地鐵輔助逆變系統(tǒng)分析報(bào)告

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。蓄電池采用鎳鎘電池，容量

2、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。在目前的方案中，對(duì)DC110V控制電源主

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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.C.蓄電池充電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

10、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

11、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 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/

12、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

13、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