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辅助逆变系统的分析和研究
辅助逆变系统的分析和研究
摘要
辅助逆变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份,它可为空调、通风机、空压机、蓄电池充电器及照明等辅助设备提供供电电源,其核心部件确实是辅助逆变器。
本文要紧介绍地铁车辆辅助逆变系统的逆变特性、参数和逆变电路等。
并对PWM信号线路优化,实现操纵信号和电力线路的光电隔离。
然后详细的分析了六列编组地铁车辆的配变电系统,要紧配电设备,配电线路和配电原理等。
目前世界上在地铁与轻轨辅助逆变系统中多数采纳绝缘栅双极型晶体管IGBT(或IPM)模块来组成。
利用IGBT元件的辅助逆变器提供低压辅助电源,其冷却方式采纳强迫风冷。
蓄电池采纳镍镉电池,容量大于100Ah。
关键词:
地铁车辆操纵系统;辅助逆变系统;IGBT逆变器;PWM脉宽操纵
Analysisandstudyofauxiliaryinvertersystem
Abstract
Auxiliaryinvertersystemisthesubwayorlightrailvehiclesonanessentialpartofthekeyelectrical,Itprovidespowertotheairconditioning,fan,aircompressor,batterychargerandlightingandotherauxiliaryequipment,Itscoreequipmentisauxiliaryinverter.Thispaperintroducesthecharacteristics,parametersandinvertercircuitanalysis,etcofauxiliaryinvertersystem.AndoptimizethePWMsignallines,toachieveusingopticalsignalstoisolatethecontrolsignalandpowerlines.Thenadetailedanalysisofthesixsubgroupsofthetrainwithtransformersystem,themainpowerdistributionequipment,powerdistributionlinesanddistributiontheory,worldinthesubwayandlightrailsystemswerepoweredauxiliaryinsulatedgatebipolartransistorIGBT(orIPM)moduletoform.
AuxiliaryIGBTdevicesusedtoprovidelow-voltageinverterauxiliarypowersupply,coolingbyforcedaircooling.Nickel-cadmiumbatteriesinthebattery,thecapacityisgreaterthan100Ah.
Keywords:
metrovehiclecontrolsystems;supportsystem;IGBTinverter;PWMpulsewidthcontrol
引言
随电力电子器件进展,辅助逆变系统也经历着不同方案的进展进程。
由于新一代性能优良的IGBT器件迅速进展,20世纪90年代中后期,欧洲与日本等国的车辆辅助逆变系统多数采纳IGBT来组成,其方案大致有:
(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,加隔离变压器组成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。
这些方案各有其特点,而且都能知足地铁或轻轨车辆的要求。
在目前的方案中,对DC110V操纵电源要紧有两种不同的假想:
(1)通过50Hz隔离降压变压器来实现;
(2)独立的直——直变换器直接接于供电网压通太高频变压器隔离后再整流并滤波取得DC110V操纵电源。
从二者比较看,后者是独立的,与辅助逆变器无关,也就不受逆变器故障的阻碍,在供电功能方面有必然的益处;可是因为需要独立的直流电源,也就增加了本钱。
1辅助逆变系统
辅助逆变系统的要紧功能
地铁车辆除需要有一套主电路系统,担负从架空接触网上集电、经斩波器操纵供给牵引电动机作牵引动力或制动时反馈电能到触网的操纵等功能,还需要有一整套担负列车本身的照明、空调、设备冷却、蓄电池充电等辅助功能的系统,给这套提供电源辅助逆变系统确实是咱们所说的列车辅助逆变系统。
辅助逆变系统要紧有下述三种功能部份:
(1)逆变部份:
辅助用电设备多数需要三相50Hz,380V/220V交流电源,因此第一要将波动的直流网压逆变成恒压恒频的三相交流电。
(2)变压器隔离部份:
为了平安必需将电网上的高压与低压用电设备,尤其是常需人工操作的操纵电源的设备,在电气电位上实现隔离。
通常采纳变压器进行电气隔离,同时也可通过设计不同的匝比以知足电压值的需要。
(3)直流电源(兼作蓄电池充电器):
车辆上各操纵电器都由直流电源DC/DC供电。
车辆上蓄电池为紧急用电所需,因此DC110V操纵电源同时也是蓄电池的充电器。
上述三部份组成完善的辅助供电系统。
为了保证车辆正常运行和使客室具有必然的舒适性,车辆上需要许多辅助设备。
例如:
为了给电器通风、冷却,需设置通风机;为了列车制动和驱动受电弓起落、客室门开关等气动机械需设置空气紧缩机、冷却机和通风机;另外还有车辆照明、蓄电池充电、操纵电气等等。
这些辅助设备及供给辅助用电的系统就组成了辅助电路。
辅助逆变系统是采纳新型静态辅助逆变器DC/AC、DC/DC。
采纳新型静态辅助逆变器DC/AC、DC/DC。
车辆的空调紧缩机、通风机、空气紧缩机、照明、操纵电源、蓄电池充电等都需要低压电流即将电网的直流1500伏变成交流50赫兹、380伏、220伏和直流110伏电,这确实是辅助电源系统的任务,克服了过去多用电动发电机组变换,缺点是噪声大、振动大、维修量大的缺点。
辅助逆变系统的工作状态正常与否直接阻碍整列车的运行功能。
专门是当数辆车发生辅助电路故障时将致使整个运行线路的中断,因此列车辅助逆变系统对保障高效、靠得住、平安的运行体系是极为必要的。
辅助逆变系统的要紧硬件
辅助逆变系统由三部份组成:
辅助逆变系统电源、辅助逆变系统供电、辅助逆变系统的操纵。
如图确实是辅助逆变系统各元件的配置位置。
图辅助逆变系统硬件组成实物图
从图中能够看出,其要紧分为输入滤波电感,绕线式零配件区域,操纵、模块、电源充电区,开关设备区,接口端子连接区七个电路区域。
H01:
AgateAux(IP55compartment)
H02:
逆变器和接地模块(IP55)
H03:
蓄电池充电模块(IP55)
H04:
充电滤波电阻(IP20)
H05:
充电变压器(IP20)
H06:
输入传感器(IP20)
H07:
接地电阻(IP20)
H08:
3相电容(IP20)
H09:
电机风扇(IP20)
H10:
三相传感器(IP20)
H11:
三相变压器(IP20)
H12:
绝缘和接地开关(IP55)
H13:
三相接触器(IP55)
H14:
要紧输入触点(IP55)
H15:
充电接触器(IP55)
H16:
充电电阻(IP55)
H17:
自举蓄电池(IP55)
2辅助逆变系统电源
在列车供电系统设计中,供电电源要紧来至接触网和安装在车底的DC110直流蓄电池。
(1)正常供电的电源:
辅助逆变器供电
(2)应急供电电源:
蓄电池供电
几种成熟辅助电源
欧洲的辅助逆变器
日本的辅助逆变器
国产的辅助逆变器
辅助逆变器
2.1.1外形尺寸:
长:
2652mm
高:
600mm
深度:
2000mm
重量:
1350kg
2.1.2输入:
额定输入电压:
1500VDC
工作电压范围:
1000~2000VDC
持续工作电压范围:
1200~1800VDC
供电线途经电压:
依照IEC1287
输入滤波器的谐振频率:
接近66Hz
2.1.3交流输出:
额定输出电压(基波):
线电压400V有效值
额定公差:
±5%
输出频率:
50Hz±1%
输出功率:
120kVA持续功率,功率因数为
240kVA功率因数为时,持续5秒
总输出电压谐波失真:
最大10%
2.1.4直流输出:
(1)额定输出电压:
20℃时
10℃时
50℃时
(2)输出电压依照蓄电池温度调剂:
调剂的范围:
±2%
输出功率:
12kW
输出电流限额:
97A
电压纹波:
±5%峰-峰
(3)其他:
IGBT(绝缘栅双极型晶体管)PWM波调制的逆变器
隔离电力变压器
操纵电源电压范围:
77~137VDC
额定条件下的效率:
>89%
周围环境温度范围:
-25℃~+40℃
湿度:
95%
冷却:
强迫冷却
安装:
从侧面安装在地板下
蓄电池
蓄电池是应付列车在紧急情形和唤醒列车时所利用的电源。
型式:
碱性镉-镍蓄电池。
容量:
可依照自身的负载情形而定,一样在100Ah~160Ah之间。
功用:
列车在无网压时,蓄电池的容量应能够供给列车内部事故照明、外部照明、紧急通风、车载平安设备、广播、通信系统等工作45分钟。
当网压恢复时,蓄电池电压应能保证逆变器的起动。
蓄电池安装在A车和B车上,它们横向吊装在车体纵向中心线位置处。
列车6辆编组时装有4个蓄电池是基础的形式,8辆编组装有5个蓄电池箱,那么是一种从6辆编组的列车上增加2辆车的可能形式。
(参见图2.2.1)和(图)
图2.2.1 蓄电池箱的安装―6辆编组形式
图2.2.2 蓄电池箱的安装―8辆编组形式
2.2.1蓄电池内部设备
蓄电池箱包括:
内部四侧均装有橡胶密封垫的框架,1个装有吊座的盖子,便于起吊和搬运,2个接线盒用于蓄电池箱的电气连接器和车上电路连接,1个便于安装电气的支架,1套注水密封装置,幸免从外部直接接触到箱内的所有部件,2个熔断器BAMF1和BAMF2(20A)和熔断器座,针对温度补偿功能设有1个温度传感器,接线端子TB02BAT许诺和车辆电缆传感器相连,带有固定装置的84个电池单元,2根接地电缆固定在两个十字形的接地连接器上,蓄电池的通风度纳自然通风形式。
2.2.2蓄电池特性
环境温度+20℃下,蓄电池箱每节电池接线柱的输出电压(参见图2.2.3):
额定电压:
±2%
最大电压:
最小电压:
图2.2.3 温度补偿曲线
外界环境温度:
最低值:
-10℃
最高值:
+50℃
充电:
温度补偿:
-3mV/℃
充电电流:
充电电压:
第一:
以恒定的电流充电()直到蓄电池的每一个单元电压达到在环温20℃时的额定值±2%;第二:
环温20℃时蓄电池的每一个单元电压转变范围±2%(参见图2.2.4)。
图2.2.4 蓄电池充电曲线
放电曲线:
0至45分钟放电至:
45至60分钟放电至:
列车起动恰在60分钟后。
(参见图2.2.5)
总共60分钟
6辆车总电量
前45分钟
32577W
后15分钟
14336W
图2.2.5 蓄电池放电60分钟
辅助电源的主电路
辅助逆变器能够产生400VAC和230VAC的中压。
400VAC中压用于空压机、空气调剂、牵引设备的通风,230VAC中压用于正常照明。
辅助逆变器自带的变压器将中压转换为低压,用于车门、应急照明、旅客紧急通风、通信、操纵和数据处置等。
图2.2.6辅助逆变器的工作原理图。
图2.2.6 辅助逆变器主电路原理
此辅助电源系统电源系统具有以下优势:
(1)直流输出部份为交直交变换,不受交流输出的限制和阻碍,能够自主的进行调压,通过电池的温度传感器进行自动的温度补偿,而且能够在浮充的情形下通过调压,能够将蓄电池充满电。
(2)模块化设计,辅助逆变器为一个整体,便于安装布线和维修。
2.3.1IGBT(IPM)型逆变器原理
一个三相逆变器拥有6个静态开关用于将一个直流电压转换成交流电压,从图2.2.7中能够看出,中压由一台辅助逆变器提供。
每一台辅助逆变器提供一个彼此独立的三相中压电网。
逆变器是采纳IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路,一个三相逆变器拥有6个静态开关,通过微机输入的PWM信号,IGBT不断的配合导通,把直流电变换成交流电,改变三组开关的切换频率,即可改变输出交流电的频率。
可是输出的三相交流电还不是规那么的正弦波形,为了取得一个固定频率的交流输出电压,逆变器还采纳了“PWM”(脉冲宽度调制)来操纵,而采纳三相输出高频滤波器确实是用于将方波电压修正为一个正弦波电压,如此尽管受逆变器中电压波动的阻碍,负载电流也是正弦的。
通过滤波器输出的的三相交流电还不能直接供给用电设备,需要做降压处置,这就需要用到隔离变压器,变压器在这不仅要起到降压的作用,同时还要隔离逆变器的高压输入与逆变器的输出电压,变压器是低级线圈三角形连接,次级线圈星形连接。
400V的中压确实是三相电的相电压,而230V的中压是三相电的线电压。
图2.2.7逆变滤波变压隔离电路
2.3.2蓄电池充电原理
辅助逆变器还自带一个蓄电池充电器。
蓄电池充电器提供一个可控的低压DC输出,如图2.2.8所示,它包括一个三相全波二极管桥输入,半桥单向逆变器,变压器、输出整流器和调剂输出平稳的DC低通滤波器。
单相半桥电路将输入电压转换成方波电压然后供给变压器的低级。
变压器确保电池电压和低级电压之间的隔离。
二极管整流器和输出滤波器将直流电压提供给电池和110V负载。
如此,蓄电池充电器动作相当于一个可变转换比率的DC/DC变压器。
蓄电池充电器的电压依照温度和蓄电池的电压调剂。
图2.2.8蓄电池充电电路图
低压能够由逆变器或蓄电池输出,两种低压总线规定:
永久低压总线给休眠模式下的负载供电,逆变器提供的总线给其他低压负载供电,在休眠模式下,不向总线供电。
有两个电路提供低压:
一个永久低压电路和一个预压电路。
⑴永久低压电路为一些正常工作的低压负载和处于休眠模式需要唤醒的负载供电。
另外,还为列车联挂和解钩操纵部份供电。
⑵预压电路为所有正常工作和降级模式(比如没有高压)不进入休眠状态的的低压负载供电。
在车辆整备时,若是贮存有足够低压电能,预压列车线得电。
2.2.3自举电池运用及原理
逆变器箱中配置了自举电池,用于在主蓄电池完全放电时启动辅助逆变器。
当蓄电池电压太低的情形下,逆变器及充电器有紧急(自举)启动的功能。
若是蓄电池电压太低,逆变器电子装置检测到后,逆变器不启动。
在蓄电池组欠电压状态中辅助供电系统有一个启动功能。
驾驶室中有一个自举按钮,能够依托那个按钮,将自举蓄电池启动。
在按下按钮之前,必需手动升起受电弓给辅助逆变器1500V直流电压。
按钮必需闭合直到蓄电池充电器启动并给主电池提供足够的电压。
(1)启动顺序
操纵单元一旦从自举蓄电池监测到低压,预充接触器CCK即闭合,当输入电容器电压达到900V时,操纵单元关闭主接触器LIK并打开预充接触器CCK。
若是没有发觉故障,操纵单元关闭三相输出接触器,启动逆变器和蓄电池充电器
(2)停止顺序
操纵单元接收到“降弓”低压信号(软件中的LPT为110V直流,即为降弓),操纵单元停止逆变器和蓄电池充电器,并打开主接触器LIK和三相接触器AOIK,通过柔性消弧电路使电容器快速放电
(3)自举电池充电
列车在正常工作条件中,从DC/AC逆变器输出的3相400Vac电源通过桥路二极管整流装置对一个逆变器内置的自举蓄电池充电。
当接触器闭合时自举电池充电,如图2.2.9所示,将交流线电压230V引入自举电池的充电变压器,再通过桥路二极管整流后取得直流110V,给自举电池充电。
图2.2.9自举电池充电电路原理
3辅助逆变系统配电
在地铁车辆电气配电系统中,将电压分为三个品级:
即高压、中压和低压。
本文以六;列编组为例。
---高压为1500V直流
---中压为400/230V交流
---低压为110V直流
高压配电
高压通过架空线为整个列车提供电源,用于牵引装置和通过静态逆变器将其转换为中压(400/230VAC)然后再转换为低压(110VDC)。
静态逆变器配置在每一个拖车和不带受电弓的动车上。
每一台静态逆变器产生一个彼此独立的三相电网。
400V的中压用于空压机、空气调剂、牵引设备的通风,230V中压用于正常照明。
变压器将中压转换为低压,低压用于车门、应急照明、旅客紧急通风、通信、操纵和数据处置(参见图)。
PB
前行/制动情形
.
蓄电池充电
.
辅助逆变器
图 高压1500V配电
中压的产生和分派
中压是由一台静态逆变器提供。
每一台静态逆变器提供一个彼此独立的三相中压电网。
其中中线是必备的。
取得三相电压,相应的负载得电并依照以下的优先级启动。
空压机授权启动并在启动时通知TIMS(列车治理系统),车辆运行速度高于零速时牵引风机和可变制动电阻的风机开始启动。
其他负载依照上一级负载的启动状况并由TIMS的授权后许诺启动。
每一台静态逆变器提供一个独立的电网。
每车至少有两个独立的中压电网。
(参见图)
图 中压400/230V配电配电
低压的产生和配电
每台静态变换器和蓄电池输出低压。
两种低压总线规定:
永久低压总线给休眠模式下的负载供电,变换器提供的总线给其他低压负载供电。
在休眠模式下,变换器不向总线供电。
一组蓄电池能够手动地和低压电源分离而且分派电能。
在唤醒模式下,当静态变换器不工作时,蓄电池能给负载供电45分钟。
同时,关闭紧急通风装置以保证剩余的负载持续工作至少15分钟。
当低压电源低于较低值时,蓄电池和负载断开。
一台静态变换器只给一个蓄电池组供电,为了避免蓄电池向静态变换器产生低压回流,静态变换器设有低压回流爱惜。
为了避免变换器总线和永久低压总线向静态变换器-蓄电池组产生低压回流,每一台静态变换器-蓄电池转换器也设有低压回流爱惜。
蓄电池配置在每辆B车和A车上。
(参见图)
图 低压110VDC配电
4辅助逆变系统PWM操纵的信号爱惜
地铁车辆的辅助逆变器采纳微机操纵并有自诊断功能。
直流电源的分类操纵,如辅助逆变器操纵电源、ATC系统操纵电源、应急照明操纵等。
PWM操纵进程
逆变器通过“PWM”(脉冲宽度调制)来操纵,直接利用转换电压从一个不规那么的直流输入电压同时取得一个固定频率的交流输出电压。
如图为辅助操纵系统的框图,数据通过微处置器处置并转换成PWM调制信号,传输给IGBT驱动电路驱动逆变器将直流1500V逆变成400V/230V的交流,然后给辅助设备供电,通过检测器件将电流、电压和温度等信息反馈给处置器进行自动调剂IGBT的关断频率。
图辅助逆变系统操纵框图
PWM信号爱惜
在辅助操纵系统中,微机系统模块一样都在5V~10V低电压范围内工作,IGBT模块前级的脉冲输出的电压毛刺可能给它带来相当大的干扰。
为了那个缘故,在模块和前级输出之间采纳变压器或光耦(光耦经常使用于小电压输出,如信号电压)进行电压隔离。
尽管在驱动电路中设置有隔离电路,但其隔离成效有限,因此本文在脉宽输出模块和IGBT驱动模块之间增加了光电隔离模块,使其与驱动电路中的变压器隔离组成对微处置模块的双爱惜,变压器要紧进行干扰信号的隔离,光耦合器要紧进行大电压干扰的隔离。
图和表示添加进信号隔离框图和电路原理图。
图加信号隔离的框图
图加信号隔离后的PWM逆变原理图
5结论
城市轨道车辆辅助电源系统是列车正常运营中必不可少的电气系统,关系到了整个车辆可否正常运行,它负担列车照明、空调、设备冷却、蓄电池充电等辅助功能的系统。
本文对六列编组的地铁车辆辅助逆变系统高、中、低压配变电,逆变器的特性、参数等进行了系统的介绍。
并对PWM操纵信号线路优化,实现操纵信号和电力线路的光电隔离,进一步的确保车辆运营的平安性。
尤其对辅助逆变器电路进行了详细的分析研究,使咱们对地铁设备的国产化增加了信心,
有些电气设备我国还没能力进行独立自主的研发与制造,因此对这方面的知识不能进行深切的探讨。
我国应尽快加大这方面与国外的技术合作,把握核心技术。
辅助逆变电源方案的研究,应结合国内电力电子技术的进展、元器件的利用水平和国外地铁电动车组辅助逆变电源的进展方向,研制和开发出适合我国城市轨道交通地铁和轻轨车辆的辅助逆变供电系统。
如此既能降低本钱又能够加速我国独立自主生产国产化地铁的步伐。
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