高速磁悬浮列车车载电源系统

高速磁悬浮列车车载电源系统
李健鸣(株洲南车时代电气股份有限公司技术中心，湖南株洲412001)
摘要：上海高速磁悬浮列车是世界上第一条商业运行的高速磁悬浮列车。

简述了高速磁悬浮列车车载电源系统的结构及功能，并详细阐述其系统的各个基本组件、部件的结构及功能。

关键词：高速磁悬浮；车载电源；升压斩波器；配电；磁悬浮列车
0 引言
我国在本世纪之初引进德国技术，在上海建设世界第一条高速磁悬浮列车商业运行线。

上海引进的常导高速磁浮车辆是整个高速磁悬浮交通的核心技术之一，而车载电源系统又是车辆的核心技术之一。

经多年运行，显示出该技术的优越性。

本文介绍该车载电源系统的结构和功能。

1 车载电源系统结构和功能
上海磁悬浮列车采用了如下的供电方案：列车在速度小于20 km/h时完全由供电轨供电；列车速度在约20～100 km/h时由地面的供电轨与列车自带的直线发电机联合对车辆供电；在列车速度大于100 km/h时完全由直线发电机供电；车载蓄电池作为列车紧急或故障运行情况下的电源；在使用涡流制动器紧急制动时，高速运行段（速度大于约150 km/h）电能由直线发电机提供，当较低速度时直线发电机电能不能满足涡流制动需要，此时由蓄电池与直线发电机联合提供电能，紧急制动过程中不使用供电轨向列车供电。

每一节车的车载电源包括以下几部分：
①4套相互独立的440 V直流电源，每套最大容量为128 kW；
②4套相互独立的24 V直流电源，每套容量为1.6 kW；
③2套相互独立的230 V三相交流电源，每套容量约为5.5 kW；
④1套外部440 V直流供电电源。

440 V电源是车上的主电源，24 V电源与230 V电源都是通过相应的变流设备从440 V电源变换得到的。

24 V电源是车上的控制电源，主要向控制设备供电。

每套440 V电源与24 V电源上都接有一组蓄电池作为备用电源。

440 V电源与24 V电源都有较大的冗余，当部分供电设备出现故障时不会影响对车辆的供电。

230 V电源则主要向车上与安全无关的用电设备供电，它在每节车上没有冗余。

1.1 基本组件及结构
整个车载电源主要包括如下组件：
①440 V直流车载电源基本组件。

它包括的部件为：440 V车载电源开关箱；440 V蓄电池箱；蓄电池通风机；升压斩波器。

②24 V直流车载电源基本组件。

它包括的部件为：24 V蓄电池箱；蓄电池通风机；DC-DC 变流器；24 V车载电源配电柜；24 V车载电源开关箱。

③230 V交流车载电源基本组件。

它包括的部件为：230 V车载电源开关箱；230 V车载逆变器及230 V车载电源配电柜。

④外部供电基本组件。

它包括的部件为：外部供电车载电源；开关箱受流器；受流器的气动控制组件。

车载电源供电部件的关系结构如图1所示。

图1 车载电源供电部件关系结构图
大部分的车载供电设备都布置在车厢夹层中。

车厢夹层分上下两层布置，分别布置有许多插接箱体。

其中供电设备中只有升压斩波器布置在夹层下层，其他的布置在夹层上层，还有部分布置在车厢内部。

1.2 结构功能
1.2.1 外部供电
外部供电用于当列车速度小于100 km/h时对列车供电，以及停车时对列车供电及对蓄电池进行充电。

列车通过车上的受流器与铺设在线路上的供电轨接触，将地面的电能传输到车上，并通过相应的变流与配电装置将电能分配到各用电设备。

每节车有2组受流器：1组受流器由2个受流器组成，每组的2个受流器分别布置在车辆的左右两侧。

一侧接外部供电电源正极，另一侧接外部供电电源负极。

电源正负极都有2个受流器供电，所以一个受流器故障并不影响供电轨对列车的供电。

每节车有2个外部供电车载电源开关箱，接受来自于受流器的电流。

每个外部供电车载电源开关箱上有16根（端车15根）输出电缆，每根电缆两端分别由额定值为25 A/660 V的保险器加以保护。

2个外部供电车载电源开关箱的32根输出电缆（端车30根）被分别送到所在车辆的32（端车30）个升压斩波器中，升压斩波器将电缆的连续输入电流限制在15 A内。

从受流器到车载电源开关箱内的保险器间的电缆具有接地与短路保护功能。

1.2.2 440 V电源
440 V车载电源主要用于向下列设备提供电能：悬浮控制系统、导向控制系统、涡流制动器、空调器、440 V蓄电池加热器、DC-DC变流器、230 V逆变器等。

每节车DC-DC变流器有4个，分别挂接在相应的4个440 V电源上。

230 V逆变器有7个，其中2个用于230 V
电源，挂接在2个不同的440 V电源上；4个用于空调电源（2个用于空调压缩机，2个用于空调通风机），分别挂接在相应的4个440 V电源上；1个用于气动设备供电，挂接在1个440 V电源上。

440 V蓄电池加热器分为4组直接挂接在相应的440 V电源上。

每节车的4个440 V车载电源彼此相互独立，并在440V电源之间及440V电源与230V交流电源、24V电源间采取了安
全隔离措施。

440 V电源采用了IT网络接地方式。

440 V车载电源有3种电源：来自供电轨的440 V直流电、直线发电机发出的交流电和440 V蓄电池提供的440 V直流电。

外部供电与直线发电机产生的电能都要先送到升压斩波器中进行整流、升压。

外部供电之所以也要进行整流的原因是列车在线路上是往返行驶的，在正反两个方向上行驶时外部供电电流流入升压斩波器的方向相反，所以也需要经过整流器进行整流。

1）直线发电机
每节中间车有160个直线发电机，每节端车有150个直线发电机。

直线发电机线圈嵌在悬浮电磁铁磁极铁心中，但只在悬浮电磁铁的主磁极中才有直线发电机线圈。

每个主磁极上有2个串联的直线发电机线圈，每个线圈为28匝，这2个直线发电机线圈构成一个直线发电机。

直线发电机发出的电能通过相应的导线输入到升压斩波器进行整流及升压。

每一个直线发电机的输出电能的容量为3.2 kW。

直线发电机在悬浮电磁铁磁极中的具体位置如图2所示。

图2 直线发电机位置图
2）升压斩波器
升压斩波器将来自于直线发电机与供电轨的电能变流后输送给各用电设备，同时对车载440 V蓄电池的充放电进行监测与控制。

一节中间车有32个升压斩波器，一节端车有30个升压斩波器。

升压斩波器的主要功能如下：
①将直线发电机发出的电能转换为440 V直流电；
②将外部供电轨的直流电能转换为440 V直流电；
③控制蓄电池充电电流大小及充电功率大小；
④控制蓄电池充电电压大小；
⑤监测蓄电池放电情况；
⑥通过输出端对各用电设备供应440 V直流电；
⑦通过内部CAN卡诊断升压斩波器状态；
⑧升压斩波器的位置识别功能；
⑨升压斩波器具有过压与欠压保护；
⑩对升压斩波器机箱散热片温度进行监测；
11对升压斩波器内部的开关电源状态进行监测；
12对外部供电进行监测与控制；
13短路保护功能（过流保护）。

升压斩波器由直线发电机单独供电还是和外部供电轨一起供电取决于车载电源控制发出的“供电启动”信号与“起浮”信号的逻辑组合。

3）440 V车载电源开关箱
440 V车载电源开关箱用于实现440 V车载电源的配电及电路保护。

每节车有4个440 V车载电源开关箱，各440 V车载电源开关箱间相互独立。

440 V车载电源开关箱功能为：
①控制440 V蓄电池到440 V车载电源的通断；
②控制DC-DC变流器到440 V蓄电池连接的通断；
③开/关440 V蓄电池加热器；
④作为440 V车载电源的配电柜；
⑤440 V车载电源的过流保护；
⑥涡流制动控制器电源的接地和短路保护；
⑦440 V车载电源开关箱内部的8个电流互感器（LEM）监测蓄电池电流并送到相应的8个升压斩波器；
⑧蓄电池到440 V车载电源开关箱的输入动力电缆与开关箱到涡流制动器的输出动力电缆具有接地与短路保护功能。

1.2.3 24 V电源
24 V车载电源主要对与安全相关的用电设备，以及对供电可用度要求较高的用电设备供电。

每节车有4套相互独立的24 V电源，这4套电源以安全冗余方式给用电设备供电。

24 V电源之间以及24 V电源与440 V、230 V电源间采取了安全隔离措施。

24 V电源来源于440 V电源，通过4个DC-DC变流器将440 V直流电转换为24 V直流电。

DC-DC变流器输出的
电能经过24 V车载电源开关箱与24 V车载电源配电柜将24 V直流电源分配给24 V用电设备。

由于24 V电源主要是为控制设备及部件提供控制电源，所以对24 V电源供电的安全性、可靠性有更高的要求，并应保证在发生故障24 V电源与440 V电源断开时，24 V电源还可以对应急照明与应急通信提供1 h的电能。

这部分电能的提供通过24 V蓄电池实现。

每个24 V 电源上的一组24 V蓄电池作为备用电源用于保证电源故障情况下的紧急用电。

1）DC-DC变流器
每节车有4个DC-DC变流器，分别向4个24 V电源提供电流隔离且不接地的低压直流电源。

DC-DC变流器间相互独立。

4个440 V直流电源通过2块电源母板上的插座对开关电源供电。

每一个440 V车载电源给2个开关电源模块并联供电，8个开关电源模块的输出端并联。

每个DC-DC变流器的开关电源都有电压调节、电流调节和保护电路，它们可以在超出允许的电压范围时断开输出;同时具有输入/输出滤波功能，用于减少输入端的电流冲击和输出端的电压波动。

由于8个开关电源模块的输出端相互并联，为了防止输出端的耦合，每个开关电源模块的输出端采用了一个二极管来消除开关电源模块间输出端的相互耦合。

2）24 V车载电源开关箱
每节车有4个24 V车载电源开关箱，4组24 V蓄电池电源分别接入相应的24 V车载电源开关箱中，通过24 V车载电源开关箱中相应开关的通断来接通或断开24 V蓄电池与24 V电源的缓冲或对24 V紧急功能的供电。

24 V车载电源开关箱具有如下功能：
①控制24 V蓄电池输出到24 V车载电源的通断；
②控制电源到24 V紧急功能（紧急照明，紧急通信）设备的通断；
③24 V车载电源到24 V配电柜的电缆保护。

在启动和关闭过程中控制线路都不能断电。

3）24 V车载电源配电柜
24 V车载电源配电柜用于对24 V用电设备进行线路过载与短路保护，以及对24 V用电设备进
行配电。

每节车有一个24 V车载电源配电柜，其电源来自于24 V车载电源开关箱及DC-DC 变流器。

每节车的4个24 V车载电源开关箱分别通过4根16 mm2电缆与24 V车载电源配电柜相连，其中2根为24 V车载电源电源线，另2根为紧急功能电源线。

24 V车载电源在24 V车载电源配电柜中被分为9组，分别通过2极（电源的正、负极）保险装置进行防护后输出到不同的用电设备。

紧急功能电源也是在24 V车载电源配电柜中通过保险装置后输出。

1.2.4 230 V电源
每节车的2个频率为50 Hz的230 V车载电源来自于挂在2条440 V车载电源上的2个逆变器。

230 V电源在车厢和服务区域内无安全冗余，它主要用于向不涉及到安全的用电设备提供电能，如风机和空压机等。

230 V电源的供电路径为：逆变器将440 V主电源的直流电压变换为230 V交流电压，然后送入230 V车载电源开关箱中进行电压隔离后再输入230 V车载电源配电箱中进行保护与配电，并通过230 V车载电源配电箱为各用电设备提供交流电源。

通过在2 30 V车载电源配电箱内的开关电源将230 V电源变换为28 V与24 V直流电源，28 V直流电源为阅读灯提供电能，24 V直流电源为230 V车载电源配电箱中的CAN总线I/O卡提供电能。

1）逆变器
逆变器用于将440 V直流电转变为频率为50 Hz的230 V三相交流电。

每节车有7个逆变器，其中2个为230 V电源供电，4个为空调供电（其中2个逆变器为空调的空压机供电，另2个为空调其他模块供电），1个为气动装置供电。

逆变器在输入电压大于330 V时启动工作，在输入电压小于310 V时，切断逆变器，停止工作，通过相应的继电器开关控制440 V电源与逆变器的通断。

2）230 V车载电源开关箱
每节车有2个230 V车载电源开关箱，分别与用于230 V电源的2个逆变器对应。

230 V车载电源开关箱用于将440 V电源与230 V电源隔离开。

其输入是来自于逆变器的230 V三相交流电，输出为线电压400 V的三相交流电。

3）230 V车载电源配电箱
230 V车载电源配电箱把来自车辆逆变器并通过230 V车载电源开关箱传输过来的电能分配给230 V用电设备及阅读灯。

每节车有2个230 V车载电源配电箱，分别与2个230 V电源对应，彼此相互独立。

230 V车载电源配电箱的主要功能有：
①230 V用电设备配电；
②为28 V阅读灯供电；
③对气动装置的空气压缩机电机温度进行监测；
④对气动装置状态进行监控；
⑤可通过车辆诊断计算机从CAN总线对阅读灯、车内照明、车头前灯和尾灯（红灯和白灯）、前窗玻璃加热装置等进行集中控制；
⑥每节车的2个230 V车载电源开关箱的24 V低压电源相互并联；
⑦可以正确地识别自身安装位置；
⑧每节车辆一侧在3个位置设置乘务员呼叫开关，可以对本节车一侧的阅读灯进行集中开关控制。

2 结束语
高速磁悬浮列车车载电源系统经过几年的运行考核，证明该系统是安全可靠的，其技术是先进的。

参考文献：
［1］吴祥明.磁浮列车［M］.上海：上海科学技术出版社，2003 .。