用辅助电源系统对城市轨道交通车辆进行分析

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,关于两种车辆,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

关于网压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

有两种方法: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,这种方法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,这种电路的出现是在早期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供应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）-供应控制电源及斩波、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,同时供应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250KVA,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法。从冗余度与轴重均衡出发,常选用分散供电方法。