旋鈕正常被激活。若蓄電池電壓過低，列車激活旋鈕無法正常激活列車時，可操作充電機緊急啟動按鈕，通過DBS（蓄電池應急啟動）模塊為列車提供激活所需的電源。在一個輔助逆變箱的兩個單元中，一般在H1單元配置蓄電池應急啟動模塊，H2單元不配置。啟動該裝置后，直接將DC1500V電壓轉變?yōu)镈C110V電為直流母線供電，從而給輔助逆變器內部控制電路供電并啟動蓄電池充電機。在啟動時，小功率電路部分先建立起內部控制和驅動電路供電，當這部分電源建立后，大功率電路部分將1500V直流電直接轉換為110V直流輸出。蓄電池應急啟動電路原理如圖所示。正常工況下，由列車DC110V電源通過5、6接點為負載供電，當蓄電池欠電壓時，啟動DBS模塊，此時系統(tǒng)工作在應急啟動工況下，將DC1500V電直接轉化為DC110V電，啟動通電程序，充電機開始工作并為蓄電池充電。蓄電池應急啟動的具體操作為：（1）蓄電池電壓＜84V，主風缸壓力＞4bar時：此時升弓壓力足夠，通過操作車廂升弓柜內的兩位三通閥U09，可將壓力空氣送入受電弓升弓氣囊進行升弓。然后按下司機室內充電機應急啟動按鈕，激活充電機給蓄電池充電直至96V激活列車最低電壓，再轉動列車激活旋鈕完成列車激活。（2）蓄電池電壓＜84V，主風缸壓力＜4bar時：此時升弓氣壓不足，需將升弓柜內的兩位三通閥U09打到規(guī)定位置，通過腳踏泵人工踩氣升弓。然后按下司機室內充電機應急啟動按鈕，激活充電機給蓄電池充電直至96V激活列車最低電壓，再轉動列車激活旋鈕完成列車激活。2.蓄電池應急供電因故障或者列車失去外部高壓供電（如接觸網斷電）時，列車將自動切換至緊急運行模式，該模式下，蓄電池將為列車進行應急供電，應急供電需滿足以下功能：蓄電池的電量必須保證車輛緊急通風運行，在地下線路不低于45分鐘，地面與高架線路不低于30分鐘；緊急照明（緊急照明約等于三分之一的正常照明）客室內外所有指示燈頭燈和尾燈司機室照明所有車門開啟和關閉一次所有安全相關的控制系統(tǒng)列車通信和廣播旅客信息和視頻監(jiān)控系統(tǒng)（不包括LCD顯示器）3.蓄電池應急牽引在缺少外部高壓供電的情況下，利用蓄電池實現緊急牽引列車，已經成為城市軌道交通車輛新技術的熱門研究方向。該技術的目的主要是為了提升列車失電情況下的應急能力，其在以下兩種情況下安全保障方面意義重大：一是區(qū)間供電故障的應對；二是采用接觸軌供電列車的庫內檢修。以天津地鐵進行的蓄電池應急牽引技術研究為例，蓄電池應急牽引功能按單線雙向原則，在AW0-AW3載荷工況下，列車具備通過蓄電池牽引運行至下一站或退回至上一站的能力，同時滿足車輛段內的日常調車作業(yè)。每列車設置2組牽引蓄電池、2臺充電機、2臺轉換開關箱和2個牽引蓄電池開關，與M車的牽引逆變器（帶蓄電池牽引功能）和牽引電機共同組成蓄電池牽引系統(tǒng)。利用鋰電池作為牽引逆變器的輸入電源，2臺M車的牽引逆變器在低電壓模式下分別驅動4臺并聯的牽引電機共同工作。其牽引系統(tǒng)配置如圖所示。天津地鐵研究的蓄電池應急牽引系統(tǒng)配置

第四部分輔助供電系統(tǒng)故障工作工況041.輔助逆變器故障工作工況在正常工作條件下，輔助逆變器無故障，某軌道交通1號線一期車輛的輔逆總容量及相關交流負載見下表。此情況下，列車運行時空氣壓縮機只考慮一臺，工作率取0.5，客室空調取制冷時的功率來計算容量，此時輔助供電系統(tǒng)提供的功率為負載功率的156%，有較大富裕容量。輔逆無故障負載Tc車Mp車M車M車Mp車Tc車數量容量(kVA)數量容量(kVA)數量容量(kVA)數量容量(kVA)數量容量(kVA)數量容量(kVA)空調壓縮機47.847.847.847.847.847.8空調冷凝風機41.141.141.141.141.141.1空調通風機41.241.241.241.241.241.2司機室通風機組10.265

10.265牽引風機

12.912.912.912.9

制動電阻風機

11.511.511.511.5

空氣壓縮機

0.59.850.59.85

外接負載插座12

12小計42.66544.849.72549.72544.842.665輔逆容量(kVA)220

220輔逆總容量(kVA)440AC總負載功率(kVA)274.38剩余負載容量(kVA)165.62輔助逆變器無故障工況下交流負載分配表輔助供電系統(tǒng)采用并網供電方式的城市軌道交通車輛，當一個輔助逆