城市轨道交通车辆辅助系统认知

一、辅助系统概述

1.辅助供电系统的定义

辅助电源系统是城轨车辆上的一个必不可少的电气部分，它可以为列车空调、通风机、空压机、蓄电池充电器以及照明等辅助设备提供供电电源。目前，世界上在城轨车辆辅助电源系统中大都采用绝缘栅双极型晶体管IGBT模块。

（1）辅助电源系统是指除为牵引动力系统之外的所有需要使用电力的负载设备提供电能的系统，包括辅助供电系统和蓄电池系统。

（2）辅助电源系统的电力主要来自牵引供电接触网（或第三轨），经受电弓（或集电靴）进入列车；当电力无法来自牵引供电接触网（或第三轨）时，则可采用外接电源（如车间电源）或者蓄电池供电。

（3）辅助电源系统的负载设备主要包括牵引逆变器冷却风扇、辅助逆变器冷却风扇、空气压缩机、空调、各种电动阀门、继电器、接触器、头灯、车厢照明和各种服务性电气设备，以及蓄电池充电器（当充电器采用AC/DC形式时）等。此外，辅助系统还需为列车控制系统提供不间断的电源。所以，辅助电源系统是与牵引动力系统同等重要的系统。

动力分散型的城轨车辆一般都按列车每个单元组成一个辅助系统，由辅助逆变装置分别向各车厢的负载提供交流电。

2.辅助供电系统的组成

（1）逆变部分。

辅助用电设备大都需要三相50 Hz，280 V/220 V交流电源，因而首先要将波动的直流网压逆变为恒压恒频的三相交流电。

（2）变压器隔离部分。

为了安全必须将电网上的高压与低压用电设备，尤其是常需人工操作的控制电源的设备，在电器点位上实现隔离。通常采用变压器进行电器隔离，同时也可通过设计不同的匝比以满足电压值的需要。

（3）直流电源（兼作蓄电池充电器）。

车辆上各控制电器都由直流电源DC/DC供电。车辆上蓄电池为紧急用电所需，所以DC 110 V控制电源同时也是蓄电池的充电器。

二、辅助供电系统电路的基本类型

随着电力电子器件的发展，城市轨道交通车辆静止式逆变电源的辅助供电系统也经历了不同时期的发展过程。由于新一代性能优良的IGBT器件迅速发展，到目前为止，欧洲与日本等国的车辆辅助电源系统大都采用IGBT来构成。

1.辅助供电系统的构成方案

（1）斩波稳压再逆变，加变压器降压隔离。

（2）三点式逆变器加变压器隔离。

（3）电容分压两路逆变，加隔离变压器构成12脉冲方案。

（4）二点式逆变器加滤波器与变压器降压隔离。

（5）直-直变换与高频变压器隔离加逆变。

这些方案各有其特点，而且都能满足地铁或轻轨车辆的要求。

2.DC 110 V电源的构成方案

（1）通过静止逆变器、50 Hz隔离降压变压器降压再整流滤波来实现。

（2）独立的直-直变换器直接接于供电网压，通过高频变压器隔离后再整流，并滤波得到DC 110 V控制电源。

从两者比较看，后者是独立的，与辅助逆变器无关，也就不受辅助逆变器故障的影响，在供电功能方面有一定的好处；但是因为需要独立的直流电源，也就增加了成本。

3.辅助系统的供电方式

城轨车辆很多采用两动一拖（3节车辆）构成一个单元，由两个单元（6节编制）的方式构成一列车。采用分散供电的列车每节车均配备一台静止辅助逆变器，每单元共用一台DC 110 V的控制电源。每节车的辅助逆变器的容量为75～80kVA，DC110V控制电源（兼作蓄电池充电器）功率约为25 kW，例如，广州地铁1号线车辆辅助系统就是采用了此种方式供电。而目前广州地铁2号线车辆，在6节编组中，每3节车一个单元只配一台静止辅助逆变器，容量为250 kVA，也配置了一台DC110V控制电源，约为25 kW，这就是所谓的“集中供电”。

这两种供电方式各有优缺点。分散供电器冗余度大，均衡轴重好配置，但造价较高，且总质量也会较重。而集中供电冗余度小，每轴配重难以抑制，但相对而言，总重会较轻，成本较低。

4.变压器隔离

为了人身安全，低压系统及控制电源必须实现与高压网系统DC 1500 V的电气电位的隔离。最佳且最实用的隔离方式是采用变压器隔离。从上述几种方案中可以看出，有50 Hz变压器隔离和高频变压器隔离两种方式。由变压器的基本原理得知，5 Hz变压器其体积与质量较大，而高频变压器其体积与质量则大幅度减小。但后者必须采用性能好的高频磁芯，目前大都采用进口的铁氧体磁芯或铁基微晶合金磁芯。

对于DC 110 V控制电源，由于容量不大，因而目前国内外都采用直-直变换与高频变压器隔离，这也是成熟的技术。

三、辅助系统的工作原理

以武汉轻轨车辆辅助电源系统为例进行分析。

1.系统概述

武汉城轨采用DC 750 V供电制式、第三轨受流。辅助电源系统（见图9-1-1）采用IGBT逆变器，安装于拖车上，用于将DC 750 V逆变为PWM波形的三相AC 380 V电源，供给列车上的空气压缩机、空调、照明、电热器等设备，同时将380 V交流电源通过整流器整流输出DC 110 V和DC 24 V，给列车控制设备供电，并对蓄电池进行浮充电。每列车配有两套辅助电源系统，交叉对列车供电，总输出功率为140 kVA。

图9-1-1　辅助供电系统主回路

2.辅助供电系统构成

辅助供电系统主要由逆变器单元（IGBT-STACK）、半导体断路器（CHS-STACK）、控制单元（CONTROL-PWB）、电磁接触器（CTT和DCHK）、滤波电抗器（IVL）、滤波电容器（FC）、隔离开关（SIVS）、主熔断器箱（SIVF，VDF）、交流滤波器、交流变压器、电流检测装置（DCCT、CTU、CTW）、电压检测装置（DCPT，PT）、避雷器（Arr）等设备组成。除隔离开关和主熔断器箱外，其他设备全部集成在辅助电源箱中。

（1）逆变器单元是辅助电源系统的核心，由IGBT功率模块、门极电路单元等组成。逆变器采用三相桥式逆变电路，180。导通型，输出三相交流方波电压为310 V，50Hz。为减少高次谐波，保持输出电压恒定，逆变器单元采用PWM控制技术，将方波分为若干脉冲并控制脉冲宽度。

（2）CHS（CHS1）是向逆变器单元输送直流电源的IGBT模块，由CHS2、CHR1、门极电路、逆流二极管BD合并成一个单元，型号为1700 V/1200 A。如果逆变器出现过流或其他不正常现象，CHS立即切断电流。当CHS 1切断直流电源时，CHS2保护其免于过电压的损坏。

（3）控制单元用于逆变器保护、门极电路控制、故障显示和记录等，由32位CPU进行控制。

（4）电磁接触器CTT用于连接750 V电网与逆变器单元，实现向逆变器单元供电，电路异常时断开连接。DCHK主要用于当逆变器单元停止工作时对滤波电容器放电。CTT和DCHK分为切换主电路的接触器以及用于操作检查信号（恢复）的辅助接触器。

（5）滤波器和变压器。

直流LC滤波器：由滤波电抗器IVL和滤波电容器FC组成，用于抑制直流输入回路谐波。

交流滤波器：三相交流LC滤波电路，对逆变器单元输出的三相310 V电压滤波。

交流变压器：三相△-Y变压器，将310 V升压为380 V，同时隔离负载和电源回路。

3.辅助电源故障保护功能

辅助供电系统具有过电流、过电压、过载、过热等完备的自诊断和故障保护功能，以保证系统的可靠性。

四、辅助系统的主要设备

1.辅助逆变器

（1）辅助逆变器的类型。

逆变器是将直流电变为交流电的装置，按换相方式不同，可分为电网换相、自换相和负载换相三类。根据转换电路中直流源是恒压的还是恒流的，可以将逆变器分为电压源逆变器和电流源逆变器，由于目前城轨车辆应用中主要是电压型逆变器，因此下面只介绍电压型逆变器。

电压型逆变器可以进一步分为以下3种。

①脉宽调制逆变器。

在这种逆变器中，输入直流电压是恒定的，要求逆变器采用脉宽调制方式，既能控制输出电压频率，也能控制输出电压幅值，因此，这种逆变器称为脉宽调制逆变器。

②方波逆变器。

在这种逆变器中，为了控制输出交流电压的幅值，输入直流电压是可控的，所以只要求逆变器能控制输出电压的频率。由于输出交流电压具有与方波类似的波形，因此，这种逆变器称为方波逆变器。

③利用电压抵消的单相逆变器。

当逆变器在单相输出情况下，即使逆变器输入是一个恒定的直流电压，而且逆变器开关不是脉宽调制，要控制逆变器输出电压的幅值和频率也是可能的。所以，这种逆变器必定是将前面两种逆变器结合起来。应该注意的是，电压抵消法只适用于单相逆变器而不适用于三相逆变器。

（2）常见辅助逆变器。

①采用分散供电方式的辅助逆变器。

广州地铁1号线车辆辅助系统采用的就是分散供电方式。其总共6节车编组，每节车都有一台DC/AC逆变器，所有逆变器在尺寸、额定值和容量上是相同的，并采用交叉供电方式，使每节车不会因自身辅助逆变器故障而造成停电事故。接触网高压DC 1500 V是直接输入辅助逆变器的，车体有一条1500 V列车线为辅助系统专用，并使用二极管与外电路隔离。每台逆变器有一组380 V三相、50 Hz输出。辅助逆变器直接或间接驱动以下交流负载：空气压缩机、空调压缩机、冷凝器风扇、蒸发器、设备通风机、车厢插座（220 V交流）、档风玻璃除霜器等。

②采用集中供电方式的辅助逆变器。

目前，广州地铁2、3、4号线辅助系统采用的均是集中供电的方式。

广州地铁2号线列车的辅助逆变器从接触网上受电用作辅助电源，输出带中性点的三相交流电（380 V/220 V，50 Hz），主要为风扇电动机、空气压缩机、空调装置和车内其他所有交流负载供电，其输入与输出通过变压器隔离开来。2号线列车辅助逆变器与牵引逆变器一起集成在PA箱中，为6辆编组列车中的一半列车供电。整列车安装了两个辅助逆变器以保证列车运行时有足够的冗余。

广州地铁3号线辅助逆变器设备箱装在B车的地板下面，它包含两个几乎完全冗余的辅助逆变器。两个蓄电池充电器模块共同向蓄电池输出电路供电。如果其中一个充电器发生故障，另一个充电器仍可提供额定功率的直流电。辅助逆变器接口、紧急启动蓄电池、蓄电池充电器输出电路和三相交流耦合接触器没有采用冗余设计。

辅助逆变器在运行时直接与架空牵引接触网相连接。辅助逆变器的两个部分都是由DC 1500 V接触网并行供电的。辅助逆变器向列车上的风扇、空调单元以及所有其他的三相负载输出三相交流400 V电压。辅助逆变器还输出直流110 V辅助电源用于蓄电池充电以及控制单元的电源需求。

辅助逆变器将来自架空线的电源转变为以下输出电压。

a.输出1：直流110V（92×16kW），用于向蓄电池及低压直流供电。

b.输出2：三相交流400V，50 Hz（144 kVA），用于空调单元以及其他不同的负载。

c.输出3：三相交流400V，50 Hz（144 kVA），用于空气压缩机以及其他不同的负载。

广州地铁4号线车辆辅助逆变器采用的是辅助逆变器SIV，它将直流电压（DC 1500V）逆变成三相交流电压（AC 380V），为空调、空气压缩机、照明灯及控制电路等提供稳定的三相交流电压。同时，SIV还具备直流输出电路，将交流电压（AC 380V）整流成蓄电池与低压直流负载使用的DC 110V电压。

从交流电源直接进行转换的直流输出电路相对于单独的DC/DC变换器具有维护简单（元器件数目少）的优点。

2.蓄电池

（1）蓄电池的用途。

蓄电池是把电能转变为化学能储存起来，使用时再把化学能转变为电能释放出来，变换的过程是可逆的。就电能作用来说，当蓄电池已完全放电或部分放电后，两电极表面形成了新的化合物，这时如果用适当的反向电流通入蓄电池，可以使已经形成的新化合物还原成原来的活性物质，又可供下次放电使用。这种反向电流输入蓄电池的做法，叫作充电；电池供给电流外电路使用，叫作放电。换句话说，放电就是将化学能转变为电能，供外电路使用；充电就是将电能转变为化学能储存起来。蓄电池的充电和放电过程，可以重复循环多次，所以蓄电池又称为二次电池。

放电时电流所流出的电极称为正极或者阳极，以“+”号表示；电流经过外电路之后，返回电池的电极称为负极或者阴极，以“-”号表示。

（2）镉镍蓄电池的结构。

镉镍电池具有使用寿命长（充放电循环周期高达数千次）、机械性能好（耐冲击和振动）、自放电小、低温性能好（-40℃）等优点，因此受到广泛应用。电客列车分为两组蓄电池配置和四组蓄电池配置两种情况。每个蓄电池组以浮充电模式与逆变器充电器相连接，蓄电池组装在蓄电池箱内，自然通风。

镉镍蓄电池如按极板结构可分为有极板盒式和无极板盒式蓄电池，如按外形结构可分为开口式和密封式蓄电池。

①镉镍有极板盒蓄电池。镉镍有极板盒蓄电池正极由氧化镍粉、石墨粉组成，石墨主要是用来增强导电性，不参加化学反应。负极由氧化镉粉和氧化铁粉组成。掺入氧化铁粉的目的是使氧化镉粉具有较高的扩散性，防止结块，并增加极板的容量。正、负极上的这些活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成形后成为正负极板。以焊接方式焊成极群装入镀镍铁质电槽或聚乙烯电槽内，并以耐碱的硬橡胶绝缘棍或穿孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开正负极板，然后进行焊底或焊盖成形。

为了排灌电解液，在蓄电池外盖上有一注液口，注液口拧以密闭式的气塞，该气塞能使蓄电池内部气体排出，而防止外部气体进入，并能保证当蓄电池短时翻转时不流出电解液。

小容量的镉镍蓄电池的正极与电槽（外壳）相接，较大容量的镉镍蓄电池的电槽都不带极性，即正极不与电槽（外壳）相接。根据不同的电压要求，可将单体电池串联组合在一起，成为组合蓄电池。

②镉镍无极板盒蓄电池。镉镍无极板盒蓄电池中采用的极板有烧结式、压成式两种，可组装成烧结式、压成式和半烧结式3种镉镍无极板盒蓄电池。

这3种蓄电池中的正负极板以隔膜隔开组成极群放入塑料电槽里，然后高频焊盖成形，制成镉镍无极板盒单体蓄电池。在蓄电池的外盖上有一与镉镍有极板盒蓄电池相同的注液口和气塞，可以排灌电解液，防止外部气体进入，保证内部气体的排出。

③镉镍密封蓄电池。多数镉镍密封蓄电池的正负极板结构与镉镍无极板盒蓄电池相同。以隔膜把正负极板隔开组成极群，放入镀镍铁质圆筒中，加入电解液化成后，再把外壳和外盖以卷加封口方式密封成镉镍密封单体蓄电池。另有压成式密封电池，其极板用镍网包扎，在特别模具中加压成形，经化成后，正负极板采用纤维尼龙纸与卡普伦纤维为隔膜，电栅作为接触片装入镀镍钢壳中，壳盖卷边封口密封成单体电池。这些电池在使用前不必灌注电解液，并且任何方向放置都不漏电解液。

（3）镉镍蓄电池的工作原理。

镍镉电池充放电过程中电池的电化学反应：

蓄电池充电时，正极发生氧化反应，负极发生还原反应。放电时，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。

从上述化学反应式可以看到，电解液只作为电流的传导体，其浓度不发生变化。因此对于镉镍蓄电池不能依据电解液的密度来判断电池充放电的程度，唯一可靠的办法就是根据电压的变化来判断充放电的程度。

（4）影响蓄电池容量的因素。

蓄电池是通过化学反应产生电能，因此，电池容量取决于电极里所含活性物质的量。电池容量的影响因素如下：

①放电电流越大，电池容量越小。因为放电过程产生的化合物形成速度过快，影响电解液向极板内层渗透，使极板活性物质利用率降低。

②电解液温度越低，电磁容量越小。因为随着温度的降低，电解液黏度增加，影响化学反应的效率。

③连续放电比间歇放电容量小。因为连续放电使得电解液向极板内扩散不充分。

4.蓄电池充电器

（1）列车蓄电池充电器的基本功能。

蓄电池充电器给全部110V负载供电，其中包括蓄电池。充电器以限压恒流的浮充电方式对蓄电池持续充电。6辆编组列车的两个A车各设有一个蓄电池充电器，并联对6辆车供电。如果一个蓄电池充电器故障，将由另外一个给全部6辆车供电，DC 110V列车线接触器自动把它们连接在一起，此时充电器故障端的蓄电池不再使用，不影响列车继续运行。蓄电池充电器内部有一个紧急蓄电池，用于紧急启动，通过按下充电机紧急启动按钮可激发此功能。

其他DC 110V负载包括列车照明（车外信号灯、客室照明）、门控制和驱动、列车通信（车载无线电台、广播）、列车控制（牵引控制单元、制动控制单元、VTCU）、雨刷。

蓄电池充电器控制蓄电池电压，充电电压设定值是蓄电池温度和蓄电池充电电流的函数。蓄电池充电电流受蓄电池电压和可配置最大电流的双重控制，蓄电池最大电流生产厂家设置为42A。

当列车出现DC干线过压、蓄电池过压、功率元件和输出过流、散热器或蓄电池过热、控制系统电源故障、蓄电池充电过流等故障时，蓄电池充电器的控制系统立即封锁功率元件的控制信号。

充电器具有部分冗余保护措施功能：一方面，软件控制关键状态的输入和输出参数；另一方面还对部分关键参数设有硬件保护，一旦超出硬件设定值，系统将立即停止运行。

（2）蓄电池充电器的工作原理。

目前，城轨车辆直流电源的实现方式主要有两种：一种是独立的DC/DC变换器，如广州地铁1、2号线采用的方式；另一种是直接从逆变辅助电源交流输出端进行转换的AC/DC变换器，如广州地铁3、4号线采用的方式。

①独立蓄电池充电器原理。

蓄电池充电器没有预充电装置，也没有将充电器从接触网上断开的接触器。当受电弓与接触网接触时，DC 1500V输入电压经输入熔断器直接连接到充电器上，经DC/DC变换及EMI滤波输出稳定的DC 110V，带DSP的控制单元自动稳压和限流。

当蓄电池充电器供电时，充电器接通内部电源，微处理器工作并等待启动信号，一旦得到启动信号即开始工作，输出电压上升，2s内到额定输出电压（输出电流在限定值内时），进入完全运行状态。若未完全启动微处理器，系统的总启动时间将有所延长，但不会超过20 s，如图9-1-2所示。

图9-1-2　蓄电池充电器控制原理框图

启动信号：是一个由微处理器系统检测的数字信号，当蓄电池系统达到额定电压时被触发。一旦启动信号消失，充电器立即停止工作。

故障信号：是微处理器的输出信号，可视作开路接触器，蓄电池电压达到额定电压时闭合。故障信号只能在充电器完全运行的状态下出现。受到短暂的干扰充电器不会产生故障信号。

RS232和RS485接口：用于诊断软件对设备进行控制操作。

充电器监控蓄电池，如充电器输出电流，蓄电池电流、电压和温度。

②非独立的蓄电池充电器原理。

直流输出电路将交流电压（AC 280 V）整流成蓄电池与低压直流负载使用的DC 110V电压。正常运行模式下，充电器给蓄电池充电，同时也为输出端连接的负载供电。

此种蓄电池充电器使用一个整流器，通过一个中频发射器，直流输入电压以一个12kHz的切换频率被发送。在二次侧产生的自由电位AC电压由输出整流器补偿。通过输出端的电感器滤波，输出电压变得平稳。从ADC电源直接进行转换的直流输出电路比单独的蓄电池充电器变换器具有以下优点：

a.元器件数目少，维护简单。

b.紧凑，质量较轻。

c.电气隔离性能更高，更为安全。