现代有轨电车车辆交流系统冗余供电设计

2017年第24卷第3期
技术与市场
创新与实践
现代有轨电车车辆交流系统冗余供电设计
司尚卓，陈小康，吕远斌，张泱泱
(中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲412001)
摘要:介绍了轨道交通车辆三相交流系统冗余供电的意义，以及地铁车辆冗余供电电路实现方式，并结合现代有轨电 车车辆的特点，进一步设计出适合低地板现代有轨电车项目的车辆交流系统护展供电设计，大大提高了现代有轨电车的 三相交流系统供电冗余性。

关键词：现代有轨电车；三相扩展；冗余设计
d oi :10.3969/j.issn . 1006 -8554.2017.03.002〇引言
有轨电车的辅助逆变器（辅逆）向车辆提供三相交流电源 及直流控制电源，是车辆的一个重要关键子系统，如果辅逆出 现故障，列车将失去几乎所有的中压低压供电。

故有轨电车在 进行辅助系统的设计时应将考虑其冗余性，即一台辅逆的故障 不影响车辆的正常使用。

本文从地铁车辆交流冗余系统结构 出发，并根据现代有轨电车车辆的特点，进一步分析给出适合 其特点的辅逆交流冗余系统方案。

1
地铁车辆交流冗余电路
目前地铁车辆主流的辅助系统冗余供电电路有两种，第一 种是扩展供电电路，第二种是并网供电电路。

，列车单元二1 1 1 1
列车单元一、辅助逆变器1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1! K M
辅助逆变器1图1扩展供电电路
图1所示为国内地铁车辆最常用的扩展供电电路方案，列 车的每个单元配备1台辅逆并负责本单元列车三相交流系统
的供电，正常工作时三相扩展接触器K M 断开，当其中有一台辅 逆故障时，将切除该故障辅逆同时切除全列车一半的制冷并闭
合KM ，从而实现一台辅逆向全列车供电达到冗余设计的目的。

图2
并网供电电路
图2为并网供电电路，该并网供电电路是近几年逐步应用 于地铁列车的一项新技术，基本每节列车上均安装1台小型辅 逆，每台辅逆均将交流电输出到列车的三相母线，当一台辅逆 故障时仅需切除该逆变器，剩余辅逆仍可以向整列车提供三相 电源，当辅逆故障数量较多时才考虑切除部分列车制冷。

并网 供电的整体方案优于扩展供电，但其实现难度较大，目前西门 子、阿尔斯通及庞巴迪等先后开发了各自的并网供电电路。

2
现代有轨电车供电系统介绍
以广州海珠现代有轨电车为例，分析现代有轨电车的辅助 系统电路结构，海珠有轨电车的辅助系统供电拓扑如图3所示。

图3广州海珠现代有轨电车项目供电拓扑
现代有轨电车项目通常将高压设备安装在车顶，安装空间 紧张，故一般全车仅配置1台三相输出的辅逆，广州海珠项目 也不例外。

海珠项目配置了 1台1 kVA 辅逆向全车的2台司机室空 调和3台牵引风机提供三相电源，同时配备2台8 kW 的充电 机向列车低压控制负载提供冗余的低压控制电源。

如果这台
辅逆出现故障，将导致牵引风机失去三相来源，最终将使牵引 系统过热保护无法动车，故本项目也要考虑三相电源对牵引风 机的供电冗余性。

3
现代有轨电车交流系统扩展供电设计
本项目的客室空调系统采用高压直流变频空调，可直接从 高压系统获取电源而不受辅逆三相输出的约束，故可考虑和客
9
创新与实践
TECHNOLOGY AND MARKET
Vol . 24, No . 3,2017
室空调系统进行三相扩展。

但应充分考虑不同子系统之间的 扩展供电的隔离，以免三相并网形成环流烧坏逆变器。

3.1客室空调的接口
海珠现代有轨电车项目使用的高压变频空调内部设有4 台逆变器，如图4所示，每台逆变器的输出均为AC 380V 满足 为车辆三相母线提供电源的条件，故考虑使用空调机组内的变 频器和车辆辅逆共同完成扩展供电。

空调机组内部直流电源额定功率为20 kW ，每路逆变器 输出为5 kW ，而车辆3台牵引风机功率为3 x 0.7 kW ，司机 室空调功率为2 x 1. 9 kW ，故如果辅逆故障要考虑扩展供 电，也仅能将三相电源供给牵引电机，此时司机室空调将控 制停机。

3.2 车辆控制电路的设计
根据上述扩展供电原则及需求，设计如图5所示列车辅逆 及客室空调系统的扩展供电逻辑电路。

图4
高压变频空调内部逆变器
图5辅逆及空调扩展供电逻辑
Tm c l 模块上的辅逆及M 模块上的客室空调均可以向三相 列车母线输出交流电源，正常情况下接触器KM 2闭合，由辅逆 提供电源。

自锁旋钮SW 1为交流切换的控制旋钮，当操作该 旋钮后客室空调和司机室空调都能收到高电平命令，从而客室 空调开始启动投入供电逻辑而司机室空调立即关闭。

为了避免客室空调在投入和撤出时同辅逆的三相输出存
在的并网风险，特设置失电延时动作继电器KM 1和三相接触 器 KM 2。

3.3 电路控制逻辑分析
当车辆辅逆无故障正常工作时，KM 2得电吸合，此时由辅 逆向车辆母线提供电源，客室空调不输出。

辅逆故障后，通过 闭合旋钮SW 1使KM 1得电，KM 1失电延时继电器得电后立即 断开其触点，从而使接触器KM 2失电断开，即完成了断开辅逆 向整车三相电路的输出，同时将SW 1旋钮闭合的信号发送到 客室空调，设备收到此信号5S 后将投入三相电源到三相母线， 此时有效错开了辅逆三相输出和客室空调三相输出并网供电 的危险，同时也避免了辅逆由于假故障重新工作产生的并网 动作。

当辅逆排除了故障需要重新投入时，通过司机操作旋钮
SW 1使失电延时继电器KM 1线圈失电，同时将信号发送给客 室空调，设备收到此信号后立即停止向三相母线输出三相电 压，而失电延时继电器在失电5S 后才闭合其触点使KM 2重新 得电，辅逆重新向三相母线输出三相电源，此时同样有效错开 了辅逆三相输出和客室空调三相输出并网供电的危险，从而最 终实现三相交流供电切换，实现三相电源的手动冗余控制。

4结语
本文实现了在车辆不增加辅逆的情况下，三相交流系统和 其他子系统的扩展供电方案，为现代有轨电车的轻量化、电源 冗余性设计等作出贡献，同时也为其他有轨电车项目在车辆冗 余设计等方面提供了新的解决思路。

实质上该方案已经在广 州海珠现代有轨电车项目、淮安低地板有轨电车项目及武汉大 汉阳低地板项目中得到广泛的应用，目前已完成型式试验及例 行试验，运行良好。

参考文献：
[1] 康亚庆.地铁车辆辅助系统两种供电网络的分析[J ].
现代城市轨道交通，2009(4).
(上接第8页）
4) 新型引、收弧块焊缝抗拉强度平均值为482. 3 MPa ，原 引、收弧块焊缝抗拉强度平均值为488 MPa ，因此新型引、收弧 块焊缝抗拉强度与原引、收弧块焊缝抗拉强度基本相近，且试
样断裂位置均为焊缝位置。

5) 弯曲试验，当弯曲角达到180°时，新型引、收弧块焊缝 均完好，表面无裂纹，而原引、收弧块焊缝仅一个焊缝完好，其
余两个焊缝均出现裂纹。

6) 新型引、收弧块焊缝冲击吸收能量平均值为70.67 J ，10
大于母材冲击吸收能量47 J 。

7)通过上述机械性能试验及分析，新型引、收弧块能更好 地满足对接焊缝引、收弧处焊缝接头的力学性能。

参考文献：
[1 ]周振丰.焊接冶金学[M ].北京:机械工业出版社出版，2002.
[2] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册[M ].北京：机械 工业出版社，1992 .
[3] 李太仁，包晔峰，周昀.16MnDR 焊接接头的低温力学性 能[J ].电焊机，2007,（9) :
9 -71 +79.。