寧波軌道交通4號(hào)線和2號(hào)線二期工程地鐵車輛供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寧波軌道交通4號(hào)線和2號(hào)線二期工程地鐵車輛供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0輔助生長(zhǎng)和高頻變流技術(shù)寧波軌道交通2號(hào)線和4號(hào)線的地鐵車輛由4個(gè)街區(qū)組成，通過(guò)2個(gè)提升裝置和6個(gè)提升裝置。輔助供電采用綜合供電和高頻濾波技術(shù)，但兩條線路的輔助供電產(chǎn)品不同。本文將對(duì)寧波城市軌道交通的這2條線路地鐵車輛的輔助供電系統(tǒng)和輔助變流器（Auxiliarypowersystem，簡(jiǎn)稱APS）進(jìn)行描述和分析。14線10輛地鐵車輛的輔助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)1.14號(hào)線地鐵車輛輔助變壓器電路分析寧波軌道交通4號(hào)線地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)采用并網(wǎng)供電技術(shù)，系統(tǒng)電路框圖如圖1所示系統(tǒng)由4臺(tái)APS構(gòu)成，每臺(tái)APS各集成了1臺(tái)輔助逆變器和充電機(jī)。每輛拖車（Tc車）的底架下安裝有2臺(tái)APS。APS采用高頻變流技術(shù)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。從表1可知，4號(hào)線地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)的每臺(tái)充電機(jī)容量為14kW，每臺(tái)輔助逆變器的三相輸出功率為120kVA，全列車4臺(tái)APS的總功率與寧波軌道交通1號(hào)線一期地鐵車輛相比均有所提高。4號(hào)線地鐵車輛的三相380V交流負(fù)載分配與1號(hào)線一期地鐵車輛的一致。由于輔助逆變器的輸出為三相三線制，故司機(jī)室和客室方便插座的AC220V單相負(fù)載電源需要由單相變壓器轉(zhuǎn)換獲得。另外，4號(hào)線地鐵車輛的空調(diào)系統(tǒng)采用了變頻空調(diào)，可減少列車空調(diào)機(jī)組的啟動(dòng)電流對(duì)輔助逆變器的沖擊。當(dāng)1臺(tái)輔助逆變器故障時(shí)，通過(guò)切除相應(yīng)故障逆變器的輸出接觸器，將輔助逆變器與三相母線隔離，其他輔助逆變器輸出不受影響。通過(guò)計(jì)算，當(dāng)1臺(tái)輔助逆變器故障時(shí)，列車無(wú)需切除任何交流負(fù)載，剩下的3臺(tái)輔助逆變器仍能滿足全車交流負(fù)載的供電需求；而當(dāng)2臺(tái)輔助逆變器故障時(shí)，通過(guò)切除相應(yīng)故障輔助逆變器的輸出，車輛控制單元（VCU）控制列車的變頻空調(diào)機(jī)組降低制冷輸出量，其他交流負(fù)載不受任何影響。4號(hào)線地鐵車輛的DC110V電路供電模式與1號(hào)線一期地鐵車輛的一致（如圖2所示）在列車4臺(tái)充電機(jī)正常工作的情況下，整車DC110V用電負(fù)荷約20kW，占充電機(jī)輸出功率的35.7%。當(dāng)列車的1臺(tái)或2臺(tái)充電機(jī)因?yàn)楣收隙磺谐龝r(shí)，對(duì)全列車的DC110V用電負(fù)載沒(méi)有影響；在3臺(tái)及以上充電機(jī)因?yàn)楣收隙磺谐那闆r下，可關(guān)閉乘客信息系統(tǒng)的LCD顯示器，照明系統(tǒng)將自動(dòng)轉(zhuǎn)為緊急照明，以延長(zhǎng)蓄電池緊急工況下的供電時(shí)間。這種4臺(tái)充電機(jī)供電的方式提高了列車的故障運(yùn)行能力。1.2車輛底架懸掛方式4號(hào)線地鐵車輛采用了接觸網(wǎng)受流和專用軌回流的方式。受專用軌回流地鐵車輛下部限界的影響，整個(gè)APS箱體的縱向方向尺寸要求比常規(guī)的B2型車輛苛刻；同時(shí)4號(hào)線地鐵車輛底架設(shè)備的懸掛方式為邊梁懸掛，APS箱體需要通過(guò)主橫梁懸掛在列車車體的邊梁上；Tc車的2套輔助供電系統(tǒng)沒(méi)有集成在1個(gè)箱體中（采用C型槽吊鉤懸掛形式），而是如圖3所示分成2個(gè)APS箱體斜對(duì)稱布置1.34輔助管理信息系統(tǒng)如圖1所示，4號(hào)線車輛的每個(gè)APS箱體主要由預(yù)充電電路、輸入濾波電路、升壓電路、諧振變換器、API逆變器、LVPS充電機(jī)及ACU控制器等組成，同時(shí)在預(yù)充電電路前配置應(yīng)急啟動(dòng)電源。預(yù)充電電路中集成了由L1,C1和R2組成的輸入濾波電路（如圖4所示），其作用是吸收直流輸入端的諧波電壓，對(duì)輸入電源網(wǎng)絡(luò)的高頻電壓和電流尖峰干擾有抑制作用，同時(shí)抑制輔助變流系統(tǒng)對(duì)輸入電源網(wǎng)絡(luò)的干擾。升壓斬波電路采用了兩級(jí)IGBT串聯(lián)的方式，將輔助供電系統(tǒng)DC1000～1800V的輸入電壓變換為穩(wěn)定的DC2400V電壓，經(jīng)電容濾波，為下一級(jí)的全橋諧振變換器提供穩(wěn)定的電壓。全橋諧振變換器將中間電壓逆變?yōu)楦哳lPWM電壓，經(jīng)高頻變壓器（T1或T2）降壓后，整流濾波為DC700V電壓。如圖5示，由V1～V6組成的IGBT兩電平電壓型API逆變器電路采用輸出電壓閉環(huán)控制的方式，將DC700V逆變成基波頻率為50Hz的PWM電壓，經(jīng)低通LC正弦波濾波器濾波后得到近似正弦波的三相380V/50Hz電壓輸出。當(dāng)API逆變電路的380V輸出電壓正常后，三相交流接觸器KMA閉合，將三相380V電源送入列車負(fù)載。LVPS充電機(jī)（見(jiàn)圖6）采用DC/DC高頻變流技術(shù)，將DC700V直流電壓經(jīng)全橋直流高頻變流器逆變?yōu)楦哳lPWM交流電壓，再經(jīng)輸出整流和濾波后得到穩(wěn)定的DC110V電壓，給110V蓄電池組充電和輸出到列車的DC110V母線。DC110V充電機(jī)采用恒壓和輸出限流的控制方式，并具有溫度補(bǔ)償功能。4號(hào)線地鐵車輛的充電機(jī)電路采用了諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，可減小IGBT的高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)力損耗，提高電源的工作效率。22輔助系統(tǒng)組成與寧波軌道交通2號(hào)線一期地鐵車輛的輔助供電系統(tǒng)采用工頻輔助逆變器及擴(kuò)展供電技術(shù)不同2號(hào)線二期車輛的APS箱體與2號(hào)線一期列車一樣安裝在位于列車編組兩端的Tc車底架，全列車共設(shè)4套相同的輔助供電系統(tǒng)，每個(gè)APS箱體中集成了2套高頻輔助供電系統(tǒng)。由于整個(gè)系統(tǒng)采用了緊湊型設(shè)計(jì)，沒(méi)有像4號(hào)線車輛那樣采用專用軌回流技術(shù)引起的車輛底部限界問(wèn)題的困擾，故安裝在每個(gè)Tc車的2套輔助供電系統(tǒng)采用斜對(duì)稱布置的方式集成在1個(gè)不銹鋼材料的APS箱體中，整個(gè)系統(tǒng)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式，冷卻風(fēng)機(jī)的電源由系統(tǒng)自身的三相380V提供。APS箱體中高頻輔助供電系統(tǒng)的原理框圖如圖7所示整個(gè)系統(tǒng)主要由預(yù)充電輸入電路、斬波升壓電路、逆變電路、輔助逆變器及三相輸出濾波電路、充電機(jī)電路等組成，另外在APS箱體中設(shè)置了應(yīng)急啟動(dòng)單元。如圖8所示，2號(hào)線二期地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)的預(yù)充電電路由接觸器K、IGBT元件V和電阻R1共同組成，其特點(diǎn)是用無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)元件IGBT代替了預(yù)充電接觸器，減少了由于接觸器觸點(diǎn)問(wèn)題引起的系統(tǒng)故障。圖8中的電抗器L與電容C、電阻R共同組成預(yù)充電濾波電路。2號(hào)線二期地鐵車輛斬波升壓電路和逆變電路與4號(hào)線地鐵車輛相同，這里不再重復(fù)敘述。4號(hào)線和2號(hào)線二期地鐵車輛的高頻變壓器相同，鐵心均采用了超微晶材料，相比1號(hào)線一期車輛采用的鐵氧體材料作為高頻變壓器的鐵心，超微晶材料在飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度方面具有優(yōu)越的溫度性能。4號(hào)線和2號(hào)線二期車輛的輔助逆變器內(nèi)部采用高頻變壓器后，單臺(tái)高頻變壓器的質(zhì)量約為22kg，每節(jié)Tc車APS箱體中的4臺(tái)高頻變壓器比使用工頻變壓器（質(zhì)量約495kg）減小質(zhì)量約407kg，大幅降低了整個(gè)APS箱體設(shè)備的重量，設(shè)備輕量化效果明顯。斬波升壓電路和逆變電路輸出的DC700V電壓經(jīng)圖9所示的輔助逆變器電路，逆變獲得三相工頻PWM電壓。與4號(hào)線地鐵車輛的逆變電路不同的是圖9中的V7,V8與V1～V6組成的三相四橋臂，可同時(shí)逆變獲得單項(xiàng)工頻220V的PWM電壓。輔助逆變器輸出的三相四線PWM電壓經(jīng)輸出電路的正弦輸出濾波器濾波后獲得滿足負(fù)載要求的380V正弦工頻交流電源。由于2號(hào)線二期地鐵車輛的輔助逆變器直接按三相四線制電壓輸出，故司機(jī)室和客室插座所需的AC220V電壓可直接獲得，而無(wú)須如1號(hào)線一期和4號(hào)線車輛那樣需要增加變壓器獲得2號(hào)線二期地鐵車輛的充電機(jī)電路的初級(jí)采用了半橋電路，經(jīng)單相隔離變壓器，將前級(jí)逆變電路過(guò)來(lái)的DC700V電壓逆變成方波電壓，并由單相整流器整流及濾波后，獲得DC110V輸出。2號(hào)線二期地鐵車輛充電機(jī)供電電路與4號(hào)線不同的是每個(gè)APS箱體中的2臺(tái)充電機(jī)經(jīng)2個(gè)二極管并聯(lián)后同時(shí)給本單元的蓄電池充電（如圖10所示）采用緊湊型設(shè)計(jì)的2號(hào)線二期地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)基本性能技術(shù)參數(shù)如表2所示。每列車的2個(gè)APS箱體總重量較4號(hào)線車輛有所降低。3車輛輔助組成和改造方案并網(wǎng)供電技術(shù)的應(yīng)用可以提高城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)的冗余性，將成為今