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        城軌車(chē)輛輔助系統(tǒng)DC 110V電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

        2013-11-27 05:57:34程永誼軒云龍
        鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛 2013年1期
        關(guān)鍵詞:整流器變流器諧振

        程永誼,軒云龍

        (1 鐵科院(北京)工程咨詢(xún)有限公司,北京100081;2 國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作北京中心,北京100190)

        城軌車(chē)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(jī)。DC 110V電源主要用于貫穿全車(chē)的列車(chē)正常供電永久母線、控制母線和一些信號(hào)燈(少數(shù)車(chē)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(chē)輛頭燈電源。

        DC 110V電源在列車(chē)上的配置一般是每列車(chē)兩臺(tái),其功率應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足一臺(tái)故障時(shí)另一臺(tái)能完全滿(mǎn)足全列車(chē)的正常工作,因此對(duì)它的容量冗余度要求較高。以6輛編組B型列車(chē)為例,每列車(chē)設(shè)兩臺(tái),每臺(tái)功率20~25 kW(少數(shù)集中并網(wǎng)供電,共設(shè)4臺(tái),每臺(tái)12kW)。DC 24V電源多數(shù)城軌車(chē)輛采用統(tǒng)一規(guī)格的DC—DC模塊,功率較小,每臺(tái)1~2kW。本文主要介紹DC 110V電源變流器。

        1 直接變換DC—DC變流器電路型式

        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。

        1.1 雙橋式DC—DC變流器

        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(tái)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(tái)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(guò)兩臺(tái)快恢復(fù)二極管構(gòu)成的推挽式整流電路R整流,然后分別通過(guò)濾波器濾波,最后將兩臺(tái)變流器的輸出并聯(lián),給DC 110V負(fù)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(tái)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(diǎn)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(fù)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(shí)候是有優(yōu)勢(shì)的,如廣州地鐵1號(hào)線,目前3 300VIGBT已廣泛應(yīng)用。

        1.2 單相橋式DC—DC變流器

        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(guò)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(shí)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(gè)作用)—快恢復(fù)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(duì)而言較簡(jiǎn)單,使用部件少;由于采用高頻技術(shù),整個(gè)設(shè)備體積更小、質(zhì)量更輕,工作可靠性不依賴(lài)于輔助逆變器。因此,深圳1號(hào)線采用此電路,但該系統(tǒng)對(duì)高壓高頻變流器及變壓器制作工藝要求高,價(jià)格較貴。

        圖2 單相橋式DC—DC變流器框圖

        1.3 諧振式DC—DC變流器

        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(gè)雙IGBT模塊M1、M2串聯(lián)接至DC 1 500V電源,兩個(gè)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(diǎn),變壓器次邊繞組輸出,通過(guò)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(dāng)(IGBT的開(kāi)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(mǎn)足軟開(kāi)關(guān)要求,并能降低開(kāi)關(guān)損耗與電磁干擾。同時(shí)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(diǎn)是對(duì)于能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的變流器來(lái)說(shuō)電路簡(jiǎn)單,并使用了高頻技術(shù)。缺點(diǎn)則是對(duì)系統(tǒng)控制要求高,尤其是對(duì)變壓器制造精度要求高,維護(hù)工作有一定難度,在輕載和空載時(shí)輸出電壓難于調(diào)節(jié),杭州1號(hào)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

        1.4 直流模塊隔離DC—DC變流器

        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(gè)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(shè)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(dòng)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(shí)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(guò)于復(fù)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(jiàn),所有直接DC—DC變流器都是經(jīng)過(guò)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(tái)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(dǎo)致元器件的開(kāi)關(guān)損耗增大,如果能使用軟開(kāi)關(guān)技術(shù),則能兩全其美,但也使得電路變得較為復(fù)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?xún)H取決于自身,與輔助逆變器無(wú)關(guān),因此,已應(yīng)用在上海、深圳、廣州、杭州等城軌車(chē)輛上。

        2 間接DC—DC變流器電路型式

        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?fù)浣Y(jié)構(gòu),包括采用單獨(dú)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。

        2.1 單獨(dú)變壓器供電型式

        單獨(dú)變壓器由輔助逆變器輸出的AC 380V供電,降壓后通過(guò)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(guò)將二極管整流橋改為三相可控整流橋,可實(shí)現(xiàn)充電電流根據(jù)蓄電池電壓和溫度進(jìn)行控制。同時(shí),也存在附加的50Hz變壓器體積、總重大等不足。

        2.2 輔助變壓器次邊繞組供電型式

        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(dòng)依然較大,因此對(duì)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(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,價(jià)格低。共同的缺點(diǎn)是:①輸出電壓脈動(dòng)大,尤其是當(dāng)采用晶閘管整流,雖然輸出電壓可控,但電壓波形脈動(dòng)大,則對(duì)濾波要求高;②低壓電源依賴(lài)于輔助逆變器,一旦逆變器故障,也同時(shí)失去了對(duì)DC 110V供電。

        2.3 輔助逆變器高頻隔離供電型式

        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(jí)管整流橋R整流后經(jīng)L1、C1濾波,通過(guò)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(guò)快恢復(fù)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(duì)濾波器要求低;并高頻變壓器體積小,質(zhì)量輕,可使整個(gè)設(shè)備輕量化;通過(guò)在逆變時(shí)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(duì)所用材料及技術(shù)和制造工藝要求高,如快恢復(fù)二極管、適用于高頻的變壓器等,提升了設(shè)備整體成本。

        圖6 輔助逆變器高頻供電電路

        2.4 降壓斬波器供電型式

        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(guò)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(guò)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(dòng)。

        圖7 降壓斬波器供電電路

        2.5 升壓斬波器供電型式

        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(guò)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(chǔ)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(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,輸出電壓及其紋波可控,可完全滿(mǎn)足系統(tǒng)控制要求,降壓斬波電路尤為簡(jiǎn)單,升壓斬波電路較為復(fù)雜,需要增加一個(gè)空芯電抗器作為儲(chǔ)能電感。

        2.6 脈沖整流器供電型式

        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(yīng)急通風(fēng)逆變器運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)失電時(shí),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(lài)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(dòng)小,通過(guò)采用高頻技術(shù),也適當(dāng)降低了變壓器總重,其電路簡(jiǎn)單、成熟可靠,已應(yīng)用在北京、廣州、沈陽(yáng)、無(wú)錫、昆明、重慶等城軌車(chē)輛上。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        (1)由于DC 110V電源兼作蓄電池充電機(jī),為確保蓄電池失壓情況下可靠工作,可通過(guò)應(yīng)急啟動(dòng)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(dòng)蓄電池充電機(jī),此電路雖復(fù)雜但整體性能優(yōu)于采用內(nèi)部應(yīng)急蓄電池啟動(dòng)輔助逆變器和低壓電源的方案,目前廣泛應(yīng)用在杭州、蘇州、上海和寧波等城軌車(chē)輛上。

        (2)低壓電源是車(chē)輛的關(guān)鍵設(shè)備,直接影響列車(chē)控制系統(tǒng)的工作安全可靠,同時(shí)兼做蓄電池充電機(jī),筆者認(rèn)為DC 110V低壓電源的工作可靠性以不依賴(lài)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(jiǎn)單、能達(dá)到軟開(kāi)關(guān)的效果、高頻變壓器體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn);當(dāng)然也存在如本文所述的一些問(wèn)題,應(yīng)進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化直接DC—DC變流器電路結(jié)構(gòu),為城軌車(chē)輛提供穩(wěn)定可靠的低壓電源系統(tǒng)。

        [1]李 新.HXD3型機(jī)車(chē)用DC 110V電源裝置[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛,2008,31(2):42-45.

        [2]陳 穎,張鐵軍,賀正蕓.大功率蓄電池組充電器主電路設(shè)計(jì)[J].大功率變流技術(shù),2009,32(2):35-37.

        [3]賀明智,劉宏亮,王 丹,馮 軻.串聯(lián)負(fù)載諧振變換器的參數(shù)設(shè)計(jì)[J].大功率變流技術(shù),2009,32(3):24-26.

        [4]阮新波,嚴(yán)仰光.直流開(kāi)關(guān)電源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2000.

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