城市轨道交通车辆辅助电源系统分析

 在城市轨道交通车辆中,通常是从电网获取直流电压（一般为1500VDC 和 750VDC）,经由辅助逆变器（ 也称静止逆变器） 变换输出380VAC,给列车上的辅助设备供电。

　　城市轨道交通车辆一般采用两种型号车辆,对于两种车辆,逆变器的工作形式不同:A型车为拖车,其逆变器一路供给列车照明和风机电机;另一路输出 110VDC 控制电源,同时兼向蓄电池充电;B/C 型车为动车,其逆变器输出 380VAC 分别向列车的空调机组和空气压缩机供电。

　　以下,就城市轨道交通车辆的辅助电路系统进行分析介绍。

1 辅助逆变器电路结构

　　城市轨道交通车辆中的辅助逆变器电路常见有两种形式:一种采用直接逆变方式（DC- AC）,如图 1 所示;另一种采用先斩波（升 /降压斩波）后逆变方式（DC - DC - AC）,如图2 所示。Siemens 公司采用 DC — DC — AC形式, 如上海一、二线和广州一号线地铁车辆;Bombardier 公司采用DC — AC 形式,应用于长春生产的车辆中。

　　其中DC — DC — AC 方式升/ 降压斩波中,升压斩波的系统应用在DC750V 供电网压的场合;降压斩波的系统应用在网压为DCl500V 的场合。采用升/降压斩波的目的都是为了使逆变器的输入电压稳定,当负载变化或电压波动时,保证斩波器有稳定的输出电压。

　　目前, 以GTO 、IGBT为代表的开关器件的开关频率足以满足在网压波动范围内,用PWM 调制实现逆变器稳定输出, 且满负荷运行,因此现在生产的车辆常采用直接逆变的方式。

2 辅助逆变器形式

　　目前我国城市轨道交通车辆使用的辅助逆变器有两种形式:一种为单台逆变器形式,另一种为两台逆变器串联形式。例如上海一号线直流地铁车辆使用单台逆变器形式,上海二号线地铁车辆使用两台逆变器串联形式。

　　2.1 单台逆变器形式

　　对于网压1500V,容量约200kVA 左右的辅助逆变器一般使用3300V / 400A 的 IGBT元件。这种形式结构简单、可靠, 逆变器用PWM 调制可使输出电压的谐波含量在限制值以内,是目前普遍采用的形式。

　　2.2 两台逆变器串联形式

　　有两种方案:一为两台逆变器输出至隔离变压器,通过隔离变压器的电路叠加,或磁路叠加,然后经滤波输出,这种方案的优点是逆变器可以用低电压的 IGBT 元件;二为控制两台逆变器输出电压的相位差,当它们经过变压器的电路叠加或磁路叠加后,使变压器输出电压的谐波减少,这样对输出滤波器的要求可以降低,即可以减小滤波器的体积和质量。

　　需指出的是,这种电路较为复杂,尤其是变压器,用电路叠加的变压器,其副边绕组较为复杂。用磁路叠加的变压器,磁路设计较为复杂。另一方面, 这种电路的产生是在早期IGBT 元件水平不太高的情况下出现的。因此已基本不再采用该形式。

　　2.3 辅助电源系统

　　以上海地铁一号线为例,其静止逆变器原理框图如图3所示。DCl500V 电源经L-C 滤波器后由GTO 斩波器进行斩波调压至 770V,再经过中间滤波器送入六脉冲 GTO 逆变器,其输出经隔离变压器后成为 AC380V。在隔离变压器次边还设有一组抽头,其输出交流电压经整流后提供 DC110V 电源。

　　控制单元的核心是微处理器,包括四个功能包:

　　电源功能包（P-PAC）- 提供控制电源及斩波、逆变器的脉冲。

　　通信功能包（C-PAC）- 传输逆变器及列车上的各种信号,寄存过程参数实际值。

　　接口功能包（I-PAC）- 确定参数所需值,监控逆变器电压、电流、温度、延时时间及工作过程。

　　快速保护和控制功能包（F-PAC）- 控制逆变器工作过程,寄存过程参数中实际值的模拟量,实现逆变器快速保护。

3 应用及发展

　　武汉轻轨一号线上, 辅助电源系统采用IGBT 模块（1700V/1200A）构成静止逆变器,输出稳定的三相 AC380V 电源、DC110V 和DC24V 电源,供列车上的空气压缩机、空调、照明和电热器等使用,并对蓄电池进行充电,每列车配备两组辅助电源逆变器, 容量为140KVA。

　　上海地铁二号线的辅助电源系统采用由IGBT 模块（3300V/1200A）构成的静止逆变器,输出 AC380V 电源。列车的每节车均设一个辅助逆变器,容量为 90KVA。A 车的逆变器供电给列车一半的照明和风机电机,同时提供 DC110V 电源,B、C 车上的逆变器分别向列车一半的空调机组供电。

　　地铁车辆大都采用两动一拖（3节车辆）构成一个单元,由两个单元构成一列车,每节车辆均配备一台静止逆变器, 每单元共用一台DC110V 的控制电源。每节车辆的辅助逆变器的容量为 75￣80KVA,DC110V 控制电源功率约为 25KW。法国 ALSTON 生产的地铁车辆,改为一个单元中配 2 台静止辅助逆变器,每台容量为 120KVA,每台含 DC110V 控制电源,功率为 12KW。最近国外生产的地铁车辆采用集中控制,在 6 节编组中,每单元只配一台静止辅助逆变器, 容量约为 2 5 0 K V A , 直流110V 控制电源一台,约 25KW。

　　目前世界上在地铁与轻轨辅助系统中大都采用绝缘栅双极型晶体管 IGBT（或 IPM）模块构成。为了人身安全,低压系统及控制电源与高压系统在电位上采用变压器隔离,现今国内外都采用直—直变换及高频变压器隔离这一方案。从冗余度与轴重均衡出发,常选用分散供电方案。