辅助电源与空调通风等电器装置设计.docx

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辅助电源与空调通风等电器装置设计

1绪论

1.1地铁车辆国内外发展现状

在现代化地铁车辆的发展道路上,外国国家发展较早,日德美等国都已经具有相对完善的地铁车辆交通设施,而且其设备发展也取得了一定的成就。

目前为止,包括西门子、庞巴迪、阿尔斯通、ABB等在内的跨国国际公司都是比较有名的制造商。

作为国内地铁车辆设备的主要制造商——南车四方机车车辆股份有限公司、株洲电力机车研究所有限公司、长春轨道客车股份有限公司、南京浦镇车辆厂,在响应国家“引进、消化、吸收、再创新”口号的同时,凭借国家地铁的高速发展契机,增加更多的人力资源、物力资源、财力资源,调动和吸引更多优秀的人员进行研究,加强对地铁车辆关键性能技术研究推广,在剖析外国地铁车辆先进技术的时候,根据中国国情,坚持独立自主创新研发,使得我国地铁车辆设备研究技术达到一个新的高度

地铁车辆上除了有为牵引电机供给电能的牵引系统外,也有为车辆上各个负载提供电能的辅助电源系统[1]。

因此,辅助电源系统也是地铁车辆上一个至关重要的电气部分。

早期的地铁车辆辅助电源系统通过旋转辅助发电机组提供电能,具有沉重、噪音大、效率低及保养复杂等不足之处[3]。

由于计算机控制技术以及电力电子技术的快速发展,才有了使用电力电子技术的静止变流器（SIV）的出现,它的输出电压和频率比较稳定可靠,以较少的器件,缩减系统消耗,减免分量,减少噪音及极少维护为目的,由于使用SIV的地铁车辆的系统特性比较高,因此,它是目前地铁车辆辅助电源的必然选择。

SIV为地铁车辆空调、空气压缩机、动力照明系统、电加热器、通风设备等交流负载供给三相与单相交流电源;充电机为地铁车辆上车载控制电路、直流照明系统、电动车门、通信信号装置等供给直流能力并对蓄电池组进行充电[4]。

鉴于地铁车辆辅助电源系统工作的稳定性、可靠性和安全性对系统常规运营有显著的影响,故而在系统设计的初期就必须对整个辅助电源系统的结构、容量、特性与功能要求等参数进行计算、设计、辨析和选取,选取相应的电路结构、装置和恰当的参数来组成最佳的辅助电源系统,达到地铁车辆运行的基本需求、缩减辅助电源的寿命和成本。

1.2辅助电源系统发展趋势

地铁车辆上除了有为牵引电机供给电能的牵引系统外,也有为车辆上各个负载提供电能的辅助电源系统。

因此,辅助电源系统也是地铁车辆上一个至关重要的电气部分。

早期的地铁车辆辅助电源系统通过旋转辅助发电机组提供电能,具有沉重、噪音大、效率低及保养复杂等不足之处。

由于计算机控制技术以及电力电子技术的快速发展,才有了使用电力电子技术的静止变流器（SIV）的出现,它的输出电压和频率比较稳定可靠,以较少的器件,缩减系统消耗,减免分量,减少噪音及极少维护为目的,由于使用SIV的地铁车辆的系统特性比较高,因此,它是目前地铁车辆辅助电源的必然选择。

SIV为地铁车辆空调、空气压缩机、动力照明系统、电加热器、通风设备等交流负载供给三相与单相交流电源;充电机为地铁车辆上车载控制电路、直流照明系统、电动车门、通信信号装置等供给直流能力并对蓄电池组进行充电。

鉴于地铁车辆辅助电源系统工作的稳定性、可靠性和安全性对系统常规运营有显著的影响,故而在系统设计的初期就必须对整个辅助电源系统的结构、容量、特性与功能要求等参数进行计算、设计、辨析和选取,选取相应的电路结构、装置和恰当的参数来组成最佳的辅助电源系统,达到地铁车辆运行的基本需求、缩减辅助电源的寿命和成本。

国内外辅助电源设备的发展趋势有以下几个方面:

（1）集成化

这主要含有两层含义,其中之一是组成关功率元件的小型化和集约化;第二是开关功率零件都安装在单片IC上,不仅降低了尺寸与分量,又可以有效避免了电磁兼容性问题,增加了系统的可靠性。

（2）高频化

随着时代的发展和开关制造技术的提高,通过提高开关元器件的关频率,使用高频变压器,来缩减和降低变压器和器的尺寸,进一步缩减了系统的整体尺寸和分量。

（3）智能化

随着互联网技术的快速进步,人机可以互动,通过程序设计,在电力电子技术领域出现了人机互动界面。

凭借人机互动界面,系统的工作状态很容易被观测到,并对出现的一些故障进行自动诊断和错误索引。

（4）控制技术进步化

由于控制技术的不断改善提高,控制逆变器的方法不断变化,先有SPWM控制技术,着SVPWM控制技术,一直到现在的3D-SVPWM控制技术以及并联运行控制技术等等,不进系统的控制方法,提高了装置性能,进一步缩减了系统的成本。

2车辆辅助电源系统构成和特点及要求

地铁车辆辅助电源系统一般包含之下部分:

辅助高压箱、隔离开关箱、使用IGBT功率器件的三相逆变器系统、隔离变压器、输出滤波器、整流器、直直变换加高频变压器隔离、蓄电池组、系统控制电路等。

地铁辅助电源系统主要有3种电源输出,即为三相工频交流电压380V、直流电压110V和直流电压24V,为车辆照明、空调、列车控制和故障诊断系统、蓄电池、电动车门、显示回路和车辆通信信号装置提供电源。

地铁车辆辅助电源系统包含四部分构成:

辅助髙压箱,辅助隔离关箱,辅助源（含DC110V充电机和DC24V电源）和扩展供电箱

辅助电源电路由逆变电路和直流变换器电路组成。

系统釆用电压型逆变电路（DC/AC），系统具有如下特点

（1）釆用大功率IGBT元件,具有高频开关特性好、驱动简单等特点

（2）采用大功率IGBT逆变器模块与变换器模块,模块化设计,无吸收电路,具有结构紧凑、体积小、维护方便等特点

（3）采用热管自然冷却,具有运行噪声低、维修保养工作量小等特点

（4）逆变电路简单、元器件少

（5）具有蓄电池恒压、限流充电要求的输出性能,蓄电池过放时,有限流放电保护

（6）当其中一台辅助逆变器发生故障时,闭合扩展供电箱开关,系统同样可以正常工作,但是负载必须减半;

（7）车辆安装有2个蓄电池箱,包含DC110V、DC24V各一组,提供控制电源和车辆应急电源给辅助电源系统。

而且,在车辆没有网压的时候,可以向车辆内部系统照明、通气、电子装置等设备提供工作电能。

辅助电源系统应满足以下基本要求

（1）具有输入电压突变能力。

辅助电源当输入电压突升或突降时可以正常工作,以适应车辆运营在电网分段区时的瞬变电压。

（2）具有输入电压瞬时中止的能力。

当车辆跳弓造成输入电压短时间瞬时中止,辅助电源系统应能工作如常。

（3）具有额定输出能力。

DC1500V时,辅助电源能在DC1200-2000V间输出额定功率;DC750V时,辅助电源能在DC600~900V间输出额定功率。

（4）具有过载能力。

辅助电源系统应有充足的过载能力,辅助电源能最少承受1.5倍并连续10s时间的短时过载。

（5）具有负载突变能力。

在通常情况下,系统负载突然变动时,辅助电源系统应能正常工作。

辅助电源应具有负载直接启动和切除的能力,其输出电压的瞬时值在+15%和-20%之间变化,并且在300ms内可以达到稳定,负载的不断变化可以满足车辆运行的基本要求。

（6）输出波形谐波失真小,输出的交流电压基波为正弦波,精度为±5%,输出的直流电压精度为±3%,谐波失真均小于5%。

2.1辅助高压箱

正常工作情况下,受电弓输入的DC1500V高压通过接触器1K01（常闭）和解稱二极管1D01为辅助电源提供电源,接触器1K02（常开）不动作。

辅助高压箱主电路如图4-2所示,控制电路如图4-3所示。

当采用车间电源对辅助电源供电时,中间继电器K4首先闭合并保持,接着中间继电器K3闭合并反馈给受电弓电路和监视电路;受电弓电路收到K3反馈信号确认弓已降时,发出控制信号断开1K01而断开受电弓供电回路;1K01断并经控制回路确认后闭合、、1K02,辅助电源系统转为车间电源供电。

该电路有联锁功用,即当采用车间电源提供电能时,受电弓禁止升弓。

网压检测电路通过网压传感器VH1将网压转换为2000V/50mA电流信号,送至司机室网压表。

电源模块DY1为VH1提供士24V电源,溶断器F1为VH1提供保护。

2.2辅助隔离开关箱

正常工作情况下,来自辅助高压箱的DC1500V通过隔离关QS1送到逆变器,此时1、2联通,溶断器F1对辅助电源输入端提供高压接地或短路保护当需要对辅助电源进行维护、检修作业时,将QS1断开,2、3联通,使辅助电源高压输入端接地以保证人身安全。

具体原理图如图4-4所示。

2.3辅助逆变器工作原理

逆变器采用直接两电平IGBT逆变电路,其工作原理为:

电网经受电弓输入的DC1500V电压经辅助高压箱内的接触器、解親二极管后经辅助隔离开关箱内的隔离开关、辅助溶断器送入逆变电路。

在逆变电路中,直流输入高压经直流滤波电抗器（FL）、电容器充电电路（VI、Rc、KM2）、直流滤波电容器（FC）,送至逆变器进行逆变后输出PWM波交流电压,再经三相交流滤波器（ACL、ACC）滤波得到低谐波含量的三相准正弦电压,送入输出变压器（TR1）进行电压隔离、降压后输出三相380Vrms/50Hz电压,从任何一相输出线与变压器的中性点之间均可得到单相交流220Vrms电压。

SIV主电路包括以下部分:

（1）输入滤波电路

输入滤波电路由直流滤波电抗器（FL）、滤波电容器（FC）组成LC滤波电路。

LC滤波电路的作用是吸收直流输入端的谐波电压,对输入电源网络的高频信号和电压尖峰干扰有抑制作用,同时又能抑制逆变器对输入电源网络的干扰,并使FC电压保持稳定并将电压波动限制在允许范围内。

（2）电容器充、放电电路电容器充电电路由防输入反接二极管（VI）、充电电阻（

）、充电接触器（KM2）及短接接触器（KM1）等组成。

电容器放电电路由电容器并联放电电阻（

）,及由放电接触器（KM3）与放电电阻（

）构成的快速放电电路两部分组成。

（3）IGBT逆变电路

IGBT逆变电路为两电平电压型逆变电路。

逆变器输出电压基波频率50Hz,常规运转时的频率精度±1%;关功率管的频率范围为IkHz-1.3kHz。

采用SPWM调制,逆变器输出电压为三相PWM（脉宽调制）电压。

（4）交流滤波电路交流滤波电路由三相交流滤波电抗器（ACL）、三相交流滤波电容器（ACC）构成。

交流滤波电路是一个低通LC滤波器,它将IGBT逆变器输出的PWM电压经过低通滤波后得到接近正弦波的三相380Vrms/50Hz（基波）电压输出,再送入输出变压器进行隔离、变换。

（5）输出变压器输出变压器（TRI）为

/Y形接法,它将三相交流滤波器输出的三相620Vrms/50Hz（基波）电压变换为三相四线制的380/220Vrms/50Hz输出电压,并提供DC1500V高压电源与交流输出电压间的电气隔离。

（6）输出接触器

当SIV逆变电路的380V输出电压正常后,三相交流接触器（KMA）闭合,将三相380/220Vms/50Hz电源送入负载及充电机电路,同时扩展供电期间,故障SIV的KMA断。

2.4DC110V充电机工作原理

DC110V充电机电路采用三相全波整流+IGBT半桥式高频DC/DC电路。

其工作原理为:

逆变器输出的稳定的3AC380V输出电压经过空气关（QF11）、预充放电电阻后,输出到三相整流桥,经过电抗器、电容器精心滤波后获得直流电压,当中间电路滤波电容电压达到一定值后,闭合接触器KM11,短接电阻

。

中间电电压通过半桥逆变电路高频变换（8-lOkHz）为矩形波电压、经高频变压器进行隔离、降压后,再经高频整流桥整流、电抗器、电容器滤波后得到比较稳定的DC110V电源

2.5DC24V电源电路

DC24V电源电路则直接将DC110V输出经由高频DC/DC变换器输出DC24V。

主电路原理图见图4-5所示，直流输入电源经过断路器后进行预充电,电容充电结束接触器闭合,直流输入电压送到IGBT逆变电路,逆变电路将直流输入变成高频交流方波,再经过高频变压器隔离、变压后,经过由二极管构成的全桥整流电路将其变换为直流电,直流电经过IC平波、二极管隔离后得到稳定的DC24V电源,给DC24V负载供电。

控制电路采用模拟控制,釆用PWM脉宽调节,采用输出电压闭环反馈调节,获得的输出电压精度高。

电源具有软启动功能,输出启动平缓,无输出过电压对蓄电池等负载设备的冲击。

3辅助电源控制电路

辅助电源系统是一个相对独立的系统,SIV只要检测到高压供电,它就开始运行,向外提供三相380V/220Vrms/50Hz电源和DC110V与DC24V电源。

当SIV出现故障时,扩展供电装置则通过检测由SIV送来的“SIV正常”信号及380V电压信号,自动实现两单元SIV间的扩展供电。

控制电路具有如下功能:

（1）控制电路具有自诊断及故障数据记录功能。

（2）故障数据即储存的故障波形与故障代码识别数据。

（3）故障数据可通过USB接口下载。

（4）采用DSP微机数字控制、采用PI电压调节。

（5）可以实现与列车总线网络通信的功用,可以在司机室屏幕上査看电源系统的工作状态及发生故障情况。

3.1辅助逆变器控制

电压指令和电压互感器PT产生的输出电压反馈（FB）值进行比较得出电压差值,该值作为电压控制器的输入;电压控制器输出进行限幅后与输出电流反馈（FB）值相比较得出主电路电流差值,该值作为电流控制器输入;电流控制器输出由限幅器进行限幅以免过载,产生逆变器输出电流指令;逆变器输出电流指令和三角波载波相比较可以获得IGBT的门极控制脉冲信号,进而控制主电路中的功率开关器件的通断,在主电路中的滤波器前端输出正弦脉宽调制电压,该脉宽电压再经ZC交流滤波器变换为理想的正弦输出电压;频率控制:

启动前,输出电压U与频率分f为0,启动时,频率f和电压U慢慢上升,按U/f=常数关系,最后U,f达到稳定的额定值,称为软启动;辅助逆变器输出电压的基波频率为50Hz,常规情况下的频率精度为±1%;功率器件频率选择范围为lkHz-2kHz。

3.2DC110V充电机控制

充电机为地铁车辆的DC-DC变换装置,主要作用是将通过辅助逆变器获得的380V/50HZ三相交流电,经过三相整流桥整流,获得直流电压,然后再经过半桥逆变成高频方波交流电,再经过高频变压器降压,之后经过整流并通过滤波器进行滤波之后输出直流110V电压。

3.3DC24V电源控制

DC24V是由DC110V通过DC/DC变换而得,有两方面的作用,一方面给低压负载供电,给系统控制电路提供24V直流电压;另一方面选择蓄电池的充电方式,确保在地铁车辆检修或遭遇故障时具有足够的照明用电。

控制电路采用模拟控制,采用PWM脉宽调节,具有输出电压闭环反馈调节功能输出电压稳压精度高,具有电气隔离功能。

4系统电路参数计算

4.1逆变器电路计算

DC/AC逆变器电路主要技术参数如下:

主电路型式:

两电平电压型逆变额定输入电压:

DC1500V

输入电压围:

DC1000V~2000V输出电压:

3XAC380Vnns/220Vrms土5%

输出频率:

50Hz额定输出容量:

230kVA

（1）直流支撑电容

直流侧支撑电容的选取取决于地铁车辆的工作状况,地铁在行驶过程中,会经过无电区,车辆在这段时间内,输入电压会下降,为了确保辅助电源稳定工作,直流侧输入电压必须确保在一定范围内波动。

取C=4300

（2）接触器KM1、KM2、KM3

输入额定电流

接触器KM1、KM2、KM3选用直流接触器,KM1为LTHS400,KM2、KM3为LTHH40。

（3）直流滤波电抗器L1

若取截止频率为f0=37Hz,

取L=5

额定电流的选择以DC1200V时能输出额定负载时的输入电流:

（4）充电电阻Rc

当辅助电源系统与电网连接上时,如果回路中无限流器件,在闭合瞬间支撑电容将输入电源短路,产生浪涌电流,其大小随辅助电源开关合阐瞬间输入直流电压和回路的内阻不同而不一样,通常有上百万瓦数量级,合闹浪涌电流可以达到1000-2000A限制合闹浪涌电流的方式主要是在主电路上串入充电电阻,在合闹的瞬间,电阻串入充电回路Rc,等充电结束之后,继电器闭合将短接,要求电容器FC预充电时间为t=ls---2s（网压为1500V时,FC端电压从0V充电到1000V）。

可得

而

，可得

，取

则

，实际预充电时间为

。

（5）电容器并联放电电阻Rb

放电电阻是固定并联在滤波电容器上的放电电阻。

为了安全起见,要求电容器上的电压在没有快速放电的情况下,要求在主电路断电后直流电压在8min内降到50V以下。

由一阶电路的零状态响应可得电容上电压值为:

可得

根据

，可得

，取

，则

（电阻在最高输入电压1800V时的功耗户=18002/30000=108W,实际电容器放电时间t=430s<480s。

（6）变压器TR1

当电网电压为1500V时,根据三相电压型逆变电路的电压变换公式,可以得出逆变器输出线电压基波有效值为

（7）IGBT逆变器模块A1

本系统采用的三相桥式逆变电路,不需要考虑输出滤波电路和所使用的变压器的功率消耗,在逆变器输出电压额定的情况下,IGBT元器件流过的电流为:

（8）三相交流滤波电抗器ACL、滤波电容ACC

对于一个滤波器性能的好坏来说,一般是看它的谐波失真的抑制能力,可以从THD值来具体体现。

此外所选取的滤波器还要降低对逆变器的附加电流应力,THD减小与滤波器引起的附加电流应力减小一般是矛盾的。

式中Ud为逆变器模块的输入端电压,考虑最小输入电压情况,取Ud=1000V,则U1=704.2V。

取交流滤波电路的截止频率f0=0.3KHz,交流滤波电容器C采用三角形接法,设其每相电容量为C,转换为滤波用的等效滤波电容量为3C,根据

可得C=156

。

器材名

选型

接触器KM1、KM2、KM3

LTHS400

接触器KM2、KM3

LTHH40

直流滤波电抗器L1

L=5mH

充电电阻

电容器并联放电电阻

变压器TR1

变压器额定容量为230kVA,电压比为620Vrms/380Vrms

IGBT逆变器模块A1

3300V/800A的IGBT元件

4.2DC110V充电机回路电路参数计算

DC110充电机电路主要技术参数:

（1）主电路型式:

三相全桥整流+半桥变换器

（2）额定输入电压:

3AC380Vrms±5%

（3）额定输出容量:

25kW

（4）开关频率

:

lOkHz

（5）最大占空比

:

0.9

（1）输入三相整流桥AF1

根据

式中

为三相线电压有效值,可得输入3AC380V经全桥不可控整流后得到的直流电压有效值为513V,考虑输入电压比较稳定,参数按照整流后为500V进行设计,整流后的电流为

输入三相整流桥选择SKD110/12o

（1）输入电抗器DL1

取电流变化率

则

输入电抗器DL1参数为1.2mH/50A。

（2）换向电容CF1、CF2

半桥式变换器输入电压为DC500V,则单个电容上的压降为DC250V,考虑电压余量选用400VDC以上工作电压的电容。

换向电容电流峰值的计算:

换向电容容量计算:

采用4个ALS30A332NF400以及4个无感电容MP80a306的电容,采用两并两

串的连接方式参数为3300uF/150A

（3）半桥变换电路A2

釆用半桥电路,开关管的功率为25kW,当整流电压为500V时,设PWM波的占空比为0.9,则IGBT的电流值为

考虑2倍过载及1.25倍的安全系数,IGBT的电流值为

因此IGBT选择FZ400R12KE3（1200V/400A）。

（4）高频变压器TR2

根据单相半桥逆变电路公式,输出电压基波有效值为:

即为TR2原边电压;

根据整流电路公式

=0.9U,可得TR2次边电压为U=110/0.9=122V,故高频变压器TR2的变比为225Vrms/122Vrms。

（5）输出整流二极管AF2

整流环节的输出功率为25kW,

考虑2倍输出过载和1.25倍的安全系数,因此选用RM600HA-24S的整流二极管。

（6）输出滤波电抗器DL2

在输出电压为DC110V时,标称输出电流为227A。

采用双电感输出,则每个电感平均流过电流为113.5A。

设最大纹波电流

DL2电感量

（7）输出滤波电容CF3

基于实际需求,电压纹波系数要少于1%,鉴于充电机额定输出电压为110V,故纹波幅值

由于功率关管开、关和输出整流二极管开、关时导致的电压尖峰和直流母线电压残留的纹波,则可令输出电压的交流纹波为2.2V,而

最小的输出电容可用下式计算

考虑到实际需求,选择招电解电容器BHC-400V-4700UF土20%。

器材名

选型

输入三相整流桥AF1

SKD110/12

换向电容CF1、CF

MP80a306

半桥变换电路A2

FZ400R12KE3（1200V/400A）

高频变压器TR2

变比为225Vrms/122Vrms

输出整流二极管AF2

RM600HA-24S

输出滤波电容CF3

铝电解电容器BHC-400V-4700UF土20%

4.3DC24VC电源模块计算

DC110V/DC24V电源模块额定输出功率为2kW,额定输出电压:

DC24V土3%,额定输出容量:

2kW,开关频率:

40kHz,最大占空比

:

0.80

（1）输入电感参数L1

由于输入电流选择

，根据

则可得电感值为

。

（2）换相电容C1、C2

换相电容电流峰值

换相电容电流有效值

最低输入电压为77V,换向电容容量计算:

电容选用MK-LS30uF400VDC60A。

（3）开关管选择

考虑2倍过载及1.25倍的安全系数,/=72x2x1.25=1801选择IGBT参数为DC1200V/200A。

（4）高频变压器选择

依据单相半桥电路逆变公式,则输出电压基波有效值为:

（5）输出整流二极管选择

选用DSE12X100J快恢复二极管,其参数为DC1200V/100A。

考虑均流、安装等工艺问题,选用四个二极管两串两并运行。

（6）输出滤波电感选择

根据

，

，取L=100

器材名

选型

输入电感参数L1

参数为

换相电容C1、C2

电容选用MKP-LS30uF400VDC60A。

开关管选择

DC1200V/200A

高频变压器选择

变比为50Vrms/27Vrms

输出整流二极管

DSE12X100J快恢复二极管

输出滤波电感

输出滤波电容

5地铁车辆空调通风系统

5.1地铁车辆空调系统组成及其功能

地铁车辆空调系统一般都是由置顶式空调机组、通风系统以及配套控制系统三大部分组成。

其中置顶式空调机组基本上均采取一体式空调机组，即压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器、风机及电器装置等，各部件均安装于一个箱体内，组成一个完整的空调单元。

并通过设置在其上面的送回风口和电源连接器与室内通风系统、配套控制系统之间实现无缝连接，形成一个集制冷、通风、控制于一体的空调通风系统。

其具有结构紧凑、体积小、互换性好等特点。

空调系统功能是：

空气经过空调机组降温（加热）后，通过送风系统均匀地送到客室内部；一部分空气在回风过程中由排风系统排出车外，等量的新鲜空气通过机组新风口进入客室内。

控制系统的功能是：

通过软件控制空调机组的运行和停止，监控机组的运行状态，并与网络连通传递各类信息，包括司机室对空调系统的指令、扩展供电和紧急通风指令