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观点

城市地铁与轻轨车辆辅助系统的发展

来源: 作者:康劲松 点击率:4049 发布时间:2010年08月18日 字号:T|T

1 引言

辅助系统是地铁或轻轨车辆上的一个必不可少的关键的电气部分,它可作为空调机、通风机、空压机、蓄电池充电器及照明等辅助设备供电电源。随着电力电子技术的发展,辅助电源系统已从早期的旋转式电动-发电机组进步为静止式变流机组,即所谓静止辅助电源装置。同时也随电力电子器件的发展,静止辅助系统中采用的电力电子器件也经历从晶闸管 (scr)、大功率晶体管(gtr、bjt)、可关断晶闸管(gto)和绝缘栅双极型晶体管(igbt或ipm)的发展过程。采用新一代性能优良的电力电子器件,这也是科技发展的必然趋势,标志着科技的进步。由于igbt器件属电压驱动的全控型开关器件,脉冲开关频率高,性能好,损耗小,且自保护能力也强,如将驱动与保护功能也封装在模块内,便构成智能功率模块ipm。为此,目前世界上在地铁与轻轨辅助系统中均采用igbt(或ipm)模块来构成。

随着城市发展,城轨交通供电网压制也从早期的600vdc和750vdc发展为1500vdc网压制,以适应大城市大客流量的需要。网压的提高对电力电子器件的电压等级也提出了更高的要求,igbt(或ipm)器件的电压等级也从1200v发展到1700v、3300v以及4500v电压等级水平。除电压等级4500v的igbt器件,其它电压等级的在国外已有多家公司批量生产与供货。

2 辅助系统方案

2.1 主要功能

静止辅助系统主要完成下述三种功能:

(1) 变流部分

辅助用电设备大都需要三相四线制50hz 380v/220v 交流电源,因而首先要将波动的直流网压逆变为恒压恒频的三相交流电。

(2) 变压器隔离部分
为了安全必须将电网上的高压与低压用电设备,尤其人们常需操作的控制电源的设备,在电气上要实现隔离,通常采用变压器进行电气上隔离,同时也可以通过设计不同的匝比以满足电压值的需要。

(3) 110vdc控制电源部分(兼作蓄电池充电器)

车辆上各操纵电器都由控制电源110vdc供电。车辆上蓄电池为紧急用电所需。所以110vdc控制电源同时也是蓄电池的充电器。

上述三部分构成完善的辅助供电系统。

2.2 方案发展

随电力电子器件发展,静止辅助系统也经历着不同方案的发展过程[1][2]。由于新一代性能优良的igbt器件迅速发展,故90年中后期,在国外,欧洲与日本等辅助系统大都采用igbt来构成,其大致方案有:

(1) 斩波稳压再逆变, 加变压器降压隔离;

(2) 三点式逆变器加变压器降压隔离;

(3) 电容分压两路逆变, 加隔离变压器构成12脉冲方案;

(4) 二点式逆变器加滤波器与变压器降压隔离;

(5) 直-直变换与高频变压器隔离加逆变的方案等。

这些方案各有其特点,而且都能满足地铁或轻轨车辆的要求。

上述方案的构成也与igbt器件阻断电压等级发展有关。首先,如采用直接二点式逆变器方案,就要求采用电压等级3300v的igbt。从这一方案看出,其主电路简洁,只有6个高压igbt(hvigbt)构成逆变部分,还需1个过压保护或放电的hvigbt。为提高供电质量,满足规定的总谐波畸变系数,必须串入较高要求的滤波器,且开关频率较高。其次,对采用三点式方案和两路逆变器加变压器构成的12脉冲方案是有异曲同工或相似功能的方案,igbt的电压等级为1700v,工作时开关频率低,串入小型滤波器就可获得满意的输出波形,而且可降低噪声。再次,从减轻重量角度看,采用直-直变换和高频变压器隔离方案是较为理想的。

从目前构成的方案中,对110vdc控制电源有两种主要不同的设想,一是通过50hz隔离降压变压器来实现,另一是独立的直-直变换器直接接于供电网压通过高频变压器隔离后再整流并滤波得到110vdc控制电源。从两者比较看,后者是独立的,与静止辅助逆变器无关,也就不受逆变器故障的影响,带来一定的好处。
从国内目前进口的地铁车辆上静止辅助系统不同方案看出:80年代末上海地铁1号线车辆上采用当时属先进的电流驱动型可关断晶闸管gto来构成,由于其开关频率低与功率大,为可靠安全工作起见,采用6脉冲控制方式,由50hz变压器降压隔离,给用电设备供电。由于90年代新一代电压驱动型绝缘栅双极型晶体管igbt迅速发展及其性能优良,很快取代了在该领域内的gto,于1995年以后国外生产的地铁或轻轨车辆辅助系统几乎都采用igbt器件,而且方案也多种多样。采用igbt器件替代gto器件是电力电子技术进步的必然趋势,由于其开关频率高与功耗小,也有利于提高供电质量。再次,直流110v控制电源,也采用直-直变换器来实现,输出电压不仅稳压精确,而且纹波度都达到很高要求,可控制在≤1~2%,对电子设备提供有利的工作条件。

3 对辅助系统评述

3.1 分散供电与集中供电

地铁车辆大都采用两动一拖(3节车辆)构成一个单元,每节车辆均配备一台静止辅助逆变器,每单元共有一台110vdc控制电源; 由两个单元(所谓6节编组)构成一列车。每节车辆的辅助逆变器的容量为75~80kva,直流110vdc(兼作蓄电池充电器)功率约为25kw。后法国 alstom生产的地铁车辆,改为一个单元中配二台静止辅助逆变器,每台容量为120kva,且每台中含110vdc控制电源,功率12kw。最近国外生产的地铁车辆,在6节编组中,每单元只配一台静止辅助逆变器,容量约250kva,直流110v控制电源也一台,约25kw。所谓集中供电。

这两种供电方式各有优缺点。分散供电其冗余度大,均衡轴重好配置,但造价要大些,且总重量也会高些。而集中供电冗余度小,每轴配重难以一致,但相对而言,总重会轻些,成本低些。采用集中供电也是与电力电子技术发展、电力电子器件性能改善与可靠性的提高分不开的。从冗余度与轴重均衡出发,宁选分散式供电方案。

3.2 三点式与二点式方案

静止辅助逆变器是辅助电源系统中最关键的装置。三点式逆变器不仅弥补igbt器件阻断电压不够高的缺陷,而且从其电气性能看,输出的电压或电流波形好,其开关频率低,损耗也小。在德国与日本的地铁或轻轨车辆上已成功并得到广泛应用,体现出其优越的性能。而二点式逆变器是传统的通用的逆变器,要想输出接近正弦波的电压或电流,不仅要高的开关频率,而且还要串入高要求的匹配的滤波器。从目前igbt器件可靠性不断提高,驱动与保护又集成并封装在功率模块内所谓 ipm器件,再从希望降低噪声出发,因而三点式方案也是可选的方案,而且其开关频率低,器件本身损耗小,结温低,工作条件有利,寿命与可靠性也进一步提高。

3.3 变压器隔离

为了人身安全,低压系统或控制电源虽从1500vdc网压变换过来,但必须实现与高压网压系统的电气电位上的隔离。最佳且最实用的隔离方式是采用变压器隔离。从上述方案中看出,有50hz变压器隔离和高频变压器隔离两种方式。由变压器基本原理知,50hz变压器其体积与重量较大,而高频变压器其体积与重量就成倍地减小。但后者必须采用性能好的高频磁芯,目前大都采用进口的铁氧体磁芯或国内已研制成功也批量投产的价廉的铁基微晶合金的磁芯。因而采用高频变压器隔离,应用国产的高频磁芯,国内也已具备条件。

进口的上海地铁2号线车辆静止辅助系统是采用高频变压器实现电气电位上隔离,工作频率约20khz,两个高频变压器容量各约50kva,其体积与重量同 50hz变压器比较已缩减到几十分之一。考虑到高频时铁芯损耗,将高频变压器放置在强迫通风的风道内。对分散供电方式,为减轻重量采用高频变压器隔离方式是较好的。由于强迫通风,为降低噪声,在冷却方面风道设计应仔细考虑。但对集中供电,由于容量较大,目前国外还大都采用50hz变压器实现电气电位上隔离。

对于110vdc控制电源,容量不大,约25kw。因而现今国内外都采用直-直变换及高频变压器隔离,这是优选的方案。

4 一些建议

(1) 从改善输出波形、降低开关频率与损耗、减少噪声与提高可靠性, 采用三点式逆变器构成静止辅助系统方案是合适的。

(2) 直流110vdc控制电源兼蓄电池充电器采用独立式的直-直变换器与高频变压器隔离的方案是今后发展的方向。

(3) 在国内自己开发并制造的地铁车辆上采用分散供电方式,即每车辆配一台静止辅助电源装置,从冗余度与确保安全性,应属首选方案。

(4) 北京国产750vdc地铁车辆辅助系统已不适应现代乘客乘座的需要,应根据上述方案和国内情况考虑改造,将容量小的旋转式电动发电机组改造为具有空调机组容量的静止式辅助系统。

参考文献
[1] 陶生桂等. 城市地铁交流传动系统及其方案[j]. 城市轨道交通研究,1998,no.1.
[2] 陶生桂等. 城市轨道交通地铁与轻轨动车组辅助系统发展与方案设想[a]. 第5届中国交流电机调速传动学术会议论文集cavd'97[c]. 海南.

作者简介
康劲松(1972-) 男 博士研究生 主要研究方向:电力电子与电气传动。

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