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地铁辅助变流器的设计探讨

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摘要:随着城市化进程的不断推进,城市人口上升趋势更加明显,城市的交通压力大幅增加,我国大部分城市为了缓解城市公共交通的压力,都选择修建地铁,地铁修建工程进入新的时期,对地铁辅助供电系统的电能质量、功率等级、运行可靠性等方面都提出了更多和更高的要求。由此,本文将对地铁辅助系统的重要组成设备辅助变流器的构成、发展历程以及功能等方面进行叙述,并提出相关设计优化措施,提高地铁辅助变流器的可靠性。

关键词:地铁;辅助变流器;设计优化

1地铁辅助变流器的概述

辅助变流器是地铁车辆的重要组成设备之一,主要由辅助逆变器和蓄电池充电机两部分组成,辅助变流器的主要功能是受电弓上的直流电实现转换,转换成三相交流电供给车载空调、空压机等使用,将直流电转换成交流电,给负载及控制系统提供稳定、可靠的电源,并能有效缓解负载不均衡的现象。地铁辅助变流器的重要组成部分的辅助逆变器主要功能是将直流电源经辅助逆变器处理为三相交流电,提供给空调设备、空气压缩机、设备通风机、照明系统以及挡风玻璃除霜器等三相负载使用,辅助逆变器能自动进行启动和关闭,并且能对故障进行切除和对辅助系统的运行状况进行跟踪记录,保障地铁正常运行。充电机是为车载的各系统的控制电路、直流照明、电动车门等直流负载提供可靠电源,并能给车载蓄电池进行充电。地铁辅助变流器追求的目标是不仅是有效的地铁需要的功能,还能为用户提供良好的操作界面方便操作,地铁辅助变流器在不断提高自动化水平的同时应注意满足以下要求;首先,输入电压在我国相关标准规定的范围内时,变流器能为空调设备、空压机、通风机等设备提供稳定电源,并在运行环境恶劣的情况下,能保持较高的可靠性,保障地铁车辆正常运行。

2我国辅助变流器的发展历程

近年来,随着我国的城市轨道交通快速的发展,辅助供电系统作为地铁车辆的关键系统也在不断的进行优化升级,辅助变流器所采用的功率器件从初期的GTO逐步渐进步为现在的具有优良性能的IGBT,初期的GTO存在器件烧毁较多的情况,而现在采用的IGBT不仅具有能耗小、频率高、器件烧毁少的特点,还具备多重保护能力,能有效的保护线路,减少短路现象的发生,极大的提高了辅助变流器以及辅助系统的稳定和可靠性。隔离方式也从最初的低频发展为现在的高频,辅助变流器的功率密度更为集中,各方面性能得到了有效提升。并且最初的我国辅助变流器是从国外采购,在购买相关设备的同时,也开始引进相关技术,在不断对辅助变流器进行优化的过程中,我国开始自主研发辅助变流器,并成功应用于地铁车辆上,目前我国常用的主要有TGF9型和TGF11型这两种辅助变流器,辅助变流器应用到地铁车辆辅助系统时,其技术经济方面的优越性也得到充分显示。

3提升辅助变流器性能的设计方法

(1)网侧电路参数设计。网侧电路能对重要的硬件起到保护作用,主要由电压电流传感器、线路接触器、网侧IGBT、预充电电阻、压敏电阻、防极性反向二极管以及直流滤波电路等组成,当变流器启动或地铁车辆经过无电区域时,网侧电容会受到电流迅速增大的影响,而预充电和电感可以对电流增长速度起到限制的作用。由于输入侧电压波动起伏的情况会影响变流器的正常使用,而由网侧的电感和电容构成的输入滤波器能有效消除这种影响,保证辅助变流器正常运行。在对网侧支撑电容材料的进行选择时,应选用耐压能力强、高频特性好、无极性的材料,直流侧滤波电路应选用膜支撑电容,而不用电解电容,相比较而言,膜支撑电容的耐压能力以及高频性能都强于电解电容。网侧电路中的电感主要作用是限制电流变化幅度过大,减小电流对辅助变流器的影响,并且在车辆经过无电区域时,为地铁车辆提供运行所需的能量,而在对网侧滤波电感进行设计以及电抗参数的选取时,其谐振电压峰值不超过2000V。

(2)开关管选择。地铁辅助变流器的开关器件种类较多并且各有所长,在对变流器的开关器件进行选型时,应结合功率等级、应用场合等因素进行综合考虑,有助于选取最合适的。MOSFET具有电流拖尾的缺点,不适合在功率较大的场合使用,GTO存在器件烧毁较多的现象,所需的经济投入较多,IGBT与上面两种相比较而言,具有驱动电流小、容易恢复、器件烧毁少的优点,所以选用IGBT作用开关管,不仅能减少故障的发生也能有效减少经济投入。而在选取IGBT的型号是,应根据电压和电流以及散热方式做为标准进行严格挑选,保障IGBT的可靠运行和延长使用寿命。

(3)辅助变流器保护功能设计。地铁辅助变流器的保护功能对地铁辅助系统以及整个车辆的安全运行提供有效保障,对地铁辅助变流器的进行保护功能设计,能对系统中的故障进行有效隔离,当系统中的某个区域发生故障时,能快速切断与故障区域相关的电路连接,阻止故障进一步扩大,并对系统中的设备起到保护作用,防止设备收到故障的影响。

(4)辅助变流器的安全性设计。对辅助变流器的主要电路器件进行优化设计能起到延长使用寿命和提高安全性的作用,电容器存在损耗较大、易发热损坏等缺点,这可能是由于设计不合理以及生产工艺存在缺陷造成的,在对电容器进行优化时,设计过程中加入压力释放阀,能有效防止运行过程中因发热导致爆炸、燃烧等重大安全事故的发生,增加辅助变流器的安全性。

4总结

辅助变流器因具有低噪音、节能、过载能力强、输出电压稳定等特点,被广泛应用于在我国地铁车辆上,文章对地铁辅助变流器的设计提出相关进行优化措施,能有效保障地铁车辆正常运行。

参考文献:

[1]刘博阳.车载变流器功率损耗分析与热设计研究[D].中国铁道科学研究院,2016.

[2]牛伟亮.地铁辅助变流器复杂负载波形控制技术研究[D].北京交通大学,2015.

[3]贾波.地铁辅助变流器的设计研究[D].北京交通大学,2011.

[4]刘清,王明,魏周艳,赵清良.地铁车辆辅助变流器平台设计[J].大功率变流技术,2015(01).

作者:徐士强 单位:中国中车长春轨道客车股份有限公司

地铁辅助变流器的设计探讨责任编辑:张雨    阅读:人次