城軌車輛輔助系統(tǒng)DC 110V電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

程永誼，軒云龍

（1 鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京100081；2 國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京100190）

城軌車輛輔助系統(tǒng)低壓電源包括DC 110V和DC 24V電源，其中DC 110V電源兼作蓄電池充電機(jī)。DC 110V電源主要用于貫穿全車的列車正常供電永久母線、控制母線和一些信號燈（少數(shù)車輛也用作客室一部分照明）用電。DC 110V電源有直接變流與間接變流兩種模式，前者的輸入電源為電網(wǎng)電壓DC 1 500V或DC 750V，即DC—DC變流模式，后者的輸入電源為輔助逆變器輸出電壓AC 380V，即DC—AC—DC變流模式。DC 24V電源主要用于車輛頭燈電源。

DC 110V電源在列車上的配置一般是每列車兩臺，其功率應(yīng)當(dāng)滿足一臺故障時另一臺能完全滿足全列車的正常工作，因此對它的容量冗余度要求較高。以6輛編組B型列車為例，每列車設(shè)兩臺，每臺功率20～25 kW（少數(shù)集中并網(wǎng)供電，共設(shè)4臺，每臺12kW）。DC 24V電源多數(shù)城軌車輛采用統(tǒng)一規(guī)格的DC—DC模塊，功率較小，每臺1～2kW。本文主要介紹DC 110V電源變流器。

1 直接變換DC—DC變流器電路型式

由DC 1 500V或DC 750V供電的直接變換的DC—DC變換器有雙橋式DC—DC型和單橋式DC—DC型，單橋式DC—DC型又有單相橋式變流器和諧振式變流器兩種。

1.1 雙橋式DC—DC變流器

用于DC 1 500V供電系統(tǒng)的電路如圖1所示。雙橋式DC—DC變流器采用兩臺單相半橋高頻逆變器INV串聯(lián)，它們之間用支撐電容器（即濾波電容）C01、C02分壓。其輸出分別給兩臺高頻降壓變壓器T原邊繞組供電，高頻變壓器降壓輸出后分別通過兩臺快恢復(fù)二極管構(gòu)成的推挽式整流電路R整流，然后分別通過濾波器濾波，最后將兩臺變流器的輸出并聯(lián)，給DC 110V負(fù)載供電。其中高頻逆變器可以采用PWM調(diào)制以控制直流輸出電壓，這種變流器也是模塊化結(jié)構(gòu)，若用于DC 750V供電的系統(tǒng)只須將兩臺逆變器輸入端并聯(lián)即可。

圖1 雙橋式DC—DC變流器電路

這種電路的優(yōu)點(diǎn)是可以在DC 1 500V供電的系統(tǒng)中用低電壓的IGBT（1 700V）并使用了高頻變流技術(shù)，但電路復(fù)雜、控制要求高、所使用的電力電子器件多，器件多則故障概率高。在早期IGBT水平較低的時候是有優(yōu)勢的，如廣州地鐵1號線，目前3 300VIGBT已廣泛應(yīng)用。

1.2 單相橋式DC—DC變流器

單相橋式DC—DC變流器（如圖2）采用DC 1 500 V或DC 750V輸入，經(jīng)過下列環(huán)節(jié)L-C輸入濾波器-單相高頻逆變器，其可采用全橋逆變電路和半橋逆變電路。逆變時可以用PWM調(diào)制以調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的輸出電壓—高頻變壓器（起隔離與降壓兩個作用）—快恢復(fù)二極管構(gòu)成的單相高頻整流器（可以采用橋式電路也可以采用推挽電路）—L-C輸出濾波器—DC 110V輸出。該電路相對而言較簡單，使用部件少；由于采用高頻技術(shù)，整個設(shè)備體積更小、質(zhì)量更輕，工作可靠性不依賴于輔助逆變器。因此，深圳1號線采用此電路，但該系統(tǒng)對高壓高頻變流器及變壓器制作工藝要求高，價格較貴。

圖2 單相橋式DC—DC變流器框圖

1.3 諧振式DC—DC變流器

用于DC 1 500V供電系統(tǒng)的諧振式DC—DC變流電路（如圖3）采用兩個雙IGBT模塊M1、M2串聯(lián)接至DC 1 500V電源，兩個濾波電容器C1、C2起均壓作用，高頻變壓器T繞組（用它的漏感L）與電容構(gòu)成串聯(lián)諧振電路。該諧振電路兩端分別接至IGBT模塊中點(diǎn)，變壓器次邊繞組輸出，通過推挽式高頻整流器及L-C濾波器后輸出DC 110V電壓。只要諧振參數(shù)選擇得當(dāng)（IGBT的開關(guān)頻率fs小于諧振頻率fr的一半，即，其中諧振頻率），變流器的IGBT就能滿足軟開關(guān)要求，并能降低開關(guān)損耗與電磁干擾。同時由于串聯(lián)電容可以隔斷直流分量，因此亦可以避免變壓器磁飽和，并可調(diào)節(jié)fs以控制輸出電壓。

該電路優(yōu)點(diǎn)是對于能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的變流器來說電路簡單，并使用了高頻技術(shù)。缺點(diǎn)則是對系統(tǒng)控制要求高，尤其是對變壓器制造精度要求高，維護(hù)工作有一定難度，在輕載和空載時輸出電壓難于調(diào)節(jié)，杭州1號線即采用此電路結(jié)構(gòu)。如果用于DC 750V供電的系統(tǒng)，只需將雙IGBT模塊的輸入端改成并聯(lián)即可。

圖3 諧振式DC—DC變流器電路

1.4 直流模塊隔離DC—DC變流器

直流模塊隔離DC—DC變流器電源系統(tǒng)的框圖（圖4（a）），包括3個模塊，其中1為直流模塊，2為逆變模塊，3為低壓電源模塊，直流模塊與低壓電源模塊的電路原理如圖4（b）和4（c）所示。

圖4 電源模塊原理圖

直流模塊包括升壓斬波器CH、諧振式逆變器INV1和整流器R1三部分。升壓斬波器直接由網(wǎng)壓輸入，設(shè)置升壓斬波器的目的是為了使諧振式逆變器的輸入電流穩(wěn)定，不受電網(wǎng)電壓波動的影響，并將網(wǎng)壓升至某一恒定值，如1 800V。其輸出經(jīng)諧振逆變器—高頻變壓器—高頻整流器后輸出恒定的DC 700V電壓，同時給逆變器和低壓電源供電。低壓電源模塊將DC 700 V電壓經(jīng)單相高頻逆變INV2—變壓器T2降壓—推挽整流器R2—L2、C2濾波后輸出DC 110V電壓。該電路過于復(fù)雜，僅適用于諧振式逆變器作隔離的輔助逆變器系統(tǒng)中（該系統(tǒng)中輔助逆變器容量為110kVA，低壓電源功率為12kW）。

由上述可見，所有直接DC—DC變流器都是經(jīng)過電網(wǎng)輸入—高頻變換—整流構(gòu)成，本質(zhì)上都是DC—高頻AC—DC系統(tǒng)，高頻變換使得變壓器體積、總重大大減小，例如一臺4kHz200kVA的變壓器總重僅為同容量50Hz變壓器的1／6。但高頻變換也導(dǎo)致元器件的開關(guān)損耗增大，如果能使用軟開關(guān)技術(shù)，則能兩全其美，但也使得電路變得較為復(fù)雜。由于采用電網(wǎng)直接供電方式，DC—DC變流器工作的可靠性僅取決于自身，與輔助逆變器無關(guān)，因此，已應(yīng)用在上海、深圳、廣州、杭州等城軌車輛上。

2 間接DC—DC變流器電路型式

目前，采用由輔助逆變器供電的間接DC—AC—DC變流器主要有6種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括采用單獨(dú)變壓器供電、輔助變壓器次邊繞組供電、高頻隔離供電、降壓斬波器供電、升壓斬波器供電和脈沖整流器供電等電路，具體如下。

2.1 單獨(dú)變壓器供電型式

單獨(dú)變壓器由輔助逆變器輸出的AC 380V供電，降壓后通過三相二極管整流橋及濾波器輸出DC 110V電壓。在此電路結(jié)構(gòu)中，由于直流輸出電壓不可控，因此蓄電池充電電流亦不可調(diào)，通過將二極管整流橋改為三相可控整流橋，可實(shí)現(xiàn)充電電流根據(jù)蓄電池電壓和溫度進(jìn)行控制。同時，也存在附加的50Hz變壓器體積、總重大等不足。

2.2 輔助變壓器次邊繞組供電型式

輔助電源的變壓器次邊繞組，除了三相AC 380V外，另有一組為DC 110V供電的低壓三相繞組，其輸出經(jīng)晶閘管三相整流橋RF及濾波器DCL、DCF輸出DC 110V電壓，這種電路如圖5所示，即采用晶閘管橋?qū)嵤┫嗫卣?。采用晶閘管整流，雖然輸出電壓可控，但電壓波形脈動依然較大，因此對濾波要求高。

圖5 輔助逆變器次邊繞組供電電路

以上兩種變流器的共同優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，價格低。共同的缺點(diǎn)是：①輸出電壓脈動大，尤其是當(dāng)采用晶閘管整流，雖然輸出電壓可控，但電壓波形脈動大，則對濾波要求高；②低壓電源依賴于輔助逆變器，一旦逆變器故障，也同時失去了對DC 110V供電。

2.3 輔助逆變器高頻隔離供電型式

在此電路結(jié)構(gòu)（圖6）中，由輔助逆變器AC 380V輸出，經(jīng)三相二級管整流橋R整流后經(jīng)L1、C1濾波，通過高頻單相逆變器INV變換為高頻交流電壓，然后由高頻變壓器降壓，再通過快恢復(fù)二極管橋RF整流、L2、C2濾波后輸出DC 110V電壓。這種DC—AC—DC變流器由于采用高頻技術(shù)，其變流器輸出電壓波形紋波小，對濾波器要求低；并高頻變壓器體積小，質(zhì)量輕，可使整個設(shè)備輕量化；通過在逆變時采用PWM調(diào)制技術(shù)，其整流后的輸出電壓可控，且蓄電池充電電流可調(diào)。但其對所用材料及技術(shù)和制造工藝要求高，如快恢復(fù)二極管、適用于高頻的變壓器等，提升了設(shè)備整體成本。

圖6 輔助逆變器高頻供電電路

2.4 降壓斬波器供電型式

該電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。采用三相AC 380V輸入，經(jīng)過變壓器FRT降壓，利用三相二極管橋R整流，后經(jīng)降壓斬波BCH穩(wěn)壓，再經(jīng)過輸出濾波器BCFL與BCFC濾波，然后得到DC 110V輸出。其中，BCCT1與BCPT分別為電流、電壓傳感器，BCFL、BCFC為濾波電抗、電容器，用于減少直流電輸出電壓脈動。

圖7 降壓斬波器供電電路

2.5 升壓斬波器供電型式

該電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。采用三相AC 380V輸入，經(jīng)變壓器降壓后，再通過三相二極管橋整流，經(jīng)升壓斬波器穩(wěn)壓，輸出濾波器濾波后，輸出DC 110V。其中L為升壓斬波器儲能電感，C為輸出濾波器電容器。

圖8 升壓斬波器供電電路

以上2.4與2.5兩種利用斬波器穩(wěn)壓的電路，系統(tǒng)輸出電壓的紋波取決于斬波器的斬波頻率。這兩種電路的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，輸出電壓及其紋波可控，可完全滿足系統(tǒng)控制要求，降壓斬波電路尤為簡單，升壓斬波電路較為復(fù)雜，需要增加一個空芯電抗器作為儲能電感。

2.6 脈沖整流器供電型式

該系統(tǒng)由輔助逆變器的另一副邊繞組W2給三相PWM脈沖整流器RP供電，如圖9所示。在正常工作情況下，額定輸出電壓DC 110V，由于采用PWM調(diào)制，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍為DC 77～137.5V。紋波小，為0.7V。在故障情況下，例如電網(wǎng)失電或輔助逆變器故障，脈沖整流器作應(yīng)急通風(fēng)逆變器運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)失電時，由蓄電池供電，脈沖整流器逆變輸出三相AC 250V±5%，35Hz，額定功率135kVA，總諧波損失≤8%，功率因數(shù)cosφ=0.63。

圖9 脈沖整流器供電電路

在以上的6種間接DC—DC變流器電路中，均依賴于輔助逆變器，采用輔助逆變器供電的高頻DC—AC—DC變流器經(jīng)整流、濾波后輸出電壓品質(zhì)較好，脈動小，通過采用高頻技術(shù)，也適當(dāng)降低了變壓器總重，其電路簡單、成熟可靠，已應(yīng)用在北京、廣州、沈陽、無錫、昆明、重慶等城軌車輛上。

3 結(jié)束語

（1）由于DC 110V電源兼作蓄電池充電機(jī)，為確保蓄電池失壓情況下可靠工作，可通過應(yīng)急啟動單元將1 500V直流電壓轉(zhuǎn)換到隔離的110V直流母線上，從而給輔助逆變器內(nèi)部的控制電路供電并啟動蓄電池充電機(jī)，此電路雖復(fù)雜但整體性能優(yōu)于采用內(nèi)部應(yīng)急蓄電池啟動輔助逆變器和低壓電源的方案，目前廣泛應(yīng)用在杭州、蘇州、上海和寧波等城軌車輛上。

（2）低壓電源是車輛的關(guān)鍵設(shè)備，直接影響列車控制系統(tǒng)的工作安全可靠，同時兼做蓄電池充電機(jī)，筆者認(rèn)為DC 110V低壓電源的工作可靠性以不依賴于輔助逆變器為妥，宜采用直接DC—DC變流器，諧振式DC—DC變流器具有電路簡單、能達(dá)到軟開關(guān)的效果、高頻變壓器體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)；當(dāng)然也存在如本文所述的一些問題，應(yīng)進(jìn)一步研究優(yōu)化直接DC—DC變流器電路結(jié)構(gòu)，為城軌車輛提供穩(wěn)定可靠的低壓電源系統(tǒng)。

［1］李 新.HXD3型機(jī)車用DC 110V電源裝置［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2008，31（2）：42-45.

［2］陳 穎，張鐵軍，賀正蕓.大功率蓄電池組充電器主電路設(shè)計［J］.大功率變流技術(shù)，2009，32（2）：35-37.

［3］賀明智，劉宏亮，王 丹，馮 軻.串聯(lián)負(fù)載諧振變換器的參數(shù)設(shè)計［J］.大功率變流技術(shù)，2009，32（3）：24-26.

［4］阮新波，嚴(yán)仰光.直流開關(guān)電源軟開關(guān)技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2000.