摘要

輔助逆變系統(tǒng)是地鐵或輕軌車輛上的一個必不可少的關(guān)鍵的電氣部分，它可為空調(diào)、通風機、空壓機、蓄電池充電器及照明等輔助設(shè)備提供供電電源，其核心部件就是輔助逆變器。本文主要介紹地鐵車輛輔助逆變系統(tǒng)的逆變特性、參數(shù)和逆變電路等。并對PWM信號線路優(yōu)化，實現(xiàn)控制信號和電力線路的光電隔離。然后詳細的分析了六列編組地鐵車輛的配變電系統(tǒng)，主要配電設(shè)備，配電線路以及配電原理等。目前世界上在地鐵與輕軌輔助逆變系統(tǒng)中大都采用絕緣柵雙極型晶體管IGBT（或IPM）模塊來構(gòu)成。

使用IGBT元件的輔助逆變器提供低壓輔助電源，其冷卻方式采用強迫風冷。蓄電池采用鎳鎘電池，容量大于100Ah。

引言

隨電力電子器件發(fā)展，輔助逆變系統(tǒng)也經(jīng)歷著不同方案的發(fā)展過程。由于新一代性能優(yōu)良的IGBT器件迅速發(fā)展，20世紀90年代中后期，歐洲與日本等國的車輛輔助逆變系統(tǒng)大都采用IGBT來構(gòu)成，其方案大致有：

（1）斬波穩(wěn)壓再逆變，加變壓器降壓隔離；

（2）三點式逆變器加變壓器降壓隔離；

（3）電容分壓兩路逆變，加隔離變壓器構(gòu)成12脈沖方案；

（4）二點式逆變器加濾波器與變壓器降壓隔離；

（5）直——直變換與高頻變壓器隔離加逆變的方案。

這些方案各有其特點，而且都能滿足地鐵或輕軌車輛的要求。在目前的方案中，對DC110V控制電源主要有兩種不同的設(shè)想：

（1）通過50Hz隔離降壓變壓器來實現(xiàn)；

（2）獨立的直——直變換器直接接于供電網(wǎng)壓通過高頻變壓器隔離后再整流并濾波得到DC110V控制電源。

1 輔助系統(tǒng)的主電路分析

輔助逆變器可以產(chǎn)生400VAC和230VAC的中壓。400VAC中壓用于空壓機、空氣調(diào)節(jié)、牽引設(shè)備的通風，230VAC中壓用于正常照明。輔助逆變器自帶的變壓器將中壓轉(zhuǎn)換為低壓，用于車門、應(yīng)急照明、旅客緊急通風、通訊、控制和數(shù)據(jù)處理等。圖1輔助逆變器的工作原理圖。

此輔助電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

（1）直流輸出部分為交直交變換，不受交流輸出的限制和影響，可以自主的進行調(diào)壓，通過電池的溫度傳感器進行自動的溫度補償，并且可以在浮充的情況下通過調(diào)壓，可以將蓄電池充滿電。

（2）模塊化設(shè)計，輔助逆變器為一個整體，便于安裝布線和維修。

1.1 IGBT（IPM）型逆變器原理

一個三相逆變器擁有6個靜態(tài)開關(guān)用于將一個直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓，從圖2中可以看出，中壓由一臺輔助逆變器提供。每一臺輔助逆變器提供一個相互獨立的三相中壓電網(wǎng)。逆變器是采用IGBT作為開關(guān)器件的電壓型三相橋式逆變電路，一個三相逆變器擁有6個靜態(tài)開關(guān)，通過微機輸入的PWM信號，IGBT不斷的配合導通，把直流電變換成交流電，改變?nèi)M開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。但是輸出的三相交流電還不是規(guī)則的正弦波形，為了得到一個固定頻率的交流輸出電壓，逆變器還采用了“PWM”（脈沖寬度調(diào)制）來控制，而采用三相輸出高頻濾波器就是用于將方波電壓修正為一個正弦波電壓，這樣盡管受逆變器中電壓波動的影響，負載電流也是正弦的。

通過濾波器輸出的的三相交流電還不能直接供給用電設(shè)備，需要做降壓處理，這就需要用到隔離變壓器，變壓器在這不僅要起到降壓的作用，同時還要隔離逆變器的高壓輸入與逆變器的輸出電壓，變壓器是初級線圈三角形連接，次級線圈星形連接。400V的中壓就是三相電的相電壓，而230V的中壓是三相電的線電壓。

1.2 蓄電池充電原理

輔助逆變器還自帶一個蓄電池充電器。蓄電池充電器提供一個可控的低壓DC輸出，如圖3所示，它包括一個三相全波二極管橋輸入，半橋單向逆變器，變壓器、輸出整流器和調(diào)節(jié)輸出平穩(wěn)的DC低通濾波器。單相半橋電路將輸入電壓轉(zhuǎn)換成方波電壓然后供給變壓器的初級。變壓器確保電池電壓和初級電壓之間的隔離。二極管整流器和輸出濾波器將直流電壓提供給電池和110V負載。這樣，蓄電池充電器動作相當于一個可變轉(zhuǎn)換比率的DC/DC變壓器。蓄電池充電器的電壓根據(jù)溫度和蓄電池的電壓調(diào)節(jié)。

低壓可以由逆變器或蓄電池輸出，兩種低壓總線規(guī)定：永久低壓總線給休眠模式下的負載供電，逆變器提供的總線給其他低壓負載供電，在休眠模式下，不向總線供電。

有兩個電路提供低壓：一個永久低壓電路和一個預(yù)壓電路。⑴永久低壓電路為一些正常工作的低壓負載和處于休眠模式需要喚醒的負載供電。此外，還為列車聯(lián)掛和解鉤控制部分供電。⑵預(yù)壓電路為所有正常工作和降級模式（比如沒有高壓）不進入休眠狀態(tài)的的低壓負載供電。在車輛整備時，如果儲存有足夠低壓電能，預(yù)壓列車線得電。

1.3 自舉電池運用及原理

逆變器箱中配置了自舉電池，用于在主蓄電池完全放電時啟動輔助逆變器。

當蓄電池電壓過低的情況下，逆變器及充電器有緊急(自舉)啟動的功能。如果蓄電池電壓過低，逆變器電子裝置檢測到后，逆變器不啟動。在蓄電池組欠電壓狀態(tài)中輔助供電系統(tǒng)有一個啟動功能。駕駛室中有一個自舉按鈕，可以依靠這個按鈕，將自舉蓄電池啟動。在按下按鈕之前，必須手動升起受電弓給輔助逆變器1500V直流電壓。按鈕必須閉合直到蓄電池充電器啟動并給主電池提供足夠的電壓。

列車在正常工作條件中，從DC/AC逆變器輸出的3相400Vac電源通過橋路二極管整流裝置對一個逆變器內(nèi)置的自舉蓄電池充電。當接觸器閉合時自舉電池充電，如圖4所示，將交流線電壓230V引入自舉電池的充電變壓器，再經(jīng)過橋路二極管整流后獲得直流110V，給自舉電池充電。