摘要

輔助逆變系統(tǒng)是地鐵或輕軌車輛上的一個(gè)必不可少的關(guān)鍵的電氣部分，它可為空調(diào)、通風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、蓄電池充電器及照明等輔助設(shè)備提供供電電源，其核心部件就是輔助逆變器。本文主要介紹地鐵車輛輔助逆變系統(tǒng)的逆變特性、參數(shù)和逆變電路等。并對(duì)PWM信號(hào)線路優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)和電力線路的光電隔離。然后詳細(xì)的分析了六列編組地鐵車輛的配變電系統(tǒng)，主要配電設(shè)備，配電線路以及配電原理等。目前世界上在地鐵與輕軌輔助逆變系統(tǒng)中大都采用絕緣柵雙極型晶體管IGBT（或IPM）模塊來(lái)構(gòu)成。

使用IGBT元件的輔助逆變器提供低壓輔助電源，其冷卻方式采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。蓄電池采用鎳鎘電池，容量大于100Ah。

引言

隨電力電子器件發(fā)展，輔助逆變系統(tǒng)也經(jīng)歷著不同方案的發(fā)展過(guò)程。由于新一代性能優(yōu)良的IGBT器件迅速發(fā)展，20世紀(jì)90年代中后期，歐洲與日本等國(guó)的車輛輔助逆變系統(tǒng)大都采用IGBT來(lái)構(gòu)成，其方案大致有：

（1）斬波穩(wěn)壓再逆變，加變壓器降壓隔離；

（2）三點(diǎn)式逆變器加變壓器降壓隔離；

（3）電容分壓兩路逆變，加隔離變壓器構(gòu)成12脈沖方案；

（4）二點(diǎn)式逆變器加濾波器與變壓器降壓隔離；

（5）直——直變換與高頻變壓器隔離加逆變的方案。

這些方案各有其特點(diǎn)，而且都能滿足地鐵或輕軌車輛的要求。在目前的方案中，對(duì)DC110V控制電源主要有兩種不同的設(shè)想：

（1）通過(guò)50Hz隔離降壓變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)；

（2）獨(dú)立的直——直變換器直接接于供電網(wǎng)壓通過(guò)高頻變壓器隔離后再整流并濾波得到DC110V控制電源。

1 輔助系統(tǒng)的主電路分析

輔助逆變器可以產(chǎn)生400VAC和230VAC的中壓。400VAC中壓用于空壓機(jī)、空氣調(diào)節(jié)、牽引設(shè)備的通風(fēng)，230VAC中壓用于正常照明。輔助逆變器自帶的變壓器將中壓轉(zhuǎn)換為低壓，用于車門、應(yīng)急照明、旅客緊急通風(fēng)、通訊、控制和數(shù)據(jù)處理等。圖1輔助逆變器的工作原理圖。

此輔助電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）直流輸出部分為交直交變換，不受交流輸出的限制和影響，可以自主的進(jìn)行調(diào)壓，通過(guò)電池的溫度傳感器進(jìn)行自動(dòng)的溫度補(bǔ)償，并且可以在浮充的情況下通過(guò)調(diào)壓，可以將蓄電池充滿電。

（2）模塊化設(shè)計(jì)，輔助逆變器為一個(gè)整體，便于安裝布線和維修。

1.1 IGBT（IPM）型逆變器原理

一個(gè)三相逆變器擁有6個(gè)靜態(tài)開關(guān)用于將一個(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓，從圖2中可以看出，中壓由一臺(tái)輔助逆變器提供。每一臺(tái)輔助逆變器提供一個(gè)相互獨(dú)立的三相中壓電網(wǎng)。逆變器是采用IGBT作為開關(guān)器件的電壓型三相橋式逆變電路，一個(gè)三相逆變器擁有6個(gè)靜態(tài)開關(guān)，通過(guò)微機(jī)輸入的PWM信號(hào)，IGBT不斷的配合導(dǎo)通，把直流電變換成交流電，改變?nèi)M開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。但是輸出的三相交流電還不是規(guī)則的正弦波形，為了得到一個(gè)固定頻率的交流輸出電壓，逆變器還采用了“PWM”（脈沖寬度調(diào)制）來(lái)控制，而采用三相輸出高頻濾波器就是用于將方波電壓修正為一個(gè)正弦波電壓，這樣盡管受逆變器中電壓波動(dòng)的影響，負(fù)載電流也是正弦的。

通過(guò)濾波器輸出的的三相交流電還不能直接供給用電設(shè)備，需要做降壓處理，這就需要用到隔離變壓器，變壓器在這不僅要起到降壓的作用，同時(shí)還要隔離逆變器的高壓輸入與逆變器的輸出電壓，變壓器是初級(jí)線圈三角形連接，次級(jí)線圈星形連接。400V的中壓就是三相電的相電壓，而230V的中壓是三相電的線電壓。

1.2 蓄電池充電原理

輔助逆變器還自帶一個(gè)蓄電池充電器。蓄電池充電器提供一個(gè)可控的低壓DC輸出，如圖3所示，它包括一個(gè)三相全波二極管橋輸入，半橋單向逆變器，變壓器、輸出整流器和調(diào)節(jié)輸出平穩(wěn)的DC低通濾波器。單相半橋電路將輸入電壓轉(zhuǎn)換成方波電壓然后供給變壓器的初級(jí)。變壓器確保電池電壓和初級(jí)電壓之間的隔離。二極管整流器和輸出濾波器將直流電壓提供給電池和110V負(fù)載。這樣，蓄電池充電器動(dòng)作相當(dāng)于一個(gè)可變轉(zhuǎn)換比率的DC/DC變壓器。蓄電池充電器的電壓根據(jù)溫度和蓄電池的電壓調(diào)節(jié)。

低壓可以由逆變器或蓄電池輸出，兩種低壓總線規(guī)定：永久低壓總線給休眠模式下的負(fù)載供電，逆變器提供的總線給其他低壓負(fù)載供電，在休眠模式下，不向總線供電。

有兩個(gè)電路提供低壓：一個(gè)永久低壓電路和一個(gè)預(yù)壓電路。⑴永久低壓電路為一些正常工作的低壓負(fù)載和處于休眠模式需要喚醒的負(fù)載供電。此外，還為列車聯(lián)掛和解鉤控制部分供電。⑵預(yù)壓電路為所有正常工作和降級(jí)模式（比如沒有高壓）不進(jìn)入休眠狀態(tài)的的低壓負(fù)載供電。在車輛整備時(shí)，如果儲(chǔ)存有足夠低壓電能，預(yù)壓列車線得電。

1.3 自舉電池運(yùn)用及原理

逆變器箱中配置了自舉電池，用于在主蓄電池完全放電時(shí)啟動(dòng)輔助逆變器。

當(dāng)蓄電池電壓過(guò)低的情況下，逆變器及充電器有緊急(自舉)啟動(dòng)的功能。如果蓄電池電壓過(guò)低，逆變器電子裝置檢測(cè)到后，逆變器不啟動(dòng)。在蓄電池組欠電壓狀態(tài)中輔助供電系統(tǒng)有一個(gè)啟動(dòng)功能。駕駛室中有一個(gè)自舉按鈕，可以依靠這個(gè)按鈕，將自舉蓄電池啟動(dòng)。在按下按鈕之前，必須手動(dòng)升起受電弓給輔助逆變器1500V直流電壓。按鈕必須閉合直到蓄電池充電器啟動(dòng)并給主電池提供足夠的電壓。

列車在正常工作條件中，從DC/AC逆變器輸出的3相400Vac電源通過(guò)橋路二極管整流裝置對(duì)一個(gè)逆變器內(nèi)置的自舉蓄電池充電。當(dāng)接觸器閉合時(shí)自舉電池充電，如圖4所示，將交流線電壓230V引入自舉電池的充電變壓器，再經(jīng)過(guò)橋路二極管整流后獲得直流110V，給自舉電池充電。