地铁列车供电系统研究与分析

地铁列车供电系统研究与分析

张海超

中车唐山机车车辆有限公司河北唐山064000

摘要：城市轨道的车辆辅助电源系统是控制系统的重要组成部分，其主要任务是产生能够满足车辆控制用的低压电源、客室照明、空调及通风机组以及其它低压用电设备所需的各种不同电压和电功率。辅助供电系统的供电质量与可靠性将直接影响到车辆运行安全及旅客舒适度。研究和完善辅助供电系统性能，确保稳定、安全的列车供电是研究和设计人员主要的任务。城轨列车供电系统包括牵引供电系统和辅助供电系统两部分。牵引供电系统主要负责为机车提供牵引动力；辅助供电系统则负责为列车上除牵引系统主回路以外的辅助装置供电。辅助供电系统主要包括辅助逆变器（DC/AC变换器，简称SIV）和低压电源（DC/DC斩波器和蓄电池）。其中，辅助逆变器提供AC380V电源，主要负载有空调机、压缩机等；低压电源包括DC110V和DC24V，负责给控制系统和应急负载供电。辅助电源的运行性能直接影响到主电路的运行状态，列车的环境条件乃至整个列车的性能。髙性能的辅助电源系统是保证列车稳定、安全运行的重要因素，因此对辅助逆变器的输出性能、可靠性以及使用寿命等性能指标也有较高的要求。

关键词：城轨车辆；牵引供电；辅助供电；逆变器

前言：城市是人类活动的中心，是社会进步的标志。随着经济和科技的快速发展，城市人口不断的增多，城市轨道交通日益演变成为城市公共交通客运系统的骨干，它主要包括地铁和轻轨。在列车供电系统中，以电力电子器件为主的变流器控制系统也担当者重要角色。列车的供电系统是列车能源和动力的提供者，更是列车安全高速运行的重要保障。城市轨道车辆是在城市中运行于地下、地面或高架铁路上的公共交通运输工具。城市轨道车辆通常为电力牵引，它主要包括城市快速列车、地铁车辆、轻轨车辆和有轨电车等[1]。辅助供电系统是城轨车辆的一个重要组成部分，安装于拖车构架上。当供电系统供电正常时，输入的直流电源经辅助逆变器逆变为交流电源，并向通风机、空调设备、电加热器、电动刮雨器、空气压缩机等三相负载和客室照明系统及控制系统设备供电；经直直变换器变换的直流电源供蓄电池充电及其他直流负载用电。辅助供电系统的负载设备对提高机车车辆的运行可靠性以及乘坐舒适性起着重要的作用。

1、牵引供电系统

1.1牵引主电路

牵引逆变器系统有牵引、再生制动和电阻制动基本功能。每个动车配置4根动轴，列车牵引及其控制基于车控方式。Tc*Mp*M组成一个最小可动车单元。Tc为带司机室的拖车，Mp为带受电弓的动车，M为动车。在电路系统中，每节动车装有1个牵引逆变器，各牵引逆变器向4台异步牵引电动机提供三相变压变频的交流电；在Tc和M车中装有1个辅助逆变器，向本单元辅助设备提供三相380V的辅助电源；在Tc车中装有1个充电机，向蓄电池充电并向控制系统提供直流110V的直流电源[2]。

1.2主电流流向

主电流从架空接触网入受电弓（位于Mp车）、经过避雷器、通过主熔断器流入PH牵引高压箱、在牵引箱内进行电流分配（配电）；Mp车启动电流通过MCM电抗器流经HSCB1高速断路器、线路接触器（瞬时通过线路电容器预充电电路）、接地故障检测器流入牵引逆变器模块，然后经由接地回流排、到车轮接地刷流向大地；M车启动电流经过Mp车的HSCB2高速断路器、流经MCM电抗器、车端连接器，流入到M车PA牵引箱。在PA箱里，电流流经线路接触器（瞬时通过线路电容器预充电电路）、接地故障检测器后流入牵引逆变器模块，然后经由接地汇流排、到车轮接地刷流向大地。

2、辅助供电系统

列车辅助交流供电系统主要负责对列车所有中低压辅助设备的供电，是列车最重要的系统之一，其稳定与否将直接影响、空压机、空调等车上重要设备的正常工作。

2.1交流辅助逆变系统

辅助逆变器是城轨车辆上一个必不可少的关键的电气部件，安装于TC和M车构架上。当供电系统供电正常时，DC1500V（或DC750V）的直流电源经辅助逆变器（DC/AC）逆变为AC380v/220V的交流电源，向设备供电，并经过直直变换器（DC/DC）变换为DC110V电源，供蓄电池充电及其他直流负载用电，辅助供电系统的负载设备遍布全车。辅助逆变器供电输入分为两种方式：一种为正常供电，当MP车“接地隔离开关”在运行位，接触网有DC1500V，将司机室电气柜的列车激活开关置为“ON”并将司机室占用打到“ON”位，按下升弓按钮，升起受电弓，全列辅助逆变器单元按照顺序启动，整车辅助负载投入工作；另一种通过操作MP车“接地隔离开关”，将其打到“车间电源位”，通过外接DC1500V，使整列辅助负载投入工作[3]。

2.2辅助逆变器工作原理

城轨列车辅助供电系统主要包括了脉冲整流器、降压斩波器、逆变器、三相降压变压器以及直直变换等步骤。其电源取自直流供电网，经过DC\DC输入级在变频器输入端作了电位隔离和退藕，变频器的所有输入、输出端都设有LC无源元件构成的滤波环节。输入端的滤波器主要是用来抑制网压峰值以及减小变频器对电网的反作用。输出端的滤波器主要是保证输出电压脉动及畸变系数小，它决定了所用的低通滤波器参数。滤波器将常有很大波动和畸变的直流输入电压变换成恒定的中间电路电压，再供给1个或多个输出级。IGBT斩波器对直流电压进行高频斩波，经串联的变压器按需要作变压，IGBT斩波器还可以根据输入电压的波动，利用移相脉宽调制（PS-PWM）方法来保证输出电压的稳定。整流器和滤波电抗器电路再次对电压进行整流。它的主要负载包括空调设备（空调压缩机、冷凝器风扇、蒸发器风扇）、空气压缩机、设备通风机、客室照明以及挡风玻璃除霜器、方便插座、雨刮器等。有的车上客室照明、雨刮器全用DC110V供电，有的车上所有设备都用自然风冷，则不需设备通风机[4]。

2.3直流辅助供电系统

直流供电系统，AC380V点通过蓄电池变压器、6脉冲整流器、滤波电抗器、升压斩波器以及蓄电池滤波电容，分两路一路给蓄电池充电，一路到负载供电。直流配电分为两条列车线：紧急负载列车线和永久负载列车线；当充电机正常，各车通过正常上点接触器控制从永久负载列车线取本车正常负载供电。永久列车仅给列车激活电路、司机室照明供电。紧急负载列车线得电，许列车激活旋钮打到“ON”、蓄电池投入断路器吸合及欠压继电器吸合；正常负载电线得电，需列车激活，充电机输出OK信号有效，充电机正常继电器得电吸合，TC车上电接触器得电吸合。

当列车激活，充电机正常时，使充电机OK继电器的电，当蓄电池电压大于91V时，蓄电池欠压继电器励磁，是蓄电池正常输出接触器的电励磁，列车正常供电母线带电。当充电机失效时，延时60S切断蓄电池正常输出供电。列车紧急供电母线直接与蓄电池接通，本车紧急供电母线受本车紧急上点接触器控制，当列车激活后才能给下挂负载供电。紧急照明供电接到列车紧急供电母线上，可在列车未激活前开启紧急照明。

结语：城市轨道的供电是控制系统的重要组成部分，其中牵引供电系统包含有牵引、再生制动和电阻制动基本功能。辅助供电系统包含交流辅助供电方式以及直流供电系统、其供电质量与可靠性将直接影响到车辆运行安全及旅客舒适度。列车辅助交流供电系统主要负责对列车所有中低压辅助设备的供电，是列车最重要的系统之一，其稳定与否将直接影响、空压机、空调等车上重要设备的正常工作。

参考文献：

[1]毛明平，李定南.上海明珠线地铁车辆电气系统[J].变频器世界，2007(7):35-40

[2]熊成林，冯晓云.不同结构的列车辅助供电系统分析与比较[J].机车电传动，2008（2）:53-58.

[3]杨鹏.高性能城市轨道交通自流牵引供电电源的研究[D].西南交通大学，2004.

[4]连鹏飞．深圳地铁１号线工程再生制动能量吸收装置设置方案研究[J]．北京：铁道工程学报，2007,（06）:78-84．