【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 逆變器，是將直流輸入電壓變換為三相交流380V電壓，給列車上的輔助設(shè)備供電的設(shè)備。它的主要負(fù)載包括空調(diào)設(shè)備(空調(diào)壓縮機(jī)、冷凝器風(fēng)扇、蒸發(fā)器風(fēng)扇)、空氣壓縮機(jī)、設(shè)備通風(fēng)機(jī)、客室照明以及擋風(fēng)玻璃除霜器、方便插座、刮雨器等。(有的車上客室照明、雨刮器全用DC110V供電；有的車上所有設(shè)備都用自然風(fēng)冷，則不需設(shè)備通風(fēng)機(jī)。) 2．輔助逆變器技術(shù)要求(1) 輸入電壓范圍 (2) 輸出電壓波動(dòng)范圍：(一般要求177。5％) (3) 輸出電壓波形畸變：(一般要求畸變因數(shù)10％) (4) 輸出電壓不均衡度：(一般在相間對(duì)稱平衡時(shí)，要求1％) (5) 輸出頻率：50(1+1％)Hz (6) 效率：(一般要求全負(fù)荷時(shí)90％) (7) 噪聲：相距一定距離的分貝[例如：相距1m時(shí)小于70dB(A)] (8) 保護(hù)：IP等級(jí) (9) 過(guò)載能力：在額定輸出電流下連續(xù)工作時(shí)，允許施加非周期性過(guò)載，對(duì)額定容量小于或等于100kVA的裝置，過(guò)載能力為 150％時(shí)為1 min ；對(duì)額定容量大于100kVA的裝置，過(guò)載能力為130％時(shí)為30S。 3．輔助逆變器對(duì)負(fù)載啟動(dòng)的要求(1) 負(fù)載順序啟動(dòng)，以避免啟動(dòng)沖擊電流疊加。 (2) 當(dāng)負(fù)荷在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，要求其輸出電壓瞬間變化在一定范圍內(nèi)，且在限定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)其額定值。(例如當(dāng)負(fù)荷變化為逆變器額定負(fù)載的177。30％時(shí)，要求其輸出電壓瞬間變化范圍不超過(guò)177。15％，且在300ms內(nèi)恢復(fù)其額定值。)(3) 重復(fù)啟動(dòng)和停止一定負(fù)載的能力(例如額定負(fù)載的60％)。(4) 當(dāng)逆變器已帶有部分負(fù)載的情況下，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)或空調(diào)壓縮機(jī)等負(fù)載，其輸出電壓降在允許范圍之內(nèi)(例如20％)。 4．輔助系統(tǒng)主要功能部分 (1)逆變部分：輔助用電設(shè)備大都需要三相50Hz，380V／220V交流電源，因而首先要將波動(dòng)的直流網(wǎng)壓逆變?yōu)楹銐汉泐l的三相交流電。(2)變壓器隔離部分：為了安全必須將電網(wǎng)上的高壓與低壓用電設(shè)備，尤其是常需人工操作的控制電源的設(shè)備，在電氣電位上實(shí)現(xiàn)隔離。通常采用變壓器進(jìn)行電氣隔離，同時(shí)也可通過(guò)設(shè)計(jì)不同的匝比以滿足電壓值的需要。(3)直流電源(兼作蓄電池充電器)：車輛上各控制電器都由直流電源DC／DC供電。車輛上蓄電池為緊急用電所需，所以DC110V控制電源同時(shí)也是蓄電池的充電器。 主要是用來(lái)控制車輛的主線路，車輛的起動(dòng)、運(yùn)行、調(diào)速、停車、反向等一系列的動(dòng)作，還包括許多監(jiān)控回路，檢測(cè)列車各工況下的參數(shù)，根據(jù)所檢測(cè)到的故障參數(shù)，及時(shí)發(fā)出指令，控制繼電器動(dòng)作，切斷主回路中相關(guān)的觸點(diǎn)，起到相關(guān)保護(hù)作用。根據(jù)司機(jī)發(fā)出的指令，控制線路中有關(guān)繼電器得電或失電，使得對(duì)應(yīng)的主回路接觸器動(dòng)作，最終控制牽引電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而控制列車的牽引、制動(dòng)等工況。包括車門的開(kāi)啟與關(guān)閉，車門的監(jiān)控回路、列車再開(kāi)門回路。地鐵車輛的故障是指維修計(jì)劃之外的故障和事故，包括在檢修基地內(nèi)進(jìn)行的故障和在地鐵運(yùn)營(yíng)線路上的車輛突發(fā)故障。地鐵車輛故障分為4種情況：1．在線運(yùn)營(yíng)車輛發(fā)生故障不能正常運(yùn)行，但經(jīng)過(guò)短時(shí)間（2～3min）修復(fù)或換件處理可以恢復(fù)正常性能維持運(yùn)行。2．在線運(yùn)營(yíng)車輛發(fā)生故障，但不影響車輛正常運(yùn)行，這類故障一般繼續(xù)維持運(yùn)行，待車輛回庫(kù)后再對(duì)故障進(jìn)行處理。，不能維持正常運(yùn)行，且短時(shí)間內(nèi)無(wú)法進(jìn)行有效處理，為了不致耽誤車上旅客太長(zhǎng)時(shí)間和保證地鐵線路的正常運(yùn)行，有必要進(jìn)行清客，使用地鐵車輛或工程車將其牽引出運(yùn)營(yíng)線路退出服務(wù)，進(jìn)行維修。4．地鐵車輛運(yùn)營(yíng)中發(fā)生脫軌、顛覆、火災(zāi)或車輛走行部分發(fā)生如切軸等嚴(yán)重故障，影響車輛運(yùn)行安全時(shí)，車輛維修部門接到報(bào)告后，應(yīng)成立緊急求援隊(duì)伍，迅速趕赴車輛故障發(fā)生地點(diǎn)，將旅客和無(wú)關(guān)人員進(jìn)行疏散，將故障車進(jìn)行緊急處理，如發(fā)生火災(zāi)還應(yīng)將火源車輛做隔離處理。這些車輛一般也是回檢修基地進(jìn)行修復(fù)處理。第2章 輔助供電系統(tǒng)供電電路的應(yīng)用DC/AC逆變技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)直流電能到交流電能的轉(zhuǎn)換，可以從蓄電池、太陽(yáng)能電池等直流電能變換得到質(zhì)量較高的、能滿足負(fù)載對(duì)電壓和頻率要求的交流電能。DC/AC逆變技術(shù)在交流電機(jī)的傳動(dòng)、不間斷電源(UPS)、變頻電源、有源濾波器、電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償器等許多場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。DC/AC逆變技術(shù)的基本原理是通過(guò)半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件(例如SCR,GTO，GTR,IGBT和功率MOSFET模塊等)的開(kāi)通和關(guān)斷作用，把直流電能變換成交流電能，因此是一種電能變換裝置。由子是通過(guò)半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的，因此轉(zhuǎn)換效率比較高。但轉(zhuǎn)換輸出的波形卻很差，是含有相當(dāng)多諧波成分的方波。而多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合要求逆變器輸出的是理想的正弦波，因此如何利用半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷的轉(zhuǎn)換，使逆變器輸出正弦波和準(zhǔn)正弦波就成了DC/AC逆變器技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)主要問(wèn)題。 基本原理常用逆變器主電路的基本形式有兩種分類方法：按照相數(shù)分類，可以分為單相和三相；按照直流側(cè)波形和交流側(cè)波形分類，可以分為電壓型逆變器和電流型逆變器。具體如下：圖21逆變器的分類DC/AC逆變器按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分，分為Buck型DC/AC逆變器，Boost型DC/AC逆變器，BuckBoost型DC/AC逆變器。 Buck型DC/AC逆變器Buck型DC/AC逆變器電路基本拓?fù)淙鐖D所示。圖22Buck型DC/AC逆變器電路基本拓?fù)洳捎昧藘山M對(duì)稱的Buck電路，負(fù)載跨接在兩個(gè)Buck變換器的輸出端，并以正弦的方式調(diào)節(jié)Buck變換器的輸出電壓，進(jìn)行DC/AC的變換。它包括直流供電電源V m，輸出濾波電感L1和L2，功率開(kāi)關(guān)管S1S4 。濾波電容C1和C2，續(xù)流二極管D1D4，以及負(fù)載電阻R。通過(guò)滑?？刂?，使輸出電容電壓V1和V2隨參考電壓的變化而變化，從而使兩個(gè)Buck變換器各產(chǎn)生一個(gè)有相同直流偏置的正弦波輸出電壓，并且V1和V2在相位上互差180度。由于負(fù)載跨接在K和代的兩端，則DC/AC變換器的輸出電壓玲為如下式所示的正弦波，圖23所示即為逆變器的基本工作原理。圖23逆變器的基本工作原理雖然有一個(gè)直流偏置電壓出現(xiàn)在負(fù)載的任一端，但負(fù)載兩端電壓為正負(fù)交變的正弦波電壓，并且其直流電壓為零。由于DC/AC變換器的輸出電流是正負(fù)交變的，因此要求電路中的Buck變換器的電流能雙向流通，如圖24所示電路由兩組雙向Buck變換器組成。如圖25所示，凡與又是一對(duì)互補(bǔ)控制的開(kāi)關(guān)管，D1和D2為反并止極管。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1閉合、S2打開(kāi)時(shí)，若電感電流方向?yàn)檎瑒t電流流經(jīng)S1，若為負(fù)則電感電流經(jīng)D1續(xù)流。當(dāng)S1打開(kāi)、S2閉合時(shí)，若電感電流方向?yàn)檎?，則電流經(jīng)D2續(xù)流，若為負(fù)則電感電流流經(jīng)S2。如圖26所示一對(duì)互補(bǔ)控制的開(kāi)關(guān)管曲線圖圖24兩組雙向Buck變換器圖25一對(duì)互補(bǔ)控制的開(kāi)關(guān)管圖26一對(duì)互補(bǔ)控制的開(kāi)關(guān)管曲線圖 Boost型AC/AC逆變器Boost型DC/AC逆變器電路基本拓?fù)淙鐖D27所示。采用了兩組對(duì)稱的Boost電路，負(fù)載跨接在兩個(gè)Boost變換器的輸出端，并以正弦的方式調(diào)節(jié)Boost變換器的輸出電壓，進(jìn)行D/AC的變換。它包括直流供電電V m，輸出濾波電感L1和L2，功率開(kāi)關(guān)管S1S4，濾波電容C1和C2，續(xù)流二極管D1D4，以及負(fù)載電阻R。通過(guò)滑?？刂?，使輸出電容電壓K和K隨參考電壓的變化而變化，從而使兩個(gè)Boost變換器各產(chǎn)生一個(gè)有相同直流偏置的正弦波輸出電壓，并且V1和V2在相位上互差180度。獲得的輸出電壓為V0 = V1V2，是一個(gè)正弦電壓。圖27Boost型DC/AC逆變器電路基本拓?fù)?BuckBoost型DC/AC逆變器?；驹頌樯鲜鰞煞N結(jié)構(gòu)的中和，這里就不做太多解釋了。一般認(rèn)為，DCAC逆變器的發(fā)展可以分為如下兩個(gè)階段。1，19561980年為傳統(tǒng)發(fā)展階段。這個(gè)階段的特點(diǎn)是：開(kāi)關(guān)器件以低速器件為主，逆變器的開(kāi)關(guān)頻率較低，波形改善以多重疊加為主，體積重量較大，逆變效率低。正弦波逆變器開(kāi)始出現(xiàn)。1960年以后，人們注意到改善逆變器波形的重要性，并開(kāi)始進(jìn)行研究。1963年， bull提出了“消除特定諧波法”，為后來(lái)的優(yōu)化PWM法奠定了基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)特定的優(yōu)化目標(biāo)，如諧波最小、效率最優(yōu)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小等。1980年到現(xiàn)在為高頻化新技術(shù)階段。這個(gè)階段的特點(diǎn)是：開(kāi)關(guān)器件以高速器件為主，逆變器的開(kāi)關(guān)頻率較高，波形改善以PWM法為主，體積重量較小，逆變效率高。正弦波逆變器技術(shù)發(fā)展日趨完善。20世紀(jì)70年代后期，可關(guān)斷晶閘管GTO、電力晶體管GTR及其模塊相繼實(shí)用化。80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了多種高頻化的全控器件，并得到了迅速發(fā)展，如功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管Power MOSFET，絕緣門極晶體管IGT或IGST,靜電感應(yīng)晶體管SIT,靜電感應(yīng)晶閘管SITH、場(chǎng)控晶閘管MCT, MOS晶體管MGT、IEGT以及IGCT等。這就使電力電子技術(shù)由傳統(tǒng)發(fā)展時(shí)代進(jìn)入到高頻化時(shí)代。在這個(gè)時(shí)代，具有小型化和高性能特點(diǎn)的新逆變技術(shù)層出不窮，特別是脈寬調(diào)制波形改善技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。今后，隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電能質(zhì)量的要求將越來(lái)越高，包括市電電網(wǎng)在內(nèi)的原始電能的質(zhì)量可能滿足不了設(shè)備的要求，必須經(jīng)過(guò)電力電子裝置變換后才能使用，而DC/AC逆變技術(shù)在這種變換中將起到重要的作用。 從逆變器電路原理選型城市軌道交通列車使用的逆變器從電路原理組成有先經(jīng)升/降壓穩(wěn)壓后逆變和另一種是直接逆變兩種。先升/降壓穩(wěn)壓后逆變?cè)黼娐房驁D如圖28所示。CHO為升/降壓器,一般有斬波降壓(如圖28)和逆變降壓(如圖29)兩種方式,其作用是使逆變器輸入電壓穩(wěn)定,并對(duì)逆變器起保護(hù)作用。INV為逆變器,它的輸出經(jīng)電感電容濾波網(wǎng)絡(luò)FIL濾波后輸入到隔離變壓器T0變壓器的原邊繞組為△連接,次邊繞組為Y連接。輸出三相四線AC380V,50Hz電壓。另有2個(gè)變壓器TT2由AC380V供電。分別經(jīng)降壓、整流、濾波后輸出DC110V和DC24V。圖28先升/降壓穩(wěn)壓后逆變?cè)黼娐房驁D 逆變器采用PWM調(diào)制,它的開(kāi)關(guān)頻率要兼顧兩方面:過(guò)高則因開(kāi)關(guān)損耗較大而影響逆變器的效率,還會(huì)由于正、負(fù)組換流所需的“死區(qū)”影響占空比,影響逆變器輸出波形的諧波含量。若過(guò)低也會(huì)使輸出電壓波形諧波含量較大。一般采用SPWM調(diào)制,。 目前由于器件水平與控制技術(shù)的提高,已很少采用升/降壓環(huán)節(jié)。即使對(duì)于DC750V的供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō),%～+20%,與DC1500V供電系統(tǒng)一致,所以對(duì)于DC1500V系統(tǒng)能做到的,對(duì)于DC750V系統(tǒng)同樣能做到。