摘 要: 2000 年開發(fā)研制出用于內(nèi)燃機車和電力機車的空調(diào)逆變電源, 該產(chǎn)品已在南昌內(nèi)燃機務(wù)段和邵武電力機務(wù)段裝車運行考核。 2002 年針對北京“ 復(fù)八線” 地鐵車輛進(jìn)口輔助逆變電源的技術(shù)條件, 鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所研制開發(fā)出了DC750V 國產(chǎn)化地鐵車輛輔助電源工程化機組, 并通過鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心機車車輛檢驗站的型式試驗。

　　分析直接逆變方式、斬波降壓逆變方式、兩重斬波降壓逆變方式地鐵車輛輔助逆變電源的電路結(jié)構(gòu)方案。結(jié)合北京“復(fù)八線” 地鐵車輛進(jìn)口輔助逆變電源的技術(shù)條件, 介紹DC750V 國產(chǎn)化地鐵車輛輔助逆變電源的研制方案和主要技術(shù)特點。給出方案的試驗波形。

　　1 引 言

　　近年來, 我國上海、廣州和北京等城市引進(jìn)的地鐵車輛上, 輔助電源均采用了靜止式輔助逆變電源。廣州地鐵和上海地鐵2# 線為IGBT 輔助逆變電源; 北京“復(fù)八線” 為GTO 熱管散熱器自冷式輔助逆變電源。因此開發(fā)和研制地鐵車輛靜止式輔助逆變電源實現(xiàn)國產(chǎn)化是發(fā)展我國城市軌道交通的必然趨勢。靜止式輔助逆變電源與傳統(tǒng)的電動發(fā)電機組供電方式的比較如下:

　　(1) 靜止式輔助逆變電源直接從地鐵動車第三軌受電, 經(jīng)過DC/ DC 斬波變換后向三相逆變器提供穩(wěn)定的輸入電壓, 通過VVVF 變頻調(diào)壓控制, 逆變器輸出三相交流電壓向負(fù)載供電, 對于多路輸出電源, 電路采用變壓器隔離形式。這種輔助逆變電源的優(yōu)點是輸出電壓品質(zhì)因數(shù)好、電源使用效率高、工作性能安全可靠。

　　(2) 傳統(tǒng)地鐵輔助電源通常采用旋轉(zhuǎn)式電動發(fā)電機組的供電方案。電動機從DC750V 第三軌受電, 發(fā)電機輸出三相交流電壓向負(fù)載供電, 對于直流DC110V 和DC24V 部分用電設(shè)備, 仍需通過三相變壓器和整流裝置提供電源。這種供電方式機組體積大、輸出容量小、效率低, 電源易受直流發(fā)電機組工況變化的影響, 輸出電壓波動大, 可靠性差。

　　212 斬波降壓逆變方式

　　斬波降壓加逆變方式的輔助電源電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。此電路主要由單管DC/ DC 斬波器、二點式逆變器、三相濾波器、隔離變壓器和整流電路組成。逆變器輸出經(jīng)過三相濾波后, 輸出穩(wěn)定的正弦三相交流電壓, 作為驅(qū)動空調(diào)機、風(fēng)機等三相交流負(fù)載電源, 同時三相交流電壓經(jīng)變壓器和整流后, 可實現(xiàn)電源的多路直流輸出。其特點如下。

　　(1) 三相逆變器輸出電壓不受輸入電網(wǎng)電壓波動的影響, DC/ DC 斬波的閉環(huán)控制可以保持逆變器輸入電壓的恒定。

　　(2) 每臺輔助逆變電源斬波器只需一只大功率高壓IGBT 元件, 逆變器可以采用較低電壓的IGBT 元件。

　　(3) 由于逆變器輸入電壓恒定, 對于只要求CVCF 控制的逆變器來說, 只需要一定數(shù)量的梯波輸出, 即可保證逆變器輸出穩(wěn)定的脈寬調(diào)制電壓, 諧波含量小于5 % 。

　　213 兩重斬波降壓逆變方式

　　與單管直接DC/ DC 斬波降壓逆變方式的輔助電源電路基本相同, 兩重斬波器替代了DC/ DC 單管斬波器, 開關(guān)元器件可采用GTO 、IGBT 或IPM 。電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖3 所示。其特點如下。

　　(1) 采用兩重斬波器, 當(dāng)上、下兩個斬波器控制相位互相錯開180°時, 可以使斬波器的開關(guān)頻率相應(yīng)提高一倍, 因而可大大減小濾波裝置的體積和重量, 降低逆變器中間直流環(huán)節(jié)電壓的脈動量, 提高輔助逆變電源的抗干擾能力。

　　(2) 兩重斬波器閉環(huán)控制起到了穩(wěn)壓和變壓作用, 因此可提高逆變器的輸出效率。

　　3 地鐵輔助逆變電源的開發(fā)與研制

　　鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所早在20 世紀(jì)80 年代末, 已開始采用先進(jìn)的變流控制技術(shù)和新型大功率GTO 和IGBT 元器件, 開發(fā)車載電源產(chǎn)品。先后研制出大功率GTO 斬波器、兩象橋式IGBT 斬波器、驅(qū)動大功率直線電機和地鐵車輛的車載IGBT 逆變器。1999 年研制客車DC600V 供電系統(tǒng)的空調(diào)逆變電源, 并于當(dāng)年6 月在鐵道部四方車輛研究所通過了性能試驗,9 月在武昌車輛段K79/ 80 上裝車運行。

　　開發(fā)研制的DC750V 地鐵輔助電源總?cè)萘繛?0 kVA , 主要負(fù)荷為照明、換氣扇、司機室空調(diào)機組和車輛DC110V , DC24V 控制電源?？紤]到電源的可靠性和車輛上多路電源的隨機多重性, 電源主電路采用單管斬波降壓逆變電路, 大功率IGBT 開關(guān)元件和熱管散熱方式?？刂撇捎脭夭ê湍孀冸p閉環(huán)脈寬調(diào)制控制技術(shù), 保證了電源三相交流輸出電壓穩(wěn)定性好、諧波含量低。其主要技術(shù)參數(shù)見表1 。

　　4 結(jié) 論

　　(1) 采用靜止輔助逆變電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流發(fā)電機組供電裝置, 已是地鐵與輕軌城市軌道交通發(fā)展的必然趨勢。

　　(2) 靜止輔助逆變電源方案的選擇, 應(yīng)結(jié)合國內(nèi)電力電子技術(shù)的發(fā)展、元器件的使用水平以及國外地鐵電動車組輔助逆變電源的發(fā)展方向, 研制和開發(fā)出適合我國城市軌道交通地鐵和輕軌車輛的輔助逆變供電系統(tǒng)。

　　(3) 地鐵靜止輔助逆變電源的研制成功標(biāo)志著我們已具備了開發(fā)和生產(chǎn)國產(chǎn)化地鐵輔助電源的能力。

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