辅助逆变电路结构

辅助逆变电路结构
随着电力电子器件IGBT的发展，城轨车辆辅助供电系统由过去的单一形式逐渐发展为设计多样化，满足了城轨车辆在不同时期的不同需求。

辅助逆变电路结构按逆变器电路原理的不同，分为先斩波（升/降压斩波）后逆变方式和直接逆变方式。

从逆变器的电路构造来分，分为双逆变器型和单逆变器型。

其中，双逆变器型又分为串联型与并联型。

单逆变器型又分为先经升/降压稳压后逆变型和直接逆变型。

这些逆变器均采用二电平逆变方式。

（1）按逆变器电路原理选型。

①先斩波（升/降压斩波）后逆变方式(DC-DC-AC)。

将高压直流电通过斩波器转换为较低/高直流电压，通过逆变装置输出交流电。

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。

在DC-DC-AC方式升/降压斩波中，升压斩波的系统应用在网压为DC750V的场合，降压斩波的系统应用在网压为DC1500V的场合。

采用升/降压斩波的目的是使逆变器的输入电压稳定，当负载变化或电压波动时，保证斩波器有稳定的输出电压。

德国Siemens公司制造的车辆多采用此项技术。

②直接逆变方式（DC-AC）。

这种方式是地铁车辆辅助逆变电源最简单的基本电路结构形式。

它将高压直流电通过逆变设备直接逆变输出交流电，供列车使用。

开关器件通常可采用大功率GTO、IGBT或智能功率模块（intelligent power module，IPM）。

辅助逆变电源采用直接从受电弓或第三供电轨受流的方式，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采用变压器隔离向负载供电。

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，但逆变器
电源输出电压容易受电网输入电压波动的影响，功率电子器件（如IGBT）环流时承受的DU/DT较大，特别是在高电压的情况下（DC1500V供电系统再生制动时，网压可达2 000 V）。

Bombardier 公司多采用此项技术，应用于长春生产的车辆中。

目前，以GTO、IGBT为代表的开关器件的开关频率足以满足在网压波动范围内，用脉冲宽度调变（pulse width modulation，PWM）调制实现逆变器稳定输出，且满负荷运行，因此现在生产的车辆常采用直接逆变的方式。

（2）按逆变器的电路构造选型
①单逆变器型。

网压为DC1500V，容量为190 kV·A左右的辅助逆变器，一般均使用3 300 V/400 A的IGBT器件。

这种结构简单、可靠，逆变器采用PWM调制控制，可使输出电压的谐波含量在限制值以内。

而且随着IGBT性能的不断完善，将会进一步简化逆变器主电路，减少使用器件，提高电路的可靠性，降低制造成本，简化调试工作灯。

因此，这是目前辅助系统逆变器普遍采用的形式。

②双逆变器型。

两台逆变器输出至隔离变压器，隔离变压器或者通过电路叠加，或者通过磁路叠加，然后滤波输出。

这种多重逆变电路的优点是逆变器可以用容量较低的IGBT器件。

另外，可以通过控制两台逆变器输出电压的相位差，使变压器输出电压的谐波减少，提高基波含量，从而可减少滤波器的体积和质量。

双逆变器型电路较为复杂，尤其是组式变压器，用电路叠加的变压器称DY-DZ 变压器，其二次绕组较为复杂。

用磁路叠加的变压器，其磁路设计较为复杂。

鉴于现在IGBT的耐电压水平已足够高，因此目前的产品已基本不再采用这种形式。

（3）低压DC110V电力变换形式
城轨车辆低压电力变换装置为列车提供DC110V的电源，同时给蓄电池浮充
电。

DC110V电力变换设计就输入电源形式来讲分为直接变换与间接变换。

①直接变换。

设计独立的直-直变换器，直接接于供电网压（DC1500V，DC750V），通过高频变压器隔离后再整流并滤波得到DC110V电源。

广州地铁1号线、2号线车辆采用直接变换形式。

②间接变换。

使用辅助逆变器提供的低压交流电（AC380V），通过50 z隔离降压变压器来实现，再通过整流得到DC110V电源。

广州地铁3号线、西安地铁2号线均采用间接变换形式。

这两种方案，间接变换依赖于静止辅助逆变器，一般是将辅助逆变器输出的AC380V转换成DC110V，其受逆变器故障的影响；直接变换与静止逆变器无关，不受逆变器故障的影响，但因为需要独立的直流电源，成本较高。

DC110V电力变换设计就设备电气元件设计方式分为二极管式和晶闸管式。

整流器使用二极管三相整流桥方式，输出的电压恒定，电流不可控；使用晶闸管三相可控整流桥方式，对输出电流可以进行调节，便于给蓄电池充电。