摘 要：城市軌道交通車(chē)輛一般采用直流供電，通過(guò)車(chē)輛上的輔助電源系統(tǒng)為車(chē)輛輔助設(shè)備供電，本文就城市軌道交通車(chē)輛輔助逆變器的電路結(jié)構(gòu)、形式及輔助電源系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析介紹， 并指出了城市軌道交通車(chē)輛用輔助電源系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展。

    在城市軌道交通車(chē)輛中，通常是從電網(wǎng)獲取直流電壓（一般為1500VDC 和 750VDC），經(jīng)由輔助逆變器（也稱(chēng)靜止逆變器） 變換輸出380VAC，給列車(chē)上的輔助設(shè)備供電。

    城市軌道交通車(chē)輛一般采用兩種型號(hào)車(chē)輛，對(duì)于兩種車(chē)輛，逆變器的工作形式不同:A型車(chē)為拖車(chē)，其逆變器一路供給列車(chē)照明和風(fēng)機(jī)電機(jī);另一路輸出 110VDC 控制電源，同時(shí)兼向蓄電池充電;B/C 型車(chē)為動(dòng)車(chē)，其逆變器輸出 380VAC 分別向列車(chē)的空調(diào)機(jī)組和空氣壓縮機(jī)供電。

    以下，就城市軌道交通車(chē)輛的輔助電路系統(tǒng)進(jìn)行分析介紹。

    1 輔助逆變器電路結(jié)構(gòu)

    城市軌道交通車(chē)輛中的輔助逆變器電路常見(jiàn)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（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(xiàn)和廣州一號(hào)線(xiàn)地鐵車(chē)輛;Bombardier 公司采用DC — AC 形式，應(yīng)用于長(zhǎng)春生產(chǎn)的車(chē)輛中。

    其中DC — DC — AC 方式升/ 降壓斬波中，升壓斬波的系統(tǒng)應(yīng)用在DC750V 供電網(wǎng)壓的場(chǎng)合;降壓斬波的系統(tǒng)應(yīng)用在網(wǎng)壓為DCl500V 的場(chǎng)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(wěn)定，當(dāng)負(fù)載變化或電壓波動(dòng)時(shí)，保證斬波器有穩(wěn)定的輸出電壓。

    目前， 以GTO 、IGBT為代表的開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率足以滿(mǎn)足在網(wǎng)壓波動(dòng)范圍內(nèi)，用PWM 調(diào)制實(shí)現(xiàn)逆變器穩(wěn)定輸出， 且滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，因此現(xiàn)在生產(chǎn)的車(chē)輛常采用直接逆變的方式。

    2 輔助逆變器形式

    目前我國(guó)城市軌道交通車(chē)輛使用的輔助逆變器有兩種形式:一種為單臺(tái)逆變器形式，另一種為兩臺(tái)逆變器串聯(lián)形式。例如上海一號(hào)線(xiàn)直流地鐵車(chē)輛使用單臺(tái)逆變器形式，上海二號(hào)線(xiàn)地鐵車(chē)輛使用兩臺(tái)逆變器串聯(lián)形式。

    2.1 單臺(tái)逆變器形式

    對(duì)于網(wǎng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠， 逆變器用PWM 調(diào)制可使輸出電壓的諧波含量在限制值以?xún)?nèi)，是目前普遍采用的形式。

    2.2 兩臺(tái)逆變器串聯(lián)形式

    有兩種方案:一為兩臺(tái)逆變器輸出至隔離變壓器，通過(guò)隔離變壓器的電路疊加，或磁路疊加，然后經(jīng)濾波輸出，這種方案的優(yōu)點(diǎn)是逆變器可以用低電壓的 IGBT 元件;二為控制兩臺(tái)逆變器輸出電壓的相位差，當(dāng)它們經(jīng)過(guò)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(duì)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(zhì)量。

    需指出的是，這種電路較為復(fù)雜，尤其是變壓器，用電路疊加的變壓器，其副邊繞組較為復(fù)雜。用磁路疊加的變壓器，磁路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。另一方面， 這種電路的產(chǎn)生是在早期IGBT 元件水平不太高的情況下出現(xiàn)的。因此已基本不再采用該形式。

    2.3 輔助電源系統(tǒng)

    以上海地鐵一號(hào)線(xiàn)為例，其靜止逆變器原理框圖如圖3所示。DCl500V 電源經(jīng)L-C 濾波器后由GTO 斬波器進(jìn)行斬波調(diào)壓至 770V，再經(jīng)過(guò)中間濾波器送入六脈沖 GTO 逆變器，其輸出經(jīng)隔離變壓器后成為 AC380V。在隔離變壓器次邊還設(shè)有一組抽頭，其輸出交流電壓經(jīng)整流后提供 DC110V 電源。

    控制單元的核心是微處理器，包括四個(gè)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(chē)上的各種信號(hào)，寄存過(guò)程參數(shù)實(shí)際值。

    接口功能包（I-PAC）- 確定參數(shù)所需值，監(jiān)控逆變器電壓、電流、溫度、延時(shí)時(shí)間及工作過(guò)程。

    快速保護(hù)和控制功能包（F-PAC）- 控制逆變器工作過(guò)程，寄存過(guò)程參數(shù)中實(shí)際值的模擬量，實(shí)現(xiàn)逆變器快速保護(hù)。

    3 應(yīng)用及發(fā)展

    武漢輕軌一號(hào)線(xiàn)上， 輔助電源系統(tǒng)采用IGBT 模塊（1700V/1200A）構(gòu)成靜止逆變器，輸出穩(wěn)定的三相 AC380V 電源、DC110V 和DC24V 電源，供列車(chē)上的空氣壓縮機(jī)、空調(diào)、照明和電熱器等使用，并對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，每列車(chē)配備兩組輔助電源逆變器， 容量為140KVA。

    上海地鐵二號(hào)線(xiàn)的輔助電源系統(tǒng)采用由IGBT 模塊（3300V/1200A）構(gòu)成的靜止逆變器，輸出 AC380V 電源。列車(chē)的每節(jié)車(chē)均設(shè)一個(gè)輔助逆變器，容量為 90KVA。A 車(chē)的逆變器供電給列車(chē)一半的照明和風(fēng)機(jī)電機(jī)，同時(shí)提供 DC110V 電源，B、C 車(chē)上的逆變器分別向列車(chē)一半的空調(diào)機(jī)組供電。

    地鐵車(chē)輛大都采用兩動(dòng)一拖（3節(jié)車(chē)輛）構(gòu)成一個(gè)單元，由兩個(gè)單元構(gòu)成一列車(chē)，每節(jié)車(chē)輛均配備一臺(tái)靜止逆變器， 每單元共用一臺(tái)DC110V 的控制電源。每節(jié)車(chē)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(guó) ALSTON 生產(chǎn)的地鐵車(chē)輛，改為一個(gè)單元中配 2 臺(tái)靜止輔助逆變器，每臺(tái)容量為 120KVA，每臺(tái)含 DC110V 控制電源，功率為 12KW。最近國(guó)外生產(chǎn)的地鐵車(chē)輛采用集中控制，在 6 節(jié)編組中，每單元只配一臺(tái)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(tái)，約 25KW。

    目前世界上在地鐵與輕軌輔助系統(tǒng)中大都采用絕緣柵雙極型晶體管 IGBT（或 IPM）模塊構(gòu)成。為了人身安全，低壓系統(tǒng)及控制電源與高壓系統(tǒng)在電位上采用變壓器隔離，現(xiàn)今國(guó)內(nèi)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(fā)，常選用分散供電方案。

    參考文獻(xiàn)

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