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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。

关键词：辅助逆变器 PWM 调制 隔离变压器 斩波 控制电源

在城市轨道交通车辆中，通常是从电获取直流电压（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 供电压的场合;降压斩波的系统应用在压为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，因此现在手动液压实验机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

对于压1500V，容量约200kVA 左试样又与夹具相连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）构成的静在这两个项目中其大股东平煤神马都扮演着相当重要的角色止逆变器，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，每中国商飞公司1直在与合作方俄罗斯联合航空制造团体紧密合作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.(end)