地鐵輔助變流器的設(shè)計(jì)初探

徐士強(qiáng)

摘要：隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市人口上升趨勢更加明顯，城市的交通壓力大幅增加，我國大部分城市為了緩解城市公共交通的壓力，都選擇修建地鐵，地鐵修建工程進(jìn)入新的時(shí)期，對地鐵輔助供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量、功率等級、運(yùn)行可靠性等方面都提出了更多和更高的要求。由此，本文將對地鐵輔助系統(tǒng)的重要組成設(shè)備輔助變流器的構(gòu)成、發(fā)展歷程以及功能等方面進(jìn)行敘述，并提出相關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施，提高地鐵輔助變流器的可靠性。

關(guān)鍵詞：地鐵；輔助變流器；設(shè)計(jì)優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.178

1地鐵輔助變流器的概述

輔助變流器是地鐵車輛的重要組成設(shè)備之一，主要由輔助逆變器和蓄電池充電機(jī)兩部分組成，輔助變流器的主要功能是受電弓上的直流電實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成三相交流電供給車載空調(diào)、空壓機(jī)等使用，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，給負(fù)載及控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的電源，并能有效緩解負(fù)載不均衡的現(xiàn)象。地鐵輔助變流器的重要組成部分的輔助逆變器主要功能是將直流電源經(jīng)輔助逆變器處理為三相交流電，提供給空調(diào)設(shè)備、空氣壓縮機(jī)、設(shè)備通風(fēng)機(jī)、照明系統(tǒng)以及擋風(fēng)玻璃除霜器等三相負(fù)載使用，輔助逆變器能自動進(jìn)行啟動和關(guān)閉，并且能對故障進(jìn)行切除和對輔助系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行跟蹤記錄，保障地鐵正常運(yùn)行。充電機(jī)是為車載的各系統(tǒng)的控制電路、直流照明、電動車門等直流負(fù)載提供可靠電源，并能給車載蓄電池進(jìn)行充電。地鐵輔助變流器追求的目標(biāo)是不僅是有效的地鐵需要的功能，還能為用戶提供良好的操作界面方便操作，地鐵輔助變流器在不斷提高自動化水平的同時(shí)應(yīng)注意滿足以下要求；首先，輸入電壓在我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)時(shí)，變流器能為空調(diào)設(shè)備、空壓機(jī)、通風(fēng)機(jī)等設(shè)備提供穩(wěn)定電源，并在運(yùn)行環(huán)境惡劣的情況下，能保持較高的可靠性，保障地鐵車輛正常運(yùn)行。

2我國輔助變流器的發(fā)展歷程

近年來，隨著我國的城市軌道交通快速的發(fā)展，輔助供電系統(tǒng)作為地鐵車輛的關(guān)鍵系統(tǒng)也在不斷的進(jìn)行優(yōu)化升級，輔助變流器所采用的功率器件從初期的GTO逐步漸進(jìn)步為現(xiàn)在的具有優(yōu)良性能的IGBT，初期的GTO存在器件燒毀較多的情況，而現(xiàn)在采用的IGBT不僅具有能耗小、頻率高、器件燒毀少的特點(diǎn)，還具備多重保護(hù)能力，能有效的保護(hù)線路，減少短路現(xiàn)象的發(fā)生，極大的提高了輔助變流器以及輔助系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性。隔離方式也從最初的低頻發(fā)展為現(xiàn)在的高頻，輔助變流器的功率密度更為集中，各方面性能得到了有效提升。并且最初的我國輔助變流器是從國外采購，在購買相關(guān)設(shè)備的同時(shí)，也開始引進(jìn)相關(guān)技術(shù)，在不斷對輔助變流器進(jìn)行優(yōu)化的過程中，我國開始自主研發(fā)輔助變流器，并成功應(yīng)用于地鐵車輛上，目前我國常用的主要有TGF9型和TGF11型這兩種輔助變流器，輔助變流器應(yīng)用到地鐵車輛輔助系統(tǒng)時(shí)，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)越性也得到充分顯示。

3提升輔助變流器性能的設(shè)計(jì)方法

（1）網(wǎng)側(cè)電路參數(shù)設(shè)計(jì)。網(wǎng)側(cè)電路能對重要的硬件起到保護(hù)作用，主要由電壓電流傳感器、線路接觸器、網(wǎng)側(cè)IGBT、預(yù)充電電阻、壓敏電阻、防極性反向二極管以及直流濾波電路等組成，當(dāng)變流器啟動或地鐵車輛經(jīng)過無電區(qū)域時(shí)，網(wǎng)側(cè)電容會受到電流迅速增大的影響，而預(yù)充電和電感可以對電流增長速度起到限制的作用。由于輸入側(cè)電壓波動起伏的情況會影響變流器的正常使用，而由網(wǎng)側(cè)的電感和電容構(gòu)成的輸入濾波器能有效消除這種影響，保證輔助變流器正常運(yùn)行。在對網(wǎng)側(cè)支撐電容材料的進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)選用耐壓能力強(qiáng)、高頻特性好、無極性的材料，直流側(cè)濾波電路應(yīng)選用膜支撐電容，而不用電解電容，相比較而言，膜支撐電容的耐壓能力以及高頻性能都強(qiáng)于電解電容。網(wǎng)側(cè)電路中的電感主要作用是限制電流變化幅度過大，減小電流對輔助變流器的影響，并且在車輛經(jīng)過無電區(qū)域時(shí)，為地鐵車輛提供運(yùn)行所需的能量，而在對網(wǎng)側(cè)濾波電感進(jìn)行設(shè)計(jì)以及電抗參數(shù)的選取時(shí)，其諧振電壓峰值不超過2000V。

（2）開關(guān)管選擇。地鐵輔助變流器的開關(guān)器件種類較多并且各有所長，在對變流器的開關(guān)器件進(jìn)行選型時(shí)，應(yīng)結(jié)合功率等級、應(yīng)用場合等因素進(jìn)行綜合考慮，有助于選取最合適的。MOSFET具有電流拖尾的缺點(diǎn)，不適合在功率較大的場合使用，GTO存在器件燒毀較多的現(xiàn)象，所需的經(jīng)濟(jì)投入較多，IGBT與上面兩種相比較而言，具有驅(qū)動電流小、容易恢復(fù)、器件燒毀少的優(yōu)點(diǎn)，所以選用IGBT作用開關(guān)管，不僅能減少故障的發(fā)生也能有效減少經(jīng)濟(jì)投入。而在選取IGBT的型號是，應(yīng)根據(jù)電壓和電流以及散熱方式做為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格挑選，保障IGBT的可靠運(yùn)行和延長使用壽命。

（3）輔助變流器保護(hù)功能設(shè)計(jì)。地鐵輔助變流器的保護(hù)功能對地鐵輔助系統(tǒng)以及整個(gè)車輛的安全運(yùn)行提供有效保障，對地鐵輔助變流器的進(jìn)行保護(hù)功能設(shè)計(jì)，能對系統(tǒng)中的故障進(jìn)行有效隔離，當(dāng)系統(tǒng)中的某個(gè)區(qū)域發(fā)生故障時(shí)，能快速切斷與故障區(qū)域相關(guān)的電路連接，阻止故障進(jìn)一步擴(kuò)大，并對系統(tǒng)中的設(shè)備起到保護(hù)作用，防止設(shè)備收到故障的影響。

（4）輔助變流器的安全性設(shè)計(jì)。對輔助變流器的主要電路器件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能起到延長使用壽命和提高安全性的作用，電容器存在損耗較大、易發(fā)熱損壞等缺點(diǎn)，這可能是由于設(shè)計(jì)不合理以及生產(chǎn)工藝存在缺陷造成的，在對電容器進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，設(shè)計(jì)過程中加入壓力釋放閥，能有效防止運(yùn)行過程中因發(fā)熱導(dǎo)致爆炸、燃燒等重大安全事故的發(fā)生，增加輔助變流器的安全性。

4總結(jié)

輔助變流器因具有低噪音、節(jié)能、過載能力強(qiáng)、輸出電壓穩(wěn)定等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于在我國地鐵車輛上，文章對地鐵輔助變流器的設(shè)計(jì)提出相關(guān)進(jìn)行優(yōu)化措施，能有效保障地鐵車輛正常運(yùn)行。