浅析城市轨道交通车辆用辅助电源系统
发布时间：2022-02-17 05:09:30 来源 ：上海437必赢会员中心电气有限公司
摘要 ：城市轨道交通车辆一般采用直流供电，通过车辆上的辅助电源系统为车辆辅助设备供电，本文就城市轨道交通车辆辅助逆变器的电路结构、形式及辅助电源系统进行简单分析介绍 ，并指出了城市轨道交通车辆用辅助电源系统的应用及发展 。
关键词：辅助逆变器 ；PWM调制；隔离变压器；斩波 ；控制电源
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案 。从冗余度与轴重均衡出发，常选用分散供电方案。
参考文献
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