城市轨道交通车辆电气控制 课件5-2辅助逆变器及其电气控制

城市轨道交通车辆辅助供电系统控制任务二辅助逆变器及其电气控制目录辅助逆变器作用及原理认知13辅助逆变器的启动操作2辅助逆变器电路应用分析

第一部分辅助逆变器作用及原理认知01辅助逆变器作用及特点：辅助逆变器可利用输入DC1500V电压产生380V三相交流电，用于车辆空调、空气压缩机、牵引制动设备冷却风机等交流负载的运行。现代辅助供电系统主要有电压隔离和变流两个功能部分，电压隔离是将电网上的高压与低压用电设备进行电气隔离，尤其是常需人工操作的控制电源的设备，在电气电位上实现隔离；变流部分则是用来进行电能形式的转换，需要将波动的直流电压逆变为恒压恒频的三相交流电现代辅助逆变系统主要有以下特点：1.采用IGBT或IPM技术。早期的辅助逆变器采用的功率器件有晶闸管、大功率晶体管和门极可关断晶闸管GTO等。IGBT（绝缘栅双极晶体管）具有高开关频率，功率损耗低，自我保护能力强，电路结构简单，无须换流和吸收电路，控制电路简单等优点，它的使用减少了输入与输出滤波器的体积和重量，减少了元件数量，增加了使用可靠性。IPM（智能功率模块）是一种先进的功率开关器件，兼有大功率晶体管高电流、低饱和电压和高耐压的优点，以及场效应晶体管高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。2.模块化设计。可实现模块化和简单系统化的目标，能充分利用车辆既有空间，体积小，维护方便，成本较低，可适应不同类型的地铁车辆，满足用户使用需求。3.高质量的输出电压。使标准的工业电机与压缩机负载和其他设备等在地铁车辆中得到可靠应用。4.采用微机数字控制。随着计算机技术的飞速发展，系统控制以高性能微机为基础，以脉宽调制控制为中心的控制运算中心部分采用数字信号处理器DSP，其强大功能促进了控制方式的不断进步，具有良好的稳定性和快速的动态响应性能。辅助逆变原理认知一般来讲，辅助逆变系统按逆变的工作过程可分为两种形式，一种是直接逆变，另一种是间接逆变。直接逆变是城市轨道交通车辆辅助逆变电源最简单的电路结构形式，辅助逆变电源直接从接触网或第三轨受流，输入电压经滤波后直接由逆变器逆变成三相交流电。我国上海地铁3号线和轻轨车辆，广州地铁1、2、3号线车辆，武汉轻轨和天津轻轨滨海线等车辆的辅助逆变器均采用这种方式。辅助逆变原理认知逆变电路中的开关器件采用大功率GTO、IGBT或IPM，逆变器按U/ƒ等于常数的方式控制，输出的三相脉宽调制电压采用变压器隔离向负载供电。该电路的特点是结构简单，器件使用数量少，控制方便，但缺点是逆变器电源输出电压容易受电网输入电压波动的影响，IGBT等功率电子器件换相时承受的过电压较大，特别是在DC1500V接触网受流的情况下，电网电压波动范围大，可达1000V~1800V。直接逆变电路原理框图辅助逆变原理认知间接逆变指的是先经升/降压稳压后再进行逆变，我国上海地铁1、2、4号线车辆辅助逆变器采用的是这种逆变方式。图中CHO为升/降压器，一般有斩波升/降压（如上海地铁1号线）和逆变升/降压（如上海地铁2、4号线）两种，其目的一方面是稳定逆变器INV的输入电压，另一方面是对逆变器进行保护。逆变器将直流电逆变成交流电后，经电感电容滤波网络FIL滤波，输入隔离变压器T0，△-Y连接的隔离变压器输出三相四线电压AC380V，50Hz。对于采用DC750V电压供电的车辆，其辅助逆变器可采用先升压再逆变的系统，对于采用DC1500V电压供电的车辆，其辅助逆变器可采用先降压再逆变的系统。直接逆变电路原理框图

第二部分辅助逆变器电路应用分析02辅助逆变器电路应用分析以西门子辅助供电系统为例，分析其辅助逆变器电路逆变的工作过程，该逆变过程的基本原理采用了间接逆变的方式，整个逆变原理流程如图所示。辅助逆变器逆变流程辅助逆变器电路应用分析1.斩波隔离：斩波隔离过程在DC/DC模块中进行。来自接触网的DC1500V高压电经输入电路的滤波之后，输入DC/DC模块，在该模块的中进行斩波，最终降压隔离成DC700V中间电压。2.PWMI逆变：该逆变过程在DC/AC模块中进行。利用斩波隔离后的中间环节DC700V电压作为输入，采用PWMI（脉宽调制）原理将中间环节直流电逆变成三相AC380V电。3.正弦滤波：该过程在正弦滤波器中进行。用于将DC/AC模块输出端的三相交流方波电压修正成为三相交流正弦波电压，供车辆设备使用。辅助逆变器电路应用分析1500V输入电路分析：1500V输入电路总体上起到消除电源电磁干扰、滤除电源交流成分，进行限流、过压保护等功能，以便将更稳定的直流电输入后续电路中。主要有进线端子X2、输入熔断器F10、进线扼流圈R10、EMC滤波器、输入接触器Q10、带预充电电阻的过压保护单元、滤波电容等部分组成，输入电路旁边还并联一个DBS（蓄电池应急启动）单元。辅助逆变器电路应用分析1500V输入电路辅助逆变器电路应用分析1.DC1500V输入进线端子X2：1500V线电压在进线端子-X2:L+和-X2:L-处连接到辅助逆变器，端子L+和L-为螺栓M10，用于连接端子处的输入电缆接头。2.输入熔断器F10：如出现短路情况，输入熔断器F10可将辅助逆变器从接触网断开，起到短路保护作用。3.进线扼流圈R10：设置该环节的目的是消除由于切换IGBT操作而造成的输入电流波动，并吸收线路上的浪涌电压，防止对辅助逆变器造成损坏。进线扼流圈R10可将输入电流的谐波量保持在非常低的水平。4.EMC滤波器：EMC滤波器又称为“电磁兼容性滤波器”，它包括电容器V3、V4和环形线芯V1，将EMC滤波器串接于电源进线端，用于消除各类感性负载启动、制动和运行期间产生的对电源的干扰，保证了电网自身的电磁兼容性。辅助逆变器电路应用分析5.输入接触器Q10：根据列车控制系统的指令，起到接通、断开辅助逆变器和高压DC1500V输入之间的电路连接的作用。6.带预充电电阻的过压保护单元：由一个限制电涌的IGBT和预充电电阻组成，主要起到瞬态保护的作用。接触网网压有时存在跳变，电压跳变可能来自于同一供电分区内的其他城市轨道交通车辆的再生制动，瞬态保护功能使辅助逆变器电路免受接触网的电涌。如果在直流环节电压达到规定值，IGBT将短暂关闭，输入电路电源能量将通过电阻被断开，防止直流环节电路出现电涌。7.滤波电容：进一步滤除直流环节电路的交流成分，起到稳定直流电压的作用。8.DBS：即蓄电池应急启动单元，在蓄电池欠电压情况下使用，可使列车在蓄电池馈电的情况下重新激活。辅助逆变器电路应用分析DC/DC模块电路分析：

DC1500V高压电经过辅助供电系统输入电路环节之后，首先进入DC/DC模块，转变成DC700V中间电压。DC/DC模块具有功率密度高、设计紧凑的特点。电路包含升压斩波电路、中频逆变器以及整流器三大部分。辅助逆变器电路应用分析1.升压斩波电路：可将输入直流电压斩波成另一直流电压。电网输入直流电压范围为1000V~1800V，利用升压斩波电路可在电容C1两端得到高于输入电压的直流电压。电路通常采用两级IGBT串联的方式，通过该电路中的IGBT模块的导通和关闭，使输出至中频逆变器输入端的电压稳定在DC2400V。2.中频逆变器：中频逆变器由4个IGBT组成，4个IGBT为全桥式开关，组成两个桥臂，通过PWMI脉宽调制控制IGBT管的导通或截止，将输入直流电压逆变为矩形交流电压，逆变频率为20kHz，两个桥臂的输出经一个电容C2连接至整流器。全桥型逆变电路与电容C2、整流器环节的变压器T原边线圈共同组成准谐振电路，降低IGBT模块导通和关断时的开关应力。另外，足够高的脉宽调制频率可尽可能减小变压器T的尺寸和重量。辅助逆变器电路应用分析3.整流器：整流器将上一环节逆变得到的交流电压整流成恒定的DC700V电，以供DC/AC模块和蓄电池充电机。整流器由变压器和四个二极管组成的桥式整流电路构成。变压器T将其次边电压调至适用电压，并通过由四个二极管组成的整流桥，输出稳定的DC700V电压。辅助逆变器电路应用分析DC/AC模块电路分析：

DC/AC模块又称为逆变模块，在辅助逆变器电路中，起到将DC700V中间电压逆变为三相50Hz/380V交流电的作用。该电路由位于输入端的直流中间回路、逆变电路、IGBT驱动单元和SIBCOS控制器组成。DC/AC模块电路1-IGBT驱动单元；2-SIBCOS控制器辅助逆变器电路应用分析1.直流中间回路：由电容、电阻组成的直流回路位于输入端，起到稳定直流回路电压的作用，电容器可吸收直流中间回路电压中的高频干扰。2.逆变电路：包括三个桥臂，每个桥臂负责一个相位，各由2个IGBT元件组成。该电路采用PWMI脉宽调制的原理，对输入直流电进行逆变，产生3相交流方波电压。通过对IGBT元件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来等效正弦波或所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出电压频率。逆变电路输出的脉动波形辅助逆变器电路应用分析3.IGBT驱动单元：对控制器产生的IGBT驱动信号进行功率增益，IGBT的短路保护和过压保护也位于此模块。4.SIBCOS控制器：实际上控制器集成在辅助逆变器中，不在DC/AC模块上。它为IGBT元件产生驱动脉冲，并承担所有的调整控制任务和监测、保护功能。DC/AC模块辅助逆变器电路应用分析正弦滤波电路分析：

由DC/AC模块输出的三相AC380V电压仍是方波电压，该波形在经过电缆传输后容易在列车负载端产生过冲电压，频繁的过电压冲击会对负载绕组绝缘产生不良影响，甚至损坏电机绕组绝缘，因此需要将该波形转变为驱动负载的理想波形——正弦波。辅助逆变器电路应用分析如图所示为一个简单的正弦滤波电路。该正弦滤波电路由串联电抗L和并联电容C构成，电路截止频率为f=1/(2πLC)。因DC/AC模块输出的交流电压波形比同频率正弦波多出很多高阶奇次谐波，通过适当选取滤波电路的截止频率，可将输出波形中大部分高阶奇次谐波滤除，得到所需正弦波。简单的正弦滤波电路辅助逆变器电路应用分析

正弦滤波器设置于DC/AC模块的输出端，可将输出端的三相交流方波电压修正为接近正弦波的三相AC380V电压，驱动车辆的交流负载，如图所示。辅助逆变器输出端正弦滤波电路辅助逆变器电路应用分析

正弦滤波器由正弦滤波器扼流圈R50和正弦滤波器电容A4-C51、A4-C52、A4-C53组成。扼流圈限制正弦滤波器电容中PWMI电流的增加，正弦滤波器电容降低PWMI输出电压的频率，两个部件相互形成一个滤波器，通常可将失真系数（THD总谐波失真）提高到5-10%，确保滤波后的电压实际上为正弦曲线。

第三部分辅助逆变器的启动操作03辅助逆变器的启动操作

启动辅助逆变器不需要对其进行特殊操作，当满足以下条件时，辅助逆变器将自行启动：1.存在DC110V电源电压；2.