城辆电传动与控制城轨牵引传动8（辅助供电系统）

第八章

城轨车辆辅助供电系统2第八章

辅助供电系统辅助供电系统——主要作用是为车辆控制、蓄电池充电、列车辅助设备提供电源，一般包含：直流电源，三相和单相交流电源。

早期的地铁、轻轨车辆的辅助设备主要有辅助控制系统、空压机、照明、广播系统等，辅助电源作为其供电电源。早期辅助电源的类型采用的是电动发电机组。

随着地铁、轻轨车辆的不断更新，人们对乘车安全性、舒适性提出新的要求，地铁车辆辅助系统功能也日益增加，车辆辅助设备至少增加了以下几部分：ATP系统、空调制冷系统、采暖系统、信息显示系统，由此也对车辆辅助电源的输出功率及可靠性提出了更高要求，现在辅助电源均采用了静止辅助逆变器（SIV）

。3第八章

辅助供电系统第一节

采用电动发电机组的辅助供电系统4第八章

辅助供电系统一、基本原理说明辅助电源系统主要由五部分组成：

高压保护电路

电动发电机组

稳频稳压装置

输出变压器

整流屏该类辅助电源系统主要用于早期采用直流传动系统的地铁车辆上，如北京地铁车DK11、DK16、DK20型等。5第八章

辅助供电系统一、基本原理说明图8-1

电动发电机组电源系统框图6第八章

辅助供电系统

（1）电动发电机组：直流电动机通过受流器获取DC

750V电源而运转，驱动交流发电机旋转并输出三相AC

83V电源给整流屏和输出变压器。（2）稳频稳压装置：控制电动发电机组输出的三相交流电压和频率稳定。（3）输出变压器：将输入的三相

AC

83V进行变压，输出三相AC19V和三相四线制的AC

220V。（4）整流屏：

将三相AC

83V整流输出DC

110V；

将三相AC

19V整流输出DC

24V。

每辆车均包含一套该系统提供本车负载用。整流屏输出的DC110V和DC

24V分别通过车辆电源母线，提供给相应的负载；AC

220V提供给本车的通风机和照明供电。一、基本原理说明性能类型直流电动机交流发电机性能类型直流电动机交流发电机型号ZQD-7-1TQD-7-1功率因数-0.8（滞后）功率6.5kW7kVA机组转速1500rpm电压DC750VAC83V机组工作制连续电流11.5A41.8A冷却方式防护式自通风频率-50Hz7第八章

辅助供电系统二、系统主要组成及参数1、电动发电机组辅助电源的容量应由车辆辅助负载的大小来决定，北京地铁DK20车辆电动发电机组主要参数见下表：8第八章

辅助供电系统2、稳频稳压装置

作为电动发电机组输出的电压及频率稳定调节功用，是一个闭环调节控制装置。当电动发电机组输出的电压和频率因网压波动，负载变化等扰动而偏离整定值时：一方面，该装置的电压调节部分调节交流发电机的励磁电流值，使发电机输出交流电压的幅值维持在整定值附近；

另一方面，该装置的频率调节部分调节直流电动机的励磁电流值，使其转速维持在整定值附近，从而使发电机输出交流电的频率基本恒定。该装置的电压调节和频率调节部分均由检测比较、移相脉冲形成、单相半控桥式整流环节等组成。9第八章

辅助供电系统3、输出变压器和整流屏（北京地铁车DK20）（1）输出变压器原级绕组为△接法，容量为5

kVA，从电动发电机组引入三相AC83V电源，经过隔离：第一次级绕组——输出三相四线制的AC

220V、星形接法，容量为4.5

kVA；第二次级绕组——输出三相AC

19V，星形接法，容量为0.5kVA。（2）整流屏则对AC83V和AC

19V电整流，分别输出DC

110V和DC

24V。10第八章

辅助供电系统4、蓄电池系统一般每套辅助电源系统均配一组或两组蓄电池，

第一组由76只GN-50型碱性镉镍ABS塑料外壳蓄电池串联组成，作为启动电动发电机组的控制电源及作为网压故障时控制电路、辅助电路等DC

110V负载的紧急备用电源；第二组由与第一组同样规格的18只蓄电池串联组成，作为辅助电路、信号电路等DC24V负载的紧急备用电源。

正常情况下，由整流屏输出的DC110V和DC24V分别对两组蓄电池进行浮充电。单只蓄电池的主要参数是：标称容量50

Ah；标称电压1.25

V；电解液为氢氧化钾混合电解液，密度为（1.18～1.22）×103kg/m3。11第八章

辅助供电系统5、系统特点（a）由于机组是旋转式电机，不可避免地要产生噪声和振动，影响人们的乘坐舒适性；（b）机组的效率低、容量也低，需每辆车都要配置一台，维护量大，维修困难；（c）很难增加新的负载；（d）当某机组发生故障或车辆过断电区时，机组停止工作，影响客室通风和照明。随着新技术的发展和人们对乘车环境要求的提高，电动发电机组式的辅助电源系统在地铁车辆上的应用已越来越少。12第八章

辅助供电系统第二节

采用静止逆变电源的辅助电源系统

降压斩波器逆变器三相交流

滤波器V0

第八章

辅助供电系统

城市轨道交通车辆的辅助电源装置，除了供给车辆控制、照明、蓄电池充电所需要的各个等级直流电压外，还供给空压机、空调装置等辅助电动机所需要的交流三相50

Hz、380

V电能。采用静止逆变电源的辅助电源系统在国内目前已得到广泛应用，静止辅助逆变器的原理如下图所示：

VL+

－13T014第八章

辅助供电系统一、辅助电源系统1、车用辅助电源装置的要求（1）电压稳定

城市轨道交通车辆由接触网或第三轨供电，电源电压的波动范围可达额定电压的-33％～+20％；甚至在“跳弓”瞬时断电情况下，辅助电源仍应能保持电压稳定。（2）变换功率电流城市轨道交通车辆通过DC/DC变换器和DC/AC逆变器将高压直流电变换成车内所需的低压直流电、低压单相或三相交流电。（3）电路隔离应在低压电路和高压电路之间实现电气隔离。15第八章

辅助供电系统2、辅助电源系统的组成

例如，一种用于六节车编组列车的辅助电源系统，每节车辆均有一台静止逆变器。由接触网受电后，逆变为三相

50Hz、380

V的交流电后分为两路。一路向车上所有的三相交流用电设备，如空压机、空调机组供电，另一路整流成直流110

V后向蓄电池作浮充电，并向车辆上的有触点控制电器等提供直流110

V电能。

为了在单台受电弓跳弓或脱弓时，保证不间断地供给静止逆变器1500

V直流电压，设置了一条贯穿全列车的直流1500

V总母线。

在受电弓与逆变器之间串接一只隔离二极管，以防止当列车通过供电分段绝缘区，两只受电弓分别由两个供电区供电时，因二分段电压的差异而经由总线引起环流。16第八章

辅助供电系统各台静止逆变器的负荷分配如下：

B、C车的逆变器：各供A、B、C三节车辆的一半空调机组用电，这样即使有一台逆变器出现故障，也能保证每一辆车有一半空调机组工作；A车的逆变器：分别向六节车辆的一半照明供电，保证一台A车的逆变器出现故障时，各节车厢仍有一半照明；A车的整流器（充电器）：将交流整流成直流110

V后向蓄电池作浮充电，并向车辆上的直流持续负载供电。2、辅助电源系统的组成A车厢B车厢C车厢C车厢B车厢A车厢＝＝3～＝3～＝3～＝3～＝3～＝3～持续负载持续负载持续负载持续负载持续负载持续负载

B50%

C50%

B50%

C50%

B50%

C50%

B50%

C50%

B50%

C50%

B50%

C50%M3~

M3~

M3~M3~

M3~

M3~隔离二极管蓄电池负载风机空调50%

50%50%

50%50%

50%

50%

50%50%

50%50%

50%3×380

V/50Hz3×380

V/50Hz

照明DC

110

V＝

逆变器

/

整流器

图8-3

辅助电源系统框图17

第八章

辅助供电系统2、辅助电源系统的组成

架空柔性接触网1500

VDC18第八章

辅助供电系统二、辅助电源装置1、主电路的结构型式辅助电源装置有如下几种常用主电路方式。（1）直接三相PWM逆变器

逆变器经滤波器直接连到接触网架线上，直流1500

V的接触网需用4500

V的GTO（或IGBT）元件，逆变器输出电压要考虑到接触网电压波动的最低值，且输出电流大，GTO的导通比变化也大，恶化了续流二极管的电流利用率。另外GTO的开关损耗和吸收回路的损耗过大，故此种电路很少采用。

第八章

辅助供电系统1、主电路的结构型式（1）直接三相PWM逆变器HBLACLTO

三相

380

V

ACC

（a）

图8-4

逆变器辅助电源主电路1920第八章

辅助供电系统（2）直接12相PWM逆变器其特点：用二个电容器串联连接，将直流电源分压再分别接到两个三相逆变器的直流输入端，从而使GTO电压可降低一半。

三相逆变器输出电压用两个变压器来降压，二次侧采用多重接线方式，这样可除去5次、7次谐波，从而得到畸变率低的输出波形。

但此种电路方式需要两个变压器，体积庞大，同样也存在直接三相PWM逆变器式的缺点。1、主电路的结构型式HBLACLTO1

三相380

VC1

TO2

ACC

C2

（b）

图8-5

逆变器辅助电源主电路21

第八章

辅助供电系统1、主电路的结构型式

（2）直接12相PWM逆变器22第八章

辅助供电系统1、主电路的结构型式（3）斩波器和逆变器组合

由IGBT（或GTO）斩波器将直流1500V变换成合适的直流电压，然后用

IGBT（或GTO）构成逆变器，通过隔离变压器输出三相交流电，这种电路弥补了上述两种方式的不足。若采用IGBT为功率元件，更可使装置体积小、重量轻、效率高、噪声小，实现高性能的微机控制特性。

第八章

辅助供电系统1、主电路的结构型式

（3）斩波器和逆变器组合

（C）

图8-6

逆变器辅助电源主电路23HBSLACLACCTO1

三相380

VTO2

C3C4LC1C224第八章

辅助供电系统1、主电路的结构型式斩波器和逆变器组合的辅助电源电路25第八章

辅助供电系统2、城轨交通车辆静止逆变器的主电路应用实例（1）静止逆变器的主电路

静止逆变器由线路滤波器、斩波器、直流回路滤波器、电压型三相逆变器、输出隔离变压器及整流器（仅A车有，图中未画出）等部分组成。

逆变器直流侧由1500

V接触网供电，由LC滤波后经一个用可关断晶闸管GTO为功率元件的斩波器，将1500

V变换为770

V，再经中间电压滤波后送入由

GTO元件组成的电压型逆变器。最后经隔离变压器输出频率为50

Hz、电压为380

V（基波有效值）的三相交流电和供给照明的交流220

V，另一路整流后得到110

V直流与蓄电池浮充电联结。PCRT60ADA11PDAZE11

第八章

辅助供电系统2、城轨交通车辆静止逆变器的主电路应用实例

（1）静止逆变器的主电路总线耦合电容器信号调节指示模拟监控控制器实际

逆变值记

器控录

制动力机组与最终级

实际值与

设定值

指令与显示

外部数据总线

图8-7

静止逆变器的主电路及控制原理框图26P-PACF-PACI-PACC-PACUE=1500

VDC线路滤波器

770

VDC

直流回路斩波器

滤波器三相逆变器输出变压器380

V

/

50Hz

门控制触发及

关断脉冲数字实际值

模拟实际值

第八章

辅助供电系统

2、城轨交通车辆静止逆变器的主电路应用实例（2）静止逆变器的控制

逆变器由独立的微机控制。GTO斩波器工作频率为500

Hz，采用脉宽调制（PWM）控制方式；GTO逆变器用180°导通型控制，输出为交流矩形波电压。

图8-8

静止逆变器控制原理图27控制1500

VDC

线路滤波器斩波器直流回路

滤波器三相逆变器

～变压器整流器三相输出

直流负载

车载蓄电池ULineUUdIdfIbattUbatt

IDC28第八章

辅助供电系统2、城轨交通车辆静止逆变器的主电路应用实例（2）静止逆变器的控制静止逆变器控制PAC系统有4个功能块（见图8-7）。①

通信功能块（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。

②

接口功能块（I-PAC）：确定电参数所需值，监控逆变器电压、电流、温度、延时时间及工作过程，它包括中央单元、通道、转换单元，过程数据显示及记录等模块。29第八章

辅助供电系统2、城轨交通车辆静止逆变器的主电路应用实例（2）静止逆变器的控制

③

快速保护和控制功能块（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，逆变器快速保护。它包括实际值寄存，模拟监控，逆变器控制单元等模块。

逆变器的快速保护功能将模拟信号控制在极限值以内，如果超出极限值就封锁触发脉冲，中断逆变器工作，同时调整电压控制器板工作状态，短路晶闸管触发工作；并且将逆变器中断原因输入I-PAC中，由I-PAC确定是否重新启动。④

电源功能块（P-PAC）：提供控制电源及斩波、逆变器的触发和关断脉冲。30第八章

辅助供电系统2、城轨交通车辆静止逆变器的主电路应用实例（2）静止逆变器的控制控制过程中所需模拟值和重要的数字信号都被寄存在过程参数寄存模块中。信息采样间隔是300

ms。通过位于中央单元模块上的串行接口传输的故障信息包括故障内容和处理时间。

PDA模块板上有两个四位字母／数字显示屏，并有两个

PDA工作模式的操作开关，可用来实现过程参数的显示，确定寄存模式的位置，释放寄存模式等功能。31第八章

辅助供电系统三、北京复-八线地铁车辆的静止逆变器（补充）图8-

静止逆变电源系统框图85V20V32第八章

辅助供电系统1、输入回路由保护回路、LC滤波器、滤波电容充电回路组成。

（1）保护回路：一般由隔离开关、熔断器和辅助高速断路器组成。隔离开关的作用是将辅助电源和高压回路隔离，便于设备检修和维护。熔断器和辅助高速断路器用于辅助电源的过载和短路保护，以及其它一些需要断开主回路（通过断开高速断路器）的故障保护。对于采用IGBT开关元件的辅助逆变电源来说，发生轻故障时，控制系统可自动复位；对于重大故障，则须断开辅助高速断路器，延时后自动再启动。

（2）滤波电容充电回路：短接充电电阻的开关，均采用了功率电子元件。33图8-

升降压斩波器电路网压VSLVC1VC2VOVL

第八章

辅助供电系统2、升降压斩波器

由于采用GTO开关元件的辅助逆变器斩波频率较低，因此在电路中

设置了升降压斩波器，用于将输入的变化的网压变换为稳定的直流电

压，如北京复-八线地铁列车的高压直流输出电压为DC675V，其电路结

构见下图。

电压平衡式：

VL=

VC1+

VC1-

VO=2

VC-VO得：

VC=(VL

+VO)/2当GT1导通，SL储能：

VL=

VSL+

VC得：

VSL

=(VL

-VO)/2当GT1关断，

SL释能：

VO=

VSLGT2导通与关断过程同上。34第八章

辅助供电系统2、升降压斩波器

如果使GT1、GT2交替导通和关断，使FC1、FC2不断地交替充电、放电，SL中不断地储存和释放能量，就能控制其输出电压，保持恒定值。VL为网压，电容FC3上的输出电压为V0。下图为VL

>

V0时，GT1、GT2导通和关断的时序图。图8-

功率元件的导组、关断序图可见，控制系统只要根据采样到的网压VL的值，改变GT1、GT2的导通时间t1，就可控制其输出电压为恒值。该电路中GT1、GT2的开关频率为300Hz。35第八章

辅助供电系统3、三相逆变电路

主要由6只功率开关元件组成。采用SPWM控制各开关元件，使其按一定的逻辑顺序导通和关断，从而使三相逆变电路输出正负对称的方波电压。（各开关元件导通关断的规律参考牵引逆变器，但为恒压恒频。）

电压和频率的参考值储存在控制程序中，根据与输出电压的反馈值之间形成的偏差，作为功率元件门极信号的指令，控制输出电压恒定。对于输入电压和负载的变化，则通过检测各相电流值来校正输出电压。频率的控制采用内置晶振信号。36第八章

辅助供电系统4、交流滤波电路

由于三相逆变电路输出的方波电压中含有大量的谐波，因此，必须经过正弦波滤波器把它整形成正弦波才能提供给负载使用。三相交流滤波电路如下图所示，由电感和电容串联而成。图8-

三相交流滤波电路ACLACC37第八章

辅助供电系统5、输出变压器、变压器和整流装置

输出变压器将交流滤波器输出的三相电源变换为AC380V或AC220V，提供给车辆交流负载，同时作为与输出回路的隔离之用；

同时还将输出的AC

380V电源通过变压器再变换为AC

85V和AC20V，提供给整流装置，整流装置通过三相整流模块，输出DC

110V和DC

24V提供给车辆的直流负载。38第八章

辅助供电系统四、北京地铁13号线车辆辅助电源（补充）图8-

辅助电源主电路原理图（1）主电路原理图类型项目GTO型辅助电源IGBT型辅助电源类型项目GTO型辅助电源IGBT型辅助电源主回路方式带升降压斩波器的2点式三相逆变器2点式三相逆变器效率90%器件规格GTO1600V600AIGBT1700V800A噪声70dB（离机组1m处）额定容量40kVA130kVA冷却方式热管自然冷却额定电压DC750V（变化范围DC500V～1000V）负载功率因数0.85（滞后）输出规格AC220V50Hz24.4kVADC110V15kWDC24V0.6kWAC380V50Hz121kVADC110V8kWDC24V1kW控制电源DC110V（变化范围DC77V～121V）过载能力（DC750V时）130%～150%负载时：10s；150%～200%负载时：瞬时39第八章

辅助供电系统2、主要参数表8-

静止逆变电源的主要参数40第八章

辅助供电系统3、系统特点（a）静止逆变电源效率高，单台机组输出功率大，可以减少列车辅助电源的数量；

（b）输出电压稳定性高，且是正弦波，这对各种辅助机组和低压电器极有好处，可以提高其工作的稳定性和使用寿命，减少了维护工作量和故障点。（c）噪声小，提高了乘车舒适度。（d）由于列车设置了高压列车母线，列车过断电区时，辅助电源系统不会失电，大大提高了系统的可靠性。（e）采用微机控制，有自诊断功能和完善的保护措施，可以通过监控系统或便携式电脑下载故障数据，维修简单方便。类型项目一路供电双路供电类型项目一路供电双路供电辅助设备（接触器等）1套2套一个车辆单元辅助电源故障情况下通过扩展供电设备全车的辅助负载不断电（空调负载减半）该单元的一路辅助设备断电端连接器1套2套扩展供电箱有无41

第八章

辅助供电系统五、供电方式

车辆辅助电源的供电方式目前主要分为两类。一种是日本模式的一

路供电方式，另一种是欧洲模式的双路供电方式。下表列出了这两种方

式的对照。表8-一路供电和双路供电比较42第八章

辅助供电系统五、供电方式（1）一路供电方式扩展供电装置由三相交流接触器和一些控制继电器组成。静止逆变电源正常工作时，负责对本单元车辆负载供电。当其中某一单元静止逆变电源发生故障时：

△

通过扩展供电设备、车端四芯交流列车母线自动将另一单元逆变器输出的交流电提供给下一单元的交流负载，并且提供给该故障单元的整流装置输出直流电供负载使用；△

同时，控制逻辑向列车空调控制系统发出减载控制指令；△

故障消除后控制逻辑能使逆变器自动恢复工作。扩展供电的典型原理图如下图所示。43第八章

辅助供电系统五、供电方式图8-

扩展供电原理图44第八章

辅助供电系统五、供电方式

当两个单元的SIV均正常工作时：

各SIV的输出接触器3phMK闭合，输出380V/50Hz电压至各自的850、851、852线路。此时，继电器TLKR1和TLKR2线圈有电，其常开触头闭合、常闭触头断开，使继电器TLKR线圈无电，TLKR的常开触头断开接触器TLK线圈，因此扩展接触器主触头TLK断开两单元的850、851、852线路。

当其中一个单元的SIV故障时：

故障SIV的输出接触器3phMK断开，使该单元的850、851、852线路无电。此时，继电器TLKR1（或TLKR2）线圈无电，其常开触头断开、常闭触头闭合

；

同

时

故

障

SIV

的

故

障

继

电

器

MKAR1

闭

合

，

使

继

电

器

MKAR11

（

或MKAR21）线圈得电；使继电器TLKAR线圈延时得电；最终使继电器TLKR线圈得电，TLKR上午常开