地鐵輔助電源模擬系統關鍵部件設計

王二小鞠 峰

（1.大連市交通口岸職業技術學校，大連 116000；2.大連交通技師學院，大連 116000）

地鐵輔助電源模擬系統關鍵部件設計

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（1.大連市交通口岸職業技術學校，大連 116000；2.大連交通技師學院，大連 116000）

本文提出了針對系統關鍵部分的逆變器和充電器的設計方案，主要介紹實際系統和模擬系統的功能、拓撲結構等內容。

地鐵輔助電源 拓撲 逆變器 充電器

城市軌道車輛的輔助電源系統是機車的重要組成部分，擔負著除機車牽引系統主電路以外各種裝置的供電任務，如牽引/制動制裝置的控制電源，各冷卻用風機、變壓器冷卻用油泵、變流器冷卻用水泵、制動/受電弓等各種氣動機械裝置，提供風源的空氣壓縮機、空調、通風機等輔助電動機的三相交流電源，電熱器、冰箱、信息顯示裝置的電源等。輔助電源系統以輔助逆變器（簡稱為SIV）、充電器等為核心組成部件，加上其他輔助設備構成。

輔助電源系統的電壓較高（DC750V或DC1500V）、占地面積較大、重量較重以及城市軌道車輛維修涉及安全等，學員很難進行實際車輛輔助電源系統實操。一般情況下，不允許大量學員進入車輛維修車間。為了解決以上問題，提出了地鐵車輛輔助電源模擬系統的方案設計。

1 地鐵車輛輔助電源實際系統

目前，我國大部分地方的地鐵車輛都是6輛編組的。在編成一列的6輛車中，有4輛是動車，2輛是拖車，被稱為是4動2拖編組。以天津地鐵一號線為例，其地鐵列車的編組情況為3動3拖，即按照TC車、M車、T車、M車、M車、TC車的方式編組。其中，TC車為帶司機室的拖車，也就是列車的首、尾兩節車廂；M車為提供動力的動車；T車為不帶司機室的拖車。

城軌車輛輔助電源系統包括輔助逆變器（SIV）、蓄電池充電器、蓄電池、輸入濾波電路、交流輸出濾波電路、應急備用電路（DBPS），分別放置在輔助逆變器箱、蓄電池充電器箱、輔助開關保險箱、輔助高速斷路器箱以及監控箱中。各個箱體均放置在每節拖車（TC）車下，分布如圖1所示。輔助供電系統中每路都是隔離輸出。此外，系統還包括照明設備與其他必需的輔助設備（繼電器、接觸器、空氣開關、控制器等）等。

圖1 拖車車下輔助電源分布圖

城市軌道車輛輔助電源系統由三相交流輔助電源系統和直流電源系統組成。地鐵列車一般采用第三軌供電的方式，每列車采用兩臺輔助電源，輔助逆變器將第三軌提供的直流1500V或750V逆變處理后為車輛提供380V、50Hz的三相交流電，提供給空壓機、空調機(包括空調壓縮機、冷凝器風扇、蒸發器風扇、空調通風機)、電加熱器、客室正常照明、設備通風機、客室LCD屏、方便插座等設備。當一臺輔助電源發生故障后，另一臺輔助電源通過擴展供電單元向整列車供電，維持車輛的基本工作。蓄電池充電器提供直流110V及直流24V，為車載各系統控制電路、直流照明、電動車門及車載信號與通信設備提供直流電源，并給蓄電池組充電。蓄電池給緊急負載供電，包括應急通風、照明、控制等。以某地鐵車輛輔助電源為例，其主電路原理圖如圖2所示。

圖2 主電路原理方塊圖

2 拓撲結構

2.1 輔助逆變器拓撲

現階段，地鐵輔助逆變器電路有多種拓撲，而每種拓撲結構都有不同的優缺點。

2.1.1 兩電平12脈波加工頻變壓器隔離方案

此拓撲的優點是功率管頻率低，輸出波形品質相對較好，濾波器設計的尺寸也比較?。蝗秉c就是拓撲結構比較復雜，所使用的功率元件較多，所用開關器件是其兩電平方案的兩倍，成本高。

2.1.2 兩電平加工頻變壓器隔離方案

該拓撲特點是電路結構簡單、元器件使用數量少，而且控制方便，穩定性高。但是，由于使用工頻隔離變壓器，系統尺寸大，耗能大，成本高，影響整個系統的效率。

2.1.3 三電平加工頻變壓器隔離方案

優點是功率管承受的電壓比較低，最高為直流輸入電壓的一半，解決了功率開關器件對高壓大功率能量變換的限制障礙，廣泛應用于大功率場合。但是，此方案器件比較多，會造成故障概率高、維護和維修費用高等問題。

2.1.4 降壓斬波加工頻變壓器隔離方案

此拓撲結構只需一個大功率高耐壓斬波IGBT元件，換得逆變器可以釆用較低耐壓的IGBT元件。系統增加了降壓斬波電路，結構復雜，控制相對復雜，增加了系統的控制電路，增加了系統整體復雜性。

2.1.5 直直變換加高頻變壓器隔離方案

變壓器尺寸小，功率管耐壓等級低，縮減了電路的成本，降低了系統分量，并且有較小輸出濾波電路。由于增加了一個逆變和一個整流環節，使系統結構和控制復雜。另外，直直變換中，開關頻率較高，開關損耗較大。

2.2 充電器拓撲

DC/DC變換器是充電器主電路設計的核心環節?，F有的DC/DC電路主要包括的種類有：直接直流變流電路，如降壓斬波電路等；間接直流變流電路，如正激電路、反激電路、半橋式、全橋式電路、推挽式電路等。間接直流變流電路是在直流變流電路中增加了交流環節，在交流環節中通常采用變壓器實現輸入輸出的隔離。

3 地鐵車輛輔助電源模擬系統

3.1 結構

該輔助電源模擬系統相對于實際城市軌道車輛輔助電源，在保留所有實際功用性的基礎上進行了降電壓等級、降功率的處理。輔助電源模擬系統是將模擬第三軌電源提供的DC150V電源轉變成3相AC110V、DC48V以及DC24V，其原理方塊圖如圖3所示。同時，具有造價低、功能全、安全性高等特點，特別適合中、高職院校城市軌道維修專業的理實一體化教學。

圖3 模擬系統總體結構

3.2 拓撲和控制方案

3.2.1 輔助逆變器模擬系統

考慮到穩定性、復雜性、可靠性、成本等諸多因素，最終以兩電平加工頻變壓器隔離方案為參考模型，來制作地鐵車輛輔助電源模擬系統中的輔助逆變器。拓撲結構如圖4所示。

圖4 輔助逆變器模擬系統的拓撲結構

逆變系統的逆變環節采用正弦波脈寬調制（SPWM）控制的方式，改變正弦波基準信號的幅值和頻率就可以改變逆變器所輸出的電壓和頻率。

3.2.2 充電器模擬系統

降壓斬波電路具有電路可靠、簡單、控制簡單等優勢，特別適用于蓄電池的充電。以降壓斬波電路為原型設計輔助電源模擬系統的蓄電池充電器電路，如圖5所示。

圖5 充電器模擬系統

我們選用PIC單片機來輸出PWM波形，經過霍爾電壓、霍爾電流傳感器的反饋，使用PID調節，控制PWM波，形成反饋，使輸出穩定在DC48V和DC24V。

4 結束語

本文根據實際地鐵輔助電源系統的拓撲結構、功能等，提出了一種地鐵車輛輔助電源模擬系統關鍵部件設計的方案，并簡單介紹了其拓撲結構、控制方案等。這種模擬系統能比較真實地進行模擬，成本較低，非常適合中高職院校培訓學習使用。

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Design of Key Parts of Metro Auxiliary Power Supply Simulation System

WANG Erxiao1, JU Feng2
(1.vocational and technical school of Dalian City, Dalian 116000, Dalia;2.traffic technician college, Dalian 116000)

This paper presents the design of the inverter and charger for the key part of the system, which mainly introduces the function of the actual system and the simulation system, the topology structure and so on.

metro auxiliary power supply, topology, inverter, charger