DC750V地鐵車輛直供式變頻空調電源的輕量化研究

周衛，朱俊杰，龔固豐，何明芳，文超民

DC750V地鐵車輛直供式變頻空調電源的輕量化研究

周衛1，朱俊杰1，龔固豐1，何明芳1，文超民2

(1. 中南林業科技大學 計算機與信息工程學院，湖南 長沙 410004；2. 株洲長河電力機車科技有限公司，湖南 株洲 412007)

基于高鐵與地鐵在運輸中對車輛設備的輕量化要求越來越高，針對傳統電源存在體積與重量大、電源傳輸效率低等問題展開研究。利用高頻逆變技術、高頻變壓技術取代傳統的50 Hz，380 V變壓、整流和逆變構成的逆變電源技術，采用高壓非隔離型直流DC-DC變換器代替傳統的輔助供電電源系統，達到減輕輔助電源負載、減小車輛附加重量、提高效率的目的。研究結果表明：從電網側獲得的750 V直流電采用非隔離型升降壓DC-DC變換器降壓以及濾波后，可實現地鐵車輛及控制電路用電標準，性能良好，同時降低了儲能電抗器體積和重量，效率也得到有效提高。

車輛空調；直供式；DC-DC變換器；Buck-Boost

車輛空調是鐵道列車內部環境空氣調節器的簡稱，也是列車室內“人造氣候”的來源。其主要功能根據工藝或人類舒適感的需要，對自然界的空氣在局部范圍內進行溫度、濕度、潔凈度及風的速度的調節，又簡稱為“四度調節”[1]。車輛空調的調節目標是“四度調節”，控制手段是通過壓縮機、送風機、冷凝風機等設施消耗一定的能量完成各種對空氣的處理過程，使列車內部溫度、濕度適應人類舒適的需要，能使人有冬暖夏涼感覺的設備[2]。目前，由于北京某線路設施對車輛組提出了軸重不超過15.5 t的嚴苛要求，為解決這一問題，劉清 等[3]采用了提升輔助變流器的安全與噪聲性能設計方法，但未考慮對車輛組附加重量輕量化；陽德龍等[4]提出一種磁性集成變壓器減小磁件的體積和重量，從而減輕車輛附加重量，并在地鐵車輛輔助變流器中應用的實例，但文中的磁性集成變壓器實驗結果并不全面；蔣曉東等[5]介紹了一種集中布置式并聯供電的輔助供電系統，為滿足寧波軌道交通車輛輕量化節能的要求，進行了優化設計，但系統的安全性和可靠性問題未能良好解決，有待進一步觀察這種集中式并聯供電系統的線上運用狀況；徐麗賓等[6?7]介紹了地鐵車輛輔助變流器直流試驗電源系統的設計方案，并提供了元器件技術參數的計算方法，但文中并沒有理想的實驗結果。趙元哲等[8]研究了電氣化鐵道電力機車變壓器和應涌流產生機理，為車網系統出現的異常跳閘現象提供了參考。本文針對傳統電源存在體積與重量大、電源傳輸效率低等問題進行探討與分析，并對高頻逆變器技術、高頻變壓器等技術展開研究，采用非隔離型直流升降壓DC-DC變換器代替了傳統的輔助供電電源系統，取代過去的50 Hz，三相交流380 V的逆變器、變壓器以及50 Hz，三相交流380 V的中壓母線。這種非隔離型方案相對于采用隔離型方案，可以節省高頻變壓器和整流模塊等，達到減輕輔助電源負載、減小車輛附加重量、提高效率的目的。首先，在Matlab/Simulink平臺上搭建一種基于直流DC-DC變換器的改進型升降壓Buck-Boost斬波調制電路拓撲的仿真模型，初步驗證方案的可行性，在此基礎上，搭建基于TMS320F28335的實驗系統平臺，進一步驗證本文所提方法的有效性。

1 幾種經典非隔離型電路分析

1.1 升降壓Buck-Boost型電路模型

圖1為升降壓Buck-Boost變換器的原理圖[9]。

圖1 升降壓Buck-Boost變換器原理圖

升降壓Buck-Boost變換器在電路拓撲原理上是由Buck和Boost 2種基本的變換器派生而來的，其可以看成是由Buck變換器和Boost變換器串聯而成的，它將2只開關管合并為一只開關管。在元器件組成上，主要由1個IGBT+電感L+1個快速二極管+電容器C+電阻R構成。其優點主要有：升降壓Buck-Boost拓撲電路屬于經典成熟電路[10]，控制上有較多應用經驗，輸出波形較好，電壓、電流參數合適，器件體積和重量基本合理；其缺點較少，只是在變換器輸入端電流存在不連續的現象以及輸出電壓為負極性電壓。

1.2 Zeta型電路模型

圖2為Zeta變換器的原理圖[11]。

圖2 Zeta變換器原理圖

Zeta型在電路拓撲原理上可以看成是由升降壓Buck-Boost變換器和Buck變換器串聯而成的，與Buck-Boost變換器一樣是將2只開關管合并為一只開關管。輸入部分類似于升降壓Buck-Boost變換器，輸出部分類似Buck變換器。在元器件組成上，主要由1個IGBT+電感L1+電容C1+電感L2+電容C2+1個快速二極管+電阻R組成[12]。其優點較少，只是輸出電壓為正極性電壓；其缺點經過仿真分析，輸出端電壓波形存在振蕩，IGBT承受電壓接近兩倍輸入端電壓，而且2個電感會增加變換器的體積和重量，輸入端電流也不連續。

1.3 Cuk型電路模型

圖3為Cuk變換器的原理圖[13]。

圖3 Cuk變換器原理圖

Cuk型在電路拓撲原理上可以看成是由Boost變換器和Buck變換器串聯而成的，它也是把2只開關管合并為1只開關管。它的輸入部分與Boost變換器相似，輸出部分與Buck變換器相似。在元器件組成上和Zeta型電路類似，主要由1個IGBT+電感L1+電容C1+電感L2+電容C2+1個快速二極管+電阻R組成[14]。其優點也相對較少，只是輸入端電流連續；而缺點由于輸出電壓為負極性電壓，對控制轉換上存在一些不便影響，且也需要2個電感，這樣也會增加變換器的體積和重量。

綜上所述，根據上文幾種經典的成熟非隔離型電路分析，下文提出改進式的非隔離型直流升降壓Buck-Boost的DC-DC變換器能有效達到減輕輔助電源負載、減小車輛附加重量、提高效率的目的。

2 DC750V地鐵車輛直供式變頻空調逆變電源及工作原理

DC750V直供式電源是專為地鐵空調機組提供的電源，裝置是采用非隔離電源型式。正常情況下，它從接觸網取得750 V直流母線電壓[15]，首先經過非隔離DC-DC變換后變成600 V直流中間電壓，為滿足壓縮機、冷凝風機、送風機、車體電熱等的供電要求，然后經過逆變變換輸出為4路，分別供給壓縮機(2路)逆變電源、冷凝風機及送風機逆變電源、車體電熱逆變電源。大體上可以分成4個區域：高壓輸入區、DC-DC變換區、逆變區和電磁區，其原理框圖如圖4所示。

圖4 DC750V車輛直供式變頻空調逆變電源原理框圖

圖5 DC750V地鐵車輛直供式變頻空調逆變電源總電路圖

圖6 總電路中的變頻器與空調負載模塊組詳圖

根據上面空調電源系統的原理框圖，本文設計的DC750V非隔離的地鐵車輛直供式變頻空調逆變電源總電路如圖5所示，其大體上也可以分為4個主要部分電路，即DC750V輸入電路，直流DC-DC升降壓Buck-Boost型變換器的斬波調制電路，逆變變頻控制電路及濾波電路等。

4個主要部分電路與原理框圖的四大區域是相互對應的。根據總電路圖6可見，DC750V輸入電路是對應著高壓輸入區，直流DC-DC升降壓Buck-Boost型變換器的斬波調制電路對應著DC- DC變換區，逆變變頻控制電路對應著逆變區，濾波電路是對應著電磁區。其工作原理可具體分析如下，DC750V輸入電路主要是將750V直流母線電壓經EMI濾波處理后，接入到輸入電路部分，進行預充、濾波，之后接至DC-DC變換區部分[16]。該部分電路需要用到的電氣元器件有快速熔斷器、接觸器、預充電阻、電流傳感器、電壓傳感器、濾波電抗器和電容器組等。直流DC-DC升降壓Buck- Boost型變換器的斬波調制電路主要是控制750 V直流電壓在DC500V~DC900V變化范圍內(包含輸入電壓以偏差DC450~DC1050V變化范圍考慮)，經升降壓Buck-Boost斬波后，變換成穩定的600 V直流電壓，之后傳遞至逆變部分。該部分電路主要用到的元器件有IGBT、薄膜電容、升降壓電抗器、電壓傳感器、電流傳感器、驅動器、電容器組和鋁殼電阻等。而逆變變頻控制電路及濾波電路主要是將變換后得到的直流600 V電壓經三相逆變橋，采用PWM控制方式，將直流逆變成壓縮機等所需的三相交流電，經過濾波處理后輸出。這兩部分電路主要用到的元器件有變頻模塊、電流傳感器、濾波器等。

3 一種改進型的非隔離式直流升降壓Buck-Boost的DC-DC變換器 設計

硬件電路的DC-DC變換區，采用非隔離型升降壓DC-DC變換器進行斬波逆變的方式，圖7為一種改進型的升降壓斬波DC-DC變換區電路拓撲原理圖，T1與T2為IGBT開關管，VD1與VD2為快速二極管，再加上電感L，濾波電容C和負載電阻R組成一個升降壓Buck-Boost斬波控制方案。其升降壓Buck-Boost斬波器本質上相當于兩相DC-DC直流變換器，控制系統采用PWM驅動控制方式。其與本文1.1節中提到的典型電路拓撲結構相比，改進型的升降壓Buck-Boost變換器輸出端電壓為正極性電壓。并且改進型的升降壓Buck-Boost拓撲電路是由2個開關管交替通斷，按輸出電壓適當地控制脈沖寬度，可以獲得與輸入端電壓同正極性的穩定直流輸出電壓。斬波器開關器件采用IGBT開關管，當DC-DC變換區的輸入端電壓高于斬波器輸出端電壓時，斬波器按降壓斬波控制方式工作；當DC-DC變換區的輸入端電壓低于斬波器輸出端電壓時，斬波器按升壓斬波控制方式工作。為了分析其控制方式簡便，可以將改進型的升降壓Buck-Boost變換器看成2個區域電路：T1與VD1組成的區域為Buck電路，T2與VD2組成的區域為Boost電路，定義開關管T1的占空比為1，開關管T2的占空比為2，可以得出原理圖7中和2點的電壓均值分別為：

電路穩態工作時，在一個調制周期內，電感L兩端電壓應滿足伏秒平衡，即：

也就是說電感L兩端的電壓均值應相等，依據式(1)~(3)可以得到改進型的升降壓Buck-Boost變換器輸入i與輸出o之間的電壓關系為：

圖7 改進型的升降壓Buck-Boost斬波電路拓撲圖

改進型電路2個IGBT開關管T1與T2的交替導通和關斷，提高了斬波開關頻率，降低了儲能電抗器體積和重量以及開關器件的電壓應力，減小了輸出電壓的脈動量，從而達到了減輕輔助電源負載、減小車輛附加重量、提高效率的目的。

此改進型的升降壓Buck-Boost拓撲電路在本空調電源系統中的工作原理如下：其可分為2種運行模式，當輸入電壓i>600 V時，T2保持斷開，T1施加觸發脈沖，工作在降壓Buck模式下，使其輸出電壓o穩定在600 V左右；當輸入電壓i<600 V時，T1保持常通，T2施加觸發脈沖，工作在升壓Boost模式下，使其輸出電壓o穩定在600 V左右。若忽略快速二極管VD1與VD2的電壓降，在一個調制周期T內，由能量守恒定律得，電感平均電壓為0。整理可得輸入與輸出電壓關系為：

此外，本文DC-DC變換區設計的一種改進型直流升降壓Buck-Boost變換器的創新點如圖8所示，在該主電路靠近輸入端的IGBT前端加入了一個電容C1，來彌補該電路輸入端電流不連續。在該主電路中，前端輸入部分的LC電路不可省略，該創新部分的LC電路主要作用有：1) 防止短路電流的不利影響；2) 防止設備的諧波對電網產生不利的影響。

4 空調電源系統通訊及控制結構設計

其空調電源系統通訊與控制結構設計如圖9所示，系統控制通過硬線控制信號與通訊總線綜合實現。空調主控器在該系統中是指基于TI公司DSP芯片TMS320F28335的主控電路板。

其中硬線控制的信號主要包括4個方面的通訊。1) 空調主控器能可通過硬線控制DC600V電源的起停與故障復位；2) 電源控制器在DC600V啟動正常后輸出觸點信號通知空調主控器DC600V已就緒；3) 空調主控器在DC600V已就緒后可按照空調控制邏輯實現各變頻器的起停；4) 電源控制器在任何故障發生時發出故障保護信號通知主控制器進行適當的保護策略。

通訊總線在本文空調電源系統中包含2條RS485通訊總線，分別為RS485A和RS485B。其RS485A的主要功能是控制電源控制器與變頻器通訊，電源控制器通過該總線獲取變頻器狀態與數據信息，并可將主控制器發送的變頻器運行頻率參數發送給變頻器；RS485B的主要功能是控制空調主控器與電源控制器通訊空調主控器通過該總線可發送變頻器當前運行頻率指令，并獲取DC600V直流電源系統與變頻器狀態與數據信息。

圖9 空調電源系統通訊與控制結構圖

其系統通訊方式采用主從模式，即主控制器作為通訊的主機，擁有總線的控制權；電源控制器作為從機，在接受到主機控制命后，回復應答包，以發送電源系統的各狀態與數據信息。物理接口采用RS485串口，串口設置為波特率9 600 bps，1位起始位，8位數據位，1位停止位，無校驗。

5 樣品測試與分析

為驗證提出的硬件電路拓撲結構與控制策略的有效與真實性，基于TI公司DSP芯片TMS320 F28335搭建DC750V空調逆變電源試驗平臺，如圖10所示。基于DSP芯片TMS320F28335主控電路板控制的變頻器模塊如圖11所示。

圖10 DC750V空調逆變電源試驗平臺

圖11 TMS320F28335主控板的變頻模塊電路

5.1 試驗條件

真實試驗電路如圖10所示，其測試產品工作在環境溫度為?20至+50 ℃，相對濕度：≤95%(不凝露)，海拔高度：≤1 200 m等條件下，試驗的供電要求為額定電壓：DC750V，其變化范圍：500~900 V(在此供電范圍內，需滿足壓縮機最大負荷運轉要求)，電制動時不高于DC1050V空調受電方式，空調主控制板電路規定額定電壓為DC24V(范圍16.8~30 V)。最后試驗要達成的目的是將750 V直流電壓在500~900 V變化范圍內，經升降壓DC-DC變換器斬波后，變換成穩定的直流電壓，其電壓值大小控制在600 V左右，之后再傳遞至逆變部分。

5.2 MATLAB/SIMULINK仿真試驗結果與分析

搭建系統試驗平臺之前，在Matlab/Simulink環境中搭建了基于直流DC-DC變換器改進型的升降壓Buck-Boost斬波調制電路拓撲結構的仿真平臺。經過計算選取合適的仿真電路元器件參數，其電感，電容，負載電阻的取值定為：=300 uH，=220 uF，=12 Ω，檢測出改進型的升降壓Buck- Boost斬波調制電路在500，750和900 V 3種不同輸入電壓等級下的輸出端電壓與電流波形，其中為IGBT開關管T的占空比。

圖12分別為當輸入電壓i=500 V時，在仿真中脈沖發生器(Pulse Generator)晶振設為10 K，占空比設為17%情況下，輸出電壓o和輸出電流仿真波形。

圖13分別為當輸入電壓i=750 V時，在仿真中脈沖發生器(Pulse Generator)晶振設為10 K，占空比設為80.1%情況下，輸出電壓o和輸出電流仿真波形。

(a) 輸出電壓Uo波形；(b) 輸出電流波形

(a) 輸出電壓Uo波形；(b) 輸出電流波形

圖14分別為當輸入電壓i=900 V時，在仿真中脈沖發生器(Pulse Generator)晶振設為10 K，占空比設為67%情況下，輸出電壓o和輸出電流仿真波形。

(a) 輸出電壓Uo波形；(b) 輸出電流波形

表1 不同輸入電壓等級下DC-DC變換區的仿真效果

從圖12~14的Matlab/Simulink仿真輸出端的電壓與電流波形圖和表1，可見，該設計能將750 V直流電壓在DC500V~DC900V變化范圍內，經升降壓DC-DC變換器斬波后，變換成穩定的直流電壓，其電壓值大小控制穩定在600 V左右，其電壓與電流紋波均較小，輸出精度均可保證，其性能良好。

圖15 輸入電壓為500 V斬波后的波形圖

5.3 在實驗平臺上的試驗結果與分析

在搭建DC750V直供式變頻空調逆變電源試驗測試平臺中，需要一臺示波器，數字萬用表，兆歐表，信號發射器，穩壓直流電源，DC-DC變換器的斬波模塊試驗臺以及試驗電阻等，其試驗用示波器測量空調電源從接觸網取得750 V直流電壓在DC500V~DC900V變化范圍內，經升降壓DC-DC變換器斬波后，變換成穩定600 V直流中間電壓的各部分波形圖，如圖15~17所示，其中示波器通道1不起測量作用；通道2代表升壓斬波器電壓；通道3代表降壓斬波器電壓；通道4代表高頻電抗器電流。

圖16 輸入電壓為750 V斬波后的波形圖

圖17 輸入電壓為900 V斬波后的波形圖

表2 不同輸入電壓等級下的空調電源系統運行試驗效果

從上述在實驗平臺上試驗斬波后的電壓與電流波形圖15~17與試驗效果表2，可見，該設計實驗平臺上試驗結果與前文5.2的MATLAB/ SIMULINK仿真試驗結果相吻合，都能使其斬波后電壓值大小穩定在600 V左右。并且試驗效果表2表明整個空調電源系統能正常運行，驗證了本文提出的方法有效性，符合設計要求，性能良好。并為減輕輔助供電電源負載，減小了車輛的重量，對列車的輕量化節能有著積極的意義。

6 結論

1) 改進的Buck-Boost型直流DC-DC變換器拓撲結構能有效地達到減輕輔助電源負載、減小車輛附加重量、提高效率的目的。

2) 該空調電源系統能將750 V直流電壓在DC500V~DC900V變化范圍內，經升降壓DC-DC變換器斬波后，變換成穩定的直流電壓，其電壓值大小控制在600 V左右。驗證了設計的可行性，為大幅度減輕地鐵車輛等輔助電源系統的重量做出較大貢獻。

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Lightweight research on DC750V metro vehicle direct supply inverter air conditioner power supply

ZHOU Wei1, ZHU Junjie1, GONG Gufeng1, HE Mingfang1, WEN Chaomin2

(1. School of Computer and Information Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China; 2. Zhuzhou Changhe Electric Locomotive Technology Co., Ltd, Zhuzhou 412007, China)

The high-speed rail and subway have higher and higher requirements on the weight reduction of vehicle equipment in transportation. This paper studied the problems of large volume and weight and low power transmission efficiency of traditional power supply, using high-frequency inverter technology and high-frequency transformer technology to replace the traditional 50 Hz, 380 V transformer, rectifier, inverter inverter power supply technology, using high-voltage non-isolated DC-DC converter instead of the traditional auxiliary power supply, the system achieved the purpose of reducing the auxiliary power load, reducing the weight of the vehicle, and improving the efficiency. The experimental results show that the 750 V DC power obtained from the grid side is depressurized and filtered by a non-isolated buck-boost DC-DC converter, it can realize the electricity standard of subway vehicles and control circuits, and has good performance. At the same time, the volume and weight of the energy storage reactor are reduced, and the efficiency is also effectively improved.

vehicle air conditioner; direct supply; DC-DC converter; Buck-Boost

TM46

A

1672 ? 7029(2019)07? 1800 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.07.026

2018?10?20

國家自然科學基金青年基金資助項目(61703441)；湖南省科技計劃資助項目(2016WK2023)

朱俊杰(1972?)，男，湖南長沙人，副教授，博士，從事智能檢測與自動控制研究；E?mail：wenke03@163.com

(編輯 蔣學東)