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(jié)構(gòu)方案。結(jié)合北京“復(fù)八線” 地鐵車輛進(jìn)口輔助逆變電源的技術(shù)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(shù)特點(diǎn)。給出方案的試驗(yàn)波形。1 引 言
近年來, 我國上海、廣州和北京等城市引進(jìn)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(fù)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(shí)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(jī)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(diào)壓控制, 逆變器輸出三相交流電壓向負(fù)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(diǎn)是輸出電壓品質(zhì)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(zhuǎn)式電動發(fā)電機(jī)組的供電方案。電動機(jī)從DC750V 第三軌受電, 發(fā)電機(jī)輸出三相交流電壓向負(fù)載供電, 對于直流DC110V 和DC24V 部分用電設(shè)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(jī)組體積大、輸出容量小、效率低, 電源易受直流發(fā)電機(jī)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(jié)構(gòu)方案, 進(jìn)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(jié)構(gòu)形式。開關(guān)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(diào)制電壓向負(fù)載供電。這種電路的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單、元器件使用數(shù)量少、控制方便, 但缺點(diǎn)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(zhì)因數(shù)差、諧波含量大、負(fù)載使用效率低。
圖1 直接逆變輔助電源電路結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖2 所示。此電路主要由單管DC/ DC 斬波器、二點(diǎn)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(qū)動空調(diào)機(jī)、風(fēng)機(jī)等三相交流負(fù)載電源, 同時三相交流電壓經(jīng)變壓器和整流后, 可實(shí)現(xiàn)電源的多路直流輸出。其特點(diǎn)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(diào)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(jī)組結(jié)構(gòu)統(tǒng)一。對于供電網(wǎng), 雖然每臺電源斬波的開關(guān)頻率相同, 但它們之間的斬波相位差是隨機(jī)的, 同樣可實(shí)現(xiàn)斬波器多相多重斬波作用。
(5) 隔離變壓器的使用實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)輸入與輸出負(fù)載之間的電氣隔離。
圖2 斬波降壓逆變方式電路結(jié)構(gòu)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(guān)元器件可采用GTO 、IGBT 或IPM 。電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖3 所示。其特點(diǎn)如下。
(1) 采用兩重斬波器, 當(dāng)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(guān)頻率相應(yīng)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(guān)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(shè)備的安全可靠性。
(4) 直流供電網(wǎng)與負(fù)載之間的變壓器隔離以及相應(yīng)設(shè)計(jì)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(fù)載過充電壓的影響, 提高負(fù)載的使用壽命。
圖3 兩重斬波降壓逆變方式電路結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)原理圖, 前級斬波由一個平波電抗器及兩個開關(guān)管、二極管和儲能電抗器構(gòu)成, 升降壓斬波器本質(zhì)上相當(dāng)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(guān)管交替通斷, 按輸出電壓適當(dāng)?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(diǎn)式三相逆變器和三相濾波器組成。斬波器和逆變器開關(guān)元器件可采用GTO 或IGBT , IPM 等。此電路的特點(diǎn)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(dāng)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(dāng)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(guān)管的交替導(dǎo)通和關(guān)斷, 提高了斬波開關(guān)頻率, 降低了儲能電抗器體積和容量以及開關(guān)器件的電壓應(yīng)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(jié)構(gòu)原理圖
3 地鐵輔助逆變電源的開發(fā)與研制鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所早在20 世紀(jì)80 年代末, 已開始采用先進(jìn)的變流控制技術(shù)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(qū)動大功率直線電機(jī)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(diào)逆變電源, 并于當(dāng)年6 月在鐵道部四方車輛研究所通過了性能試驗(yàn),9 月在武昌車輛段K79/ 80 上裝車運(yùn)行。
2000 年開發(fā)研制出用于內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車的空調(diào)逆變電源, 該產(chǎn)品已在南昌內(nèi)燃機(jī)務(wù)段和邵武電力機(jī)務(wù)段裝車運(yùn)行考核。 2002 年針對北京“ 復(fù)八線” 地鐵車輛進(jìn)口輔助逆變電源的技術(shù)條件, 鐵道科學(xué)研究院機(jī)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(jī)組, 并通過鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心機(jī)車車輛檢驗(yàn)站的型式試驗(yàn)。開發(fā)研制的DC750V 地鐵輔助電源總?cè)萘繛?0 kVA , 主要負(fù)荷為照明、換氣扇、司機(jī)室空調(diào)機(jī)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(jī)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(guān)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(diào)制控制技術(shù), 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(shù)參數(shù)見表1 。
表1 地鐵輔助電源裝置主要技術(shù)參數(shù)
(1) 輔助電源斬波器采用斬波閉環(huán)控制方式, 保證輸入電壓變化時, 逆變電源中間直流環(huán)節(jié)的電壓穩(wěn)定。
(2) 輸出逆變器的開關(guān)頻率設(shè)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(shù)和負(fù)載的使用效率。
(3) 采用三相濾波裝置和隔離變壓器, 實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出、交流負(fù)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(fù)載的啟動電流沖擊小, 有利于延長負(fù)載設(shè)備的使用壽命。
(5) 控制系統(tǒng)采用了MC80C196 十六位單片機(jī)作為主控制單元, 具有實(shí)施控制、保護(hù)、自診斷、自恢復(fù)、故障存儲、L ED 指示燈和漢字顯示、數(shù)據(jù)傳輸、指令接收等功能。
(6) 控制系統(tǒng)設(shè)有短路、過壓、欠壓、過流、過熱、接地等故障保護(hù)功能, 保護(hù)信號消失后自動恢復(fù)運(yùn)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(jié)構(gòu), 便于維修、檢修及更換設(shè)備。為適應(yīng)機(jī)車運(yùn)行中的沖擊大、振動大等特點(diǎn), 機(jī)箱采用金屬框架結(jié)構(gòu), 具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的電磁屏蔽效果。
DC750V 地鐵輔助電源額定負(fù)載試驗(yàn)波形如圖5 ～ 圖8 所示。
圖5 輸入電壓與輸出電壓的穩(wěn)態(tài)波形
圖6 輸出電壓、電流波形
圖7 中間環(huán)節(jié)電壓起動、穩(wěn)態(tài)、停止過程
4 結(jié) 論(1) 采用靜止輔助逆變電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流發(fā)電機(jī)組供電裝置, 已是地鐵與輕軌城市軌道交通發(fā)展的必然趨勢。
(2) 靜止輔助逆變電源方案的選擇, 應(yīng)結(jié)合國內(nèi)電力電子技術(shù)的發(fā)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(fā)展方向, 研制和開發(fā)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(tǒng)。
(3) 地鐵靜止輔助逆變電源的研制成功標(biāo)志著我們已具備了開發(fā)和生產(chǎn)國產(chǎn)化地鐵輔助電源的能力。
圖8 輸出電壓、電流起動、穩(wěn)態(tài)、停機(jī)過程
參考文獻(xiàn)[ 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(yīng)用手冊[M] . 三菱電機(jī), 1996.
[ 3 ] SIV 使用說明書[ Z] . 東洋電機(jī)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(wǎng)技術(shù), 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(xué), 2000 , 21(3) : 21
