论文部分内容阅读
摘 要：城轨地铁车辆的某辅助电源装置采用SIV启动控制方式，启动过程中无电流冲击，满载启动时间不大于10s，具有过无电区后自动软启动功能。本文较详细地阐述了城轨地铁车辆辅助电源装置各部分电路的运行原理和系统控制过程。
关键词：城轨地铁 辅助电源装置 蓄电池
城轨地铁车辆的辅助电源系统是机车的重要组成部分，担负着除机车牵引系统主电路以外各种装置的供电任务，如牵引/制动控制装置的控制电源，各冷却用风机、变压器冷却用油泵、变流器冷却用水泵、制动/受电弓等各种气动机械装置提供风源的空气压缩机、空调、通风机等辅助电动机的三相交流电源，电热器、冰箱、信息显示装置的电源等等。机车辅助电源系统由三相交流辅助电源系统和直流电源系统组成。每列车采用两台辅助逆变器，辅助逆变器将1500V接触网提供的直流电逆变处理后为车辆提供两组电源：一组为380V、50Hz的三相交流电，提供给空调、电暖器、电灯、空压机等设备。当一台辅助逆变器发生故障后，另一台辅助逆变器通过扩展供电单元向整列车供电，维持车辆的基本工作。
1辅助电源装置运行原理
1）输入滤波电路，输入滤波电路可减小1500V接触网提供的DC电源的整流波纹，降低进入变流器的高谐波电流。2）变流器电路，恒压恒频（CVCF）变流器具有产生3相交流电压的功能，变流器控制方法同样是3级PWM方法（使用IGBT）。3）交流输出滤波电路，交流输出滤波电路通过使用变压器，实现380V电路与1500V接触网高压电隔离。交流输出滤波电路可减小切换波纹和谐波，以产生低畸变输出电压。4）蓄电池充电器电路，蓄电池充电器提供110V直流电为列车蓄电池充电，并且为列车110VDC控制电路和列车24VDC控制电路提供电力。
2蓄电池充电器
蓄电池充电器输出电压和电流通过HCT2反馈（FB）到控制电路。该电流的反馈（FB）值受到控制限制器的限制。将电压指令及输出电压和电流的反馈值比较，产生电压误差。将电压误差输入到电压控制器。电压控制器的输出在A/D（模拟/数字）转换器中转换，A/D（模拟/数字）转换器的输出被输入到主控制器中。 主控制器以AC380V的相位同步而产生IGBT用的闸极脉冲。DC-DC转换器与DC110V电池线路连接，为负载提供稳定的DC24V电压。蓄电池充电器的控制电路基本控制方法如下：控制电路有一个低电压控制器和一个大电流控制器。电压控制器将可控硅转换器的输出电压保持为恒定值。输出电压随输出电流从110V+3%变化至110V-3%，呈下降特性。该特性可用于电池充电器电流平衡。另外，电流控制器还可以在过电流条件下将输出电流限制在110%以内。
3交流辅助电源系统
交流辅助电源系统多采用辅助变流器生成三相交流电压为机车、动车组上辅助电气设备供电。辅助变流器根据输入侧的不同，主电路可分为交-直-交型和直-交型；根据输出的不同，可分为恒压恒频（CVCF）逆变器和变压变频（VVVF）逆变器；根据主电路电平级数的不同，可分为两电平辅助变流器和三电平辅助变流器。动车组辅助逆变器一般为CVCF逆变器。在机车上，除了提供恒压恒频的辅助变流器，为节约能耗、降低通风机噪声，还有按照不同状态下设备所需要的功率来调节电压和频率的VVVF辅助变流器。通常，在同一种车型上的CVCF逆变器和VVVF逆变器硬件结构相同，仅控制方式不同。三电平辅助变流器的特点是可降低开关器件的耐压等级，输出波形较好，谐波较少，但采用的器件較多，控制方式也较复杂，因此，随着电力电子器件的发展，结构和控制均简单的两电平辅助变流器占据了主流地位。下面分别探讨交-直-交型和直-交型辅助变流器的实现方案。
3.1交-直-交型辅助变流器
交-直-交型辅助变流器是由牵引变压器辅助绕组供电，与牵引变流器相同，一般也是由网侧变流器、中间直流回路、三相逆变器三部分组成。由于接触网电压的波动较大，因此，交-直-交型辅助变流器输入的单相交流电也有较大的波动，为了获得稳定的中间直流回路电压，辅助变流器的网侧必须采用可控整流电路。以前多采用相控整流电路，电路和控制简单，造价较低，但网侧的功率因数较低，对电网的影响大。随着电力电子技术的发展，脉冲整流器已开始取代相控整流器，它可使网侧的功率因数接近1，且动态响应性好。
3.2直-交型辅助变流器系统
直-交型辅助变流器是从直流电网（DC750V或DC1500V）或直接从牵引变流器的中间直流环节取电，由逆变器实现直流电到三相交流电的转换。直-交型辅助变流器在机车、动车组、城轨等场合得到了越来越广泛的应用。由于输入电压较高，为保证输出辅助电气设备所要求的电压等级，一般需要增加降压设备。有两种方式，一种是先逆变，再通过三相降压变压器将较高的交流电压降到所要求的电压等级；另一种是先通过降压电路将直流输入电压降低到合适的值，再进行逆变。为得到品质良好的三相交流电源，通常需要增加滤波环节。在方式一中，三相电抗器/电容器滤波或三相LC滤波器可放置在逆变器和降压变压器之间，也可放置在变压器之后。方式二中，则将滤波器放置在逆变器输出之后。
3.3直流电源系统
直流电源系统为列车照明和控制系统供电（含应急供电），十分重要，其电压等级常为DC110V。CRH5型动车组采用了DC24V，虽然省去了110V到24V的变换，但直流母线电压低，发挥同样功率时电流大，所用的线缆粗，损耗大，且抗干扰能力差。直流电源系统包括蓄电池和蓄电池充电机。正常时由蓄电池充电机为直流负载供电，并给蓄电池浮充电；电网没电时由蓄电池供给直流负载。蓄电池充电机的输入常为辅助逆变器输出的三相恒压恒频交流电，也可为交-直-交型辅助变流器的中间直流电压或牵引变流器中间直流电压经降压斩波后的电压。
4结束语
在城轨地铁车辆的运行过程中，辅助电源装置负责对整列车的辅助系统供电，其稳定性是至关重要的。当一台辅助逆变器发生故障后，另一台辅助逆变器通过车上的扩展供电单元仍可维持整列车的工作。通过对城轨地铁车辆辅助电源装置的研究，能够更加深刻地了解其各部分电路的运行原理，熟悉掌握逆变器的开关方式及系统控制过程，有利于在今后的工作中，更好地完成城轨地铁车辆的调试及维护保养。
参考文献：
[1]张强，电力电子技术[M].北京：中国铁道出版社. 2010
[2]王宏伟，南车株洲电力机车研究所有限公司.机车电传动[M]. 2011
关键词：城轨地铁 辅助电源装置 蓄电池
城轨地铁车辆的辅助电源系统是机车的重要组成部分，担负着除机车牵引系统主电路以外各种装置的供电任务，如牵引/制动控制装置的控制电源，各冷却用风机、变压器冷却用油泵、变流器冷却用水泵、制动/受电弓等各种气动机械装置提供风源的空气压缩机、空调、通风机等辅助电动机的三相交流电源，电热器、冰箱、信息显示装置的电源等等。机车辅助电源系统由三相交流辅助电源系统和直流电源系统组成。每列车采用两台辅助逆变器，辅助逆变器将1500V接触网提供的直流电逆变处理后为车辆提供两组电源：一组为380V、50Hz的三相交流电，提供给空调、电暖器、电灯、空压机等设备。当一台辅助逆变器发生故障后，另一台辅助逆变器通过扩展供电单元向整列车供电，维持车辆的基本工作。
1辅助电源装置运行原理
1）输入滤波电路，输入滤波电路可减小1500V接触网提供的DC电源的整流波纹，降低进入变流器的高谐波电流。2）变流器电路，恒压恒频（CVCF）变流器具有产生3相交流电压的功能，变流器控制方法同样是3级PWM方法（使用IGBT）。3）交流输出滤波电路，交流输出滤波电路通过使用变压器，实现380V电路与1500V接触网高压电隔离。交流输出滤波电路可减小切换波纹和谐波，以产生低畸变输出电压。4）蓄电池充电器电路，蓄电池充电器提供110V直流电为列车蓄电池充电，并且为列车110VDC控制电路和列车24VDC控制电路提供电力。
2蓄电池充电器
蓄电池充电器输出电压和电流通过HCT2反馈（FB）到控制电路。该电流的反馈（FB）值受到控制限制器的限制。将电压指令及输出电压和电流的反馈值比较，产生电压误差。将电压误差输入到电压控制器。电压控制器的输出在A/D（模拟/数字）转换器中转换，A/D（模拟/数字）转换器的输出被输入到主控制器中。 主控制器以AC380V的相位同步而产生IGBT用的闸极脉冲。DC-DC转换器与DC110V电池线路连接，为负载提供稳定的DC24V电压。蓄电池充电器的控制电路基本控制方法如下：控制电路有一个低电压控制器和一个大电流控制器。电压控制器将可控硅转换器的输出电压保持为恒定值。输出电压随输出电流从110V+3%变化至110V-3%，呈下降特性。该特性可用于电池充电器电流平衡。另外，电流控制器还可以在过电流条件下将输出电流限制在110%以内。
3交流辅助电源系统
交流辅助电源系统多采用辅助变流器生成三相交流电压为机车、动车组上辅助电气设备供电。辅助变流器根据输入侧的不同，主电路可分为交-直-交型和直-交型；根据输出的不同，可分为恒压恒频（CVCF）逆变器和变压变频（VVVF）逆变器；根据主电路电平级数的不同，可分为两电平辅助变流器和三电平辅助变流器。动车组辅助逆变器一般为CVCF逆变器。在机车上，除了提供恒压恒频的辅助变流器，为节约能耗、降低通风机噪声，还有按照不同状态下设备所需要的功率来调节电压和频率的VVVF辅助变流器。通常，在同一种车型上的CVCF逆变器和VVVF逆变器硬件结构相同，仅控制方式不同。三电平辅助变流器的特点是可降低开关器件的耐压等级，输出波形较好，谐波较少，但采用的器件較多，控制方式也较复杂，因此，随着电力电子器件的发展，结构和控制均简单的两电平辅助变流器占据了主流地位。下面分别探讨交-直-交型和直-交型辅助变流器的实现方案。
3.1交-直-交型辅助变流器
交-直-交型辅助变流器是由牵引变压器辅助绕组供电，与牵引变流器相同，一般也是由网侧变流器、中间直流回路、三相逆变器三部分组成。由于接触网电压的波动较大，因此，交-直-交型辅助变流器输入的单相交流电也有较大的波动，为了获得稳定的中间直流回路电压，辅助变流器的网侧必须采用可控整流电路。以前多采用相控整流电路，电路和控制简单，造价较低，但网侧的功率因数较低，对电网的影响大。随着电力电子技术的发展，脉冲整流器已开始取代相控整流器，它可使网侧的功率因数接近1，且动态响应性好。
3.2直-交型辅助变流器系统
直-交型辅助变流器是从直流电网（DC750V或DC1500V）或直接从牵引变流器的中间直流环节取电，由逆变器实现直流电到三相交流电的转换。直-交型辅助变流器在机车、动车组、城轨等场合得到了越来越广泛的应用。由于输入电压较高，为保证输出辅助电气设备所要求的电压等级，一般需要增加降压设备。有两种方式，一种是先逆变，再通过三相降压变压器将较高的交流电压降到所要求的电压等级；另一种是先通过降压电路将直流输入电压降低到合适的值，再进行逆变。为得到品质良好的三相交流电源，通常需要增加滤波环节。在方式一中，三相电抗器/电容器滤波或三相LC滤波器可放置在逆变器和降压变压器之间，也可放置在变压器之后。方式二中，则将滤波器放置在逆变器输出之后。
3.3直流电源系统
直流电源系统为列车照明和控制系统供电（含应急供电），十分重要，其电压等级常为DC110V。CRH5型动车组采用了DC24V，虽然省去了110V到24V的变换，但直流母线电压低，发挥同样功率时电流大，所用的线缆粗，损耗大，且抗干扰能力差。直流电源系统包括蓄电池和蓄电池充电机。正常时由蓄电池充电机为直流负载供电，并给蓄电池浮充电；电网没电时由蓄电池供给直流负载。蓄电池充电机的输入常为辅助逆变器输出的三相恒压恒频交流电，也可为交-直-交型辅助变流器的中间直流电压或牵引变流器中间直流电压经降压斩波后的电压。
4结束语
在城轨地铁车辆的运行过程中，辅助电源装置负责对整列车的辅助系统供电，其稳定性是至关重要的。当一台辅助逆变器发生故障后，另一台辅助逆变器通过车上的扩展供电单元仍可维持整列车的工作。通过对城轨地铁车辆辅助电源装置的研究，能够更加深刻地了解其各部分电路的运行原理，熟悉掌握逆变器的开关方式及系统控制过程，有利于在今后的工作中，更好地完成城轨地铁车辆的调试及维护保养。
参考文献：
[1]张强，电力电子技术[M].北京：中国铁道出版社. 2010
[2]王宏伟，南车株洲电力机车研究所有限公司.机车电传动[M]. 2011