PBTS跨坐式單軌車(chē)輛輔助供電系統(tǒng)輸出功率研究

王 偉 朱冬進(jìn) 馬步春 李衛(wèi)兵

(1. 中車(chē)浦鎮(zhèn)龐巴迪運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司，241060，蕪湖；2. 南京華士電子科技有限公司，210039，南京//第一作者，工程師)

PBTS跨坐式單軌車(chē)輛是由龐巴迪公司研發(fā)的跨坐式單軌車(chē)輛。該型車(chē)輛已在巴西圣保羅市軌道交通15號(hào)線項(xiàng)目中投入運(yùn)營(yíng)，具有轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)、噪聲低、無(wú)人駕駛、編組靈活、系統(tǒng)能耗低、安全可靠、乘坐舒適性高等特點(diǎn)。輔助供電系統(tǒng)是單軌車(chē)輛的重要組成部分之一。為了保證單軌車(chē)輛能夠長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行，輔助供電系統(tǒng)需要給車(chē)輛輔助負(fù)載設(shè)備提供充足的電源，并應(yīng)具有高的安全性、可靠性及冗余性。

本文對(duì)PBTS跨坐式單軌車(chē)輛輔助供電系統(tǒng)的組成、電壓制式，以及輔助電源裝置的設(shè)備構(gòu)成、工作原理進(jìn)行了分析總結(jié)，并考慮到車(chē)輛輔助負(fù)載設(shè)備功率增大的情況，對(duì)輔助電源裝置增大三相輸出功率的可行性進(jìn)行研究。

1 單軌車(chē)輛輔助供電系統(tǒng)的組成及電壓制式

單軌車(chē)輛每節(jié)車(chē)都配置有1套輔助供電系統(tǒng)。每套輔助供電系統(tǒng)由1臺(tái)高壓分線箱、1臺(tái)輔助電源裝置、1臺(tái)電源分配箱和1臺(tái)蓄電池組成。

高壓分線箱的主要功能是把從受流器收集到的主電源分配給輔助電源裝置和牽引系統(tǒng)。當(dāng)車(chē)輛停放在維護(hù)車(chē)間時(shí)，可操作電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)至車(chē)間電源位，將車(chē)輛電源從受流器隔離，并從車(chē)間電源獲取主電源。

輔助電源裝置通過(guò)三相逆變模塊、單相逆變模塊、低壓變換模塊1、低壓變換模塊2等部件，將DC 750 V主電源轉(zhuǎn)換為適用于車(chē)輛車(chē)載設(shè)備的交流電源和直流電源。

電源分配箱的主要功能是從輔助電源裝置獲取三相AC 380 V、AC 220 V、DC 110 V和DC 24 V電源，經(jīng)電源分配箱斷路器以及控制接觸器向車(chē)載設(shè)備提供交流、直流電源和短路保護(hù)。

蓄電池用于在DC 750 V主電源故障或缺失的情況下，為必要的低壓負(fù)載提供緊急低壓電源。

單軌車(chē)輛相鄰兩車(chē)的輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單軌車(chē)輛相鄰兩車(chē)的輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 單軌車(chē)輛輔助電源裝置的設(shè)備構(gòu)成及工作原理

輔助電源裝置接收來(lái)自受流器或車(chē)間電源的DC 750 V一次電源，并將其轉(zhuǎn)換成4種類(lèi)型的電壓：三相380 V/50 Hz交流電、單相220 V/50 Hz交流電、124.5 V直流電、24 V直流電。然后，這些電壓將分配給整個(gè)車(chē)內(nèi)的各種子系統(tǒng)：

1) 380 V交流電源:向供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng),以及液體冷卻系統(tǒng)供電；

2) 220 V交流電源:向車(chē)載插座供電；

3) 124.5 V直流低壓電源:輸出端向110 V直流(標(biāo)稱(chēng))低壓總線供電；

4) 24 V直流低壓電源:輸出端向24 V直流控制電壓總線供電。

相鄰兩車(chē)輔助電源裝置間的車(chē)間連接為相連車(chē)廂的380 V交流、110 V直流和24 V直流電基本負(fù)荷提供冗余。

輔助電源裝置與控制器局域網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)相接，從而實(shí)現(xiàn)與列車(chē)管理系統(tǒng),以及其他列車(chē)子系統(tǒng)之間的通信。輔助電源裝置內(nèi)部監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)其控制電路進(jìn)行監(jiān)控，并通過(guò)控制器局域網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)向列車(chē)管理系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)和故障信息。

相鄰兩車(chē)的輔助電源裝置連接如圖2所示。

圖2 單軌車(chē)輛相鄰兩車(chē)的輔助電源裝置連接

2. 1 設(shè)備構(gòu)成

輔助電源裝置由1個(gè)三相逆變模塊、1個(gè)低壓變換模塊1、1個(gè)低壓變換模塊2，以及1個(gè)單相逆變模塊組成。

1) 三相逆變模塊：該模塊為三相非隔離式逆變模塊，與正弦濾波器連接，繼而在輸出端產(chǎn)生三相正弦電壓。當(dāng)有重載接入時(shí)，該模塊可以通過(guò)控制電壓與頻率之比(V/F)來(lái)限制涌入電流。

2) 低壓變換模塊1：該模塊為隔離變換模塊，可將DC 750 V 轉(zhuǎn)換為DC 110 V，繼而為車(chē)輛上的DC 110 V用電設(shè)備提供電能，同時(shí)為蓄電池充電。通過(guò)均流控制與相鄰車(chē)輛的低壓變換模塊1連接起來(lái)。

3) 低壓變換模塊2：該模塊為隔離變換模塊，可將DC 110 V轉(zhuǎn)換為DC 24 V。當(dāng)?shù)蛪鹤儞Q模塊1無(wú)輸出時(shí)，該模塊由蓄電池提供輸入電壓。

4) 單相逆變模塊：該單相隔離逆變模塊由低壓變換模塊1提供輸入電壓,并輸出AC 220 V單相電壓。當(dāng)?shù)蛪鹤儞Q模塊1無(wú)輸出電壓時(shí)，該逆變模塊由蓄電池提供輸入電壓。

2. 2 工作原理

輔助電源裝置示意圖如圖3所示。

圖3 單軌車(chē)輛輔助電源裝置示意圖

DC 750 V經(jīng)輸入熔斷器、電感和預(yù)充電回路后，一路給三相逆變模塊，另一路給低壓變換模塊1。

三相逆變模塊以DC 750 V作為電源，由中央處理器(CPU)提供數(shù)字空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)信號(hào)，為三相逆變模塊開(kāi)關(guān)管IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。為保證輸出調(diào)制電壓幅值不變，通過(guò)調(diào)整SVPWM信號(hào)的時(shí)間間隔來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。輸出電壓經(jīng)由交流電抗器與濾波電容構(gòu)成的濾波器濾波獲得380 V/50 Hz的交流電，給負(fù)載設(shè)備供電。根據(jù)檢測(cè)到的電感電流及交流輸出電壓進(jìn)行雙閉環(huán)控制，通過(guò)對(duì)輸出幅值與相位控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電源輸出穩(wěn)定。

低壓變換模塊1和低壓變換模塊2均采用了移相全橋軟開(kāi)關(guān)控制技術(shù)和高頻化隔離的方案，既可實(shí)現(xiàn)功率管的零電壓軟開(kāi)關(guān)，又可提高效率，大大地減小了體量；采用電壓、電流雙閉環(huán)控制保證輸出電壓的穩(wěn)定，過(guò)載時(shí)采用調(diào)節(jié)輸出電壓限流的方式。

單相電源為日常清潔、維護(hù)和測(cè)試工具/設(shè)備供電。單相電源將DC 110 V直流經(jīng)高頻變換隔離升壓，再經(jīng)過(guò)高頻逆變、濾波，輸出220 V/50 Hz單相交流電，其額定功率為2.5 kVA；該單相電源輸入輸出高頻隔離，采用高頻逆變經(jīng)LC(電感電容)濾波，諧波含量少，在全部輸入電壓范圍內(nèi)從空載到額定負(fù)載條件下，輸出單相電源的總諧波失真(THD)小于5%，適合筆記本電腦等使用單相電源的小型便攜設(shè)備使用。

3 輔助電源裝置三相輸出功率研究

既有PBTS跨坐式單軌車(chē)輛輔助電源裝置三相輸出功率為37.5 kVA。該型號(hào)輔助電源裝置已在國(guó)內(nèi)外多個(gè)項(xiàng)目中得以廣泛應(yīng)用，技術(shù)成熟。已應(yīng)用的項(xiàng)目包括巴西圣保羅市軌道交通項(xiàng)目、我國(guó)蕪湖市單軌項(xiàng)目等。但在國(guó)外某個(gè)新項(xiàng)目上，因當(dāng)?shù)貧夂蜓谉?，列?chē)運(yùn)行環(huán)境溫度高，對(duì)列車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的制冷需求較大，所需空調(diào)系統(tǒng)的功率也較大。經(jīng)初步分析，需要將輔助電源裝置的三相輸出功率由37.5 kVA提高至43 kVA。本文對(duì)功率增加后的關(guān)鍵參數(shù)及其適用性進(jìn)行研究。

3. 1 輔助電源裝置參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)項(xiàng)目需求，對(duì)功率增大前后輔助電源裝置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)取功率因數(shù)為1，結(jié)果如表1所示。

3. 2 可行性與適用性研究

3. 2. 1 輸入電感

既有PBTS跨坐式單軌車(chē)輛的輸入電感技術(shù)參數(shù)如表2所示。

功率增大至43 kW后，電感量保持不變，輸入電感額定電流為70 A，實(shí)際的額定電流為82 A。該輸入電感可滿足新項(xiàng)目使用要求，其適用性分析如下：

表1 輔助電源裝置參數(shù)值對(duì)比

表2 輸入電感技術(shù)參數(shù)

1) 電感預(yù)埋電纜的截面積為25 mm2，滿足載流要求。

2) 電感量隨電流變化曲線如圖4所示。通過(guò)電流和電感量曲線可知：在190 A情況下，電感依然不會(huì)飽和，電流增大后對(duì)電感量無(wú)影響。

3) 實(shí)測(cè)溫升遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)允許溫升，額定電流增加后溫升仍滿足要求。

圖4 電感量隨電流變化曲線

3. 2. 2 輸入熔斷器

從電壓和電流兩方面，說(shuō)明熔斷器在新項(xiàng)目中具有適用性：

1) 熔斷器型號(hào)為D120GC75V160TF，電壓等級(jí)一致，可適用；

2) 額定電流為160 A。在輸入電壓最低的情況下(525 V)，輔助電源裝置輸入最大電流為117 A，低于額定電流值。

3. 2. 3 預(yù)充電電路

預(yù)充電電路如圖5所示。輔助電源裝置得電后，通過(guò)預(yù)充電電阻R向直流環(huán)節(jié)電容充電。充電完成后，IGBT導(dǎo)通并短路R，輔助電源裝置開(kāi)始啟動(dòng)輸出。

圖5 預(yù)充電電路示意圖

預(yù)充電電路采用IGBT開(kāi)關(guān)管，通過(guò)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制其開(kāi)關(guān)。預(yù)充電電路IGBT型號(hào)為DIM400XCM45-TS000，技術(shù)參數(shù)如表3所示。功率增加后，由于IGBT的VCES為4 500 V，而輸入電壓為DC 750 V(范圍500～900 V)，電壓可完全覆蓋；IGBT的IC為400 A，而輸入最大電流為82 A，電流可以完全覆蓋。所以，從電壓、電流上分析，設(shè)備依然滿足使用要求。由于功率增加帶來(lái)的損耗增加，在現(xiàn)有冷卻條件下溫升依然滿足設(shè)計(jì)要求，因而，從溫升角度設(shè)備也具有適用性。

表3 預(yù)充電電路IGBT參數(shù)

3. 2. 4 輸入電流傳感器

電流傳感器用于輸入電流的檢測(cè)，采用LEM廠家的LF305-S/SP10，其額定電流為300 A，完全覆蓋輸入電流范圍，因而此電流傳感器可滿足新項(xiàng)目使用要求。

3. 2. 5 智能功率模塊(IPM)

IPM型號(hào)為FS150R17N3E4，其集電極—發(fā)射極阻斷電壓值為1 700 V，集電極直流電流為150 A，集電極峰值電流為300 A，電路如圖6所示。單軌輔助電源裝置采用2個(gè)IPM并聯(lián)，單個(gè)IPM的最大使用電流為58.5 A，使用率為39%，輸入電壓范圍短時(shí)最高值為DC 1 300 V，故集電極直流電流為150 A、耐壓為1 700 V的功率管可適用，IPM可以滿足新項(xiàng)目的使用要求。

3. 2. 6 三相輸出濾波電感

三相輸出濾波電感技術(shù)參數(shù)如表4所示。

圖6 IPM電路示意圖

參數(shù)符號(hào)參數(shù)名稱(chēng)參數(shù)值備注Ie額定電流/A54用于熱設(shè)計(jì)Ipeak額定峰值電流/A85Iovpeak過(guò)載峰值電流/A140Iov過(guò)載能力/A1.5Ie過(guò)載時(shí)間10 min 10 s

濾波電感與濾波電容構(gòu)成LC濾波器(濾波電容采用星形接法)，額定電流為54 A(對(duì)應(yīng)功率為35 kW)。新項(xiàng)目輔助電源裝置的實(shí)際額定電流輸出為65 A，超出標(biāo)稱(chēng)電流值，且實(shí)測(cè)該電感溫升較高，功率增大至43 kW后過(guò)載使用溫升無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此，在新項(xiàng)目中需要對(duì)此進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。三相輸出濾波電感新設(shè)計(jì)方案的安裝尺寸可以做到與既有方案兼容，質(zhì)量則較原方案增加約15%。

3. 2. 7 去耦電感

并聯(lián)逆變器去耦電感，設(shè)計(jì)感量為2×5 mH，額定電流為28 A，并聯(lián)后小于額定輸出65 A的設(shè)計(jì)要求，在新項(xiàng)目中需要重新設(shè)計(jì)。去耦電感新的安裝尺寸可以與原方案兼容，質(zhì)量較原方案增加約15%。

3. 2. 8 輸出接觸器適用性

接觸器型號(hào)為CL45D300MWD-RAIL，其接觸器最大電流為60 A。接觸器適用性主要考慮其電壓等級(jí)和過(guò)流能力，新項(xiàng)目輔助電源裝置中額定的輸出電流為65 A，綜合考慮設(shè)計(jì)余量，需選用容量較大的接觸器。

3. 2. 9 輸出電流傳感器

輸出電流傳感器用于輸出電流的檢測(cè)和閉環(huán)控制，采用LEM廠家型號(hào)為L(zhǎng)F205-S/SP5的設(shè)備，其額定電流為200 A，完全覆蓋輸出電流范圍，可滿足新項(xiàng)目使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)海外某新項(xiàng)目對(duì)于單軌車(chē)輛輔助電源裝置三相輸出功率從既有的37.5 kW增大至43 kW的要求，既有PBTS跨坐式單軌車(chē)輛輔助電源裝置內(nèi)的大部分設(shè)備都能適用，不需要更換；而三相輸出濾波電感、去耦電感、輸出接觸器等則需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或選型。新設(shè)計(jì)方案下的單軌車(chē)輛輔助電源裝置與既有裝置相比,總質(zhì)量增加約12 kg，增幅為8%。