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(tǒng)為車輛輔助設(shè)備供電，本文就城市軌道交通車輛輔助逆變器的電路結(jié)構(gòu)、形式及輔助電源系統(tǒng)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(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展。

    在城市軌道交通車輛中，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（也稱靜止逆變器） 變換輸出380VAC，給列車上的輔助設(shè)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(fēng)機電機;另一路輸出 110VDC 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(diào)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(tǒng)進行分析介紹。

    1 輔助逆變器電路結(jié)構(gòu)

    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（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(yīng)用于長春生產(chǎn)的車輛中。

    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)壓的場合;降壓斬波的系統(tǒng)應(yīng)用在網(wǎng)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(wěn)定，當負載變化或電壓波動時，保證斬波器有穩(wěn)定的輸出電壓。

    目前， 以GTO 、IGBT為代表的開關(guān)器件的開關(guān)頻率足以滿足在網(wǎng)壓波動范圍內(nèi)，用PWM 調(diào)制實現(xiàn)逆變器穩(wěn)定輸出， 且滿負荷運行，因此現(xiàn)在生產(chǎn)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(lián)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(lián)形式。

    2.1 單臺逆變器形式

    對于網(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內(nèi)，是目前普遍采用的形式。

    2.2 兩臺逆變器串聯(lián)形式

    有兩種方案:一為兩臺逆變器輸出至隔離變壓器，通過隔離變壓器的電路疊加，或磁路疊加，然后經(jīng)濾波輸出，這種方案的優(yōu)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(jīng)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(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)

    以上海地鐵一號線為例，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 斬波器進行斬波調(diào)壓至 770V，再經(jīng)過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(shù)實際值。

    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(shù)中實際值的模擬量，實現(xiàn)逆變器快速保護。

    3 應(yīng)用及發(fā)展

    武漢輕軌一號線上， 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，供列車上的空氣壓縮機、空調(diào)、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(tǒng)采用由IGBT 模塊（3300V/1200A）構(gòu)成的靜止逆變器，輸出 AC380V 電源。列車的每節(jié)車均設(shè)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(fēng)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(diào)機組供電。

    地鐵車輛大都采用兩動一拖（3節(jié)車輛）構(gòu)成一個單元，由兩個單元構(gòu)成一列車，每節(jié)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(jié)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(chǎn)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(chǎn)的地鐵車輛采用集中控制，在 6 節(jié)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(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

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