DC750V地鐵車輛直供式變頻空調(diào)電源的輕量化研究

周衛(wèi)，朱俊杰，龔固豐，何明芳，文超民

DC750V地鐵車輛直供式變頻空調(diào)電源的輕量化研究

周衛(wèi)1，朱俊杰1，龔固豐1，何明芳1，文超民2

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2. 株洲長(zhǎng)河電力機(jī)車科技有限公司，湖南 株洲 412007)

基于高鐵與地鐵在運(yùn)輸中對(duì)車輛設(shè)備的輕量化要求越來(lái)越高，針對(duì)傳統(tǒng)電源存在體積與重量大、電源傳輸效率低等問(wèn)題展開研究。利用高頻逆變技術(shù)、高頻變壓技術(shù)取代傳統(tǒng)的50 Hz，380 V變壓、整流和逆變構(gòu)成的逆變電源技術(shù)，采用高壓非隔離型直流DC-DC變換器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的輔助供電電源系統(tǒng)，達(dá)到減輕輔助電源負(fù)載、減小車輛附加重量、提高效率的目的。研究結(jié)果表明：從電網(wǎng)側(cè)獲得的750 V直流電采用非隔離型升降壓DC-DC變換器降壓以及濾波后，可實(shí)現(xiàn)地鐵車輛及控制電路用電標(biāo)準(zhǔn)，性能良好，同時(shí)降低了儲(chǔ)能電抗器體積和重量，效率也得到有效提高。

車輛空調(diào)；直供式；DC-DC變換器；Buck-Boost

車輛空調(diào)是鐵道列車內(nèi)部環(huán)境空氣調(diào)節(jié)器的簡(jiǎn)稱，也是列車室內(nèi)“人造氣候”的來(lái)源。其主要功能根據(jù)工藝或人類舒適感的需要，對(duì)自然界的空氣在局部范圍內(nèi)進(jìn)行溫度、濕度、潔凈度及風(fēng)的速度的調(diào)節(jié)，又簡(jiǎn)稱為“四度調(diào)節(jié)”[1]。車輛空調(diào)的調(diào)節(jié)目標(biāo)是“四度調(diào)節(jié)”，控制手段是通過(guò)壓縮機(jī)、送風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)等設(shè)施消耗一定的能量完成各種對(duì)空氣的處理過(guò)程，使列車內(nèi)部溫度、濕度適應(yīng)人類舒適的需要，能使人有冬暖夏涼感覺(jué)的設(shè)備[2]。目前，由于北京某線路設(shè)施對(duì)車輛組提出了軸重不超過(guò)15.5 t的嚴(yán)苛要求，為解決這一問(wèn)題，劉清 等[3]采用了提升輔助變流器的安全與噪聲性能設(shè)計(jì)方法，但未考慮對(duì)車輛組附加重量輕量化；陽(yáng)德龍等[4]提出一種磁性集成變壓器減小磁件的體積和重量，從而減輕車輛附加重量，并在地鐵車輛輔助變流器中應(yīng)用的實(shí)例，但文中的磁性集成變壓器實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不全面；蔣曉東等[5]介紹了一種集中布置式并聯(lián)供電的輔助供電系統(tǒng)，為滿足寧波軌道交通車輛輕量化節(jié)能的要求，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，但系統(tǒng)的安全性和可靠性問(wèn)題未能良好解決，有待進(jìn)一步觀察這種集中式并聯(lián)供電系統(tǒng)的線上運(yùn)用狀況；徐麗賓等[6?7]介紹了地鐵車輛輔助變流器直流試驗(yàn)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并提供了元器件技術(shù)參數(shù)的計(jì)算方法，但文中并沒(méi)有理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。趙元哲等[8]研究了電氣化鐵道電力機(jī)車變壓器和應(yīng)涌流產(chǎn)生機(jī)理，為車網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)的異常跳閘現(xiàn)象提供了參考。本文針對(duì)傳統(tǒng)電源存在體積與重量大、電源傳輸效率低等問(wèn)題進(jìn)行探討與分析，并對(duì)高頻逆變器技術(shù)、高頻變壓器等技術(shù)展開研究，采用非隔離型直流升降壓DC-DC變換器代替了傳統(tǒng)的輔助供電電源系統(tǒng)，取代過(guò)去的50 Hz，三相交流380 V的逆變器、變壓器以及50 Hz，三相交流380 V的中壓母線。這種非隔離型方案相對(duì)于采用隔離型方案，可以節(jié)省高頻變壓器和整流模塊等，達(dá)到減輕輔助電源負(fù)載、減小車輛附加重量、提高效率的目的。首先，在Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建一種基于直流DC-DC變換器的改進(jìn)型升降壓Buck-Boost斬波調(diào)制電路拓?fù)涞姆抡婺Ｐ停醪津?yàn)證方案的可行性，在此基礎(chǔ)上，搭建基于TMS320F28335的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提方法的有效性。

1 幾種經(jīng)典非隔離型電路分析

1.1 升降壓Buck-Boost型電路模型

圖1為升降壓Buck-Boost變換器的原理圖[9]。

圖1 升降壓Buck-Boost變換器原理圖

升降壓Buck-Boost變換器在電路拓?fù)湓砩鲜怯葿uck和Boost 2種基本的變換器派生而來(lái)的，其可以看成是由Buck變換器和Boost變換器串聯(lián)而成的，它將2只開關(guān)管合并為一只開關(guān)管。在元器件組成上，主要由1個(gè)IGBT+電感L+1個(gè)快速二極管+電容器C+電阻R構(gòu)成。其優(yōu)點(diǎn)主要有：升降壓Buck-Boost拓?fù)潆娐穼儆诮?jīng)典成熟電路[10]，控制上有較多應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，輸出波形較好，電壓、電流參數(shù)合適，器件體積和重量基本合理；其缺點(diǎn)較少，只是在變換器輸入端電流存在不連續(xù)的現(xiàn)象以及輸出電壓為負(fù)極性電壓。

1.2 Zeta型電路模型

圖2為Zeta變換器的原理圖[11]。

圖2 Zeta變換器原理圖

Zeta型在電路拓?fù)湓砩峡梢钥闯墒怯缮祲築uck-Boost變換器和Buck變換器串聯(lián)而成的，與Buck-Boost變換器一樣是將2只開關(guān)管合并為一只開關(guān)管。輸入部分類似于升降壓Buck-Boost變換器，輸出部分類似Buck變換器。在元器件組成上，主要由1個(gè)IGBT+電感L1+電容C1+電感L2+電容C2+1個(gè)快速二極管+電阻R組成[12]。其優(yōu)點(diǎn)較少，只是輸出電壓為正極性電壓；其缺點(diǎn)經(jīng)過(guò)仿真分析，輸出端電壓波形存在振蕩，IGBT承受電壓接近兩倍輸入端電壓，而且2個(gè)電感會(huì)增加變換器的體積和重量，輸入端電流也不連續(xù)。

1.3 Cuk型電路模型

圖3為Cuk變換器的原理圖[13]。

圖3 Cuk變換器原理圖

Cuk型在電路拓?fù)湓砩峡梢钥闯墒怯葿oost變換器和Buck變換器串聯(lián)而成的，它也是把2只開關(guān)管合并為1只開關(guān)管。它的輸入部分與Boost變換器相似，輸出部分與Buck變換器相似。在元器件組成上和Zeta型電路類似，主要由1個(gè)IGBT+電感L1+電容C1+電感L2+電容C2+1個(gè)快速二極管+電阻R組成[14]。其優(yōu)點(diǎn)也相對(duì)較少，只是輸入端電流連續(xù)；而缺點(diǎn)由于輸出電壓為負(fù)極性電壓，對(duì)控制轉(zhuǎn)換上存在一些不便影響，且也需要2個(gè)電感，這樣也會(huì)增加變換器的體積和重量。

綜上所述，根據(jù)上文幾種經(jīng)典的成熟非隔離型電路分析，下文提出改進(jìn)式的非隔離型直流升降壓Buck-Boost的DC-DC變換器能有效達(dá)到減輕輔助電源負(fù)載、減小車輛附加重量、提高效率的目的。

2 DC750V地鐵車輛直供式變頻空調(diào)逆變電源及工作原理

DC750V直供式電源是專為地鐵空調(diào)機(jī)組提供的電源，裝置是采用非隔離電源型式。正常情況下，它從接觸網(wǎng)取得750 V直流母線電壓[15]，首先經(jīng)過(guò)非隔離DC-DC變換后變成600 V直流中間電壓，為滿足壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、車體電熱等的供電要求，然后經(jīng)過(guò)逆變變換輸出為4路，分別供給壓縮機(jī)(2路)逆變電源、冷凝風(fēng)機(jī)及送風(fēng)機(jī)逆變電源、車體電熱逆變電源。大體上可以分成4個(gè)區(qū)域：高壓輸入?yún)^(qū)、DC-DC變換區(qū)、逆變區(qū)和電磁區(qū)，其原理框圖如圖4所示。

圖4 DC750V車輛直供式變頻空調(diào)逆變電源原理框圖

圖5 DC750V地鐵車輛直供式變頻空調(diào)逆變電源總電路圖

圖6 總電路中的變頻器與空調(diào)負(fù)載模塊組詳圖

根據(jù)上面空調(diào)電源系統(tǒng)的原理框圖，本文設(shè)計(jì)的DC750V非隔離的地鐵車輛直供式變頻空調(diào)逆變電源總電路如圖5所示，其大體上也可以分為4個(gè)主要部分電路，即DC750V輸入電路，直流DC-DC升降壓Buck-Boost型變換器的斬波調(diào)制電路，逆變變頻控制電路及濾波電路等。

4個(gè)主要部分電路與原理框圖的四大區(qū)域是相互對(duì)應(yīng)的。根據(jù)總電路圖6可見(jiàn)，DC750V輸入電路是對(duì)應(yīng)著高壓輸入?yún)^(qū)，直流DC-DC升降壓Buck-Boost型變換器的斬波調(diào)制電路對(duì)應(yīng)著DC- DC變換區(qū)，逆變變頻控制電路對(duì)應(yīng)著逆變區(qū)，濾波電路是對(duì)應(yīng)著電磁區(qū)。其工作原理可具體分析如下，DC750V輸入電路主要是將750V直流母線電壓經(jīng)EMI濾波處理后，接入到輸入電路部分，進(jìn)行預(yù)充、濾波，之后接至DC-DC變換區(qū)部分[16]。該部分電路需要用到的電氣元器件有快速熔斷器、接觸器、預(yù)充電阻、電流傳感器、電壓傳感器、濾波電抗器和電容器組等。直流DC-DC升降壓Buck- Boost型變換器的斬波調(diào)制電路主要是控制750 V直流電壓在DC500V~DC900V變化范圍內(nèi)(包含輸入電壓以偏差DC450~DC1050V變化范圍考慮)，經(jīng)升降壓Buck-Boost斬波后，變換成穩(wěn)定的600 V直流電壓，之后傳遞至逆變部分。該部分電路主要用到的元器件有IGBT、薄膜電容、升降壓電抗器、電壓傳感器、電流傳感器、驅(qū)動(dòng)器、電容器組和鋁殼電阻等。而逆變變頻控制電路及濾波電路主要是將變換后得到的直流600 V電壓經(jīng)三相逆變橋，采用PWM控制方式，將直流逆變成壓縮機(jī)等所需的三相交流電，經(jīng)過(guò)濾波處理后輸出。這兩部分電路主要用到的元器件有變頻模塊、電流傳感器、濾波器等。

3 一種改進(jìn)型的非隔離式直流升降壓Buck-Boost的DC-DC變換器 設(shè)計(jì)

硬件電路的DC-DC變換區(qū)，采用非隔離型升降壓DC-DC變換器進(jìn)行斬波逆變的方式，圖7為一種改進(jìn)型的升降壓斬波DC-DC變換區(qū)電路拓?fù)湓韴D，T1與T2為IGBT開關(guān)管，VD1與VD2為快速二極管，再加上電感L，濾波電容C和負(fù)載電阻R組成一個(gè)升降壓Buck-Boost斬波控制方案。其升降壓Buck-Boost斬波器本質(zhì)上相當(dāng)于兩相DC-DC直流變換器，控制系統(tǒng)采用PWM驅(qū)動(dòng)控制方式。其與本文1.1節(jié)中提到的典型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，改進(jìn)型的升降壓Buck-Boost變換器輸出端電壓為正極性電壓。并且改進(jìn)型的升降壓Buck-Boost拓?fù)潆娐肥怯?個(gè)開關(guān)管交替通斷，按輸出電壓適當(dāng)?shù)乜刂泼}沖寬度，可以獲得與輸入端電壓同正極性的穩(wěn)定直流輸出電壓。斬波器開關(guān)器件采用IGBT開關(guān)管，當(dāng)DC-DC變換區(qū)的輸入端電壓高于斬波器輸出端電壓時(shí)，斬波器按降壓斬波控制方式工作；當(dāng)DC-DC變換區(qū)的輸入端電壓低于斬波器輸出端電壓時(shí)，斬波器按升壓斬波控制方式工作。為了分析其控制方式簡(jiǎn)便，可以將改進(jìn)型的升降壓Buck-Boost變換器看成2個(gè)區(qū)域電路：T1與VD1組成的區(qū)域?yàn)锽uck電路，T2與VD2組成的區(qū)域?yàn)锽oost電路，定義開關(guān)管T1的占空比為1，開關(guān)管T2的占空比為2，可以得出原理圖7中和2點(diǎn)的電壓均值分別為：

電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，電感L兩端電壓應(yīng)滿足伏秒平衡，即：

也就是說(shuō)電感L兩端的電壓均值應(yīng)相等，依據(jù)式(1)~(3)可以得到改進(jìn)型的升降壓Buck-Boost變換器輸入i與輸出o之間的電壓關(guān)系為：

圖7 改進(jìn)型的升降壓Buck-Boost斬波電路拓?fù)鋱D

改進(jìn)型電路2個(gè)IGBT開關(guān)管T1與T2的交替導(dǎo)通和關(guān)斷，提高了斬波開關(guān)頻率，降低了儲(chǔ)能電抗器體積和重量以及開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，減小了輸出電壓的脈動(dòng)量，從而達(dá)到了減輕輔助電源負(fù)載、減小車輛附加重量、提高效率的目的。

此改進(jìn)型的升降壓Buck-Boost拓?fù)潆娐吩诒究照{(diào)電源系統(tǒng)中的工作原理如下：其可分為2種運(yùn)行模式，當(dāng)輸入電壓i>600 V時(shí)，T2保持?jǐn)嚅_，T1施加觸發(fā)脈沖，工作在降壓Buck模式下，使其輸出電壓o穩(wěn)定在600 V左右；當(dāng)輸入電壓i<600 V時(shí)，T1保持常通，T2施加觸發(fā)脈沖，工作在升壓Boost模式下，使其輸出電壓o穩(wěn)定在600 V左右。若忽略快速二極管VD1與VD2的電壓降，在一個(gè)調(diào)制周期T內(nèi)，由能量守恒定律得，電感平均電壓為0。整理可得輸入與輸出電壓關(guān)系為：

此外，本文DC-DC變換區(qū)設(shè)計(jì)的一種改進(jìn)型直流升降壓Buck-Boost變換器的創(chuàng)新點(diǎn)如圖8所示，在該主電路靠近輸入端的IGBT前端加入了一個(gè)電容C1，來(lái)彌補(bǔ)該電路輸入端電流不連續(xù)。在該主電路中，前端輸入部分的LC電路不可省略，該創(chuàng)新部分的LC電路主要作用有：1) 防止短路電流的不利影響；2) 防止設(shè)備的諧波對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利的影響。

4 空調(diào)電源系統(tǒng)通訊及控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

其空調(diào)電源系統(tǒng)通訊與控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9所示，系統(tǒng)控制通過(guò)硬線控制信號(hào)與通訊總線綜合實(shí)現(xiàn)?？照{(diào)主控器在該系統(tǒng)中是指基于TI公司DSP芯片TMS320F28335的主控電路板。

其中硬線控制的信號(hào)主要包括4個(gè)方面的通訊。1) 空調(diào)主控器能可通過(guò)硬線控制DC600V電源的起停與故障復(fù)位；2) 電源控制器在DC600V啟動(dòng)正常后輸出觸點(diǎn)信號(hào)通知空調(diào)主控器DC600V已就緒；3) 空調(diào)主控器在DC600V已就緒后可按照空調(diào)控制邏輯實(shí)現(xiàn)各變頻器的起停；4) 電源控制器在任何故障發(fā)生時(shí)發(fā)出故障保護(hù)信號(hào)通知主控制器進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)策略。

通訊總線在本文空調(diào)電源系統(tǒng)中包含2條RS485通訊總線，分別為RS485A和RS485B。其RS485A的主要功能是控制電源控制器與變頻器通訊，電源控制器通過(guò)該總線獲取變頻器狀態(tài)與數(shù)據(jù)信息，并可將主控制器發(fā)送的變頻器運(yùn)行頻率參數(shù)發(fā)送給變頻器；RS485B的主要功能是控制空調(diào)主控器與電源控制器通訊空調(diào)主控器通過(guò)該總線可發(fā)送變頻器當(dāng)前運(yùn)行頻率指令，并獲取DC600V直流電源系統(tǒng)與變頻器狀態(tài)與數(shù)據(jù)信息。

圖9 空調(diào)電源系統(tǒng)通訊與控制結(jié)構(gòu)圖

其系統(tǒng)通訊方式采用主從模式，即主控制器作為通訊的主機(jī)，擁有總線的控制權(quán)；電源控制器作為從機(jī)，在接受到主機(jī)控制命后，回復(fù)應(yīng)答包，以發(fā)送電源系統(tǒng)的各狀態(tài)與數(shù)據(jù)信息。物理接口采用RS485串口，串口設(shè)置為波特率9 600 bps，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)。

5 樣品測(cè)試與分析

為驗(yàn)證提出的硬件電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略的有效與真實(shí)性，基于TI公司DSP芯片TMS320 F28335搭建DC750V空調(diào)逆變電源試驗(yàn)平臺(tái)，如圖10所示?；贒SP芯片TMS320F28335主控電路板控制的變頻器模塊如圖11所示。

圖10 DC750V空調(diào)逆變電源試驗(yàn)平臺(tái)

圖11 TMS320F28335主控板的變頻模塊電路

5.1 試驗(yàn)條件

真實(shí)試驗(yàn)電路如圖10所示，其測(cè)試產(chǎn)品工作在環(huán)境溫度為?20至+50 ℃，相對(duì)濕度：≤95%(不凝露)，海拔高度：≤1 200 m等條件下，試驗(yàn)的供電要求為額定電壓：DC750V，其變化范圍：500~900 V(在此供電范圍內(nèi)，需滿足壓縮機(jī)最大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)要求)，電制動(dòng)時(shí)不高于DC1050V空調(diào)受電方式，空調(diào)主控制板電路規(guī)定額定電壓為DC24V(范圍16.8~30 V)。最后試驗(yàn)要達(dá)成的目的是將750 V直流電壓在500~900 V變化范圍內(nèi)，經(jīng)升降壓DC-DC變換器斬波后，變換成穩(wěn)定的直流電壓，其電壓值大小控制在600 V左右，之后再傳遞至逆變部分。

5.2 MATLAB/SIMULINK仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

搭建系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)之前，在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建了基于直流DC-DC變換器改進(jìn)型的升降壓Buck-Boost斬波調(diào)制電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真平臺(tái)。經(jīng)過(guò)計(jì)算選取合適的仿真電路元器件參數(shù)，其電感，電容，負(fù)載電阻的取值定為：=300 uH，=220 uF，=12 Ω，檢測(cè)出改進(jìn)型的升降壓Buck- Boost斬波調(diào)制電路在500，750和900 V 3種不同輸入電壓等級(jí)下的輸出端電壓與電流波形，其中為IGBT開關(guān)管T的占空比。

圖12分別為當(dāng)輸入電壓i=500 V時(shí)，在仿真中脈沖發(fā)生器(Pulse Generator)晶振設(shè)為10 K，占空比設(shè)為17%情況下，輸出電壓o和輸出電流仿真波形。

圖13分別為當(dāng)輸入電壓i=750 V時(shí)，在仿真中脈沖發(fā)生器(Pulse Generator)晶振設(shè)為10 K，占空比設(shè)為80.1%情況下，輸出電壓o和輸出電流仿真波形。

(a) 輸出電壓Uo波形；(b) 輸出電流波形

(a) 輸出電壓Uo波形；(b) 輸出電流波形

圖14分別為當(dāng)輸入電壓i=900 V時(shí)，在仿真中脈沖發(fā)生器(Pulse Generator)晶振設(shè)為10 K，占空比設(shè)為67%情況下，輸出電壓o和輸出電流仿真波形。

(a) 輸出電壓Uo波形；(b) 輸出電流波形

表1 不同輸入電壓等級(jí)下DC-DC變換區(qū)的仿真效果

從圖12~14的Matlab/Simulink仿真輸出端的電壓與電流波形圖和表1，可見(jiàn)，該設(shè)計(jì)能將750 V直流電壓在DC500V~DC900V變化范圍內(nèi)，經(jīng)升降壓DC-DC變換器斬波后，變換成穩(wěn)定的直流電壓，其電壓值大小控制穩(wěn)定在600 V左右，其電壓與電流紋波均較小，輸出精度均可保證，其性能良好。

圖15 輸入電壓為500 V斬波后的波形圖

5.3 在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的試驗(yàn)結(jié)果與分析

在搭建DC750V直供式變頻空調(diào)逆變電源試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)中，需要一臺(tái)示波器，數(shù)字萬(wàn)用表，兆歐表，信號(hào)發(fā)射器，穩(wěn)壓直流電源，DC-DC變換器的斬波模塊試驗(yàn)臺(tái)以及試驗(yàn)電阻等，其試驗(yàn)用示波器測(cè)量空調(diào)電源從接觸網(wǎng)取得750 V直流電壓在DC500V~DC900V變化范圍內(nèi)，經(jīng)升降壓DC-DC變換器斬波后，變換成穩(wěn)定600 V直流中間電壓的各部分波形圖，如圖15~17所示，其中示波器通道1不起測(cè)量作用；通道2代表升壓斬波器電壓；通道3代表降壓斬波器電壓；通道4代表高頻電抗器電流。

圖16 輸入電壓為750 V斬波后的波形圖

圖17 輸入電壓為900 V斬波后的波形圖

表2 不同輸入電壓等級(jí)下的空調(diào)電源系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)效果

從上述在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上試驗(yàn)斬波后的電壓與電流波形圖15~17與試驗(yàn)效果表2，可見(jiàn)，該設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上試驗(yàn)結(jié)果與前文5.2的MATLAB/ SIMULINK仿真試驗(yàn)結(jié)果相吻合，都能使其斬波后電壓值大小穩(wěn)定在600 V左右。并且試驗(yàn)效果表2表明整個(gè)空調(diào)電源系統(tǒng)能正常運(yùn)行，驗(yàn)證了本文提出的方法有效性，符合設(shè)計(jì)要求，性能良好。并為減輕輔助供電電源負(fù)載，減小了車輛的重量，對(duì)列車的輕量化節(jié)能有著積極的意義。

6 結(jié)論

1) 改進(jìn)的Buck-Boost型直流DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能有效地達(dá)到減輕輔助電源負(fù)載、減小車輛附加重量、提高效率的目的。

2) 該空調(diào)電源系統(tǒng)能將750 V直流電壓在DC500V~DC900V變化范圍內(nèi)，經(jīng)升降壓DC-DC變換器斬波后，變換成穩(wěn)定的直流電壓，其電壓值大小控制在600 V左右。驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，為大幅度減輕地鐵車輛等輔助電源系統(tǒng)的重量做出較大貢獻(xiàn)。

[1] LIANG Jianing, XU Guoqing, JIAN Linni, et al. Electric air conditioner system with on-board charger for PHEV[C]// Information and Automation (ICIA), IEEE International Conference on, 2011.

[2] LI Hua, QI Xindan. Design of compressor displacement testing system for air-conditioner of air-conditioned passenger train[J]. IEEE Computer Society, 2009(47): 424?426.

[3] 劉清, 王明, 魏周艷, 等. 地鐵車輛輔助變流器平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 大功率變流技術(shù), 2015(1): 43?48. LIU Qing, WANG Ming, WEI Zhouyan, et al. Design of auxiliary converter platform for metro vehicles[J]. High Power Converter Technology, 2015(1): 43?48.

[4] 陽(yáng)德龍. 磁性集成變壓器在地鐵車輛輔助變流器中的應(yīng)用實(shí)例[J]. 電力機(jī)車與城軌車輛, 2007(3): 25?26. YANG Delong. Application of magnetic integrated transformer in subway vehicle auxiliary converter[J]. Electric Locomotive and Urban Rail Vehicle, 2007(3): 25?26.

[5] 蔣曉東, 劉厚林, 尚江傲. 寧波軌道交通1號(hào)線一期工程車輛輔助供電系統(tǒng)[J]. 電力機(jī)車與城軌車輛, 2013, 36(1): 25?29. JIANG Xiaodong, LIU Houlin, SHANG Jiangao. Vehicle auxiliary power supply system for phase i of Ningbo rail transit Line 1[J].Electric Locomotive and Urban Rail Vehicle, 2013, 36(1): 25?29.

[6] 徐麗賓, 葉傲嘉, 王長(zhǎng)亮, 等. 地鐵車輛輔助變流器直流試驗(yàn)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 技術(shù)與市場(chǎng), 2017, 24(7): 306. XU Libin, YE Aojia, WANG Changliang, et al. Design of DC test power system for subway vehicle auxiliary converter[J]. Technology and Market, 2017, 24(7): 306.

[7] 徐士強(qiáng). 地鐵輔助變流器的設(shè)計(jì)初探[J]. 山東工業(yè)技術(shù), 2018(2): 204. XU Shiqiang. Preliminary study on the design of subway auxiliary converter[J]. Shandong Industrial Technology, 2018(2): 204.

[8] 趙元哲, 李群湛, 周福林, 等. 電力機(jī)車變壓器和應(yīng)涌流產(chǎn)生機(jī)理與影響因素[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2017, 45(12): 44?52. ZHAO Yuanzhe, LI Qunzhan, ZHOU Fulin, et al. Mechanism and influencing factors of transformer and inrush current of electric locomotive[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(12): 44?52.

[9] 劉樹林, 劉健, 鐘久明. 輸出本質(zhì)安全型Buck-Boost DC-DC變換器的分析與設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2008(3): 60?65. LIU Shulin, LIU Jian, ZHONG Jiuming. Analysis and design of output intrinsically safe Buck-Boost DC-DC converter[J]. Proceedings of the CSEE, 2008(3): 60?65.

[10] Banaei M R, Bonab H A F. A novel structure for single-switch nonisolated transformerless buck-boost DC-DC converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 64(1): 198?205.

[11] Shrivastava A, Singh B, Pal S. A novel wall-switched step-dimming concept in LED lighting systems using PFC zeta converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(10): 6272?6283.

[12] Khaleghi H, Varjani A Y, Mohamadian M. A new bidirectional zeta DC/DC converter[C]// Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conference. IEEE, 2014: 131?136.

[13] 王立喬, 王欣, 仇雷. 一種新型單級(jí)非隔離雙Cuk逆變器[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(6): 846?854. WANG Liqiao, WANG Xin, QIU Lei. A novel single- stage non-isolated dual Cuk inverter[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(6): 846?854.

[14] Anand A, Singh B. Dual output cuk converter fed switched reluctance motor drive[C]// Power India International Conference. IEEE, 2017: 1?6.

[15] 劉東升, 張海蛟, 趙麗杰, 等. 交流750 kV變壓器出線裝置國(guó)產(chǎn)化核心技術(shù)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 26(2): 88?93. LIU Dongsheng, ZHANG Haijiao, ZHAO Lijie, et al. The core technology of localization of AC 750kV transformer outlet device[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(2): 88?93.

[16] 張姣, 陳文潔, 張斌, 等. 非隔離型逆變器直流側(cè)電磁干擾濾波器研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(2): 107?112. ZHANG Jiao, CHEN Wenjie, ZHANG Bin, et al. Study on DC side electromagnetic interference filter of non-isolated inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(2): 107?112.

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

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(61703441)；湖南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016WK2023)

朱俊杰(1972?)，男，湖南長(zhǎng)沙人，副教授，博士，從事智能檢測(cè)與自動(dòng)控制研究；E?mail：wenke03@163.com

(編輯 蔣學(xué)東)