淺析城市軌道交通車輛用輔助電源系統
摘要： 城市軌道交通車輛一般采用直流供電,通過車輛上的輔助電源系統為車輛輔助設備供電,本文就城市軌道交通車輛輔助逆變器的電路結構、形式及輔助電源系統進行簡單分析介紹, 并指出了城市軌道交通車輛用輔助電源系統的應用及發展。
Abstract：
Key words :
在城市軌道交通車輛中,通常是從電網獲取直流電壓（一般為1500VDC 和 750VDC）,經由輔助逆變器" title="輔助逆變器">輔助逆變器（ 也稱靜止逆變器） 變換輸出380VAC,給列車上的輔助設備供電。
城市軌道交通車輛一般采用兩種型號車輛,對于兩種車輛,逆變器的工作形式不同:A型車為拖車,其逆變器一路供給列車照明和風機電機;另一路輸出 110VDC 控制電源" title="控制電源">控制電源,同時兼向蓄電池充電;B/C 型車為動車,其逆變器輸出 380VAC 分別向列車的空調機組和空氣壓縮機供電。
以下,就城市軌道交通車輛的輔助電路系統進行分析介紹。
1 輔助逆變器電路結構
城市軌道交通車輛中的輔助逆變器電路常見有兩種形式:一種采用直接逆變方式（DC- AC）,如圖 1 所示;另一種采用先斬波" title="斬波">斬波（升 /降壓斬波）后逆變方式（DC - DC - AC）,如圖2 所示。Siemens 公司采用 DC — DC — AC形式, 如上海一、二線和廣州一號線地鐵車輛;Bombardier 公司采用DC — AC 形式,應用于長春生產的車輛中。
其中DC — DC — AC 方式升/ 降壓斬波中,升壓斬波的系統應用在DC750V 供電網壓的場合;降壓斬波的系統應用在網壓為DCl500V 的場合。采用升/降壓斬波的目的都是為了使逆變器的輸入電壓穩定,當負載變化或電壓波動時,保證斬波器有穩定的輸出電壓。
目前, 以GTO 、IGBT為代表的開關器件的開關頻率足以滿足在網壓波動范圍內,用PWM" title="PWM">PWM 調制" title="調制">調制實現逆變器穩定輸出, 且滿負荷運行,因此現在生產的車輛常采用直接逆變的方式。
2 輔助逆變器形式
目前我國城市軌道交通車輛使用的輔助逆變器有兩種形式:一種為單臺逆變器形式,另一種為兩臺逆變器串聯形式。例如上海一號線直流地鐵車輛使用單臺逆變器形式,上海二號線地鐵車輛使用兩臺逆變器串聯形式。
2.1 單臺逆變器形式
對于網壓1500V,容量約200kVA 左右的輔助逆變器一般使用3300V / 400A 的 IGBT元件。這種形式結構簡單、可靠, 逆變器用PWM 調制可使輸出電壓的諧波含量在限制值以內,是目前普遍采用的形式。
2.2 兩臺逆變器串聯形式
有兩種方案:一為兩臺逆變器輸出至隔離變壓器" title="隔離變壓器">隔離變壓器,通過隔離變壓器的電路疊加,或磁路疊加,然后經濾波輸出,這種方案的優點是逆變器可以用低電壓的 IGBT 元件;二為控制兩臺逆變器輸出電壓的相位差,當它們經過變壓器的電路疊加或磁路疊加后,使變壓器輸出電壓的諧波減少,這樣對輸出濾波器的要求可以降低,即可以減小濾波器的體積和質量。
需指出的是,這種電路較為復雜,尤其是變壓器,用電路疊加的變壓器,其副邊繞組較為復雜。用磁路疊加的變壓器,磁路設計較為復雜。另一方面, 這種電路的產生是在早期IGBT 元件水平不太高的情況下出現的。因此已基本不再采用該形式。
2.3 輔助電源系統
以上海地鐵一號線為例,其靜止逆變器原理框圖如圖3所示。DCl500V 電源經L-C 濾波器后由GTO 斬波器進行斬波調壓至 770V,再經過中間濾波器送入六脈沖 GTO 逆變器,其輸出經隔離變壓器后成為 AC380V。在隔離變壓器次邊還設有一組抽頭,其輸出交流電壓經整流后提供 DC110V 電源。
控制單元的核心是微處理器,包括四個功能包:
電源功能包（P-PAC）- 提供控制電源及斬波、逆變器的脈沖。
通信功能包（C-PAC）- 傳輸逆變器及列車上的各種信號,寄存過程參數實際值。
接口功能包（I-PAC）- 確定參數所需值,監控逆變器電壓、電流、溫度、延時時間及工作過程。
快速保護和控制功能包（F-PAC）- 控制逆變器工作過程,寄存過程參數中實際值的模擬量,實現逆變器快速保護。
3 應用及發展
武漢輕軌一號線上, 輔助電源系統采用IGBT 模塊（1700V/1200A）構成靜止逆變器,輸出穩定的三相 AC380V 電源、DC110V 和DC24V 電源,供列車上的空氣壓縮機、空調、照明和電熱器等使用,并對蓄電池進行充電,每列車配備兩組輔助電源逆變器, 容量為140KVA。
上海地鐵二號線的輔助電源系統采用由IGBT 模塊（3300V/1200A）構成的靜止逆變器,輸出 AC380V 電源。列車的每節車均設一個輔助逆變器,容量為 90KVA。A 車的逆變器供電給列車一半的照明和風機電機,同時提供 DC110V 電源,B、C 車上的逆變器分別向列車一半的空調機組供電。
地鐵車輛大都采用兩動一拖（3節車輛）構成一個單元,由兩個單元構成一列車,每節車輛均配備一臺靜止逆變器, 每單元共用一臺DC110V 的控制電源。每節車輛的輔助逆變器的容量為 75￣80KVA,DC110V 控制電源功率約為 25KW。法國 ALSTON 生產的地鐵車輛,改為一個單元中配 2 臺靜止輔助逆變器,每臺容量為 120KVA,每臺含 DC110V 控制電源,功率為 12KW。最近國外生產的地鐵車輛采用集中控制,在 6 節編組中,每單元只配一臺靜止輔助逆變器, 容量約為 2 5 0 K V A , 直流110V 控制電源一臺,約 25KW。
目前世界上在地鐵與輕軌輔助系統中大都采用絕緣柵雙極型晶體管 IGBT（或 IPM）模塊構成。為了人身安全,低壓系統及控制電源與高壓系統在電位上采用變壓器隔離,現今國內外都采用直—直變換及高頻變壓器隔離這一方案。從冗余度與軸重均衡出發,常選用分散供電方案。
參考文獻
[1]徐安,陶生桂.龐乾麟.城市軌道交通電力牽引[M].北京:中國鐵道出版社,1998.
[2]高爽.地鐵車輛構造與維修管理[M].北京:中國鐵道出版社,2003.
城市軌道交通車輛中的輔助逆變器電路常見有兩種形式:一種采用直接逆變方式（DC- AC）,如圖 1 所示;另一種采用先斬波" title="斬波">斬波（升 /降壓斬波）后逆變方式（DC - DC - AC）,如圖2 所示。Siemens 公司采用 DC — DC — AC形式, 如上海一、二線和廣州一號線地鐵車輛;Bombardier 公司采用DC — AC 形式,應用于長春生產的車輛中。
其中DC — DC — AC 方式升/ 降壓斬波中,升壓斬波的系統應用在DC750V 供電網壓的場合;降壓斬波的系統應用在網壓為DCl500V 的場合。采用升/降壓斬波的目的都是為了使逆變器的輸入電壓穩定,當負載變化或電壓波動時,保證斬波器有穩定的輸出電壓。
目前, 以GTO 、IGBT為代表的開關器件的開關頻率足以滿足在網壓波動范圍內,用PWM" title="PWM">PWM 調制" title="調制">調制實現逆變器穩定輸出, 且滿負荷運行,因此現在生產的車輛常采用直接逆變的方式。
2 輔助逆變器形式
目前我國城市軌道交通車輛使用的輔助逆變器有兩種形式:一種為單臺逆變器形式,另一種為兩臺逆變器串聯形式。例如上海一號線直流地鐵車輛使用單臺逆變器形式,上海二號線地鐵車輛使用兩臺逆變器串聯形式。
2.1 單臺逆變器形式
對于網壓1500V,容量約200kVA 左右的輔助逆變器一般使用3300V / 400A 的 IGBT元件。這種形式結構簡單、可靠, 逆變器用PWM 調制可使輸出電壓的諧波含量在限制值以內,是目前普遍采用的形式。
2.2 兩臺逆變器串聯形式
有兩種方案:一為兩臺逆變器輸出至隔離變壓器" title="隔離變壓器">隔離變壓器,通過隔離變壓器的電路疊加,或磁路疊加,然后經濾波輸出,這種方案的優點是逆變器可以用低電壓的 IGBT 元件;二為控制兩臺逆變器輸出電壓的相位差,當它們經過變壓器的電路疊加或磁路疊加后,使變壓器輸出電壓的諧波減少,這樣對輸出濾波器的要求可以降低,即可以減小濾波器的體積和質量。
需指出的是,這種電路較為復雜,尤其是變壓器,用電路疊加的變壓器,其副邊繞組較為復雜。用磁路疊加的變壓器,磁路設計較為復雜。另一方面, 這種電路的產生是在早期IGBT 元件水平不太高的情況下出現的。因此已基本不再采用該形式。
2.3 輔助電源系統
以上海地鐵一號線為例,其靜止逆變器原理框圖如圖3所示。DCl500V 電源經L-C 濾波器后由GTO 斬波器進行斬波調壓至 770V,再經過中間濾波器送入六脈沖 GTO 逆變器,其輸出經隔離變壓器后成為 AC380V。在隔離變壓器次邊還設有一組抽頭,其輸出交流電壓經整流后提供 DC110V 電源。
控制單元的核心是微處理器,包括四個功能包:
電源功能包（P-PAC）- 提供控制電源及斬波、逆變器的脈沖。
通信功能包（C-PAC）- 傳輸逆變器及列車上的各種信號,寄存過程參數實際值。
接口功能包（I-PAC）- 確定參數所需值,監控逆變器電壓、電流、溫度、延時時間及工作過程。
快速保護和控制功能包（F-PAC）- 控制逆變器工作過程,寄存過程參數中實際值的模擬量,實現逆變器快速保護。
3 應用及發展
武漢輕軌一號線上, 輔助電源系統采用IGBT 模塊（1700V/1200A）構成靜止逆變器,輸出穩定的三相 AC380V 電源、DC110V 和DC24V 電源,供列車上的空氣壓縮機、空調、照明和電熱器等使用,并對蓄電池進行充電,每列車配備兩組輔助電源逆變器, 容量為140KVA。
上海地鐵二號線的輔助電源系統采用由IGBT 模塊（3300V/1200A）構成的靜止逆變器,輸出 AC380V 電源。列車的每節車均設一個輔助逆變器,容量為 90KVA。A 車的逆變器供電給列車一半的照明和風機電機,同時提供 DC110V 電源,B、C 車上的逆變器分別向列車一半的空調機組供電。
地鐵車輛大都采用兩動一拖（3節車輛）構成一個單元,由兩個單元構成一列車,每節車輛均配備一臺靜止逆變器, 每單元共用一臺DC110V 的控制電源。每節車輛的輔助逆變器的容量為 75￣80KVA,DC110V 控制電源功率約為 25KW。法國 ALSTON 生產的地鐵車輛,改為一個單元中配 2 臺靜止輔助逆變器,每臺容量為 120KVA,每臺含 DC110V 控制電源,功率為 12KW。最近國外生產的地鐵車輛采用集中控制,在 6 節編組中,每單元只配一臺靜止輔助逆變器, 容量約為 2 5 0 K V A , 直流110V 控制電源一臺,約 25KW。
目前世界上在地鐵與輕軌輔助系統中大都采用絕緣柵雙極型晶體管 IGBT（或 IPM）模塊構成。為了人身安全,低壓系統及控制電源與高壓系統在電位上采用變壓器隔離,現今國內外都采用直—直變換及高頻變壓器隔離這一方案。從冗余度與軸重均衡出發,常選用分散供電方案。
參考文獻
[1]徐安,陶生桂.龐乾麟.城市軌道交通電力牽引[M].北京:中國鐵道出版社,1998.
[2]高爽.地鐵車輛構造與維修管理[M].北京:中國鐵道出版社,2003.
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