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）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

---低压为110V直流

2.1 高压配电

高压通过架空线为整个列车提供电源，用于牵引装置和通过静态逆变器将其转换为中压（400/230VAC）然后再转换为低压（110VDC）。

静态逆变器配置在每个拖车和不带受电弓的动车上。每一台静态逆变器产生一个相互的三相电网。400V的中压用于空压机、空气调节、牵引设备的通风，230V中压用于正常照明。变压器将中压转换为低压，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（参见图5）。

2.2  中压的产生和分配

中压是由一台静态逆变器提供。每一台静态逆变器提供一个相互的三相中压电网。其中中线是必备的。得到三相电压，相应的负载得电并按照下列的优先级启动。空压机授权启动并在启动时通知TIMS（列车管理系统），车辆运行速度高于零速时牵引风机和可变制动电阻的风机开始启动。其他负载根据上一级负载的启动状况并由TIMS的授权后允许启动。

每一台静态逆变器提供一个的电网。每车至少有两个的中压电网。（参见图6）

图6　中压400/230V配电配电

2.3低压的产生和配电

每台静态变换器和蓄电池输出低压。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，变换器提供的总线给其他低压负载供电。在休眠模式下，变换器不向总线供电。

一组蓄电池能够手动地和低压电源分离并且分配电能。在唤醒模式下，当静态变换器不工作时，蓄电池能给负载供电45分钟。同时，关闭紧急通风装置以保证剩余的负载持续工作至少15分钟。当低压电源低于较低值时，蓄电池和负载断开。蓄电池配置在每辆B车和A车上。（参见图7）

图7　低压110VDC配电

3  辅助逆变系统PWM控制的信号保护

地铁车辆的辅助逆变器采用微机控制并有自诊断功能。直流电源的分类控制，如辅助逆变器控制电源、ATC系统控制电源、应急照明控制等。

3.1 PWM控制过程

逆变器通过“PWM”（脉冲宽度调制）来控制，直接利用转换电压从一个不规则的直流输入电压同时得到一个固定频率的交流输出电压。如图8为辅助控制系统的框图，数据经过微处理器处理并转换成PWM调制信号，传输给IGBT驱动电路驱动逆变器将直流1500V逆变成400V/230V的交流，然后给辅助设备供电，通过检测器件将电流、电压和温度等信息反馈给处理器进行自动调节IGBT的关断频率。

图8 辅助逆变系统控制框图

3.2 PWM信号保护

在辅助控制系统中，微机系统模块一般都在5 V～10 V低电压范围内工作，IGBT模块前级的脉冲输出的电压毛刺可能给它带来相当大的干扰。为了这个原因，在模块和前级输出之间采用变压器或光耦（光耦常用于小电压输出，如信号电压）进行电压隔离。虽然在驱动电路中设置有隔离电路，但其隔离效果有限，因此本文在脉宽输出模块和IGBT驱动模块之间增加了光电隔离模块，使其与驱动电路中的变压器隔离组成对微处理模块的双保护，变压器主要进行干扰信号的隔离，光耦合器主要进行大电压干扰的隔离。图9和10表示添加进信号隔离框图和电路原理图。

图9 加信号隔离的框图

图10 加信号隔离后的PWM逆变原理图

4 结论

城市轨道车辆辅助电源系统是列车正常运营中必不可少的电气系统，关系到了整个车辆能否正常运行，它负担列车照明、空调、设备冷却、蓄电池充电等辅助功能的系统。

本文对六列编组的地铁车辆辅助逆变系统高、中、低压配变电，逆变器的特性、参数等进行了系统的介绍。并对 PWM控制信号线路优化，实现控制信号和电力线路的光电隔离，进一步的确保车辆运营的安全性。尤其对辅助逆变器电路进行了详细的分析研究，使我们对地铁设备的国产化增加了信心，

有些电气设备我国还没能力进行自主的研发与制造，因此对这方面的知识不能进行深入的探讨。我国应尽快加大这方面与国外的技术合作，掌握核心技术。辅助逆变电源方案的研究，应结合国内电力电子技术的发展、元器件的使用水平以及国外地铁电动车组辅助逆变电源的发展方向，研制和开发出适合我国城市轨道交通地铁和轻轨车辆的辅助逆变供电系统。这样既能降低成本又可以加快我国自主生产国产化地铁的步伐。 

参 考 文 献：

[1]何宗华,汪松滋,何其光编著.城市轨道交通车辆运行与维修[M].北京:中国建筑工业出版社,2006

[2]纪志波,杨丹燕,刘志刚.低地板轻轨车辆辅助电源系统的分析[J].铁辆,2007,35(1):34-36.

[3]王鑫,赵清良等.北京地铁国产列车辅助电源系统及其改进[J].机车车辆艺,2007(2):26-29.

[4] 秦贤满编著. 电力半导体器件标准应用指南[M].北京:中国标准出版社，2000.