地鐵輔助逆變系統(tǒng)分析

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)是地鐵或輕軌車輛上的一個必不可少的關(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輛輔助逆變系統(tǒng)的逆變特性、參數(shù)和逆變電路等。并對PWM信號線路優(yōu)化，實現(xiàn)控制信號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，歐洲與日本等國的車輛輔助逆變系統(tǒng) 大都采用 IGBT來構(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，而且都能滿足地鐵或輕軌車輛的要求。

3、在目前的方案中，對DC110V控制電源主要有兩種不同的設(shè)想：（1）通過 50Hz隔離降壓變壓器來實現(xiàn)；（2）獨立的直直變換器直接接于供電網(wǎng)壓通過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， 用于車門、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：（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， 通過電池的溫度傳感器進(jìn)行自動的溫度補償，并且可以在浮充的情況下通過調(diào)壓，可以將 蓄電池充滿電。2）模塊化設(shè)計，輔助逆變器為一個整體，便于安裝布線和維修1.1 IGBT （ IPM）型逆變器原理一個三相逆變器擁有 6 個靜態(tài)開關(guān)用于將一個直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓，從圖 2中可 以看出，中壓由一臺輔助逆變器提供。每一臺輔助逆變器提供一個相互獨立的三相中壓電 網(wǎng)。逆變器是采用 IGBT 作為開關(guān)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(guān)，通過微機(jī)輸入的 PWM信號， IGBT不斷的配合導(dǎo)通，把直流電變換成交流電， 改變?nèi)M開關(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正弦波電壓， 這樣盡管受逆變器中電壓波動的影響，負(fù)載電流也是正弦的。通過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

6、電路1.2 蓄電池充電原理輔助逆變器還自帶一個蓄電池充電器。 蓄電池充電器提供一個可控的低壓 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(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。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 電壓提供給電池和 110V負(fù)載。這樣，蓄電池充電器動作相當(dāng)于一個可變轉(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。有兩個電路提供低壓：一個永久低壓電路和一個預(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模式（比如沒有高壓）不進(jìn)入休眠狀態(tài)的的 低壓負(fù)載供電。在車輛整備時，如果儲存有足夠低壓電能，預(yù)壓列車線得電。1.3 自舉電池運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啟動輔助逆變器。當(dāng)蓄電池電壓過低的情況下，逆變器及充電器有緊急 （自舉） 啟動的功能。如果蓄電池電壓 過低，逆變器電子裝置檢測到后，逆變器不啟動。在蓄

8、電池組欠電壓狀態(tài)中輔助供電系統(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，必須手動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并給主電池提供足夠的電壓。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(nèi)置的自舉蓄電池充電。當(dāng)接觸器閉合時自舉電池充電，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 在地鐵車輛電氣配電系統(tǒng)中，將

9、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 交流- 低壓為 110V直流2.1 高壓配電高壓通過架空線為整個列車提供電源，用于牽引裝置和通過靜態(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)逆變器配置在每個拖車和不帶受電弓的動車上。每一臺靜態(tài)逆變器產(chǎn)生一個相互 獨立的三相電網(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，低壓用于車門、應(yīng)急照明、旅客緊急通風(fēng)、通訊、控 制和數(shù)據(jù)處理（參見圖 5）。PB前行 / 制動情形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靜態(tài)逆變器提供。 每一臺靜態(tài)逆變器提供一個相互獨立的三相中壓電網(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)先級啟動。空壓機(jī)授 權(quán)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(fēng)機(jī)和可變 制動電阻的風(fēng)機(jī)開始啟動。 其他負(fù)載根據(jù)上一級負(fù)載的啟動狀況并由 TIMS的授權(quán)后允許啟動。每一臺靜態(tài)逆變器提供一個獨立的電網(wǎng)。每車至少有兩個獨立的中壓電網(wǎng)。（參見圖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，蓄電池能給負(fù)載供電 45 分鐘。同時，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，蓄電池和負(fù)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 輔助逆變系統(tǒng) PWM控制的信號保護(hù)地鐵車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控制過程逆變器通過“ PWM”（脈沖寬度調(diào)制）來控制，直接利用轉(zhuǎn)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) 過微處理器處理并轉(zhuǎn)換成 PWM調(diào)制信號，傳輸給 IGBT驅(qū)動電路驅(qū)動逆變器將直流 1500V逆 變成 400V/230V 的交流，然后給輔助設(shè)備供電，通過檢測器件將電流、電壓和溫度等信息 反饋給處理器進(jìn)行自動調(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 前級的脈沖輸出的電壓毛刺可能給它帶來相當(dāng)大的干

13、擾。為了這個原因，在模塊和前級輸 出之間采用變壓器或光耦（光耦常用于小電壓輸出，如信號電壓）進(jìn)行電壓隔離。雖然在 驅(qū)動電路中設(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)動模塊之間增加了光電隔離模塊， 使其與驅(qū)動電路中的變壓器隔離組成對微處理模塊的雙保護(hù)， 變壓器主要進(jìn)行干擾信號的隔離， 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(jié)論城市軌道車輛輔助電源系統(tǒng)是列車正常運營中必不可少的電氣系統(tǒng)，關(guān)系到了整個車 輛能否正常運行，它負(fù)擔(dān)列車照明、空調(diào)、設(shè)備

14、冷卻、蓄電池充電等輔助功能的系統(tǒng)。本文對六列編組的地鐵車輛輔助逆變系統(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 PWM控制信號線路優(yōu)化， 實現(xiàn)控制信號和電力線路的光電隔離， 進(jìn)一步的確保車輛運營的安全性。尤其對輔助逆變器電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，使我們 對地鐵設(shè)備的國產(chǎn)化增加了信心，有些電氣設(shè)備我國還沒能力進(jìn)行獨立自主的研發(fā)與制造，因此對這方面的知識不能進(jìn) 行深入的探討。我國應(yīng)盡快加大這方面與國外的技術(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)合國內(nèi)電力電子技術(shù)的發(fā)展、元器件的使用水平以及國外地鐵電動車組 輔助逆變電源的發(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輔助逆 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(chǎn)國產(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