地铁辅助逆变系统分析

地铁辅助逆变系统分析

王成均

（城轨筹备办公室）

摘要

辅助逆变系统是地铁或轻轨车辆上的一个必不可少的关键的电气部分，它可为空调、通风机、空压机、蓄电池充电器及照明等辅助设备提供供电电源，其核心部件就是辅助逆变器。本文主要介绍地铁车辆辅助逆变系统的逆变特性、参数和逆变电路等。并对PWM信号线路优化，实现控制信号和电力线路的光电隔离。然后详细的分析了六列编组地铁车辆的配变电系统，主要配电设备，配电线路以及配电原理等。目前世界上在地铁与轻轨辅助逆变系统中大都采用绝缘栅双极型晶体管IGBT（或IPM）模块来构成。

使用IGBT元件的辅助逆变器提供低压辅助电源，其冷却方式采用强迫风冷。蓄电池采用镍镉电池，容量大于100Ah。

关键词：地铁车辆控制系统；辅助逆变系统；IGBT逆变器；PWM脉宽控制

引言

随电力电子器件发展，辅助逆变系统也经历着不同方案的发展过程。由于新一代性能优良的IGBT器件迅速发展，20世纪90年代中后期，欧洲与日本等国的车辆辅助逆变系统大都采用IGBT来构成，其方案大致有：

（1）斩波稳压再逆变，加变压器降压隔离；

（2）三点式逆变器加变压器降压隔离；

（3）电容分压两路逆变，加隔离变压器构成12脉冲方案；

（4）二点式逆变器加滤波器与变压器降压隔离；

（5）直——直变换与高频变压器隔离加逆变的方案。

这些方案各有其特点，而且都能满足地铁或轻轨车辆的要求。在目前的方案中，对DC110V控制电源主要有两种不同的设想：

（1）通过50Hz隔离降压变压器来实现；

（2）独立的直——直变换器直接接于供电网压通过高频变压器隔离后再整流并滤波得到DC110V控制电源。

1 辅助系统的主电路分析

辅助逆变器可以产生400VAC和230VAC的中压。400VAC中压用于空压机、空气调节、牵引设备的通风，230VAC中压用于正常照明。辅助逆变器自带的变压器将中压转换为低压，用于车门、应急照明、旅客紧急通风、通讯、控制和数据处理等。图1 辅助逆变器的工作原理图。

图1 辅助逆变器主电路原理

此辅助电源系统电源系统具有以下优点：

（1）直流输出部分为交直交变换，不受交流输出的限制和影响，可以自主的进行调压，通过电池的温度传感器进行自动的温度补偿，并且可以在浮充的情况下通过调压，可以将蓄电池充满电。

（2）模块化设计，辅助逆变器为一个整体，便于安装布线和维修。

1.1 IGBT（IPM）型逆变器原理

一个三相逆变器拥有6个静态开关用于将一个直流电压转换成交流电压，从图2中可以看出，中压由一台辅助逆变器提供。每一台辅助逆变器提供一个相互独立的三相中压电网。逆变器是采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路，一个三相逆变器拥有6个静态开关，通过微机输入的PWM信号，IGBT 不断的配合导通，把直流电变换成交流电，改变三组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。但是输出的三相交流电还不是规则的正弦波形，为了得到一个固定频率的交流输出电压，逆变器还采用了“PWM”（脉冲宽度调制）来控制，而采用三相输出高频滤波器就是用于将方波电压修正为一个正弦波电压，这样尽管受逆变器中电压波动的影响，负载电流也是正弦的。

通过滤波器输出的的三相交流电还不能直接供给用电设备，需要做降压处理，这就需要用到隔离变压器，变压器在这不仅要起到降压的作用，同时还要隔离逆变器的高压输入与逆变器的输出电压，变压器是初级线圈三角形连接，次级线圈星形连接。400V的中压就是三相电的相电压，而230V的中压是三相电的线电压。

图2 逆变滤波变压隔离电路

1.2 蓄电池充电原理

辅助逆变器还自带一个蓄电池充电器。蓄电池充电器提供一个可控的低压DC输出，如图3所示，它包括一个三相全波二极管桥输入，半桥单向逆变器，变压器、输出整流器和调节输出平稳的DC低通滤波器。单相半桥电路将输入电压转换成方波电压然后供给变压器的初级。变压器确保电池电压和初级电压之间的隔离。二极管整流器和输出滤波器将直流电压提供给电池和110V负载。这样，蓄电池充电器动作相当于一个可变转换比率的DC/DC变压器。蓄电池充电器的电压根据温度和蓄电池的电压调节。

图3 蓄电池充电电路图

低压可以由逆变器或蓄电池输出，两种低压总线规定：永久低压总线给休眠模式下的负载供电，逆变器提供的总线给其他低压负载供电，在休眠模式下，不向总线供电。

有两个电路提供低压：一个永久低压电路和一个预压电路。⑴永久低压电路为一些正常工作的低压负载和处于休眠模式需要唤醒的负载供电。此外，还为列车联挂和解钩控制部分供电。⑵预压电路为所有正常工作和降级模式（比如没有高压）不进入休眠状态的的低压负载供电。在车辆整备时，如果储存有足够低压电能，预压列车线得电。

1.3 自举电池运用及原理

逆变器箱中配置了自举电池，用于在主蓄电池完全放电时启动辅助逆变器。当蓄电池电压过低的情况下，逆变器及充电器有紧急(自举)启动的功能。如果蓄电池电压过低，逆变器电子装置检测到后，逆变器不启动。在蓄电池组欠电压状态中辅助供电系统有一个启动功能。驾驶室中有一个自举按钮，可以依靠这个按钮，将自举蓄电池启动。在按下按钮之前，必须手动升起受电弓给辅助逆变器1500V直流电压。按钮必须闭合直到蓄电池充电器启动并给主电池提供足够的电压。

列车在正常工作条件中，从DC/AC逆变器输出的3相400Vac电源通过桥路二极管整流装置对一个逆变器内置的自举蓄电池充电。当接触器闭合时自举电池充电，如图4所示，将交流线电压230V引入自举电池的充电变压器，再经过桥路二极管整流后获得直流110V，给自举电池充电。

图4 自举电池充电电路原理

2 辅助逆变系统配电

在地铁车辆电气配电系统中，将电压分为三个等级：即高压、中压和低压。本文以六；列编组为例。

---高压为1500V直流

---中压为400/230V交流