城铁车辆辅助电源系统简介与调试方法分析

城铁车辆辅助电源系统简介与调试方法分析

盛立芳 刘坤 高阳 柏欣欣 李文荣

中车长春轨道客车股份有限公司

摘要：城铁车辆辅助电源系统在城铁车辆的正常运营过程中起着至关重要的作用，它不仅为空调、空气压缩机、照明等提供稳定的三相四线制的AC380V交流电压，而且还为列车直流照明、各系统控制回路以及车载信号和通信设备提供DC110V直流电源，同时给DC110V蓄电池组充电。本文首先具体介绍了城铁车辆辅助电源系统的系统配置和功能，然后详细分析了辅助电源系统在城铁车辆调试过程中具体的试验步骤和方法。

关键词 辅助电源系统 充电机 辅助逆变器 保护

1. 辅助电源系统配置

1.1 概述

辅助电源系统主要由辅助逆变器箱（简称“SIV”）、蓄电池充电机组成。辅助逆变器箱输出3AC380V/220V/50Hz电压，蓄电池充电机输出DC110V电压，辅助电源系统AC380V输出采用并联供电技术，具有冗余度高、可用性高的特点，在任一台辅助逆变器箱故障时，剩余的辅助逆变器箱仍能满足列车负载供电需求。

辅助电源系统的运行独立于牵引系统, 为保证辅助电源系统的高可用性及通过断电区时避免电压中断，通常列车会设置辅助专用高压母线，通过高压辅助母线将列车所有的辅助电源输入端并行连接起来，并设置母线熔断器进行保护。

车辆设置中压母线接触器电路，辅助电源系统的中压母线由并联的辅助逆变器供电，中压母线贯穿于整列车给整列车的中压负载同时供电，母线接触器用于将辅助电源与中压母线隔离。正常情况时，母线接触器处于闭合状态并且所有的辅助电源处于并联供电模式；当发生母线短路时，母线接触器可以将故障辅助电源隔离或将短路母线隔离，不需要将整条母线全部隔离。在母线接触器全部断开的情况下，交流关键负载不受影响。

1.2 系统配置

通常情况下辅助电源系统（包括辅助逆变器与蓄电池充电机）安装在带司机室的拖车上，为了保证任一台辅助电源故障时不影响车辆负载的供电，有些列车会在不带受电弓的动车上加装辅助逆变器。

辅助系统主要包括以下设备：

（1）带DC进线端子的DC输入部分

（2）输入预充电/过压保护

（3）蓄电池欠电压启动单元（只包含于带司机室的拖车上的辅助逆变器箱中）

（4）DC/DC转换器

（5）带直流环节电容器的DC环节电路

（6）脉宽调制逆变器

（7）带输出接触器的3AC输出部分

（8）蓄电池充电单元

（9）带风机接触器的冷却系统，包含保护开关和辅助逆变器风机

（10）微处理器控制器系统，包含MVB网络接口、RS232、以太网接口等。

图1 带有蓄电池充电机集成的辅助逆变器逻辑框图

2. 辅助电源系统功能描述

2.1 自动监视功能

辅助逆变器内设自动监视装置，具有自诊断和故障记录功能，并能在司机室显示屏上显示系统状态及故障情况，便于故障分析和维修。

辅助逆变器控制单元包含一个数据存储器。一旦出现故障或极端事件等情况发生（如过电压），所有重要的内部和外部变量都会被保存。即使控制单元复位或关闭整列车，这些数值仍然会被保存。只有当服务技术人员通过服务计算机连接到辅助逆变器控制单元，数据内存才可以被删除。

辅助逆变器控制单元提供一个标准的以太网接口，通过安装在服务电脑（PTU）上的诊断软件可以下载和显示数据内存的内容和辅助逆变器单元的状态，也可以通过中央控制单元采集和分析辅助电源系统故障信息。

2.2 保护功能

辅助逆变器和蓄电池充电机具有下列完善检测和保护功能：

（1）输入过压、欠压检测和保护；

（2）输入过流、短路检测和保护；

（3）输出过压、欠压检测和保护；

（4）输出过流、短路检测和保护；

（5）限制电流上升率（di/dt）保护；

（6）缺相保护；

（7）三相负载均衡保护；

（8）过热保护；

（9）IGBT等半导体元件过热检测和保护；

（10）控制逻辑保护；

（11）冷却系统故障检测和保护；

（12）控制电压过高或过低检测和保护；

（13）蓄电池充电电流过流检测和保护；

（14）蓄电池电压过低/高检测和保护；

（15）蓄电池温度过高检测；

（16）相位接地故障检测。

在辅助逆变器内部包含了单相接地故障的检测。这种情况下，故障消息将送至司机显示器，列车可以继续正常运营，但在完成当天运营后接地故障必须在车间检查修复。

（17）相-相故障检测和保护；

380V母线故障

如果发生极其罕见的3AC380V母线相-相短路，连接在此母线上的逆变器能够检测短路故障，并且通过输出接触器使逆变器与中压母线隔离。同时，逆变器将发送信号给列车控制单元。

辅助逆变器内部

如果辅助逆变器内部有相-相之间短路，它将被辅助逆变器本身检测。故障逆变器将通过其输出接触器从380V母线上切除，列车可以继续正常运营或减载运营。

负载内部

如果由辅助电源系统供电的负载内部有相-相短路故障，其保护设备将实施保护。受影响的设备将被切除，司机可根据实际情况判断列车能否继续正常运营。

2.3 干扰抑制及防护功能

辅助逆变器在电磁干扰和抗干扰设计中，从多个方面考虑，采用多种方法减少电磁辐射值，如输入、输出有滤波器，控制线以及三相输出与电机之间的导线采用屏蔽电缆等完善的设计，系统运行时不影响司机室信号、ATP系统、有线及无线通信设备、牵引和制动控制系统等的正常工作，也不影响各种线路设施的正常工作；同时能抵御外界的电磁干扰。辅助逆变器的电磁辐射要求符合EN 50121-3-2。

3. 辅助电源系统的调试方法

3.1 试验前准备

试验前首先确认低压和高压电路接线正确，辅助逆变器低压DC110V控制电源正线对地不导通，控制电源负线对地导通，辅助逆变器输入高压大线正线对地不导通，高压大线负线对地导通。

3.2 辅助逆变器启动

激活蓄电池，接触网送电后列车升弓，辅助逆变器检测到车辆高压后开始工作，测量辅助逆变器输出中压三相线U相、V相、W相的电压为AC380V、相序正确、频率为50Hz。在司机室显示屏中检查SIV、充电机、蓄电池温度的工作状态正常。

车辆降弓，辅助逆变器和充电机停止工作。

3.3 减载试验

通过断开辅助逆变器（不同车型辅助逆变器断开的数量不同）的DC110V控制电源来模拟辅助逆变器故障，相应的辅助逆变器停止工作，列车负载空调系统、LCD显示屏、动态地图等减载运行或停止工作（具体减载工作方式依据每个车型的要求）。

3.4 应急启动

蓄电池不送电的情况下，按下应急启动按钮，辅助逆变器和充电机开始工作。

4. 结语

随着IGBT等技术的飞速发展，辅助电源系统的功能也越来越完善。在城铁车辆调试过程中逐渐细化并改善调试流程和试验方法，可以有效的保证辅助电源系统的功能正常，从而保证车辆在正线的正常运营。

参考文献

［1］王亮. 城市轨道交通车辆系统功能与组成［J］.中国建筑工业出版社, 2017.