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1引言

近年來,我國上海、廣州和北京等城市引進的地鐵車輛上,輔助電源均采用了靜止式輔助逆變電源。廣州地鐵和上海地鐵2#線為IGBT輔助逆變電源;北京“復八線”為GTO熱管散熱器自冷式輔助逆變電源。因此開發(fā)和研制地鐵車輛靜止式輔助逆變電源實現(xiàn)國產(chǎn)化是發(fā)展我國城市軌道交通的必然趨勢。靜止式輔助逆變電源與傳統(tǒng)的電動發(fā)電機組供電方式的比較如下:

(1)靜止式輔助逆變電源直接從地鐵動車第三軌受電,經(jīng)過DC/DC斬波變換后向三相逆變器提供穩(wěn)定的輸入電壓,通過VVVF變頻調壓控制,逆變器輸出三相交流電壓向負載供電,對于多路輸出電源,電路采用變壓器隔離形式。這種輔助逆變電源的優(yōu)點是輸出電壓品質因數(shù)好、電源使用效率高、工作性能安全可靠。

(2)傳統(tǒng)地鐵輔助電源通常采用旋轉式電動發(fā)電機組的供電方案。電動機從DC750V第三軌受電,發(fā)電機輸出三相交流電壓向負載供電,對于直流DC110V和DC24V部分用電設備,仍需通過三相變壓器和整流裝置提供電源。這種供電方式機組體積大、輸出容量小、效率低,電源易受直流發(fā)電機組工況變化的影響,輸出電壓波動大,可靠性差。

2地鐵車輛輔助電源系統(tǒng)方案比較

下面針對DC750V地鐵車輛上幾種常用的輔助逆變電源電路結構方案,進行分析和比較。211直接逆變方式圖1是地鐵車輛輔助逆變電源最簡單的基本電路結構形式。開關元器件通常可采用大功率GTO,IGBT或IPM。輔助逆變電源采用直接從第三供電軌受流方式,逆變器按V/f等于常數(shù)的控制方式,輸出三相脈寬調制電壓向負載供電。這種電路的特點是電路結構簡單、元器件使用數(shù)量少、控制方便,但缺點是逆變器電源輸出電壓容易受電網(wǎng)輸入電壓的波動影響,輸入與輸出不隔離,輸出的電壓品質因數(shù)差、諧波含量大、負載使用效率低。

圖1直接逆變輔助電源電路結構原理圖

212斬波降壓逆變方式

斬波降壓加逆變方式的輔助電源電路結構如圖2所示。此電路主要由單管DC/DC斬波器、二點式逆變器、三相濾波器、隔離變壓器和整流電路組成。逆變器輸出經(jīng)過三相濾波后,輸出穩(wěn)定的正弦三相交流電壓,作為驅動空調機、風機等三相交流負載電源,同時三相交流電壓經(jīng)變壓器和整流后,可實現(xiàn)電源的多路直流輸出。其特點如下。

(1)三相逆變器輸出電壓不受輸入電網(wǎng)電壓波動的影響,DC/DC斬波的閉環(huán)控制可以保持逆變器輸入電壓的恒定。

(2)每臺輔助逆變電源斬波器只需一只大功率高壓IGBT元件,逆變器可以采用較低電壓的IGBT元件。

(3)由于逆變器輸入電壓恒定,對于只要求CVCF控制的逆變器來說,只需要一定數(shù)量的梯波輸出,即可保證逆變器輸出穩(wěn)定的脈寬調制電壓,諧波含量小于5%。

(4)斬波器分散布置在每臺車的電源上,機組結構統(tǒng)一。對于供電網(wǎng),雖然每臺電源斬波的開關頻率相同,但它們之間的斬波相位差是隨機的,同樣可實現(xiàn)斬波器多相多重斬波作用。

(5)隔離變壓器的使用實現(xiàn)了電網(wǎng)輸入與輸出負載之間的電氣隔離。

圖2斬波降壓逆變方式電路結構原理圖

213兩重斬波降壓逆變方式

與單管直接DC/DC斬波降壓逆變方式的輔助電源電路基本相同,兩重斬波器替代了DC/DC單管斬波器,開關元器件可采用GTO、IGBT或IPM。電路結構原理圖如圖3所示。其特點如下。

(1)采用兩重斬波器,當上、下兩個斬波器控制相位互相錯開180°時,可以使斬波器的開關頻率相應提高一倍,因而可大大減小濾波裝置的體積和重量,降低逆變器中間直流環(huán)節(jié)電壓的脈動量,提高輔助逆變電源的抗干擾能力。

(2)兩重斬波器閉環(huán)控制起到了穩(wěn)壓和變壓作用,因此可提高逆變器的輸出效率。

(3)兩重DC/DC斬波器與單管斬波器相比,開關元器件和斬波器的附件多了一倍,但管子的耐壓可降低一半,提高了元件的使用裕度和設備的安全可靠性。

(4)直流供電網(wǎng)與負載之間的變壓器隔離以及相應設計的濾波器,可以保證逆變器輸出的三相交流電壓諧波最小,且可降低對負載過充電壓的影響,提高負載的使用壽命。

圖3兩重斬波降壓逆變方式電路結構原理圖

214升降壓斬波逆變方式

圖4為升降壓斬波加逆變的地鐵輔助電源電路結構原理圖,前級斬波由一個平波電抗器及兩個開關管、二極管和儲能電抗器構成,升降壓斬波器本質上相當于兩相DC/DC直流變換器,控制系統(tǒng)采用PWM控制方式。兩個開關管交替通斷,按輸出電壓適當?shù)乜刂泼}沖寬度,可以獲得與輸入電壓相反的恒定直流輸出電壓。后級逆變輸出由兩點式三相逆變器和三相濾波器組成。斬波器和逆變器開關元器件可采用GTO或IGBT,IPM等。此電路的特點是:電網(wǎng)電壓的波動不影響斬波器輸出電壓的恒定穩(wěn)定,當電網(wǎng)電壓高于斬波器輸出電壓時,斬波器按降壓斬波控制方式工作;當電網(wǎng)電壓低于斬波器輸出電壓時,斬波器按升壓斬波控制方式工作。兩個開關管的交替導通和關斷,提高了斬波開關頻率,降低了儲能電抗器體積和容量以及開關器件的電壓應力,減小了輸出電壓的脈動量。

圖4升降壓斬波逆變方式電路結構原理圖

3地鐵輔助逆變電源的開發(fā)與研制

鐵道科學研究院機車車輛研究所早在20世紀80年代末,已開始采用先進的變流控制技術和新型大功率GTO和IGBT元器件,開發(fā)車載電源產(chǎn)品。先后研制出大功率GTO斬波器、兩象橋式IGBT斬波器、驅動大功率直線電機和地鐵車輛的車載IGBT逆變器。1999年研制客車DC600V供電系統(tǒng)的空調逆變電源,并于當年6月在鐵道部四方車輛研究所通過了性能試驗,9月在武昌車輛段K79/80上裝車運行。

2000年開發(fā)研制出用于內燃機車和電力機車的空調逆變電源,該產(chǎn)品已在南昌內燃機務段和邵武電力機務段裝車運行考核。2002年針對北京“復八線”地鐵車輛進口輔助逆變電源的技術條件,鐵道科學研究院機車車輛研究所研制開發(fā)出了DC750V國產(chǎn)化地鐵車輛輔助電源工程化機組,并通過鐵道部產(chǎn)品質量監(jiān)督檢測中心機車車輛檢驗站的型式試驗。開發(fā)研制的DC750V地鐵輔助電源總容量為40kVA,主要負荷為照明、換氣扇、司機室空調機組和車輛DC110V,DC24V控制電源。考慮到電源的可靠性和車輛上多路電源的隨機多重性,電源主電路采用單管斬波降壓逆變電路,大功率IGBT開關元件和熱管散熱方式。控制采用斬波和逆變雙閉環(huán)脈寬調制控制技術,保證了電源三相交流輸出電壓穩(wěn)定性好、諧波含量低。其主要技術參數(shù)見表1。

摘要:分析直接逆變方式、斬波降壓逆變方式、兩重斬波降壓逆變方式地鐵車輛輔助逆變電源的電路結構方案。結合北京“復八線”地鐵車輛進口輔助逆變電源的技術條件,介紹DC750V國產(chǎn)化地鐵車輛輔助逆變電源的研制方案和主要技術特點。給出方案的試驗波形。