PBTS跨坐式單軌車輛輔助供電系統輸出功率研究

王 偉 朱冬進 馬步春 李衛兵

(1. 中車浦鎮龐巴迪運輸系統有限公司，241060，蕪湖；2. 南京華士電子科技有限公司，210039，南京//第一作者，工程師)

PBTS跨坐式單軌車輛是由龐巴迪公司研發的跨坐式單軌車輛。該型車輛已在巴西圣保羅市軌道交通15號線項目中投入運營，具有轉彎半徑小、爬坡能力強、噪聲低、無人駕駛、編組靈活、系統能耗低、安全可靠、乘坐舒適性高等特點。輔助供電系統是單軌車輛的重要組成部分之一。為了保證單軌車輛能夠長時間正常運行，輔助供電系統需要給車輛輔助負載設備提供充足的電源，并應具有高的安全性、可靠性及冗余性。

本文對PBTS跨坐式單軌車輛輔助供電系統的組成、電壓制式，以及輔助電源裝置的設備構成、工作原理進行了分析總結，并考慮到車輛輔助負載設備功率增大的情況，對輔助電源裝置增大三相輸出功率的可行性進行研究。

1 單軌車輛輔助供電系統的組成及電壓制式

單軌車輛每節車都配置有1套輔助供電系統。每套輔助供電系統由1臺高壓分線箱、1臺輔助電源裝置、1臺電源分配箱和1臺蓄電池組成。

高壓分線箱的主要功能是把從受流器收集到的主電源分配給輔助電源裝置和牽引系統。當車輛停放在維護車間時，可操作電動隔離開關至車間電源位，將車輛電源從受流器隔離，并從車間電源獲取主電源。

輔助電源裝置通過三相逆變模塊、單相逆變模塊、低壓變換模塊1、低壓變換模塊2等部件，將DC 750 V主電源轉換為適用于車輛車載設備的交流電源和直流電源。

電源分配箱的主要功能是從輔助電源裝置獲取三相AC 380 V、AC 220 V、DC 110 V和DC 24 V電源，經電源分配箱斷路器以及控制接觸器向車載設備提供交流、直流電源和短路保護。

蓄電池用于在DC 750 V主電源故障或缺失的情況下，為必要的低壓負載提供緊急低壓電源。

單軌車輛相鄰兩車的輔助供電系統結構如圖1所示。

圖1 單軌車輛相鄰兩車的輔助供電系統結構

2 單軌車輛輔助電源裝置的設備構成及工作原理

輔助電源裝置接收來自受流器或車間電源的DC 750 V一次電源，并將其轉換成4種類型的電壓：三相380 V/50 Hz交流電、單相220 V/50 Hz交流電、124.5 V直流電、24 V直流電。然后，這些電壓將分配給整個車內的各種子系統：

1) 380 V交流電源:向供暖、通風和空調系統,以及液體冷卻系統供電；

2) 220 V交流電源:向車載插座供電；

3) 124.5 V直流低壓電源:輸出端向110 V直流(標稱)低壓總線供電；

4) 24 V直流低壓電源:輸出端向24 V直流控制電壓總線供電。

相鄰兩車輔助電源裝置間的車間連接為相連車廂的380 V交流、110 V直流和24 V直流電基本負荷提供冗余。

輔助電源裝置與控制器局域網總線網絡相接，從而實現與列車管理系統,以及其他列車子系統之間的通信。輔助電源裝置內部監控系統對其控制電路進行監控，并通過控制器局域網總線網絡向列車管理系統發送狀態和故障信息。

相鄰兩車的輔助電源裝置連接如圖2所示。

圖2 單軌車輛相鄰兩車的輔助電源裝置連接

2. 1 設備構成

輔助電源裝置由1個三相逆變模塊、1個低壓變換模塊1、1個低壓變換模塊2，以及1個單相逆變模塊組成。

1) 三相逆變模塊：該模塊為三相非隔離式逆變模塊，與正弦濾波器連接，繼而在輸出端產生三相正弦電壓。當有重載接入時，該模塊可以通過控制電壓與頻率之比(V/F)來限制涌入電流。

2) 低壓變換模塊1：該模塊為隔離變換模塊，可將DC 750 V 轉換為DC 110 V，繼而為車輛上的DC 110 V用電設備提供電能，同時為蓄電池充電。通過均流控制與相鄰車輛的低壓變換模塊1連接起來。

3) 低壓變換模塊2：該模塊為隔離變換模塊，可將DC 110 V轉換為DC 24 V。當低壓變換模塊1無輸出時，該模塊由蓄電池提供輸入電壓。

4) 單相逆變模塊：該單相隔離逆變模塊由低壓變換模塊1提供輸入電壓,并輸出AC 220 V單相電壓。當低壓變換模塊1無輸出電壓時，該逆變模塊由蓄電池提供輸入電壓。

2. 2 工作原理

輔助電源裝置示意圖如圖3所示。

圖3 單軌車輛輔助電源裝置示意圖

DC 750 V經輸入熔斷器、電感和預充電回路后，一路給三相逆變模塊，另一路給低壓變換模塊1。

三相逆變模塊以DC 750 V作為電源，由中央處理器(CPU)提供數字空間矢量脈寬調制(SVPWM)信號，為三相逆變模塊開關管IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)提供驅動信號。為保證輸出調制電壓幅值不變，通過調整SVPWM信號的時間間隔來調節輸出電壓。輸出電壓經由交流電抗器與濾波電容構成的濾波器濾波獲得380 V/50 Hz的交流電，給負載設備供電。根據檢測到的電感電流及交流輸出電壓進行雙閉環控制，通過對輸出幅值與相位控制來實現電源輸出穩定。

低壓變換模塊1和低壓變換模塊2均采用了移相全橋軟開關控制技術和高頻化隔離的方案，既可實現功率管的零電壓軟開關，又可提高效率，大大地減小了體量；采用電壓、電流雙閉環控制保證輸出電壓的穩定，過載時采用調節輸出電壓限流的方式。

單相電源為日常清潔、維護和測試工具/設備供電。單相電源將DC 110 V直流經高頻變換隔離升壓，再經過高頻逆變、濾波，輸出220 V/50 Hz單相交流電，其額定功率為2.5 kVA；該單相電源輸入輸出高頻隔離，采用高頻逆變經LC(電感電容)濾波，諧波含量少，在全部輸入電壓范圍內從空載到額定負載條件下，輸出單相電源的總諧波失真(THD)小于5%，適合筆記本電腦等使用單相電源的小型便攜設備使用。

3 輔助電源裝置三相輸出功率研究

既有PBTS跨坐式單軌車輛輔助電源裝置三相輸出功率為37.5 kVA。該型號輔助電源裝置已在國內外多個項目中得以廣泛應用，技術成熟。已應用的項目包括巴西圣保羅市軌道交通項目、我國蕪湖市單軌項目等。但在國外某個新項目上，因當地氣候炎熱，列車運行環境溫度高，對列車空調系統的制冷需求較大，所需空調系統的功率也較大。經初步分析，需要將輔助電源裝置的三相輸出功率由37.5 kVA提高至43 kVA。本文對功率增加后的關鍵參數及其適用性進行研究。

3. 1 輔助電源裝置參數設計計算

根據項目需求，對功率增大前后輔助電源裝置相關參數進行計算，計算時取功率因數為1，結果如表1所示。

3. 2 可行性與適用性研究

3. 2. 1 輸入電感

既有PBTS跨坐式單軌車輛的輸入電感技術參數如表2所示。

功率增大至43 kW后，電感量保持不變，輸入電感額定電流為70 A，實際的額定電流為82 A。該輸入電感可滿足新項目使用要求，其適用性分析如下：

表1 輔助電源裝置參數值對比

表2 輸入電感技術參數

1) 電感預埋電纜的截面積為25 mm2，滿足載流要求。

2) 電感量隨電流變化曲線如圖4所示。通過電流和電感量曲線可知：在190 A情況下，電感依然不會飽和，電流增大后對電感量無影響。

3) 實測溫升遠低于設計允許溫升，額定電流增加后溫升仍滿足要求。

圖4 電感量隨電流變化曲線

3. 2. 2 輸入熔斷器

從電壓和電流兩方面，說明熔斷器在新項目中具有適用性：

1) 熔斷器型號為D120GC75V160TF，電壓等級一致，可適用；

2) 額定電流為160 A。在輸入電壓最低的情況下(525 V)，輔助電源裝置輸入最大電流為117 A，低于額定電流值。

3. 2. 3 預充電電路

預充電電路如圖5所示。輔助電源裝置得電后，通過預充電電阻R向直流環節電容充電。充電完成后，IGBT導通并短路R，輔助電源裝置開始啟動輸出。

圖5 預充電電路示意圖

預充電電路采用IGBT開關管，通過驅動信號控制其開關。預充電電路IGBT型號為DIM400XCM45-TS000，技術參數如表3所示。功率增加后，由于IGBT的VCES為4 500 V，而輸入電壓為DC 750 V(范圍500～900 V)，電壓可完全覆蓋；IGBT的IC為400 A，而輸入最大電流為82 A，電流可以完全覆蓋。所以，從電壓、電流上分析，設備依然滿足使用要求。由于功率增加帶來的損耗增加，在現有冷卻條件下溫升依然滿足設計要求，因而，從溫升角度設備也具有適用性。

表3 預充電電路IGBT參數

3. 2. 4 輸入電流傳感器

電流傳感器用于輸入電流的檢測，采用LEM廠家的LF305-S/SP10，其額定電流為300 A，完全覆蓋輸入電流范圍，因而此電流傳感器可滿足新項目使用要求。

3. 2. 5 智能功率模塊(IPM)

IPM型號為FS150R17N3E4，其集電極—發射極阻斷電壓值為1 700 V，集電極直流電流為150 A，集電極峰值電流為300 A，電路如圖6所示。單軌輔助電源裝置采用2個IPM并聯，單個IPM的最大使用電流為58.5 A，使用率為39%，輸入電壓范圍短時最高值為DC 1 300 V，故集電極直流電流為150 A、耐壓為1 700 V的功率管可適用，IPM可以滿足新項目的使用要求。

3. 2. 6 三相輸出濾波電感

三相輸出濾波電感技術參數如表4所示。

圖6 IPM電路示意圖

參數符號參數名稱參數值備注Ie額定電流/A54用于熱設計Ipeak額定峰值電流/A85Iovpeak過載峰值電流/A140Iov過載能力/A1.5Ie過載時間10 min 10 s

濾波電感與濾波電容構成LC濾波器(濾波電容采用星形接法)，額定電流為54 A(對應功率為35 kW)。新項目輔助電源裝置的實際額定電流輸出為65 A，超出標稱電流值，且實測該電感溫升較高，功率增大至43 kW后過載使用溫升無法達到設計要求。因此，在新項目中需要對此進行重新設計。三相輸出濾波電感新設計方案的安裝尺寸可以做到與既有方案兼容，質量則較原方案增加約15%。

3. 2. 7 去耦電感

并聯逆變器去耦電感，設計感量為2×5 mH，額定電流為28 A，并聯后小于額定輸出65 A的設計要求，在新項目中需要重新設計。去耦電感新的安裝尺寸可以與原方案兼容，質量較原方案增加約15%。

3. 2. 8 輸出接觸器適用性

接觸器型號為CL45D300MWD-RAIL，其接觸器最大電流為60 A。接觸器適用性主要考慮其電壓等級和過流能力，新項目輔助電源裝置中額定的輸出電流為65 A，綜合考慮設計余量，需選用容量較大的接觸器。

3. 2. 9 輸出電流傳感器

輸出電流傳感器用于輸出電流的檢測和閉環控制，采用LEM廠家型號為LF205-S/SP5的設備，其額定電流為200 A，完全覆蓋輸出電流范圍，可滿足新項目使用要求。

4 結語

針對海外某新項目對于單軌車輛輔助電源裝置三相輸出功率從既有的37.5 kW增大至43 kW的要求，既有PBTS跨坐式單軌車輛輔助電源裝置內的大部分設備都能適用，不需要更換；而三相輸出濾波電感、去耦電感、輸出接觸器等則需要重新進行設計或選型。新設計方案下的單軌車輛輔助電源裝置與既有裝置相比,總質量增加約12 kg，增幅為8%。