程永誼,軒云龍
(1 鐵科院(北京)工程咨詢有限公司,北京100081;2 國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心,北京100190)
城軌車輛輔助系統(tǒng)低壓電源包括DC 110V和DC 24V電源,其中DC 110V電源兼作蓄電池充電機。DC 110V電源主要用于貫穿全車的列車正常供電永久母線、控制母線和一些信號燈(少數(shù)車輛也用作客室一部分照明)用電。DC 110V電源有直接變流與間接變流兩種模式,前者的輸入電源為電網(wǎng)電壓DC 1 500V或DC 750V,即DC—DC變流模式,后者的輸入電源為輔助逆變器輸出電壓AC 380V,即DC—AC—DC變流模式。DC 24V電源主要用于車輛頭燈電源。
DC 110V電源在列車上的配置一般是每列車兩臺,其功率應當滿足一臺故障時另一臺能完全滿足全列車的正常工作,因此對它的容量冗余度要求較高。以6輛編組B型列車為例,每列車設兩臺,每臺功率20~25 kW(少數(shù)集中并網(wǎng)供電,共設4臺,每臺12kW)。DC 24V電源多數(shù)城軌車輛采用統(tǒng)一規(guī)格的DC—DC模塊,功率較小,每臺1~2kW。本文主要介紹DC 110V電源變流器。
由DC 1 500V或DC 750V供電的直接變換的DC—DC變換器有雙橋式DC—DC型和單橋式DC—DC型,單橋式DC—DC型又有單相橋式變流器和諧振式變流器兩種。
用于DC 1 500V供電系統(tǒng)的電路如圖1所示。雙橋式DC—DC變流器采用兩臺單相半橋高頻逆變器INV串聯(lián),它們之間用支撐電容器(即濾波電容)C01、C02分壓。其輸出分別給兩臺高頻降壓變壓器T原邊繞組供電,高頻變壓器降壓輸出后分別通過兩臺快恢復二極管構(gòu)成的推挽式整流電路R整流,然后分別通過濾波器濾波,最后將兩臺變流器的輸出并聯(lián),給DC 110V負載供電。其中高頻逆變器可以采用PWM調(diào)制以控制直流輸出電壓,這種變流器也是模塊化結(jié)構(gòu),若用于DC 750V供電的系統(tǒng)只須將兩臺逆變器輸入端并聯(lián)即可。
圖1 雙橋式DC—DC變流器電路
這種電路的優(yōu)點是可以在DC 1 500V供電的系統(tǒng)中用低電壓的IGBT(1 700V)并使用了高頻變流技術(shù),但電路復雜、控制要求高、所使用的電力電子器件多,器件多則故障概率高。在早期IGBT水平較低的時候是有優(yōu)勢的,如廣州地鐵1號線,目前3 300VIGBT已廣泛應用。
單相橋式DC—DC變流器(如圖2)采用DC 1 500 V或DC 750V輸入,經(jīng)過下列環(huán)節(jié)L-C輸入濾波器-單相高頻逆變器,其可采用全橋逆變電路和半橋逆變電路。逆變時可以用PWM調(diào)制以調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的輸出電壓—高頻變壓器(起隔離與降壓兩個作用)—快恢復二極管構(gòu)成的單相高頻整流器(可以采用橋式電路也可以采用推挽電路)—L-C輸出濾波器—DC 110V輸出。該電路相對而言較簡單,使用部件少;由于采用高頻技術(shù),整個設備體積更小、質(zhì)量更輕,工作可靠性不依賴于輔助逆變器。因此,深圳1號線采用此電路,但該系統(tǒng)對高壓高頻變流器及變壓器制作工藝要求高,價格較貴。
圖2 單相橋式DC—DC變流器框圖
用于DC 1 500V供電系統(tǒng)的諧振式DC—DC變流電路(如圖3)采用兩個雙IGBT模塊M1、M2串聯(lián)接至DC 1 500V電源,兩個濾波電容器C1、C2起均壓作用,高頻變壓器T繞組(用它的漏感L)與電容構(gòu)成串聯(lián)諧振電路。該諧振電路兩端分別接至IGBT模塊中點,變壓器次邊繞組輸出,通過推挽式高頻整流器及L-C濾波器后輸出DC 110V電壓。只要諧振參數(shù)選擇得當(IGBT的開關(guān)頻率fs小于諧振頻率fr的一半,即,其中諧振頻率),變流器的IGBT就能滿足軟開關(guān)要求,并能降低開關(guān)損耗與電磁干擾。同時由于串聯(lián)電容可以隔斷直流分量,因此亦可以避免變壓器磁飽和,并可調(diào)節(jié)fs以控制輸出電壓。
該電路優(yōu)點是對于能實現(xiàn)軟開關(guān)的變流器來說電路簡單,并使用了高頻技術(shù)。缺點則是對系統(tǒng)控制要求高,尤其是對變壓器制造精度要求高,維護工作有一定難度,在輕載和空載時輸出電壓難于調(diào)節(jié),杭州1號線即采用此電路結(jié)構(gòu)。如果用于DC 750V供電的系統(tǒng),只需將雙IGBT模塊的輸入端改成并聯(lián)即可。
圖3 諧振式DC—DC變流器電路
直流模塊隔離DC—DC變流器電源系統(tǒng)的框圖(圖4(a)),包括3個模塊,其中1為直流模塊,2為逆變模塊,3為低壓電源模塊,直流模塊與低壓電源模塊的電路原理如圖4(b)和4(c)所示。
圖4 電源模塊原理圖
直流模塊包括升壓斬波器CH、諧振式逆變器INV1和整流器R1三部分。升壓斬波器直接由網(wǎng)壓輸入,設置升壓斬波器的目的是為了使諧振式逆變器的輸入電流穩(wěn)定,不受電網(wǎng)電壓波動的影響,并將網(wǎng)壓升至某一恒定值,如1 800V。其輸出經(jīng)諧振逆變器—高頻變壓器—高頻整流器后輸出恒定的DC 700V電壓,同時給逆變器和低壓電源供電。低壓電源模塊將DC 700 V電壓經(jīng)單相高頻逆變INV2—變壓器T2降壓—推挽整流器R2—L2、C2濾波后輸出DC 110V電壓。該電路過于復雜,僅適用于諧振式逆變器作隔離的輔助逆變器系統(tǒng)中(該系統(tǒng)中輔助逆變器容量為110kVA,低壓電源功率為12kW)。
由上述可見,所有直接DC—DC變流器都是經(jīng)過電網(wǎng)輸入—高頻變換—整流構(gòu)成,本質(zhì)上都是DC—高頻AC—DC系統(tǒng),高頻變換使得變壓器體積、總重大大減小,例如一臺4kHz200kVA的變壓器總重僅為同容量50Hz變壓器的1/6。但高頻變換也導致元器件的開關(guān)損耗增大,如果能使用軟開關(guān)技術(shù),則能兩全其美,但也使得電路變得較為復雜。由于采用電網(wǎng)直接供電方式,DC—DC變流器工作的可靠性僅取決于自身,與輔助逆變器無關(guān),因此,已應用在上海、深圳、廣州、杭州等城軌車輛上。
目前,采用由輔助逆變器供電的間接DC—AC—DC變流器主要有6種電路拓撲結(jié)構(gòu),包括采用單獨變壓器供電、輔助變壓器次邊繞組供電、高頻隔離供電、降壓斬波器供電、升壓斬波器供電和脈沖整流器供電等電路,具體如下。
單獨變壓器由輔助逆變器輸出的AC 380V供電,降壓后通過三相二極管整流橋及濾波器輸出DC 110V電壓。在此電路結(jié)構(gòu)中,由于直流輸出電壓不可控,因此蓄電池充電電流亦不可調(diào),通過將二極管整流橋改為三相可控整流橋,可實現(xiàn)充電電流根據(jù)蓄電池電壓和溫度進行控制。同時,也存在附加的50Hz變壓器體積、總重大等不足。
輔助電源的變壓器次邊繞組,除了三相AC 380V外,另有一組為DC 110V供電的低壓三相繞組,其輸出經(jīng)晶閘管三相整流橋RF及濾波器DCL、DCF輸出DC 110V電壓,這種電路如圖5所示,即采用晶閘管橋?qū)嵤┫嗫卣?。采用晶閘管整流,雖然輸出電壓可控,但電壓波形脈動依然較大,因此對濾波要求高。
圖5 輔助逆變器次邊繞組供電電路
以上兩種變流器的共同優(yōu)點是電路簡單,價格低。共同的缺點是:①輸出電壓脈動大,尤其是當采用晶閘管整流,雖然輸出電壓可控,但電壓波形脈動大,則對濾波要求高;②低壓電源依賴于輔助逆變器,一旦逆變器故障,也同時失去了對DC 110V供電。
在此電路結(jié)構(gòu)(圖6)中,由輔助逆變器AC 380V輸出,經(jīng)三相二級管整流橋R整流后經(jīng)L1、C1濾波,通過高頻單相逆變器INV變換為高頻交流電壓,然后由高頻變壓器降壓,再通過快恢復二極管橋RF整流、L2、C2濾波后輸出DC 110V電壓。這種DC—AC—DC變流器由于采用高頻技術(shù),其變流器輸出電壓波形紋波小,對濾波器要求低;并高頻變壓器體積小,質(zhì)量輕,可使整個設備輕量化;通過在逆變時采用PWM調(diào)制技術(shù),其整流后的輸出電壓可控,且蓄電池充電電流可調(diào)。但其對所用材料及技術(shù)和制造工藝要求高,如快恢復二極管、適用于高頻的變壓器等,提升了設備整體成本。
圖6 輔助逆變器高頻供電電路
該電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。采用三相AC 380V輸入,經(jīng)過變壓器FRT降壓,利用三相二極管橋R整流,后經(jīng)降壓斬波BCH穩(wěn)壓,再經(jīng)過輸出濾波器BCFL與BCFC濾波,然后得到DC 110V輸出。其中,BCCT1與BCPT分別為電流、電壓傳感器,BCFL、BCFC為濾波電抗、電容器,用于減少直流電輸出電壓脈動。
圖7 降壓斬波器供電電路
該電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。采用三相AC 380V輸入,經(jīng)變壓器降壓后,再通過三相二極管橋整流,經(jīng)升壓斬波器穩(wěn)壓,輸出濾波器濾波后,輸出DC 110V。其中L為升壓斬波器儲能電感,C為輸出濾波器電容器。
圖8 升壓斬波器供電電路
以上2.4與2.5兩種利用斬波器穩(wěn)壓的電路,系統(tǒng)輸出電壓的紋波取決于斬波器的斬波頻率。這兩種電路的優(yōu)點是電路簡單,輸出電壓及其紋波可控,可完全滿足系統(tǒng)控制要求,降壓斬波電路尤為簡單,升壓斬波電路較為復雜,需要增加一個空芯電抗器作為儲能電感。
該系統(tǒng)由輔助逆變器的另一副邊繞組W2給三相PWM脈沖整流器RP供電,如圖9所示。在正常工作情況下,額定輸出電壓DC 110V,由于采用PWM調(diào)制,輸出電壓調(diào)節(jié)范圍為DC 77~137.5V。紋波小,為0.7V。在故障情況下,例如電網(wǎng)失電或輔助逆變器故障,脈沖整流器作應急通風逆變器運行。當電網(wǎng)失電時,由蓄電池供電,脈沖整流器逆變輸出三相AC 250V±5%,35Hz,額定功率135kVA,總諧波損失≤8%,功率因數(shù)cosφ=0.63。
圖9 脈沖整流器供電電路
在以上的6種間接DC—DC變流器電路中,均依賴于輔助逆變器,采用輔助逆變器供電的高頻DC—AC—DC變流器經(jīng)整流、濾波后輸出電壓品質(zhì)較好,脈動小,通過采用高頻技術(shù),也適當降低了變壓器總重,其電路簡單、成熟可靠,已應用在北京、廣州、沈陽、無錫、昆明、重慶等城軌車輛上。
(1)由于DC 110V電源兼作蓄電池充電機,為確保蓄電池失壓情況下可靠工作,可通過應急啟動單元將1 500V直流電壓轉(zhuǎn)換到隔離的110V直流母線上,從而給輔助逆變器內(nèi)部的控制電路供電并啟動蓄電池充電機,此電路雖復雜但整體性能優(yōu)于采用內(nèi)部應急蓄電池啟動輔助逆變器和低壓電源的方案,目前廣泛應用在杭州、蘇州、上海和寧波等城軌車輛上。
(2)低壓電源是車輛的關(guān)鍵設備,直接影響列車控制系統(tǒng)的工作安全可靠,同時兼做蓄電池充電機,筆者認為DC 110V低壓電源的工作可靠性以不依賴于輔助逆變器為妥,宜采用直接DC—DC變流器,諧振式DC—DC變流器具有電路簡單、能達到軟開關(guān)的效果、高頻變壓器體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點;當然也存在如本文所述的一些問題,應進一步研究優(yōu)化直接DC—DC變流器電路結(jié)構(gòu),為城軌車輛提供穩(wěn)定可靠的低壓電源系統(tǒng)。
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