地铁辅助电源模拟系统关键部件设计

王二小鞠 峰

（1.大连市交通口岸职业技术学校，大连 116000；2.大连交通技师学院，大连 116000）

地铁辅助电源模拟系统关键部件设计

王二小1鞠 峰2

（1.大连市交通口岸职业技术学校，大连 116000；2.大连交通技师学院，大连 116000）

本文提出了针对系统关键部分的逆变器和充电器的设计方案，主要介绍实际系统和模拟系统的功能、拓扑结构等内容。

地铁辅助电源 拓扑 逆变器 充电器

城市轨道车辆的辅助电源系统是机车的重要组成部分，担负着除机车牵引系统主电路以外各种装置的供电任务，如牵引/制动制装置的控制电源，各冷却用风机、变压器冷却用油泵、变流器冷却用水泵、制动/受电弓等各种气动机械装置，提供风源的空气压缩机、空调、通风机等辅助电动机的三相交流电源，电热器、冰箱、信息显示装置的电源等。辅助电源系统以辅助逆变器（简称为SIV）、充电器等为核心组成部件，加上其他辅助设备构成。

辅助电源系统的电压较高（DC750V或DC1500V）、占地面积较大、重量较重以及城市轨道车辆维修涉及安全等，学员很难进行实际车辆辅助电源系统实操。一般情况下，不允许大量学员进入车辆维修车间。为了解决以上问题，提出了地铁车辆辅助电源模拟系统的方案设计。

1 地铁车辆辅助电源实际系统

目前，我国大部分地方的地铁车辆都是6辆编组的。在编成一列的6辆车中，有4辆是动车，2辆是拖车，被称为是4动2拖编组。以天津地铁一号线为例，其地铁列车的编组情况为3动3拖，即按照TC车、M车、T车、M车、M车、TC车的方式编组。其中，TC车为带司机室的拖车，也就是列车的首、尾两节车厢；M车为提供动力的动车；T车为不带司机室的拖车。

城轨车辆辅助电源系统包括辅助逆变器（SIV）、蓄电池充电器、蓄电池、输入滤波电路、交流输出滤波电路、应急备用电路（DBPS），分别放置在辅助逆变器箱、蓄电池充电器箱、辅助开关保险箱、辅助高速断路器箱以及监控箱中。各个箱体均放置在每节拖车（TC）车下，分布如图1所示。辅助供电系统中每路都是隔离输出。此外，系统还包括照明设备与其他必需的辅助设备（继电器、接触器、空气开关、控制器等）等。

图1 拖车车下辅助电源分布图

城市轨道车辆辅助电源系统由三相交流辅助电源系统和直流电源系统组成。地铁列车一般采用第三轨供电的方式，每列车采用两台辅助电源，辅助逆变器将第三轨提供的直流1500V或750V逆变处理后为车辆提供380V、50Hz的三相交流电，提供给空压机、空调机(包括空调压缩机、冷凝器风扇、蒸发器风扇、空调通风机)、电加热器、客室正常照明、设备通风机、客室LCD屏、方便插座等设备。当一台辅助电源发生故障后，另一台辅助电源通过扩展供电单元向整列车供电，维持车辆的基本工作。蓄电池充电器提供直流110V及直流24V，为车载各系统控制电路、直流照明、电动车门及车载信号与通信设备提供直流电源，并给蓄电池组充电。蓄电池给紧急负载供电，包括应急通风、照明、控制等。以某地铁车辆辅助电源为例，其主电路原理图如图2所示。

图2 主电路原理方块图

2 拓扑结构

2.1 辅助逆变器拓扑

现阶段，地铁辅助逆变器电路有多种拓扑，而每种拓扑结构都有不同的优缺点。

2.1.1 两电平12脉波加工频变压器隔离方案

此拓扑的优点是功率管频率低，输出波形品质相对较好，滤波器设计的尺寸也比较小；缺点就是拓扑结构比较复杂，所使用的功率元件较多，所用开关器件是其两电平方案的两倍，成本高。

2.1.2 两电平加工频变压器隔离方案

该拓扑特点是电路结构简单、元器件使用数量少，而且控制方便，稳定性高。但是，由于使用工频隔离变压器，系统尺寸大，耗能大，成本高，影响整个系统的效率。

2.1.3 三电平加工频变压器隔离方案

优点是功率管承受的电压比较低，最高为直流输入电压的一半，解决了功率开关器件对高压大功率能量变换的限制障碍，广泛应用于大功率场合。但是，此方案器件比较多，会造成故障概率高、维护和维修费用高等问题。

2.1.4 降压斩波加工频变压器隔离方案

此拓扑结构只需一个大功率高耐压斩波IGBT元件，换得逆变器可以釆用较低耐压的IGBT元件。系统增加了降压斩波电路，结构复杂，控制相对复杂，增加了系统的控制电路，增加了系统整体复杂性。

2.1.5 直直变换加高频变压器隔离方案

变压器尺寸小，功率管耐压等级低，缩减了电路的成本，降低了系统分量，并且有较小输出滤波电路。由于增加了一个逆变和一个整流环节，使系统结构和控制复杂。另外，直直变换中，开关频率较高，开关损耗较大。

2.2 充电器拓扑

DC/DC变换器是充电器主电路设计的核心环节。现有的DC/DC电路主要包括的种类有：直接直流变流电路，如降压斩波电路等；间接直流变流电路，如正激电路、反激电路、半桥式、全桥式电路、推挽式电路等。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出的隔离。

3 地铁车辆辅助电源模拟系统

3.1 结构

该辅助电源模拟系统相对于实际城市轨道车辆辅助电源，在保留所有实际功用性的基础上进行了降电压等级、降功率的处理。辅助电源模拟系统是将模拟第三轨电源提供的DC150V电源转变成3相AC110V、DC48V以及DC24V，其原理方块图如图3所示。同时，具有造价低、功能全、安全性高等特点，特别适合中、高职院校城市轨道维修专业的理实一体化教学。

图3 模拟系统总体结构

3.2 拓扑和控制方案

3.2.1 辅助逆变器模拟系统

考虑到稳定性、复杂性、可靠性、成本等诸多因素，最终以两电平加工频变压器隔离方案为参考模型，来制作地铁车辆辅助电源模拟系统中的辅助逆变器。拓扑结构如图4所示。

图4 辅助逆变器模拟系统的拓扑结构

逆变系统的逆变环节采用正弦波脉宽调制（SPWM）控制的方式，改变正弦波基准信号的幅值和频率就可以改变逆变器所输出的电压和频率。

3.2.2 充电器模拟系统

降压斩波电路具有电路可靠、简单、控制简单等优势，特别适用于蓄电池的充电。以降压斩波电路为原型设计辅助电源模拟系统的蓄电池充电器电路，如图5所示。

图5 充电器模拟系统

我们选用PIC单片机来输出PWM波形，经过霍尔电压、霍尔电流传感器的反馈，使用PID调节，控制PWM波，形成反馈，使输出稳定在DC48V和DC24V。

4 结束语

本文根据实际地铁辅助电源系统的拓扑结构、功能等，提出了一种地铁车辆辅助电源模拟系统关键部件设计的方案，并简单介绍了其拓扑结构、控制方案等。这种模拟系统能比较真实地进行模拟，成本较低，非常适合中高职院校培训学习使用。

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Design of Key Parts of Metro Auxiliary Power Supply Simulation System

WANG Erxiao1, JU Feng2
(1.vocational and technical school of Dalian City, Dalian 116000, Dalia;2.traffic technician college, Dalian 116000)

This paper presents the design of the inverter and charger for the key part of the system, which mainly introduces the function of the actual system and the simulation system, the topology structure and so on.

metro auxiliary power supply, topology, inverter, charger