浅析城市轨道交通车辆用辅助电源系统

    摘 要：城市轨道交通车辆一般采用直流供电，通过车辆上的辅助电源系统为车辆辅助设备供电，本文就城市轨道交通车辆辅助逆变器的电路结构、形式及辅助电源系统进行简单分析介绍， 并指出了城市轨道交通车辆用辅助电源系统的应用及发展。

    在城市轨道交通车辆中，通常是从电网获取直流电压（一般为1500VDC 和 750VDC），经由辅助逆变器（也称静止逆变器） 变换输出380VAC，给列车上的辅助设备供电。

    城市轨道交通车辆一般采用两种型号车辆，对于两种车辆，逆变器的工作形式不同:A型车为拖车，其逆变器一路供给列车照明和风机电机;另一路输出 110VDC 控制电源，同时兼向蓄电池充电;B/C 型车为动车，其逆变器输出 380VAC 分别向列车的空调机组和空气压缩机供电。

    以下，就城市轨道交通车辆的辅助电路系统进行分析介绍。

    1 辅助逆变器电路结构

    城市轨道交通车辆中的辅助逆变器电路常见有两种形式:一种采用直接逆变方式（DC- AC），如图 1 所示;另一种采用先斩波（升 /降压斩波）后逆变方式（DC - DC - AC），如图2 所示。Siemens 公司采用 DC — DC — AC形式， 如上海一、二线和广州一号线地铁车辆;Bombardier 公司采用DC — AC 形式，应用于长春生产的车辆中。

    其中DC — DC — AC 方式升/ 降压斩波中，升压斩波的系统应用在DC750V 供电网压的场合;降压斩波的系统应用在网压为DCl500V 的场合。采用升/降压斩波的目的都是为了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。

    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 辅助逆变器形式

    目前我国城市轨道交通车辆使用的辅助逆变器有两种形式:一种为单台逆变器形式，另一种为两台逆变器串联形式。例如上海一号线直流地铁车辆使用单台逆变器形式，上海二号线地铁车辆使用两台逆变器串联形式。

    2.1 单台逆变器形式

    对于网压1500V，容量约200kVA 左右的辅助逆变器一般使用3300V / 400A 的 IGBT元件。这种形式结构简单、可靠， 逆变器用PWM 调制可使输出电压的谐波含量在限制值以内，是目前普遍采用的形式。

    2.2 两台逆变器串联形式

    有两种方案:一为两台逆变器输出至隔离变压器，通过隔离变压器的电路叠加，或磁路叠加，然后经滤波输出，这种方案的优点是逆变器可以用低电压的 IGBT 元件;二为控制两台逆变器输出电压的相位差，当它们经过变压器的电路叠加或磁路叠加后，使变压器输出电压的谐波减少，这样对输出滤波器的要求可以降低，即可以减小滤波器的体积和质量。

    需指出的是，这种电路较为复杂，尤其是变压器，用电路叠加的变压器，其副边绕组较为复杂。用磁路叠加的变压器，磁路设计较为复杂。另一方面， 这种电路的产生是在早期IGBT 元件水平不太高的情况下出现的。因此已基本不再采用该形式。

    2.3 辅助电源系统

    以上海地铁一号线为例，其静止逆变器原理框图如图3所示。DCl500V 电源经L-C 滤波器后由GTO 斩波器进行斩波调压至 770V，再经过中间滤波器送入六脉冲 GTO 逆变器，其输出经隔离变压器后成为 AC380V。在隔离变压器次边还设有一组抽头，其输出交流电压经整流后提供 DC110V 电源。

    控制单元的核心是微处理器，包括四个功能包：

    电源功能包（P-PAC）- 提供控制电源及斩波、逆变器的脉冲。

    通信功能包（C-PAC）- 传输逆变器及列车上的各种信号，寄存过程参数实际值。

    接口功能包（I-PAC）- 确定参数所需值，监控逆变器电压、电流、温度、延时时间及工作过程。

    快速保护和控制功能包（F-PAC）- 控制逆变器工作过程，寄存过程参数中实际值的模拟量，实现逆变器快速保护。

    3 应用及发展

    武汉轻轨一号线上， 辅助电源系统采用IGBT 模块（1700V/1200A）构成静止逆变器，输出稳定的三相 AC380V 电源、DC110V 和DC24V 电源，供列车上的空气压缩机、空调、照明和电热器等使用，并对蓄电池进行充电，每列车配备两组辅助电源逆变器， 容量为140KVA。

    上海地铁二号线的辅助电源系统采用由IGBT 模块（3300V/1200A）构成的静止逆变器，输出 AC380V 电源。列车的每节车均设一个辅助逆变器，容量为 90KVA。A 车的逆变器供电给列车一半的照明和风机电机，同时提供 DC110V 电源，B、C 车上的逆变器分别向列车一半的空调机组供电。

    地铁车辆大都采用两动一拖（3节车辆）构成一个单元，由两个单元构成一列车，每节车辆均配备一台静止逆变器， 每单元共用一台DC110V 的控制电源。每节车辆的辅助逆变器的容量为 75￣80KVA，DC110V 控制电源功率约为 25KW。法国 ALSTON 生产的地铁车辆，改为一个单元中配 2 台静止辅助逆变器，每台容量为 120KVA，每台含 DC110V 控制电源，功率为 12KW。最近国外生产的地铁车辆采用集中控制，在 6 节编组中，每单元只配一台静止辅助逆变器， 容量约为 2 5 0 K V A ， 直流110V 控制电源一台，约 25KW。

    目前世界上在地铁与轻轨辅助系统中大都采用绝缘栅双极型晶体管 IGBT（或 IPM）模块构成。为了人身安全，低压系统及控制电源与高压系统在电位上采用变压器隔离，现今国内外都采用直—直变换及高频变压器隔离这一方案。从冗余度与轴重均衡出发，常选用分散供电方案。

    参考文献

    [1]徐安，陶生桂.庞乾麟.城市轨道交通电力牵引[M].北京:中国铁道出版社，1998.

    [2]高爽.地铁车辆构造与维修管理[M].北京:中国铁道出版社，2003. <