车辆辅助系统(地铁车辆辅助逆变电源分析研究)

文摘：分析了地铁车辆辅助逆变电源在直接逆变模式、斩波降压逆变模式和双斩波降压逆变模式下的电路结构方案。摘要：结合北京“复八线”地铁车辆进口逆变辅助电源的技术条件，介绍了国产DC750V地铁车辆逆变辅助电源的开发方案及主要技术特点。给出了该方案的测试波形。1简介近年来，从上海， 广州、北京广州地铁和上海地铁2号线进口的地铁车辆均采用静态辅助逆变电源，IGBT辅助逆变电源；北京“复八线”是GTO热管散热器的自冷辅助逆变电源。因此，开发地铁车辆静态辅助逆变电源并实现国产化是必然趋势。静止辅助逆变电源与电动发电机组传统供电方式的比较如下： (1)静止辅助逆变电源直接从地铁列车第三轨接收电力，经DC/DC斩波转换后，向三相逆变提供稳定的输入电压。通过VVVF变频调压控制，逆变输出三相交流电压给负载供电，对输出多路，电源，电路采用变压器隔离形式。这种辅助逆变电源的优点是输出电压品质因数好，功率效率高，工作性能安全可靠。(2)传统的地铁辅助电源通常采用旋转电机发电机组供电方案。电机从直流750伏的第三轨接收电能，发电机输出三相交流电压向负载供电。对仍然需要通过三相变压器和整流装置为DC DC110V和DC24V的一些电气设备供电。这种供电方式具有单位体积大、输出容量小、效率低等优点。DC发电机组的工况变化易影响供电，输出电压波动大，可靠性差。2地铁车辆辅助供电系统方案比较下面对对DC 750伏地铁车辆上几种常用的逆变辅助供电电路方案进行分析比较。211直接逆变模式图1是地铁车辆辅助逆变电源最简单的基本电路结构。一般来说，开关元件可以采用大功率GTO、IGBT或IPM。辅助逆变电源采用直接从第三供电轨接收电流的方式，逆变按照V/f等于常数的控制方式输出三相脉宽调制电压向负载供电。该电路具有电路结构简单、元器件少、易于控制的特点，但其缺点是逆变电源的输出电压易受电网输入电压波动的影响，输入输出不隔离，输出电压品质因数差，谐波含量高，负载使用效率低。图1直接逆变辅助电源电路结构示意图212斩波降压逆变模式斩波降压加逆变模式的辅助电源电路结构如图2所示。该电路主要由单管DC/DC斩波器、两点逆变，三相滤波器、隔离变压器和整流电路组成。经过三相滤波后，逆变的输出可以输出稳定的正弦三相交流电压，可以作为驱动空调、风扇等三相交流负载的电源。同时，三相交流电压可以通过变压器整流，实现电源的多路DC输出。它的特点如下。(1)三相逆变的输出电压不受输入电网电压波动的影响，DC/DC斩波器的闭环控制可以保持逆变的输入电压恒定。(2)每个辅助逆变功率斩波器只需要一个大功率高压IGBT元件，逆变可以使用低压IGBT元件。

(3)由于逆变的输入电压是恒定的，对只需要一定量的阶梯输出就可以保证逆变输出稳定的脉宽调制电压，谐波含量小于5%。(4)斩波器分布在每辆车的电源上，单元结构统一。对用于供电网络。虽然各电源斩波器的开关频率相同，但它们之间的斩波相位差是随机的，这也可以实现斩波器的多相多斩波功能。(5)隔离变压器的使用实现了电网输入和输出负载之间的电气隔离。图2斩波降压逆变模式电路结构示意图213双斩波降压逆变模式的辅助电源电路与单管直接DC/DC斩波降压逆变模式基本相同。双斩波器取代DC/DC单管斩波器，开关元件可以是GTO、IGBT或IPM。电路结构示意图见如图3。它的特点如下。(1)采用双斩波器。当上、下斩波器的控制相位相差180度时，斩波器的开关频率可以相应加倍，从而大大减小了滤波装置的尺寸和重量，减小了逆变装置中间DC环节的电压脉动，提高了辅助逆变电源的抗干扰能力。(2)双斩波器的闭环控制可以稳定电压和变换电压，从而提高逆变变换器的输出效率。(3)与单管斩波器相比，双DC/DC斩波器的开关元件和斩波器附件数量是单管斩波器的两倍，但管耐压可降低一半，提高了元件的使用裕度和设备的安全性和可靠性。(4)DC供电网与负荷之间的变压器隔离及相应设计的滤波器可以保证逆变，输出的三相交流电压的最小谐波，减少对负荷过充电电压的影响，延长负荷的使用寿命。图3双斩波器降压逆变模式214降压升压斩波器逆变模式电路结构示意图图4为降压升压斩波器加逆变地铁辅助电源电路结构示意图前斩波器由一个平波电抗器、两个开关管、二极管和储能电抗器组成。升压斩波器本质上相当于一个两相DC/DC变换器，控制系统采用脉宽调制控制方式。与输入电压相反的恒定DC输出电压可以通过交替地接通和断开两个开关并根据输出电压适当地控制脉冲宽度来获得。后级逆变的输出由一个两点三相逆变和一个三相滤波器组成。GTO、IGBT和IPM可以作为斩波器和逆变的开关元件，该电路的特点是：电网电压的波动不影响斩波器输出电压的恒定稳定性。当电网电压高于斩波器输出电压时，斩波器按照降压斩波器控制模式工作；当电网电压低于斩波器输出电压时，斩波器工作在升压斩波器控制模式。两个开关管交替的导通和关断增加了斩波器的开关频率，减小了储能电抗器的体积和容量以及开关器件的电压应力，减小了输出电压脉动。图4 逆变模式3升压降压斩波器电路结构示意图地铁逆变辅助电源开发研究。早在20世纪80年代末，铁路研究所机车车辆研究所就开始采用先进的变流器控制技术和新型大功率GTO及IGBT元件开发车载电源产品。我们先后开发了大功率GTO斩波器、两象桥IGBT斩波器和车载IGBT 逆变，用于驱动大功率直线电机和地铁车辆。1999年，开发了直流600伏母线供电系统空调逆变电源，同年6月在铁道部四方车辆研究所通过性能测试，9月在武昌车辆段K79/80装车运行。

2000年开发了内燃机车和电力机车空调逆变电源，并在南昌内燃机车厂和邵武电力机车厂的装车运行中进行了试验。2002年，对，铁路研究院机车车辆研究所根据北京“复八线”引进逆变地铁车辆辅助动力技术条件，研制了DC750V国产地铁车辆辅助动力工程装置，并通过了铁道部产品质量监督检测中心机车车辆检测站的型式试验。所开发的DC750V伏地铁辅助电源总容量为40千伏安，主要负载为照明、通风风扇、司机室空调机组和车辆DC 110伏和DC 24伏控制电源。考虑到电源的可靠性和车载多路电源的随机多样性，电源主电路采用单管斩波降压逆变电路、大功率IGBT开关元件和热管散热。控制采用斩波和逆变双闭环脉宽调制控制技术，保证三相交流输出电压稳定性好，谐波含量低。其主要技术参数见表1。