地铁辅助逆变系统分析报告

地铁协助逆变系统分析王成均（城轨筹备办公室）摘要协助逆变系统是地铁或轻轨车辆上的一个必不行少的关键的电气部分，它可为空调、通风机、空压机、蓄电池充电器与照明等协助设备供应供电电源，其核心部件就是协助逆变器。本文主要介绍地铁车辆协助逆变系统的逆变特性、参数和逆变电路等。并对PWM信号线路优化，实现限制信号和电力线路的光电隔离。然后具体的分析了六列编组地铁车辆的配变电系统，主要配电设备，配电线路以与配电原理等。目前世界上在地铁与轻轨协助逆变系统中大都采纳绝缘栅双极型晶体管IGBT（或IPM）模块来构成。运用IGBT元件的协助逆变器供应低压协助电源，其冷却方式采纳强迫风冷。蓄电池采纳镍镉电池，容量大于100Ah。关键词：地铁车辆限制系统；协助逆变系统；IGBT逆变器；PWM脉宽限制引言随电力电子器件发展，协助逆变系统也经验着不同方案的发展过程。由于新一代性能优良的IGBT器件快速发展，20世纪90年头中后期，欧洲与日本等国的车辆协助逆变系统大都采纳IGBT来构成，其方案大致有：（1）斩波稳压再逆变，加变压器降压隔离；（2）三点式逆变器加变压器降压隔离；（3）电容分压两路逆变，加隔离变压器构成12脉冲方案；（4）二点式逆变器加滤波器与变压器降压隔离；（5）直——直变换与高频变压器隔离加逆变的方案。这些方案各有其特点，而且都能满意地铁或轻轨车辆的要求。在目前的方案中，对DC110V限制电源主要有两种不同的设想：（1）通过50Hz隔离降压变压器来实现；（2）独立的直——直变换器干脆接于供电网压通过高频变压器隔离后再整流并滤波得到DC110V限制电源。1协助系统的主电路分析协助逆变器可以产生400VAC和230VAC的中压。400VAC中压用于空压机、空气调整、牵引设备的通风，230VAC中压用于正常照明。协助逆变器自带的变压器将中压转换为低压，用于车门、应急照明、旅客紧急通风、通讯、限制和数据处理等。图1协助逆变器的工作原理图。图1协助逆变器主电路原理此协助电源系统电源系统具有以下优点：（1）直流输出部分为交直交变换，不受沟通输出的限制和影响，可以自主的进行调压，通过电池的温度传感器进行自动的温度补偿，并且可以在浮充的状况下通过调压，可以将蓄电池充溢电。（2）模块化设计，协助逆变器为一个整体，便于安装布线和修理。1.1IGBT（IPM）型逆变器原理一个三相逆变器拥有6个静态开关用于将一个直流电压转换成沟通电压，从图2中可以看出，中压由一台协助逆变器供应。每一台协助逆变器供应一个相互独立的三相中压电网。逆变器是采纳IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路，一个三相逆变器拥有6个静态开关，通过微机输入的PWM信号，IGBT不断的协作导通，把直流电变换成沟通电，变更三组开关的切换频率，即可变更输出沟通电的频率。但是输出的三相沟通电还不是规则的正弦波形，为了得到一个固定频率的沟通输出电压，逆变器还采纳了“PWM”（脉冲宽度调制）来限制，而采纳三相输出高频滤波器就是用于将方波电压修正为一个正弦波电压，这样尽管受逆变器中电压波动的影响，负载电流也是正弦的。通过滤波器输出的的三相沟通电还不能干脆供应用电设备，须要做降压处理，这就须要用到隔离变压器，变压器在这不仅要起到降压的作用，同时还要隔离逆变器的高压输入与逆变器的输出电压，变压器是初级线圈三角形连接，次级线圈星形连接。400V的中压就是三相电的相电压，而230V的中压是三相电的线电压。图2逆变滤波变压隔离电路1.2蓄电池充电原理协助逆变器还自带一个蓄电池充电器。蓄电池充电器供应一个可控的低压DC输出，如图3所示，它包括一个三相全波二极管桥输入，半桥单向逆变器，变压器、输出整流器和调整输出平稳的DC低通滤波器。单相半桥电路将输入电压转换成方波电压然后供应变压器的初级。变压器确保电池电压和初级电压之间的隔离。二极管整流器和输出滤波器将直流电压供应应电池和110V负载。这样，蓄电池充电器动作相当于一个可变转换比率的DC/DC变压器。蓄电池充电器的电压依据温度和蓄电池的电压调整。图3蓄电池充电电路图低压可以由逆变器或蓄电池输出，两种低压总线规定：永久低压总线给休眠模式下的负载供电，逆变器供应的总线给其他低压负载供电，在休眠模式下，不向总线供电。有两个电路供应低压：一个永久低压电路和一个预压电路。⑴永久低压电路为一些正常工作的低压负载和处于休眠模式须要唤醒的负载供电。此外，还为列车联挂和解钩限制部分供电。⑵预压电路为全部正常工作和降级模式（比如没有高压）不进入休眠状态的的低压负载供电。在车辆整备时，假如储存有足够低压电能，预压列车线得电。1.3自举电池运用与原理逆变器箱中配置了自举电池，用于在主蓄电池完全放电时启动协助逆变器。当蓄电池电压过低的状况下，逆变器与充电器有紧急(自举)启动的功能。假如蓄电池电压过低，逆变器电子装置检测到后，逆变器不启动。在蓄电池组欠电压状态中协助供电系统有一个启动功能。驾驶室中有一个自举按钮，可以依靠这个按钮，将自举蓄电池启动。在按下按钮之前，必需手动升起受电弓给协助逆变器1500V直流电压。按钮必需闭合直到蓄电池充电器启动并给主电池供应足够的电压。列车在正常工作条件中，从DC/AC逆变器输出的3相400Vac电源通过桥路二极管整流装置对一个逆变器内置的自举蓄电池充电。当接触器闭合时自举电池充电，如图4所示，将沟通线电压230V引入自举电池的充电变压器，再经过桥路二极管整流后获得直流110V，给自举电池充电。图4自举电池充电电路原理2协助逆变系统配电在地铁车辆电气配电系统中，将电压分为三个等级：即高压、中压和低压。本文以六；列编组为例。---高压为1500V直流---中压为400/230V沟通---低压为110V直流2.1高压配电高压通过架空线为整个列车供应电源，用于牵引装置和通过静态逆变器将其转换为中压（400/230VAC）然后再转换为低压（110VDC）。静态逆变器配置在每个拖车和不带受电弓的动车上。每一台静态逆变器产生一个相互独立的三相电网。400V的中压用于空压机、空气调整、牵引设备的通风，230V中压用于正常照明。变压器将中压转换为低压，低压用于车门、应急照明、旅客紧急通风、通讯、限制和数据处理（参见图5）。PB前行/制动情形B.C.蓄电池充电A.I.协助逆变器图5高压1500V配电2.2中压的产生和安排中压是由一台静态逆变器供应。每一台静态逆变器供应一个相互独立的三相中压电网。其中中线是必备的。得到三相电压，相应的负载得电并依据下列的优先级启动。空压机授权启动并在启动时通知TIMS（列车管理系统），车辆运行速度高于零速时牵引风机和可变制动电阻的风机起先启动。其他负载依据上一级负载的启动状况并由TIMS的授权后允许启动。每一台静态逆变器供应一个独立的电网。每车至少有两个独立的中压电网。（参见图6）图6中压400/230V配电配电2.3低压的产生和配电每台静态变换器和蓄电池输出低压。两种低压总线规定：永久低压总线给休眠模式下的负载供电，变换器供应的总线给其他低压负载供电。在休眠模式下，变换器不向总线供电。一组蓄电池能够手动地和低压电源分别并且安排电能。在唤醒模式下，当静态变换器不工作时，蓄电池能给负载供电45分钟。同时，关闭紧急通风装置以保证剩余的负载持续工作至少15分钟。当低压电源低于较低值时，蓄电池和负载断开。蓄电池配置在每辆B车和A车上。（参见图7）图7低压110VDC配电3协助逆变系统PWM限制的信号爱护地铁车辆的协助逆变器采纳微机限制并有自诊断功能。直流电源的分类限制，如协助逆变器限制电源、ATC系统限制电源、应急照明限制等。3.1PWM限制过程逆变器通过“PWM”（脉冲宽度调制）来限制，干脆利用转换电压从一个不规则的直流输入电压同时得到一个固定频率的沟通输出电压。如图8为协助限制系统的框图，数据经过微处理器处理并转换成PWM调制信号，传输给IGBT驱动电路驱动逆变器将直流1500V逆变成400V/230V的沟通，然后给协助设备供电，通过检测器件将电流、电压和温度等信息反馈给处理器进行自动调整IGBT的关断频率。图8协助逆变系统限制框图3.2PWM信号爱护在协助限制系统中，微机系统模块一般都在5V～10V低电压范围内工作，IGBT模块前级的脉冲输出的电压毛刺可能给它带来相当大的干扰。为了这个缘由，在模块和前级输出之间采纳变压器或光耦（光耦常用于小电压输出，如信号电压）进行电压隔离。虽然在驱动电路中设置有隔离电路，但其隔离效果有限，因此本文在脉宽输出模块和IGBT驱动模块之间增加了光电隔离模块，使其与驱动电路中的变压器隔离组成对微处理模块的双爱护，变压器主要进行干扰信号的隔离，光耦合器主要进行大电压干扰的隔离。图9和10表示添加进信号隔离框图和电路原理图。图9加信号隔离的框图图10加信号隔离后的PWM逆变原理图4结论城市轨道车辆协助电源系统是列车正常运营中必不行少的电气系统，关系到了整个车辆能否正常运行，它负担列车照明、空调、设备冷却、蓄电池充电等协助功能的系统。本文对六列编组的地铁车辆协助逆变系统高、中、低压配变电，逆变器的特性、参数等进行了系统的介绍。并对PWM限制信号线路优化，实现限制信号和电力线路的光电隔离，进一步的确保车辆运营的平安性。尤其对协助逆变器电路进行了具体的分析探讨，使我们对地铁设备的国产化增加了信念，有些电气设备我国还没实力进行独立自主的研发与制造，因此对这方面的学问不能进行深化的探讨。我国应尽快加大这方面与国外的技术合作，驾驭核心技术。协助逆变电源方案的探讨，应结合国内电力电子技术的发展、元器件的运用水平以与国外地铁电动车组协助逆变电源的发展方向，研制和开发出适合我国城市轨道交通地铁和轻轨车辆的协助逆变供电系统。这样既能降低成本又可以加快我国独立自主生产国产化地铁的