1、地铁车辆辅助逆变电源分析研究摘 要: 分析直接逆变方式、斩波降压逆变方式、两重斩波降压逆变方式地铁车辆辅助逆变电源的电路结构方案。结合北京“复八线” 地铁车辆进口辅助逆变电源的技术条件, 介绍 DC750V 国产化地铁车辆辅助逆变电源的研制方案和主要技术特点。给出方案的试验波形。1 引 言近年来, 我国上海、广州和北京等城市引进的地铁车辆上, 辅助电源均采用了静止式辅助逆变电源。广州地铁和上海地铁 2# 线为IGBT 辅助逆变电源; 北京“复八线” 为 GTO 热管散热器自冷式辅助逆变电源。因此开发和研制地铁车辆静止式辅助逆变电源实现国产化是发展我国城市轨道交通的必然趋势。静止式辅助逆变电源与
2、传统的电动发电机组供电方式的比较如下: (1) 静止式辅助逆变电源直接从地铁动车第三轨受电, 经过 DC/ DC 斩波变换后向三相逆变器提供稳定的输入电压, 通过 VVVF 变频调压控制, 逆变器输出三相交流电压向负载供电, 对于多路输出电源, 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、电源使用效率高、工作性能安全可靠。(2) 传统地铁辅助电源通常采用旋转式电动发电机组的供电方案。电动机从 DC750V 第三轨受电, 发电机输出三相交流电压向负载供电, 对于直流 DC110V 和 DC24V 部分用电设备, 仍需通过三相变压器和整流装置提供电源。这种供电方式机组体积大
3、、输出容量小、效率低, 电源易受直流发电机组工况变化的影响, 输出电压波动大, 可靠性差。2 地铁车辆辅助电源系统方案比较下面针对 DC750V 地铁车辆上几种常用的辅助逆变电源电路结构方案, 进行分析和比较。 211 直接逆变方式图 1 是地铁车辆辅助逆变电源最简单的基本电路结构形式。开关元器件通常可采用大功率 GTO , IGBT 或 IPM 。辅助逆变电源采用直接从第三供电轨受流方式, 逆变器按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。这种电路的特点是电路结构简单、元器件使用数量少、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的波动影响, 输入与输出不隔
4、离, 输出的电压品质因数差、谐波含量大、负载使用效率低。图 1 直接逆变辅助电源电路结构原理图212 斩波降压逆变方式斩波降压加逆变方式的辅助电源电路结构如图 2 所示。此电路主要由单管 DC/ DC 斩波器、二点式逆变器、三相滤波器、隔离变压器和整流电路组成。逆变器输出经过三相滤波后, 输出稳定的正弦三相交流电压, 作为驱动空调机、风机等三相交流负载电源, 同时三相交流电压经变压器和整流后, 可实现电源的多路直流输出。其特点如下。(1) 三相逆变器输出电压不受输入电网电压波动的影响, DC/ DC 斩波的闭环控制可以保持逆变器输入电压的恒定。(2) 每台辅助逆变电源斩波器只需一只大功率高压
5、IGBT 元件, 逆变器可以采用较低电压的 IGBT 元件。(3) 由于逆变器输入电压恒定, 对于只要求 CVCF 控制的逆变器来说, 只需要一定数量的梯波输出, 即可保证逆变器输出稳定的脉宽调制电压, 谐波含量小于 5 % 。(4) 斩波器分散布置在每台车的电源上, 机组结构统一。对于供电网, 虽然每台电源斩波的开关频率相同, 但它们之间的斩波相位差是随机的, 同样可实现斩波器多相多重斩波作用。(5) 隔离变压器的使用实现了电网输入与输出负载之间的电气隔离。图 2 斩波降压逆变方式电路结构原理图213 两重斩波降压逆变方式与单管直接 DC/ DC 斩波降压逆变方式的辅助电源电路基本相同, 两
6、重斩波器替代了 DC/ DC 单管斩波器, 开关元器件可采用 GTO 、IGBT 或 IPM 。电路结构原理图如图 3 所示。其特点如下。(1) 采用两重斩波器, 当上、下两个斩波器控制相位互相错开 180时, 可以使斩波器的开关频率相应提高一倍, 因而可大大减小滤波装置的体积和重量, 降低逆变器中间直流环节电压的脉动量, 提高辅助逆变电源的抗干扰能力。(2) 两重斩波器闭环控制起到了稳压和变压作用, 因此可提高逆变器的输出效率。(3) 两重 DC/ DC 斩波器与单管斩波器相比 , 开关元器件和斩波器的附件多了一倍, 但管子的耐 压可降低一半, 提高了元件的使用裕度和设备的安全可靠性。(4)
7、 直流供电网与负载之间的变压器隔离以及相应设计的滤波器, 可以保证逆变器输出的三相交流电压谐波最小, 且可降低对负载过充电压的影响, 提高负载的使用寿命。图 3 两重斩波降压逆变方式电路结构原理图214 升降压斩波逆变方式图 4 为升降压斩波加逆变的地铁辅助电源电路结构原理图, 前级斩波由一个平波电抗器及两个开关管、二极管和储能电抗器构成, 升降压斩波器本质上相当于两相 DC/ DC 直流变换器, 控制系统采用 PWM 控制方式。两个开关管交替通断, 按输出电压适当地控制脉冲宽度, 可以获得与输入电压相反的恒定直流输出电压。后级逆变输出由两点式三相逆变器和三相滤波器组成。斩波器和逆变器开关元器
8、件可采用 GTO 或IGBT , IPM 等。此电路的特点是: 电网电压的波动不影响斩波器输出电压的恒定稳定, 当电网电压高于斩波器输出电压时, 斩波器按降压斩波控制方式工作; 当电网电压低于斩波器输出电压时, 斩波器按升压斩波控制方式工作。两个开关管的交替导通和关断, 提高了斩波开关频率, 降低了储能电抗器体积和容量以及开关器件的电压应力, 减小了输出电压的脉动量。图 4 升降压斩波逆变方式电路结构原理图3 地铁辅助逆变电源的开发与研制铁道科学研究院机车车辆研究所早在 20 世纪 80 年代末, 已开始采用先进的变流控制技术和新型大功率 GTO 和 IGBT 元器件, 开发车载电源产品。先后
9、研制出大功率 GTO 斩波器、两象桥式 IGBT 斩波器、驱动大功率直线电机和地铁车辆的车载 IGBT 逆变器。1999 年研制客车DC600V 供电系统的空调逆变电源, 并于当年 6 月在铁道部四方车辆研究所通过了性能试验,9 月在武昌车辆段 K79/ 80 上装车运行。2000 年开发研制出用于内燃机车和电力机车的空调逆变电源, 该产品已在南昌内燃机务段和邵武电力机务段装车运行考核。 2002 年针对北京“ 复八线” 地铁车辆进口辅助逆变电源的技术条件, 铁道科学研究院机车车辆研究所研制开发出了 DC750V 国产化地铁车辆辅助电源工程化机组, 并通过铁道部产品质量监督检测中心机车车辆检验
10、站的型式试验。开发研制的 DC750V 地铁辅助电源总容量为 40 kVA , 主要负荷为照明、换气扇、司机室空调机组和车辆 DC110V , DC24V 控制电源。考虑到电源的可靠性和车辆上多路电源的随机多重性, 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方式。控制采用斩波和逆变双闭环脉宽调制控制技术, 保证了电源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 。表 1 地铁辅助电源装置主要技术参数这种地铁辅助电源具有如下特点。(1) 辅助电源斩波器采用斩波闭环控制方式, 保证输入电压变化时, 逆变电源中间直流环节的电压稳定。(2) 输出逆变器的
11、开关频率设定为 214 kHz , 采用了谐波抑制方法, 有效地抑制了输出电压、电流谐波含量和对输出高频隔离变压器冲击, 提高了逆变器的功率因数和负载的使用效率。(3) 采用三相滤波装置和隔离变压器, 实现了输入与输出、交流负载和直流输出电源之间的电气隔离。(4) 采用变频启动方式, 电器负载的启动电流冲击小, 有利于延长负载设备的使用寿命。(5) 控制系统采用了 MC80C196 十六位单片机作为主控制单元, 具有实施控制、保护、自诊断、自恢复、故障存储、L ED 指示灯和汉字显示、数据传输、指令接收等功能。(6) 控制系统设有短路、过压、欠压、过流、过热、接地等故障保护功能, 保护信号消失
12、后自动恢复运行, 提高了地铁辅助逆变电源的安全性和可靠性。(7) 主控制单元使用箱式插板结构, 便于维修、检修及更换设备。为适应机车运行中的冲击大、振动大等特点, 机箱采用金属框架结构, 具有较高的机械强度和良好的电磁屏蔽效果。DC750V 地铁辅助电源额定负载试验波形如图 5 图 8 所示。图 5 输入电压与输出电压的稳态波形图 6 输出电压、电流波形图 7 中间环节电压起动、稳态、停止过程4 结 论 (1) 采用静止辅助逆变电源代替传统的直流发电机组供电装置, 已是地铁与轻轨城市轨道交通发展的必然趋势。(2) 静止辅助逆变电源方案的选择, 应结合国内电力电子技术的发展、元器件的使用水平以及
13、国外地铁电动车组辅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辅助逆变供电系统。(3) 地铁静止辅助逆变电源的研制成功标志着我们已具备了开发和生产国产化地铁辅助电源的能力。图 8 输出电压、电流起动、稳态、停机过程参考文献 1 菊池高弘. 日本铁道车辆用新型逆变器J . 国外铁道车辆, 2000 , 37(5) : 23 26. 2 第三代 IGBT 和智能功率模块应用手册M . 三菱电机, 1996. 3 SIV 使用说明书 Z . 东洋电机制造株式会社, 1998. 4 吴 忠, 李 红, 左 鹏, 等. 自然采样 SPWM 逆变电源的谐波分析及抑制策略J . 电网技术, 2001 , 24(4) : 1 5. 5 吴 忠, 李 红, 左 鹏, 等. DC/ DC 升压变换器非线性输出反馈控制J . 中国铁道科学, 2000 , 21(3) : 21
