胡正偉，焦芳芳

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品技術(shù)研究中心，河北唐山063035）

地鐵與輕軌

淺析廣佛線地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)

胡正偉，焦芳芳

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品技術(shù)研究中心，河北唐山063035）

介紹了應(yīng)用于廣佛線的輔助供電系統(tǒng)，闡述了列車主電路、輔助供電系統(tǒng)的組成、輔助供電系統(tǒng)的輸出電路及輔助供電系統(tǒng)的控制原理，并簡要分析了輔助供電系統(tǒng)的性能。

地鐵車輛；輔助供電系統(tǒng)；電池充電機；控制原理

珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段（以下簡稱廣佛線），以佛山市魁奇路站為起點，廣州市瀝滘站為終點，線路全長32.16 km，均為地下線路。佛山市境內(nèi)14.797 km，廣州市境內(nèi)17.363 km。全線采用直流1 500 V接觸網(wǎng)供電方式，輔助供電系統(tǒng)由西門子公司提供，經(jīng)運營測試，整個輔助供電系統(tǒng)成熟、安全可靠，充分滿足廣佛線列車的正常運營條件。本文針對廣佛線輔助供電系統(tǒng)進行詳細(xì)分析。

1 列車主電路

廣佛線地鐵車輛采用4節(jié)編組，2動2拖，車輛編組方式為：－Tc＋Mp＋Mp＋Tc－，其中：Tc車為帶司機室的拖車，Mp車為帶受電弓的動車；“－”為全自動車鉤，“＋”為半永久牽引桿。整列車分為兩個對稱的牽引單元，本文以一個牽引單位為例，對列車主電路進行分析，其主電路如圖1所示。

列車主電路由受電弓、避雷器、高壓箱、牽引逆變器箱、輔助逆變器箱、制動電阻箱、牽引電機、車間電源箱等設(shè)備組成。

每個高壓箱中均裝有一把3位閘刀開關(guān)，該閘刀開關(guān)可以在受電弓位、接地位和車間電源供電位3個模式下進行切換。車間電源供電與受電弓供電之間設(shè)置聯(lián)鎖，以保證整列車任何時候只有一種供電方式。另外，只有兩單元處于車間位，車間電源才能供電。輸入電源電路各電氣部件在閘刀開關(guān)不同工作模式下的狀態(tài)如表1所示。

圖1 列車主電路

當(dāng)閘刀開關(guān)處于受電弓位時，列車通過受電弓將接觸網(wǎng)中1 500 V直流電接入列車，再通過高壓箱保護設(shè)備接入牽引逆變器箱和輔助逆變器箱。DC1500 V電壓經(jīng)由高速斷路器輸入牽引逆變器系統(tǒng)，將直流電逆變?yōu)槿嘧儔鹤冾l交流電壓提供給牽引電機，通過牽引電機的聯(lián)軸器與動軸連接驅(qū)動整列車行進；DC 1 500 V電壓經(jīng)由熔斷器F1和F2為輔助供電系統(tǒng)提供工作電源，以給車上交流負(fù)載和直流負(fù)載提供工作電源。當(dāng)一架受電弓故障時，可以對該受電弓進行切除，通過另一個牽引單元的受電弓為整車進行受電，以保證列車的正常運行。

表1 各電氣部件在不同模式下的狀態(tài)

當(dāng)閘刀開關(guān)處于接地位時，牽引逆變器系統(tǒng)和輔助供電系統(tǒng)均被切除，此種工作模式可以保證在安全狀態(tài)下對列車進行電氣維護。

當(dāng)閘刀開關(guān)處于車間電源供電位時，閘刀開關(guān)將輔助供電系統(tǒng)與車間供電電源插座連接起來，使DC 1 500 V車間電源為輔助供電系統(tǒng)提供工作電壓。牽引逆變器系統(tǒng)在此種工作模式下不得電。

在對3位閘刀開關(guān)進行模式轉(zhuǎn)換時，不能直接切斷高壓電流。在轉(zhuǎn)動接地/隔離開關(guān)之前，主電路必須被接觸器斷開。隔離開關(guān)配有人工操作的閉鎖。在手動切換隔離開關(guān)至另一位置前，需要進行手動解鎖。一旦該閉鎖被手動操作，裝在隔離開關(guān)上的微型輔助開關(guān)將閉合其觸點。這個觸點被連接到一個控制電路中，該控制電路能在操作接地/隔離開關(guān)前斷開主電路。

2 輔助供電系統(tǒng)的組成

輔助供電系統(tǒng)由輸入電路、PWMI（Pulse-Width Modulated Inverter：脈寬調(diào)制型逆變器）模塊、輸出電路、控制模塊及電池充電機等組成。輔助供電系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示，以下對輔助供電系統(tǒng)各子模塊進行逐一分析。

2.1 輸入電路

輸入電路主要由輸入熔斷器、輸入濾波器、主接觸器及預(yù)充電電路等組成。輸入熔斷器是在后極電路過載或短路的情況下快速斷開電源的一種安全裝置，APS1的輸入熔斷器保護電流為160 A，APS2的輸入熔斷器保護電流為100 A。輸入濾波器類型為EMC（Electromagnitic Compatibility：電磁兼容）濾波器，由4個濾波電容和一個環(huán)形濾波電感組成低通共模抑制電路，能夠有效的濾除前極電路引入的共模高頻干擾信號。主接觸器和預(yù)充電電路為輔助供電系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電源。

圖2 輔助供電系統(tǒng)框圖

2.2 PWMI模塊

輸入電路提供的穩(wěn)定DC 1 500 V電壓接入PWMI模塊，經(jīng)三相逆變生成的脈寬調(diào)制3AC 380 V通過輸出變壓器轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎玫恼也ㄋ偷捷敵鲭娐?。PWMI模塊框圖如圖3所示。

PWMI模塊包括一個受控三相電橋，該電橋?qū)碜暂斎腚娐返腄C 1 500 V電壓變?yōu)槿嗝}沖調(diào)寬（PWM）的3AC 380 V輸出電壓。由于采用并聯(lián)輸出，脈寬調(diào)制逆變器以固定頻率模式工作。受控三相電橋安裝在一個散熱器上，上面安裝有IGBT（Insulated Gate Bipolar Trausistor：絕緣柵雙極型晶體管）開關(guān)管、二極管、DC連接電容器和驅(qū)動板。主控制器產(chǎn)生的驅(qū)動信號接入驅(qū)動板，進而控制IGBT三相電橋產(chǎn)生脈寬調(diào)制3AC 380 V輸出電壓。DC電容前二極管用來防止IGBT關(guān)斷瞬間輸出變壓器自感電動勢反加到直流環(huán)節(jié)造成電源污染。

圖3 PWMI模塊框圖

2.3 輸出電路

輸出電路主要由輸出變壓器、正弦濾波器、輸出接觸器和輸出熔斷器等組成。由輸出變壓器輸出的3AC 380 V電壓經(jīng)過正弦濾波器后，通過輸出接觸器和輸出熔斷器由輸出至380 V母線給三相交流負(fù)載供電。正弦濾波器安裝在變頻器的輸出側(cè)與電機之間，減小輸出電流中的高次諧波成分，抑制變頻器輸出側(cè)的浪涌電壓，減小電機由高頻諧波引起的附加轉(zhuǎn)矩，減小電機噪聲。在輔助逆變器正常工作時，當(dāng)檢測PWMI輸出電壓與380 V母線電壓同相同頻后，輸出接觸器閉合，使輔助逆變器輸出與母線同步的3AC 380 V電壓。輸出熔斷器對交流負(fù)載提供過壓、過流保護。

2.4 控制模塊

控制模塊主要包括SIBCOS－M2500型主控制器、SIBCOS－M2000型模塊控制器和二進制輸入和輸出的SIBCOS－M9000 CAN節(jié)點?？刂颇K負(fù)責(zé)全面系統(tǒng)控制與上級控制通信以及不同類型功率變流器的控制和調(diào)節(jié)，如果檢測到任何故障情況，將關(guān)閉輔助逆變器，通過專用的硬件電路和軟件程序在冗余等級上執(zhí)行監(jiān)控?？刂颇K包括負(fù)責(zé)與所有控制級別通信的MVB接口、用于診斷服務(wù)與外部PC建立連接的RS232接口。控制模塊框圖如圖4所示。

圖4 控制模塊框圖

SIBCOS－M2500控制器為主控制器和模塊控制器的組合。該控制器配備16條IGBT控制信道、14條IGBT反饋輸入以及8條數(shù)字輸入和4條數(shù)字輸出。SIBCOS－M2500控制器配有兩個微處理器。其中一個執(zhí)行輔助逆變器的所有控制和診斷功能，包括傳感器信號評估、電壓和電流控制、順序控制和標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控功能，該處理器也控制產(chǎn)生IGBT起始脈沖的可編程邏輯電路；第二個處理器用于特殊的獨立檢測功能，如干擾電流監(jiān)控，也可用于冗余處理安全相關(guān)控制信號。

SIBCOS－M2000控制器集成在模塊中，能控制電池充電機。該控制模塊擁有11個IGBT門極驅(qū)動輸出和10個IGBT反饋輸入。通過邏輯單元陣列（LCA）將處理器內(nèi)核和外圍接口進行邏輯關(guān)聯(lián)，借助LCA，可根據(jù)提及的應(yīng)用程序由軟件建立逆變器專用的邏輯電路，用于聯(lián)鎖、鎖閉時間或最小加電次數(shù)等功能。

SIBCOS－M9000擁有8個二進制輸出和12個二進制輸入，所有的輸入輸出信息通過CAN總線在主控制器和M9000之間雙向傳輸。

2.5 電池充電機

電池充電機將輔助供電系統(tǒng)輸入電路得到的穩(wěn)定的DC 1 500 V電壓轉(zhuǎn)為電氣隔離的DC 110 V輸出電壓。在普通的工作模式下，電池充電機向蓄電池充電，同時向連接在輸出端的負(fù)載供電。通過單獨的控制通道，以持續(xù)工作頻率向位于輸入側(cè)的IGBT雙模塊供電。電池充電機框圖如圖5所示。

要想保證電力生產(chǎn)企業(yè)安全運行沒有問題，應(yīng)該做好交接班和巡查工作。在實施之前，應(yīng)該明確交接班和巡查相關(guān)規(guī)定，尤其是交接班制度的制定，一定要結(jié)合實際情況，制定值班人數(shù)和值班時間等，需要明確規(guī)定交接班制度的相關(guān)內(nèi)容。加強對電力設(shè)備的維護，同時也要注意周邊的環(huán)境，進行詳細(xì)巡查。遇到特殊情況應(yīng)該加大巡查的力度，相關(guān)人員應(yīng)該做相應(yīng)的激勵。重視生產(chǎn)中的每個環(huán)節(jié)，對交接班和巡查制度進行完善，并嚴(yán)格要求工作人員，端正態(tài)度面對工作，這樣才能夠保證變電站的安全運行管理，使電力運行得到有效的控制，全面降低電力企業(yè)的安全事故。

帶中頻變壓器的逆變器在二次側(cè)產(chǎn)生電氣隔離的交流電壓。通過輸出整流器，整流二次側(cè)電氣隔離的交流電壓。輸出側(cè)的扼流圈和電容器使輸出電壓變得平滑。由集成在模塊中的SIBCOS－M2000控制器進行充電機的數(shù)字、電子、開環(huán)和閉環(huán)控制。通過軟件設(shè)置具體的應(yīng)用參數(shù)（如充電電壓）。通過CAN總線接口連接到較高的控制等級。

圖5 電池充電機框圖

3 輔助供電系統(tǒng)的輸出電路

輔助供電系統(tǒng)主要功能是為地鐵車輛交流負(fù)載和直流負(fù)載提供工作電源。

3.1 交流輸出電路

列車輔助供電系統(tǒng)采用并聯(lián)供電方式，即輔助逆變器通過輸出三相輸出接觸器向AC 380 V交流列車母線供電，為交流負(fù)載提供工作電源。輔助供電系統(tǒng)交流負(fù)載分配如圖6所示。

列車輔助供電系統(tǒng)的交流負(fù)載主要包括空氣壓縮機、客室空調(diào)（含壓縮機、冷凝風(fēng)機、通風(fēng)機）、司機室的空調(diào)通風(fēng)設(shè)備、設(shè)備通風(fēng)機、電熱玻璃和方便插座。當(dāng)一個輔助逆變器發(fā)生故障時，通過該故障逆變器的輸出三相接觸器，出現(xiàn)故障的輔助逆變器將會與3AC 380 V母線隔離，其他輔助逆變器輸出不受影響，列車可通過其他輔助逆變器進行供電，通過優(yōu)化負(fù)載設(shè)計，能提供以下的額外供電冗余：能保證最少一臺空氣壓縮機正常工作；每節(jié)車的兩臺空調(diào)機組應(yīng)分別以50%的減載模式運行；司機室的空調(diào)通風(fēng)設(shè)備正常工作；所有設(shè)備通風(fēng)機正常工作；方便插座正常工作。

圖6 輔助供電系統(tǒng)交流負(fù)載分配

3.2 直流輸出電路

列車設(shè)有正常供電和永久供電兩條DC 110 V母線，永久供電母線連接關(guān)鍵負(fù)載，與蓄電池的110 V輸出并聯(lián)，以便在列車輔助逆變器故障情況下，對關(guān)鍵負(fù)載進行緊急供電；正常供電母線連接非關(guān)鍵負(fù)載。列車的直流負(fù)載主要包括牽引控制、制動控制、列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，廣播系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、門系統(tǒng)、無線系統(tǒng)和信號系統(tǒng)等。按照負(fù)載類型將負(fù)載分為關(guān)鍵負(fù)載和非關(guān)鍵負(fù)載，其中關(guān)鍵負(fù)載包括緊急通風(fēng)、緊急照明、牽引制動控制、火災(zāi)報警、信號系統(tǒng)、列車監(jiān)控系統(tǒng)、列車廣播系統(tǒng)、PIDS（Passenger Information Display System：乘客信息顯示系統(tǒng)）系統(tǒng)和無線系統(tǒng)等，其余為非關(guān)鍵負(fù)載。輔助供電系統(tǒng)直流輸出電路如圖7所示。

圖7 輔助供電系統(tǒng)直流輸出電路圖

列車所有直流負(fù)載均有供電冗余，當(dāng)一個低壓電源故障的情況下應(yīng)由另外的低壓電源供電，并能提供15%的額外冗余；在直流負(fù)載最大的情況下，從正母線到分系統(tǒng)輸入端的最大壓降為4 V，從負(fù)母線到分系統(tǒng)輸入端的最大壓降為3 V。

4 輔助供電系統(tǒng)的控制原理

4.1 輔助逆變器的控制

輔助供電系統(tǒng)輸入電路得到的穩(wěn)定直流電壓提供輔助逆變器工作電源，經(jīng)脈寬調(diào)制，輸出變壓變頻三相交流電壓。輔助逆變器的工作模式如下：

（1）如果輔助逆變器提供許可的輸入電壓，并通過VCU（Vehicle Control Unit：車輛控制單元）給出接通命令，則閉合預(yù)充電保護，開始內(nèi)部濾波器電路的預(yù)充電。

（2）如果輸入濾波器內(nèi)沒有錯誤，閉合主保護裝置，開始測試3AC輸出的輸出濾波器。為此，PWMI在輸出保護開路的情況下，按額定電壓運行，并測試輸出濾波器中有無發(fā)生故障，或是否發(fā)生內(nèi)部短路或內(nèi)部接地故障。

（3）如果能夠完全實現(xiàn)試運行而無發(fā)生故障，則再次斷開PWMI，以便與3AC列車母線同步。

（4）如果列車母線上無電壓，則先閉合輸出保護，接通PWMI，系統(tǒng)開始接通額定電壓。

（5）如果在輸出保護開路的條件下測試PWMI輸出濾波器完畢之后3AC列車的母線上已有電壓存在，則啟動PWMI，使其電壓和相位與列車母線電壓同步。一旦電壓、相位達到同步，電壓等同，輸出保護就閉合。從此時起，PWMI模塊就接收列車母線的全部輸出。

將輔助逆變器的3AC輸出調(diào)制到使3AC列車母線的總功率均勻分配給所有被連接的輔助逆變器上。這種調(diào)制方式是在輔助逆變器內(nèi)實施的，這樣就不需要外部負(fù)載管理。VCU的負(fù)載管理須按照饋入的脈沖控制逆變器而與列車母線的最大負(fù)載相符。

一旦因用電器發(fā)生故障致使列車母線短路，所有逆變器均會將它們可能的最大輸出電流饋入該短路10 s，結(jié)果將觸發(fā)用電器前的電機保護開關(guān)。于是，自動恢復(fù)列車母線上的額定電壓。

4.2 電池充電機緊急啟動控制

輔助逆變器配備緊急啟動功能，如果蓄電池電量低，緊急啟動單元將幫助啟動輔助逆變器。按下緊急啟動按鈕，設(shè)備在無任何附加電源電壓的情況下通過接觸網(wǎng)獲電并開始運行。原理上，逆變器單元是一個直流到直流的變流器，通過輸入電壓產(chǎn)生DC 110 V的電壓，并在設(shè)備內(nèi)部實現(xiàn)絕緣。按下按鈕后，緊急啟動將產(chǎn)生110 V直流電。此時可以運行主控單元M2500和蓄電池充電器，蓄電池開始充電。

如圖7所示，蓄電池箱內(nèi)裝有欠壓保護繼電器和蓄電池輸出接觸器。蓄電池欠壓繼電器的常開觸點連接至SKS1，如果蓄電池一旦欠壓，則該欠壓繼電器得電，常開觸點閉合，TCMS（Train Control and Monitoring System：列車控制與監(jiān)視系統(tǒng)）記錄此信息，并顯示到HMI上，以提醒司機。另外如果蓄電池欠壓，則輸出接觸器將打開，TCMS將通過SKS2監(jiān)視蓄電池輸出接觸器的狀態(tài)，并在HMI上顯示蓄電池輸出接觸器的狀態(tài)。

蓄電池的緊急啟動功能操作原理如下：

（1）首先檢查蓄電池箱，然后在蓄電池控制箱內(nèi)合蓄電池斷路器Q1。

（2）合列車兩端司機室斷路器KA1，激活列車線帶電。旋轉(zhuǎn)列車激活自復(fù)位開關(guān)到合位置，激活繼電器得電，列車延時斷電繼電器得電，常開觸點KT1閉合。如果此時蓄電池電壓大于84 V，那么蓄電池欠壓繼電器K1線圈將得電，其常開觸點閉合，使蓄電池輸出接觸器線圈K2得電，列車DC 110 V永久供電母線得電。這時合司機室激活斷路器，操作司機室鑰匙到合位置，司機室激活列車線得電，蓄電池正常供電接觸器線圈K3得電，列車DC 110 V正常供電母線得電。如列車蓄電池電壓低于77 V，SKS常開觸點SKS1將失電，蓄電池欠壓信息將在HMI顯示。然后合APS供電斷路器Q2和Q3。

（3）若蓄電池欠壓，首先確認(rèn)DC 750 V高壓是否有電，如果DC 750 V高壓有電，可按下充電機緊急啟動按鈕E，則充電機的欠壓啟動由輔助逆變器內(nèi)部來實現(xiàn)。

只有當(dāng)車輛蓄電池處在欠電壓時，才能執(zhí)行緊急啟動。緊急啟動包括激活受電弓和接通輔助逆變器。在這期間，輔助逆變器向電磁閥、主接觸器和輔助逆變器內(nèi)部電子設(shè)備供電。一旦觸發(fā)了緊急啟動，輔助逆變器需要1 min才能轉(zhuǎn)回正常狀態(tài)，繼續(xù)正常的啟動程序并向蓄電池充電。另外，司機室中設(shè)置的信號燈可以向司機指示緊急啟動的狀態(tài)。

5 輔助供電系統(tǒng)的系統(tǒng)性能分析

廣佛線地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)采用集中布置的并聯(lián)供電形式，與傳統(tǒng)的集中供電系統(tǒng)和分散并聯(lián)供電系統(tǒng)相比，廣佛線地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)具有施工裝配和布線簡便和集成性高的優(yōu)點。同時，在系統(tǒng)工作時，當(dāng)系統(tǒng)中的一臺或者兩臺輔助逆變器故障時無需切除負(fù)載，具有故障冗余能力強的特點。另外，由于該系統(tǒng)在正常工作時每個單元的供電是獨立的，因此負(fù)載波動只影響本單元而不會對另一單元有影響，且系統(tǒng)的抗負(fù)載電流沖擊能力強，具有故障率低的優(yōu)點。集中布置的并聯(lián)供電形式在廣佛線地鐵車輛上的成功應(yīng)用，為城市軌道交通公司在選擇地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)時提供了有益的參考。

［1］ 趙建葵，張凱.出口斯里蘭卡動車組輔助供電系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)［J］.鐵道車輛，2001，39（7）：17-18，44.

［2］ 杜求茂，陳中杰，彭駒.城軌車輛輔助供電系統(tǒng)的比較分析［J］.電力機車與城軌車輛，2011，34（4）：53-54，86.

［3］ 唐青松.香港地鐵車輛輔助變流器控制單元［J］.機車電傳動，2003，（6）：31-35.

Brief Discussion on Auxiliary Power Supply System of Guangzhou-Foshan Line Metro Vehicles

HU Zhengwei，JIAO Fangfang
（Product＆Tech.Research Center，Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd，Tangshan 063035 Hebei，China）

The auxiliary power supply system of Guangzhou-Foshan Line metro vehicles is presented.The train main circuit，as well as composition，output circuit，and control theory of the auxiliary power supply system are expounded.And the performance of the auxiliary power supply system is briefly analyzed.

metro vehicle；auxiliary power supply system；battery charger；control theory

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.15

1008－7842（2014）04－0066－05

7—）男，助理工程師（

2014－01－02）