摘 要: 2000 年开发研制出用于内燃机车和电力机车的空调逆变电源, 该产品已在南昌内燃机务段和邵武电力机务段装车运行考核。 2002 年针对北京“ 复八线” 地铁车辆进口辅助逆变电源的技术条件, 铁道科学研究院机车车辆研究所研制开发出了DC750V 国产化地铁车辆辅助电源工程化机组, 并通过铁道部产品质量监督检测中心机车车辆检验站的型式试验。
分析直接逆变方式、斩波降压逆变方式、两重斩波降压逆变方式地铁车辆辅助逆变电源的电路结构方案。结合北京“复八线” 地铁车辆进口辅助逆变电源的技术条件, 介绍DC750V 国产化地铁车辆辅助逆变电源的研制方案和主要技术特点。给出方案的试验波形。
1 引 言
近年来, 我国上海、广州和北京等城市引进的地铁车辆上, 辅助电源均采用了静止式辅助逆变电源。广州地铁和上海地铁2# 线为IGBT 辅助逆变电源; 北京“复八线” 为GTO 热管散热器自冷式辅助逆变电源。因此开发和研制地铁车辆静止式辅助逆变电源实现国产化是发展我国城市轨道交通的必然趋势。静止式辅助逆变电源与传统的电动发电机组供电方式的比较如下:
(1) 静止式辅助逆变电源直接从地铁动车第三轨受电, 经过DC/ DC 斩波变换后向三相逆变器提供稳定的输入电压, 通过VVVF 变频调压控制, 逆变器输出三相交流电压向负载供电, 对于多路输出电源, 电路采用变压器隔离形式。这种辅助逆变电源的优点是输出电压品质因数好、电源使用效率高、工作性能安全可靠。
(2) 传统地铁辅助电源通常采用旋转式电动发电机组的供电方案。电动机从DC750V 第三轨受电, 发电机输出三相交流电压向负载供电, 对于直流DC110V 和DC24V 部分用电设备, 仍需通过三相变压器和整流装置提供电源。这种供电方式机组体积大、输出容量小、效率低, 电源易受直流发电机组工况变化的影响, 输出电压波动大, 可靠性差。
212 斩波降压逆变方式
斩波降压加逆变方式的辅助电源电路结构如图2 所示。此电路主要由单管DC/ DC 斩波器、二点式逆变器、三相滤波器、隔离变压器和整流电路组成。逆变器输出经过三相滤波后, 输出稳定的正弦三相交流电压, 作为驱动空调机、风机等三相交流负载电源, 同时三相交流电压经变压器和整流后, 可实现电源的多路直流输出。其特点如下。
(1) 三相逆变器输出电压不受输入电网电压波动的影响, DC/ DC 斩波的闭环控制可以保持逆变器输入电压的恒定。
(2) 每台辅助逆变电源斩波器只需一只大功率高压IGBT 元件, 逆变器可以采用较低电压的IGBT 元件。
(3) 由于逆变器输入电压恒定, 对于只要求CVCF 控制的逆变器来说, 只需要一定数量的梯波输出, 即可保证逆变器输出稳定的脉宽调制电压, 谐波含量小于5 % 。
213 两重斩波降压逆变方式
与单管直接DC/ DC 斩波降压逆变方式的辅助电源电路基本相同, 两重斩波器替代了DC/ DC 单管斩波器, 开关元器件可采用GTO 、IGBT 或IPM 。电路结构原理图如图3 所示。其特点如下。
(1) 采用两重斩波器, 当上、下两个斩波器控制相位互相错开180°时, 可以使斩波器的开关频率相应提高一倍, 因而可大大减小滤波装置的体积和重量, 降低逆变器中间直流环节电压的脉动量, 提高辅助逆变电源的抗干扰能力。
(2) 两重斩波器闭环控制起到了稳压和变压作用, 因此可提高逆变器的输出效率。
3 地铁辅助逆变电源的开发与研制
铁道科学研究院机车车辆研究所早在20 世纪80 年代末, 已开始采用先进的变流控制技术和新型大功率GTO 和IGBT 元器件, 开发车载电源产品。先后研制出大功率GTO 斩波器、两象桥式IGBT 斩波器、驱动大功率直线电机和地铁车辆的车载IGBT 逆变器。1999 年研制客车DC600V 供电系统的空调逆变电源, 并于当年6 月在铁道部四方车辆研究所通过了性能试验,9 月在武昌车辆段K79/ 80 上装车运行。
开发研制的DC750V 地铁辅助电源总容量为40 kVA , 主要负荷为照明、换气扇、司机室空调机组和车辆DC110V , DC24V 控制电源。考虑到电源的可靠性和车辆上多路电源的随机多重性, 电源主电路采用单管斩波降压逆变电路, 大功率IGBT 开关元件和热管散热方式。控制采用斩波和逆变双闭环脉宽调制控制技术, 保证了电源三相交流输出电压稳定性好、谐波含量低。其主要技术参数见表1 。
4 结 论
(1) 采用静止辅助逆变电源代替传统的直流发电机组供电装置, 已是地铁与轻轨城市轨道交通发展的必然趋势。
(2) 静止辅助逆变电源方案的选择, 应结合国内电力电子技术的发展、元器件的使用水平以及国外地铁电动车组辅助逆变电源的发展方向, 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。
(3) 地铁静止辅助逆变电源的研制成功标志着我们已具备了开发和生产国产化地铁辅助电源的能力。
参考文献
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