地鐵逆變電源

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摘要:分析直接逆變方式、斬波降壓逆變方式、兩重?cái)夭ń祲耗孀兎绞?a href="http://www.bjhyfc.net/lunwen/gygclw/jtwllw/200910/197258.html" target="_blank">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(guó)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(guó)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(guó)產(chǎn)化是發(fā)展我國(guó)城市軌道交通的必然趨勢(shì)。靜止式輔助逆變電源與傳統(tǒng)的電動(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)發(fā)電機(jī)組的供電方案。電動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)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(jiǎn)單的基本電路結(jié)構(gòu)形式。開關(guān)元器件通?？刹捎么蠊β蔊TO,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(jiǎn)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(dòng)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。

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(dòng)空調(diào)機(jī)、風(fēng)機(jī)等三相交流負(fù)載電源,同時(shí)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(dòng)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(tái)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(duì)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(tái)車的電源上,機(jī)組結(jié)構(gòu)統(tǒng)一。對(duì)于供電網(wǎng),雖然每臺(tái)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?cái)夭ㄗ饔谩?/p>

(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。

213兩重?cái)夭ń祲耗孀兎绞?/p>

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?cái)夭ㄆ魈娲薉C/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?cái)夭ㄆ?當(dāng)上、下兩個(gè)斬波器控制相位互相錯(cuò)開180°時(shí),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(dòng)量,提高輔助逆變電源的抗干擾能力。

(2)兩重?cái)夭ㄆ鏖]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(duì)負(fù)載過充電壓的影響,提高負(fù)載的使用壽命。

214升降壓斬波逆變方式

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(jí)斬波由一個(gè)平波電抗器及兩個(gè)開關(guān)管、二極管和儲(chǔ)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(gè)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(jí)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(dòng)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(shí),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(shí),斬波器按升壓斬波控制方式工作。兩個(gè)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(chǔ)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(dòng)量。

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(dòng)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(duì)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(guó)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(cè)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?0kVA,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?？紤]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?？刂撇捎脭夭ê湍孀冸p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。

這種地鐵輔助電源具有如下特點(diǎn)。

(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(shí),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214kHz,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(duì)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(dòng)方式,電器負(fù)載的啟動(dòng)電流沖擊小,有利于延長(zhǎng)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(chǔ)、LED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(hào)消失后自動(dòng)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(dòng)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。

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(shì)。

(2)靜止輔助逆變電源方案的選擇,應(yīng)結(jié)合國(guó)內(nèi)電力電子技術(shù)的發(fā)展、元器件的使用水平以及國(guó)外地鐵電動(dòng)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(guó)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(guó)產(chǎn)化地鐵輔助電源的能力。

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