DC750V地铁车辆直供式变频空调电源的轻量化研究

周卫，朱俊杰，龚固丰，何明芳，文超民

DC750V地铁车辆直供式变频空调电源的轻量化研究

周卫1，朱俊杰1，龚固丰1，何明芳1，文超民2

(1. 中南林业科技大学 计算机与信息工程学院，湖南 长沙 410004；2. 株洲长河电力机车科技有限公司，湖南 株洲 412007)

基于高铁与地铁在运输中对车辆设备的轻量化要求越来越高，针对传统电源存在体积与重量大、电源传输效率低等问题展开研究。利用高频逆变技术、高频变压技术取代传统的50 Hz，380 V变压、整流和逆变构成的逆变电源技术，采用高压非隔离型直流DC-DC变换器代替传统的辅助供电电源系统，达到减轻辅助电源负载、减小车辆附加重量、提高效率的目的。研究结果表明：从电网侧获得的750 V直流电采用非隔离型升降压DC-DC变换器降压以及滤波后，可实现地铁车辆及控制电路用电标准，性能良好，同时降低了储能电抗器体积和重量，效率也得到有效提高。

车辆空调；直供式；DC-DC变换器；Buck-Boost

车辆空调是铁道列车内部环境空气调节器的简称，也是列车室内“人造气候”的来源。其主要功能根据工艺或人类舒适感的需要，对自然界的空气在局部范围内进行温度、湿度、洁净度及风的速度的调节，又简称为“四度调节”[1]。车辆空调的调节目标是“四度调节”，控制手段是通过压缩机、送风机、冷凝风机等设施消耗一定的能量完成各种对空气的处理过程，使列车内部温度、湿度适应人类舒适的需要，能使人有冬暖夏凉感觉的设备[2]。目前，由于北京某线路设施对车辆组提出了轴重不超过15.5 t的严苛要求，为解决这一问题，刘清 等[3]采用了提升辅助变流器的安全与噪声性能设计方法，但未考虑对车辆组附加重量轻量化；阳德龙等[4]提出一种磁性集成变压器减小磁件的体积和重量，从而减轻车辆附加重量，并在地铁车辆辅助变流器中应用的实例，但文中的磁性集成变压器实验结果并不全面；蒋晓东等[5]介绍了一种集中布置式并联供电的辅助供电系统，为满足宁波轨道交通车辆轻量化节能的要求，进行了优化设计，但系统的安全性和可靠性问题未能良好解决，有待进一步观察这种集中式并联供电系统的线上运用状况；徐丽宾等[6−7]介绍了地铁车辆辅助变流器直流试验电源系统的设计方案，并提供了元器件技术参数的计算方法，但文中并没有理想的实验结果。赵元哲等[8]研究了电气化铁道电力机车变压器和应涌流产生机理，为车网系统出现的异常跳闸现象提供了参考。本文针对传统电源存在体积与重量大、电源传输效率低等问题进行探讨与分析，并对高频逆变器技术、高频变压器等技术展开研究，采用非隔离型直流升降压DC-DC变换器代替了传统的辅助供电电源系统，取代过去的50 Hz，三相交流380 V的逆变器、变压器以及50 Hz，三相交流380 V的中压母线。这种非隔离型方案相对于采用隔离型方案，可以节省高频变压器和整流模块等，达到减轻辅助电源负载、减小车辆附加重量、提高效率的目的。首先，在Matlab/Simulink平台上搭建一种基于直流DC-DC变换器的改进型升降压Buck-Boost斩波调制电路拓扑的仿真模型，初步验证方案的可行性，在此基础上，搭建基于TMS320F28335的实验系统平台，进一步验证本文所提方法的有效性。

1 几种经典非隔离型电路分析

1.1 升降压Buck-Boost型电路模型

图1为升降压Buck-Boost变换器的原理图[9]。

图1 升降压Buck-Boost变换器原理图

升降压Buck-Boost变换器在电路拓扑原理上是由Buck和Boost 2种基本的变换器派生而来的，其可以看成是由Buck变换器和Boost变换器串联而成的，它将2只开关管合并为一只开关管。在元器件组成上，主要由1个IGBT+电感L+1个快速二极管+电容器C+电阻R构成。其优点主要有：升降压Buck-Boost拓扑电路属于经典成熟电路[10]，控制上有较多应用经验，输出波形较好，电压、电流参数合适，器件体积和重量基本合理；其缺点较少，只是在变换器输入端电流存在不连续的现象以及输出电压为负极性电压。

1.2 Zeta型电路模型

图2为Zeta变换器的原理图[11]。

图2 Zeta变换器原理图

Zeta型在电路拓扑原理上可以看成是由升降压Buck-Boost变换器和Buck变换器串联而成的，与Buck-Boost变换器一样是将2只开关管合并为一只开关管。输入部分类似于升降压Buck-Boost变换器，输出部分类似Buck变换器。在元器件组成上，主要由1个IGBT+电感L1+电容C1+电感L2+电容C2+1个快速二极管+电阻R组成[12]。其优点较少，只是输出电压为正极性电压；其缺点经过仿真分析，输出端电压波形存在振荡，IGBT承受电压接近两倍输入端电压，而且2个电感会增加变换器的体积和重量，输入端电流也不连续。

1.3 Cuk型电路模型

图3为Cuk变换器的原理图[13]。

图3 Cuk变换器原理图

Cuk型在电路拓扑原理上可以看成是由Boost变换器和Buck变换器串联而成的，它也是把2只开关管合并为1只开关管。它的输入部分与Boost变换器相似，输出部分与Buck变换器相似。在元器件组成上和Zeta型电路类似，主要由1个IGBT+电感L1+电容C1+电感L2+电容C2+1个快速二极管+电阻R组成[14]。其优点也相对较少，只是输入端电流连续；而缺点由于输出电压为负极性电压，对控制转换上存在一些不便影响，且也需要2个电感，这样也会增加变换器的体积和重量。

综上所述，根据上文几种经典的成熟非隔离型电路分析，下文提出改进式的非隔离型直流升降压Buck-Boost的DC-DC变换器能有效达到减轻辅助电源负载、减小车辆附加重量、提高效率的目的。

2 DC750V地铁车辆直供式变频空调逆变电源及工作原理

DC750V直供式电源是专为地铁空调机组提供的电源，装置是采用非隔离电源型式。正常情况下，它从接触网取得750 V直流母线电压[15]，首先经过非隔离DC-DC变换后变成600 V直流中间电压，为满足压缩机、冷凝风机、送风机、车体电热等的供电要求，然后经过逆变变换输出为4路，分别供给压缩机(2路)逆变电源、冷凝风机及送风机逆变电源、车体电热逆变电源。大体上可以分成4个区域：高压输入区、DC-DC变换区、逆变区和电磁区，其原理框图如图4所示。

图4 DC750V车辆直供式变频空调逆变电源原理框图

图5 DC750V地铁车辆直供式变频空调逆变电源总电路图

图6 总电路中的变频器与空调负载模块组详图

根据上面空调电源系统的原理框图，本文设计的DC750V非隔离的地铁车辆直供式变频空调逆变电源总电路如图5所示，其大体上也可以分为4个主要部分电路，即DC750V输入电路，直流DC-DC升降压Buck-Boost型变换器的斩波调制电路，逆变变频控制电路及滤波电路等。

4个主要部分电路与原理框图的四大区域是相互对应的。根据总电路图6可见，DC750V输入电路是对应着高压输入区，直流DC-DC升降压Buck-Boost型变换器的斩波调制电路对应着DC- DC变换区，逆变变频控制电路对应着逆变区，滤波电路是对应着电磁区。其工作原理可具体分析如下，DC750V输入电路主要是将750V直流母线电压经EMI滤波处理后，接入到输入电路部分，进行预充、滤波，之后接至DC-DC变换区部分[16]。该部分电路需要用到的电气元器件有快速熔断器、接触器、预充电阻、电流传感器、电压传感器、滤波电抗器和电容器组等。直流DC-DC升降压Buck- Boost型变换器的斩波调制电路主要是控制750 V直流电压在DC500V~DC900V变化范围内(包含输入电压以偏差DC450~DC1050V变化范围考虑)，经升降压Buck-Boost斩波后，变换成稳定的600 V直流电压，之后传递至逆变部分。该部分电路主要用到的元器件有IGBT、薄膜电容、升降压电抗器、电压传感器、电流传感器、驱动器、电容器组和铝壳电阻等。而逆变变频控制电路及滤波电路主要是将变换后得到的直流600 V电压经三相逆变桥，采用PWM控制方式，将直流逆变成压缩机等所需的三相交流电，经过滤波处理后输出。这两部分电路主要用到的元器件有变频模块、电流传感器、滤波器等。

3 一种改进型的非隔离式直流升降压Buck-Boost的DC-DC变换器 设计

硬件电路的DC-DC变换区，采用非隔离型升降压DC-DC变换器进行斩波逆变的方式，图7为一种改进型的升降压斩波DC-DC变换区电路拓扑原理图，T1与T2为IGBT开关管，VD1与VD2为快速二极管，再加上电感L，滤波电容C和负载电阻R组成一个升降压Buck-Boost斩波控制方案。其升降压Buck-Boost斩波器本质上相当于两相DC-DC直流变换器，控制系统采用PWM驱动控制方式。其与本文1.1节中提到的典型电路拓扑结构相比，改进型的升降压Buck-Boost变换器输出端电压为正极性电压。并且改进型的升降压Buck-Boost拓扑电路是由2个开关管交替通断，按输出电压适当地控制脉冲宽度，可以获得与输入端电压同正极性的稳定直流输出电压。斩波器开关器件采用IGBT开关管，当DC-DC变换区的输入端电压高于斩波器输出端电压时，斩波器按降压斩波控制方式工作；当DC-DC变换区的输入端电压低于斩波器输出端电压时，斩波器按升压斩波控制方式工作。为了分析其控制方式简便，可以将改进型的升降压Buck-Boost变换器看成2个区域电路：T1与VD1组成的区域为Buck电路，T2与VD2组成的区域为Boost电路，定义开关管T1的占空比为1，开关管T2的占空比为2，可以得出原理图7中和2点的电压均值分别为：

电路稳态工作时，在一个调制周期内，电感L两端电压应满足伏秒平衡，即：

也就是说电感L两端的电压均值应相等，依据式(1)~(3)可以得到改进型的升降压Buck-Boost变换器输入i与输出o之间的电压关系为：

图7 改进型的升降压Buck-Boost斩波电路拓扑图

改进型电路2个IGBT开关管T1与T2的交替导通和关断，提高了斩波开关频率，降低了储能电抗器体积和重量以及开关器件的电压应力，减小了输出电压的脉动量，从而达到了减轻辅助电源负载、减小车辆附加重量、提高效率的目的。

此改进型的升降压Buck-Boost拓扑电路在本空调电源系统中的工作原理如下：其可分为2种运行模式，当输入电压i>600 V时，T2保持断开，T1施加触发脉冲，工作在降压Buck模式下，使其输出电压o稳定在600 V左右；当输入电压i<600 V时，T1保持常通，T2施加触发脉冲，工作在升压Boost模式下，使其输出电压o稳定在600 V左右。若忽略快速二极管VD1与VD2的电压降，在一个调制周期T内，由能量守恒定律得，电感平均电压为0。整理可得输入与输出电压关系为：

此外，本文DC-DC变换区设计的一种改进型直流升降压Buck-Boost变换器的创新点如图8所示，在该主电路靠近输入端的IGBT前端加入了一个电容C1，来弥补该电路输入端电流不连续。在该主电路中，前端输入部分的LC电路不可省略，该创新部分的LC电路主要作用有：1) 防止短路电流的不利影响；2) 防止设备的谐波对电网产生不利的影响。

4 空调电源系统通讯及控制结构设计

其空调电源系统通讯与控制结构设计如图9所示，系统控制通过硬线控制信号与通讯总线综合实现。空调主控器在该系统中是指基于TI公司DSP芯片TMS320F28335的主控电路板。

其中硬线控制的信号主要包括4个方面的通讯。1) 空调主控器能可通过硬线控制DC600V电源的起停与故障复位；2) 电源控制器在DC600V启动正常后输出触点信号通知空调主控器DC600V已就绪；3) 空调主控器在DC600V已就绪后可按照空调控制逻辑实现各变频器的起停；4) 电源控制器在任何故障发生时发出故障保护信号通知主控制器进行适当的保护策略。

通讯总线在本文空调电源系统中包含2条RS485通讯总线，分别为RS485A和RS485B。其RS485A的主要功能是控制电源控制器与变频器通讯，电源控制器通过该总线获取变频器状态与数据信息，并可将主控制器发送的变频器运行频率参数发送给变频器；RS485B的主要功能是控制空调主控器与电源控制器通讯空调主控器通过该总线可发送变频器当前运行频率指令，并获取DC600V直流电源系统与变频器状态与数据信息。

图9 空调电源系统通讯与控制结构图

其系统通讯方式采用主从模式，即主控制器作为通讯的主机，拥有总线的控制权；电源控制器作为从机，在接受到主机控制命后，回复应答包，以发送电源系统的各状态与数据信息。物理接口采用RS485串口，串口设置为波特率9 600 bps，1位起始位，8位数据位，1位停止位，无校验。

5 样品测试与分析

为验证提出的硬件电路拓扑结构与控制策略的有效与真实性，基于TI公司DSP芯片TMS320 F28335搭建DC750V空调逆变电源试验平台，如图10所示。基于DSP芯片TMS320F28335主控电路板控制的变频器模块如图11所示。

图10 DC750V空调逆变电源试验平台

图11 TMS320F28335主控板的变频模块电路

5.1 试验条件

真实试验电路如图10所示，其测试产品工作在环境温度为−20至+50 ℃，相对湿度：≤95%(不凝露)，海拔高度：≤1 200 m等条件下，试验的供电要求为额定电压：DC750V，其变化范围：500~900 V(在此供电范围内，需满足压缩机最大负荷运转要求)，电制动时不高于DC1050V空调受电方式，空调主控制板电路规定额定电压为DC24V(范围16.8~30 V)。最后试验要达成的目的是将750 V直流电压在500~900 V变化范围内，经升降压DC-DC变换器斩波后，变换成稳定的直流电压，其电压值大小控制在600 V左右，之后再传递至逆变部分。

5.2 MATLAB/SIMULINK仿真试验结果与分析

搭建系统试验平台之前，在Matlab/Simulink环境中搭建了基于直流DC-DC变换器改进型的升降压Buck-Boost斩波调制电路拓扑结构的仿真平台。经过计算选取合适的仿真电路元器件参数，其电感，电容，负载电阻的取值定为：=300 uH，=220 uF，=12 Ω，检测出改进型的升降压Buck- Boost斩波调制电路在500，750和900 V 3种不同输入电压等级下的输出端电压与电流波形，其中为IGBT开关管T的占空比。

图12分别为当输入电压i=500 V时，在仿真中脉冲发生器(Pulse Generator)晶振设为10 K，占空比设为17%情况下，输出电压o和输出电流仿真波形。

图13分别为当输入电压i=750 V时，在仿真中脉冲发生器(Pulse Generator)晶振设为10 K，占空比设为80.1%情况下，输出电压o和输出电流仿真波形。

(a) 输出电压Uo波形；(b) 输出电流波形

(a) 输出电压Uo波形；(b) 输出电流波形

图14分别为当输入电压i=900 V时，在仿真中脉冲发生器(Pulse Generator)晶振设为10 K，占空比设为67%情况下，输出电压o和输出电流仿真波形。

(a) 输出电压Uo波形；(b) 输出电流波形

表1 不同输入电压等级下DC-DC变换区的仿真效果

从图12~14的Matlab/Simulink仿真输出端的电压与电流波形图和表1，可见，该设计能将750 V直流电压在DC500V~DC900V变化范围内，经升降压DC-DC变换器斩波后，变换成稳定的直流电压，其电压值大小控制稳定在600 V左右，其电压与电流纹波均较小，输出精度均可保证，其性能良好。

图15 输入电压为500 V斩波后的波形图

5.3 在实验平台上的试验结果与分析

在搭建DC750V直供式变频空调逆变电源试验测试平台中，需要一台示波器，数字万用表，兆欧表，信号发射器，稳压直流电源，DC-DC变换器的斩波模块试验台以及试验电阻等，其试验用示波器测量空调电源从接触网取得750 V直流电压在DC500V~DC900V变化范围内，经升降压DC-DC变换器斩波后，变换成稳定600 V直流中间电压的各部分波形图，如图15~17所示，其中示波器通道1不起测量作用；通道2代表升压斩波器电压；通道3代表降压斩波器电压；通道4代表高频电抗器电流。

图16 输入电压为750 V斩波后的波形图

图17 输入电压为900 V斩波后的波形图

表2 不同输入电压等级下的空调电源系统运行试验效果

从上述在实验平台上试验斩波后的电压与电流波形图15~17与试验效果表2，可见，该设计实验平台上试验结果与前文5.2的MATLAB/ SIMULINK仿真试验结果相吻合，都能使其斩波后电压值大小稳定在600 V左右。并且试验效果表2表明整个空调电源系统能正常运行，验证了本文提出的方法有效性，符合设计要求，性能良好。并为减轻辅助供电电源负载，减小了车辆的重量，对列车的轻量化节能有着积极的意义。

6 结论

1) 改进的Buck-Boost型直流DC-DC变换器拓扑结构能有效地达到减轻辅助电源负载、减小车辆附加重量、提高效率的目的。

2) 该空调电源系统能将750 V直流电压在DC500V~DC900V变化范围内，经升降压DC-DC变换器斩波后，变换成稳定的直流电压，其电压值大小控制在600 V左右。验证了设计的可行性，为大幅度減轻地铁车辆等辅助电源系统的重量做出较大贡献。

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Lightweight research on DC750V metro vehicle direct supply inverter air conditioner power supply

ZHOU Wei1, ZHU Junjie1, GONG Gufeng1, HE Mingfang1, WEN Chaomin2

(1. School of Computer and Information Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China; 2. Zhuzhou Changhe Electric Locomotive Technology Co., Ltd, Zhuzhou 412007, China)

The high-speed rail and subway have higher and higher requirements on the weight reduction of vehicle equipment in transportation. This paper studied the problems of large volume and weight and low power transmission efficiency of traditional power supply, using high-frequency inverter technology and high-frequency transformer technology to replace the traditional 50 Hz, 380 V transformer, rectifier, inverter inverter power supply technology, using high-voltage non-isolated DC-DC converter instead of the traditional auxiliary power supply, the system achieved the purpose of reducing the auxiliary power load, reducing the weight of the vehicle, and improving the efficiency. The experimental results show that the 750 V DC power obtained from the grid side is depressurized and filtered by a non-isolated buck-boost DC-DC converter, it can realize the electricity standard of subway vehicles and control circuits, and has good performance. At the same time, the volume and weight of the energy storage reactor are reduced, and the efficiency is also effectively improved.

vehicle air conditioner; direct supply; DC-DC converter; Buck-Boost

TM46

A

1672 − 7029(2019)07− 1800 − 10

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.07.026

2018−10−20

国家自然科学基金青年基金资助项目(61703441)；湖南省科技计划资助项目(2016WK2023)

朱俊杰(1972−)，男，湖南长沙人，副教授，博士，从事智能检测与自动控制研究；E−mail：wenke03@163.com

(编辑 蒋学东)