地鐵車輛輔助逆變電源分析研究
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。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。因此開發和研制地鐵車輛靜止式輔助逆變電源實現國產化是發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的電動發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, 經過DC/ DC 斬波變換后向三相逆變器提供穩定的輸入電壓, 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點是輸出電壓品質因數好、電源使用效率高、工作性能安全可靠。
(2) 傳統地鐵輔助電源通常采用旋轉式電動發電機組的供電方案。電動機從DC750V 第三軌受電, 發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、元器件使用數量少、控制方便, 但缺點是逆變器電源輸出電壓容易受電網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。逆變器輸出經過三相濾波后, 輸出穩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變壓器和整流后, 可實現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電壓波動的影響, DC/ DC 斬波的閉環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, 只需要一定數量的梯波輸出, 即可保證逆變器輸出穩定的脈寬調制電壓, 諧波含量小于5 % 。
(4) 斬波器分散布置在每臺車的電源上, 機組結構統一。對于供電網, 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, 同樣可實現斬波器多相多重斬波作用。
(5) 隔離變壓器的使用實現了電網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節電壓的脈動量, 提高輔助逆變電源的抗干擾能力。
(2) 兩重斬波器閉環控制起到了穩壓和變壓作用, 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, 控制系統采用PWM 控制方式。兩個開關管交替通斷, 按輸出電壓適當地控制脈沖寬度, 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: 電網電壓的波動不影響斬波器輸出電壓的恒定穩定, 當電網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, 開發車載電源產品。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 年開發研制出用于內燃機車和電力機車的空調逆變電源, 該產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出了DC750V 國產化地鐵車輛輔助電源工程化機組, 并通過鐵道部產品質量監督檢測中心機車車輛檢驗站的型式試驗。開發研制的DC750V 地鐵輔助電源總容量為40 kVA , 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脈寬調制控制技術, 保證了電源三相交流輸出電壓穩定性好、諧波含量低。其主要技術參數見表1 。
表1 地鐵輔助電源裝置主要技術參數
(1) 輔助電源斬波器采用斬波閉環控制方式, 保證輸入電壓變化時, 逆變電源中間直流環節的電壓穩定。
(2) 輸出逆變器的開關頻率設定為214 kHz , 采用了諧波抑制方法, 有效地抑制了輸出電壓、電流諧波含量和對輸出高頻隔離變壓器沖擊, 提高了逆變器的功率因數和負載的使用效率。
(3) 采用三相濾波裝置和隔離變壓器, 實現了輸入與輸出、交流負載和直流輸出電源之間的電氣隔離。
(4) 采用變頻啟動方式, 電器負載的啟動電流沖擊小, 有利于延長負載設備的使用壽命。
(5) 控制系統采用了MC80C196 十六位單片機作為主控制單元, 具有實施控制、保護、自診斷、自恢復、故障存儲、L ED 指示燈和漢字顯示、數據傳輸、指令接收等功能。
(6) 控制系統設有短路、過壓、欠壓、過流、過熱、接地等故障保護功能, 保護信號消失后自動恢復運行, 提高了地鐵輔助逆變電源的安全性和可靠性。
(7) 主控制單元使用箱式插板結構, 便于維修、檢修及更換設備。為適應機車運行中的沖擊大、振動大等特點, 機箱采用金屬框架結構, 具有較高的機械強度和良好的電磁屏蔽效果。
DC750V 地鐵輔助電源額定負載試驗波形如圖5 ～ 圖8 所示。
圖5 輸入電壓與輸出電壓的穩態波形
圖6 輸出電壓、電流波形
圖7 中間環節電壓起動、穩態、停止過程
4 結 論(1) 采用靜止輔助逆變電源代替傳統的直流發電機組供電裝置, 已是地鐵與輕軌城市軌道交通發展的必然趨勢。
(2) 靜止輔助逆變電源方案的選擇, 應結合國內電力電子技術的發展、元器件的使用水平以及國外地鐵電動車組輔助逆變電源的發展方向, 研制和開發出適合我國城市軌道交通地鐵和輕軌車輛的輔助逆變供電系統。
(3) 地鐵靜止輔助逆變電源的研制成功標志著我們已具備了開發和生產國產化地鐵輔助電源的能力。
圖8 輸出電壓、電流起動、穩態、停機過程
參考文獻[ 1 ] 菊池高弘. 日本鐵道車輛用新型逆變器[J ] . 國外鐵道車輛, 2000 , 37(5) : 23 —26.
[ 2 ] 第三代IGBT 和智能功率模塊應用手冊[M] . 三菱電機, 1996.
[ 3 ] SIV 使用說明書[ Z] . 東洋電機制造株式會社, 1998.
[ 4 ] 吳 忠, 李 紅, 左 鵬, 等. 自然采樣SPWM 逆變電源的諧波分析及抑制策略[J ] . 電網技術, 2001 , 24(4) : 1 —5.
[ 5 ] 吳 忠, 李 紅, 左 鵬, 等. DC/ DC 升壓變換器非線性輸出反饋控制[J ] . 中國鐵道科學, 2000 , 21(3) : 21
