城軌地鐵車輛輔助電源系統(tǒng)研究與發(fā)展

張乃政

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引 言

輔助電源系統(tǒng)是地鐵車輛實現(xiàn)牽引控制操作的主要構(gòu)成部分，其本身工作的安全穩(wěn)定性和安全可靠性對于車輛的正常運載有著直觀的影響。在車輛的設(shè)計規(guī)劃前期，需要對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、操作技能、工作條件等進(jìn)行綜合的分析比較，選擇適當(dāng)?shù)倪\載系統(tǒng)、硬件設(shè)備以及參數(shù)信息，以構(gòu)成最佳輔助電源系統(tǒng)，適應(yīng)車輛運行的基礎(chǔ)要求，才能有效降低車輛運載周期的成本[1]。

1 輔助電源系統(tǒng)的構(gòu)建原理研究

1.1 輔助電源系統(tǒng)的構(gòu)建

車輛的基礎(chǔ)輔助電源涵蓋了輔助高壓箱、隔離開關(guān)箱、使用絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）功率器件的三相逆變器系統(tǒng)、隔離變壓器、輸出濾波器、整流器、直流變換和高頻變壓器隔離、蓄電池組以及系統(tǒng)控制電路等幾個部分。

為保證地鐵的正常運作，在原有操作電源控制管理的基礎(chǔ)上，也會設(shè)定中央處理控制機(jī)制，以保證電源網(wǎng)絡(luò)信息的穩(wěn)定性。地鐵本身的運輸量較大，基本上時時刻刻都在消耗電源，因此對于輔助電源系統(tǒng)的控制管理和日常的運維管理都需要進(jìn)行精細(xì)化的管理與綜合化的分析，為此就需要加快輔助電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化統(tǒng)籌及綜合化調(diào)配，形成聯(lián)動控制管理網(wǎng)絡(luò)，通過多元化的管控分析和技術(shù)控制，對該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位、多角度的控制管理，形成輔助電源系統(tǒng)管控的綜合結(jié)構(gòu)。

城軌地鐵車輛有多個部分，其中輔助電源系統(tǒng)主要承擔(dān)的是額外電氣裝置的供電保障，以保證制動、牽引、風(fēng)機(jī)等基礎(chǔ)的輔助電機(jī)可以正常穩(wěn)定的運作。若是地鐵車輛的輔助系統(tǒng)長時間出現(xiàn)問題，除卻機(jī)車牽引系統(tǒng)可以正常工作外，其他的裝置都會停止運行，對城軌地鐵車輛產(chǎn)生影響。機(jī)車輔助系統(tǒng)則是在直流電源和輔助電源系統(tǒng)的工作機(jī)制下進(jìn)行工作的，每一臺車輛上都會配置2 臺基礎(chǔ)的輔助逆變器，將接觸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行逆變處理，并且提供3 項基礎(chǔ)的交流電，以保證基礎(chǔ)的設(shè)備常規(guī)化運行操作。2 臺基礎(chǔ)的輔助逆變器出現(xiàn)故障的情況下，若是其中一個可以擴(kuò)大適用范圍，則可以保證車輛的正常供電[2]。

1.2 輔助電源系統(tǒng)的特點

輔助電源電路在逆變電路、直流變電器電路的結(jié)構(gòu)下所構(gòu)建。系統(tǒng)本身就能實現(xiàn)電壓型的逆變電路器工作。在具體工作的過程中，首先可以采用大功率的基礎(chǔ)元件，在高頻開關(guān)工作的設(shè)定下，實現(xiàn)驅(qū)動服務(wù)。其次在大功率逆變器模塊與變換器模塊的構(gòu)建下，模塊化的設(shè)計并不會影響電路的日常工作，同時結(jié)構(gòu)較為緊湊，體積容量較小，維護(hù)便捷性較高。熱管自然冷卻方式的應(yīng)用，操作運行過程中所出現(xiàn)的噪音較小，維修保養(yǎng)的工作量也相對較小，且逆變器本身的電路結(jié)構(gòu)簡單，元器件較少。因為蓄電池的恒壓特點，若是輸出過程中的性能較好，蓄電池過放電，就能自動實現(xiàn)電流放電保護(hù)。當(dāng)其中一臺逆變器發(fā)生故障的情況下，閉合擴(kuò)展供電箱開關(guān)，系統(tǒng)也能實現(xiàn)穩(wěn)定的運行服務(wù)，但操作中系統(tǒng)的負(fù)載承載力就會不足。車輛有這2 個基礎(chǔ)的蓄電池箱，就可以保證和控制車輛的應(yīng)急供電。同時，在車輛不能進(jìn)行電壓處理的情況下，此系統(tǒng)操作中，車輛內(nèi)部的照明、裝置等基礎(chǔ)設(shè)備仍舊可以提供工作能量。城軌地鐵車輛輔助電源系統(tǒng)是交流電系統(tǒng)的一項內(nèi)容，可以產(chǎn)生列車運行的不同交流電壓，保證城軌地鐵車輛輔助系統(tǒng)的電氣設(shè)備工作符合現(xiàn)行輔助電能系統(tǒng)的正常運作[3]。

輔助變流器有著多種分型方式，這里應(yīng)用最多的就是輸入側(cè)差異，也就是在直-交型和交-直-交型的條件下進(jìn)行工作。在此基礎(chǔ)上，輸出差異也較為明顯，主要是變壓變頻與恒壓恒頻逆變器輸出模式之間的不同。電平級數(shù)：兩電和三電電平輔助。城軌地鐵車輛輔助逆變器主要是一種基礎(chǔ)的供電裝置，也可以滿足不同電壓頻率下的工作機(jī)制，單一車輛下的輔助逆變器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相對一致，但是控制方式方面仍舊有較為明顯的差異性。電平輔助主要是更好地控制輸出的電流形式，處理電壓等級。三電平輔助的處理操作方式雖然較為優(yōu)化，但是在實際工作中操作的煩瑣性較強(qiáng)。在當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)水平的全面發(fā)展下，結(jié)構(gòu)和實際的控制相對較為簡約，已經(jīng)被廣泛的開發(fā)和使用。

2 輔助電源系統(tǒng)需滿足的基本要求和運行原理分析

2.1 基本要求

為保證輔助電源系統(tǒng)的工作效能，在具體運作時要具備以下幾個方面的基礎(chǔ)要求：一是要具備輸入電壓突變能力，在輔助電源的輸入電壓突然上升或是降低時，都需要實現(xiàn)合理化的運作，以此保證每一個控制管理階段都有額定電壓的支撐；二是具備輸入電壓瞬時中止的能力，當(dāng)車輛跳弓產(chǎn)生輸入電壓短時間瞬時中止的情況下，輔助電源系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)保持正常的工作狀態(tài)；三是要有額定輸出的能力，額定功率的輸出主要指在輔助電源操作的前夕，要始終保證電源系統(tǒng)內(nèi)部存儲量的穩(wěn)定；四是具有一定的過載能力，輔助電源應(yīng)當(dāng)最少承載1.5 倍的工作能力，并且可以在10 s 左右的時間內(nèi)實現(xiàn)過載；五是負(fù)載量控制，負(fù)載突變往往是在結(jié)構(gòu)工作的過程中，因為操作問題或是技術(shù)問題，受到外部環(huán)境的影響，導(dǎo)致電壓本身出現(xiàn)跳動的變化，電壓負(fù)載量激增。因此，其本身的輸出電壓值在瞬間應(yīng)當(dāng)達(dá)到+15%～-20%的變化，并在300 ms 內(nèi)能達(dá)到穩(wěn)定，若是負(fù)載持續(xù)出現(xiàn)變化，就能滿足車輛運行條件。

2.2 輔助電源裝置的基礎(chǔ)運行原理

在現(xiàn)有的工作機(jī)制下，輸出濾波電路需要降低到一定的形態(tài)，才能對變流器輸入的電流進(jìn)行分析。因為受到變流電壓本身的限制影響，在實際的工作管理中，就需要設(shè)定專門的變流輔助控制裝置對整個輔助電源的裝置進(jìn)行運行操作管理，變流器控制的方式也應(yīng)當(dāng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工作。交流輸出的電壓承載力相對較大，在輔助電源工作的過程中首先要通過智能化的判斷分析，觀察當(dāng)前額定電壓的變化情況，分析各個未知的電源輸出工作機(jī)制，進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲煤秃侠砘膭討B(tài)輸出，才會優(yōu)化輸出電壓，保證后期各項設(shè)備工作的順利推進(jìn)[4,5]。

3 城軌地鐵車輛輔助電源系統(tǒng)發(fā)展

3.1 結(jié)合輔助電源系統(tǒng)實現(xiàn)的蓄電池充電器應(yīng)用創(chuàng)新

蓄電池充電器的工作是結(jié)合當(dāng)前的服務(wù)特點，在輸出電壓以及電流通過的穩(wěn)定狀態(tài)停下，直接實現(xiàn)電路控制。這種電流反饋下的數(shù)據(jù)通過控制控制器，可以加快工作優(yōu)化。通過電壓指令要求和輸出電壓反饋的數(shù)據(jù)信息之間進(jìn)行比較，可以有效減少電壓誤差的出現(xiàn)。將電壓誤差輸入電壓控制器中，電壓控制器可以在轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過模擬轉(zhuǎn)換器將信號傳輸?shù)街骺刂破鳌Ｖ骺刂破髟谙嗨频南辔画h(huán)境下進(jìn)行工作，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換器和電池線路之間的串聯(lián)構(gòu)建，為負(fù)載工作的開展奠定基礎(chǔ)。蓄電池控制電路的方式方法是在現(xiàn)有的工作環(huán)境和硬件設(shè)施的支持下，通過合理化的配置工作模式和優(yōu)化調(diào)節(jié)工作機(jī)制，對電壓運轉(zhuǎn)的輸出情況進(jìn)行分流，優(yōu)化輸出電壓在電流轉(zhuǎn)換的過程，實現(xiàn)電流的平衡效果。另外，電力控制管理可以在既定的電流控制裝置的調(diào)節(jié)下運載執(zhí)行。

3.2 基于創(chuàng)新模式構(gòu)建的交流輔助電源系統(tǒng)

3.2.1 輔助系統(tǒng)的工作方式

交流輔助電源系統(tǒng)的工作主要是在現(xiàn)有工作環(huán)境下，通過分析不同設(shè)備的運載現(xiàn)狀，優(yōu)化電流輸出模式，以此保證電流的正常工作。輔助變流器的主電路可以結(jié)合輸入側(cè)的不同分為交-直-交型、直-交型；結(jié)合輸出的差異，可以劃分為恒壓恒頻逆變器以及變壓變頻逆變器；結(jié)合主電路電平級數(shù)的差異，可以劃分為2 點或3 點輔助變流器。在機(jī)車環(huán)境下，除提供恒壓恒頻輔助變流器之外，為節(jié)約耗能操作，可以有效降低通風(fēng)聲音，也可以結(jié)合設(shè)備在不同狀態(tài)下所需要的功率，以此調(diào)節(jié)電壓以及頻率環(huán)境下的輔助變流器。多數(shù)情況下，同一類型的車輛上所提供的逆變器裝置的硬件設(shè)施結(jié)構(gòu)一致，但是控制方式有所差異[5]。

（1）交-直-交型輔助變流器。主要是在牽引變壓器的輔助繞組供電，與牽引變流器一致，都是在網(wǎng)側(cè)變流器、中間直流電路以及三相逆變器的支撐下構(gòu)建而成。因為基礎(chǔ)網(wǎng)本身的電壓波動相對較大，為此交-直-交型輔助變流器的單位輸出主要是依托交流電壓的工作運轉(zhuǎn)，在原有工作環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)配電網(wǎng)絡(luò)的運轉(zhuǎn)模式，以輔助變流的方式進(jìn)行運作，其本身的工作方式較為簡單、成本低，但是對電網(wǎng)環(huán)境的影響頗大。

（2）直-交型輔助變流器。其主要是通過直流電網(wǎng)直接牽引，實現(xiàn)中間電流的取電操作，逆變器的工作從直流到三相交流電之間的轉(zhuǎn)換操作。直-交型輔助變流器已經(jīng)逐漸使用在多種場合中。因為輸入的電壓相對較高，為保證整個輸出電壓工作模式的穩(wěn)定性，在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，需要不斷調(diào)節(jié)直流交流電源的工作方式，通過交流轉(zhuǎn)換的方式將變流器的工作壓力削弱，同時增強(qiáng)電流運轉(zhuǎn)的操作模式，加快電流傳輸轉(zhuǎn)型，調(diào)節(jié)電流壓力，之后再進(jìn)行逆變操作。為了獲得高質(zhì)量的三相交流單元，多數(shù)都需要進(jìn)行濾波鏈路優(yōu)化。

直流電源系統(tǒng)實質(zhì)上就是為列車照明或是應(yīng)急供電系統(tǒng)服務(wù)的系統(tǒng)，電壓等級多數(shù)在不同的動車組環(huán)境下實施，雖然有部分的電流省略，但是因為直流母線的電壓相對較低，在同一環(huán)境下的功率放電的情況下，使用的線纜相對較粗，損耗相對較大，抗干擾能力較差。此外，直流電源系統(tǒng)涵蓋了蓄電池以及蓄電池充電機(jī)，多數(shù)功率放電的情況下，蓄電池充電機(jī)會直接向直流負(fù)載供電，對蓄電池進(jìn)行充電操作。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)斷電的情況下，直流負(fù)載在蓄電池的供電下進(jìn)行工作。蓄電池充電機(jī)的輸入多數(shù)是在輔助逆變器輸出的環(huán)境下進(jìn)行操作的。

3.2.2 直-交型和交-直-交型輔助變流器實現(xiàn)方案

（1）交-直-交型輔助變流器。這種變流器在運轉(zhuǎn)操作的過程中，都是在輔助繞組的工作機(jī)制下提供專項的供電。這種模式下輔助電流器工作落實的過程中，因為接觸網(wǎng)本身的電壓波動承載力需求高，因此輸入電流也會出現(xiàn)波動的情況。為了保證整個直流回路電流工作的高效性，就可以通過控制電路的方式，做好正流電路分析。整流電路可以分為相控和脈沖，其中前者的使用相對較早，優(yōu)勢較大，結(jié)構(gòu)簡約，操作便捷性較高，但是內(nèi)測的功率條件不高；后者作為先進(jìn)技術(shù)的典型代表已經(jīng)逐漸替代了原有的相控整流器，可以保證最終的工作效能。

（2）直-交型輔助變流器。這種變流器操作機(jī)制和上述的交-直-交型的輔助變流器有著明顯的差異性，可以從牽引變流器的中間直流回路中直接進(jìn)行確定，或是從原有的城軌地鐵車輛直流網(wǎng)段直接取電。這種變流器操作便捷，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在多種城軌地鐵車輛中。而直-交型輔助交流器設(shè)備的輸入電流會直接導(dǎo)致電壓增高。為了適應(yīng)當(dāng)前的操作需求，就需要在降壓輔助設(shè)備的支持下轉(zhuǎn)變輸入電壓。通過轉(zhuǎn)變輸入電流模式下的電壓設(shè)備，可以更好地保證當(dāng)前的電流工作效果，達(dá)到最佳的處理狀態(tài)。實際的操作過程中為了優(yōu)化升壓后電流的質(zhì)量，多數(shù)都會再次增加濾波，更好地保持電流的穩(wěn)定性效果。在輸入電流轉(zhuǎn)化方式的過程中，濾波設(shè)置主要被安裝在降壓器設(shè)備前端，在逆變器工作之后，在輸入到電流優(yōu)化方式下，以此保證最佳的工作效能。

直流電源系統(tǒng)的工作主要是實現(xiàn)系統(tǒng)控制和列車照明的供電功能。部分型號的車組為了轉(zhuǎn)化升級，就需要有專項的輔助車輛，以此減少電壓轉(zhuǎn)化，但是也會導(dǎo)致耗能增大，抗干擾能力較弱。

4 結(jié) 論

城軌地鐵車輛是保障城市基礎(chǔ)交通運作的主要條件。輔助電源系統(tǒng)的工作可以為列車提供基礎(chǔ)的電能，推動輔助系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運作。若是輔助電源系統(tǒng)不能有效運作，就會導(dǎo)致輔助系統(tǒng)的失靈，為此輔助電源系統(tǒng)的安全管理研究就顯得尤為必要。雖然在多數(shù)車輛中都會配置2 臺基礎(chǔ)的輔助逆變器，以此應(yīng)對緊急狀態(tài)，但是需要注重安全穩(wěn)定的運行操作，工作人員只有了解到了輔助電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作原理，才能及時調(diào)節(jié)修復(fù)故障問題，以減少輔助逆變器工作失靈對于車輛運行產(chǎn)生的影響。