PBTS跨坐式单轨车辆辅助供电系统输出功率研究

王 伟 朱冬进 马步春 李卫兵

(1. 中车浦镇庞巴迪运输系统有限公司，241060，芜湖；2. 南京华士电子科技有限公司，210039，南京//第一作者，工程师)

PBTS跨坐式单轨车辆是由庞巴迪公司研发的跨坐式单轨车辆。该型车辆已在巴西圣保罗市轨道交通15号线项目中投入运营，具有转弯半径小、爬坡能力强、噪声低、无人驾驶、编组灵活、系统能耗低、安全可靠、乘坐舒适性高等特点。辅助供电系统是单轨车辆的重要组成部分之一。为了保证单轨车辆能够长时间正常运行，辅助供电系统需要给车辆辅助负载设备提供充足的电源，并应具有高的安全性、可靠性及冗余性。

本文对PBTS跨坐式单轨车辆辅助供电系统的组成、电压制式，以及辅助电源装置的设备构成、工作原理进行了分析总结，并考虑到车辆辅助负载设备功率增大的情况，对辅助电源装置增大三相输出功率的可行性进行研究。

1 单轨车辆辅助供电系统的组成及电压制式

单轨车辆每节车都配置有1套辅助供电系统。每套辅助供电系统由1台高压分线箱、1台辅助电源装置、1台电源分配箱和1台蓄电池组成。

高压分线箱的主要功能是把从受流器收集到的主电源分配给辅助电源装置和牵引系统。当车辆停放在维护车间时，可操作电动隔离开关至车间电源位，将车辆电源从受流器隔离，并从车间电源获取主电源。

辅助电源装置通过三相逆变模块、单相逆变模块、低压变换模块1、低压变换模块2等部件，将DC 750 V主电源转换为适用于车辆车载设备的交流电源和直流电源。

电源分配箱的主要功能是从辅助电源装置获取三相AC 380 V、AC 220 V、DC 110 V和DC 24 V电源，经电源分配箱断路器以及控制接触器向车载设备提供交流、直流电源和短路保护。

蓄电池用于在DC 750 V主电源故障或缺失的情况下，为必要的低压负载提供紧急低压电源。

单轨车辆相邻两车的辅助供电系统结构如图1所示。

图1 单轨车辆相邻两车的辅助供电系统结构

2 单轨车辆辅助电源装置的设备构成及工作原理

辅助电源装置接收来自受流器或车间电源的DC 750 V一次电源，并将其转换成4种类型的电压：三相380 V/50 Hz交流电、单相220 V/50 Hz交流电、124.5 V直流电、24 V直流电。然后，这些电压将分配给整个车内的各种子系统：

1) 380 V交流电源:向供暖、通风和空调系统,以及液体冷却系统供电；

2) 220 V交流电源:向车载插座供电；

3) 124.5 V直流低压电源:输出端向110 V直流(标称)低压总线供电；

4) 24 V直流低压电源:输出端向24 V直流控制电压总线供电。

相邻两车辅助电源装置间的车间连接为相连车厢的380 V交流、110 V直流和24 V直流电基本负荷提供冗余。

辅助电源装置与控制器局域网总线网络相接，从而实现与列车管理系统,以及其他列车子系统之间的通信。辅助电源装置内部监控系统对其控制电路进行监控，并通过控制器局域网总线网络向列车管理系统发送状态和故障信息。

相邻两车的辅助电源装置连接如图2所示。

图2 单轨车辆相邻两车的辅助电源装置连接

2. 1 设备构成

辅助电源装置由1个三相逆变模块、1个低压变换模块1、1个低压变换模块2，以及1个单相逆变模块组成。

1) 三相逆变模块：该模块为三相非隔离式逆变模块，与正弦滤波器连接，继而在输出端产生三相正弦电压。当有重载接入时，该模块可以通过控制电压与频率之比(V/F)来限制涌入电流。

2) 低压变换模块1：该模块为隔离变换模块，可将DC 750 V 转换为DC 110 V，继而为车辆上的DC 110 V用电设备提供电能，同时为蓄电池充电。通过均流控制与相邻车辆的低压变换模块1连接起来。

3) 低压变换模块2：该模块为隔离变换模块，可将DC 110 V转换为DC 24 V。当低压变换模块1无输出时，该模块由蓄电池提供输入电压。

4) 单相逆变模块：该单相隔离逆变模块由低压变换模块1提供输入电压,并输出AC 220 V单相电压。当低压变换模块1无输出电压时，该逆变模块由蓄电池提供输入电压。

2. 2 工作原理

辅助电源装置示意图如图3所示。

图3 单轨车辆辅助电源装置示意图

DC 750 V经输入熔断器、电感和预充电回路后，一路给三相逆变模块，另一路给低压变换模块1。

三相逆变模块以DC 750 V作为电源，由中央处理器(CPU)提供数字空间矢量脉宽调制(SVPWM)信号，为三相逆变模块开关管IGBT(绝缘栅双极型晶体管)提供驱动信号。为保证输出调制电压幅值不变，通过调整SVPWM信号的时间间隔来调节输出电压。输出电压经由交流电抗器与滤波电容构成的滤波器滤波获得380 V/50 Hz的交流电，给负载设备供电。根据检测到的电感电流及交流输出电压进行双闭环控制，通过对输出幅值与相位控制来实现电源输出稳定。

低压变换模块1和低压变换模块2均采用了移相全桥软开关控制技术和高频化隔离的方案，既可实现功率管的零电压软开关，又可提高效率，大大地减小了体量；采用电压、电流双闭环控制保证输出电压的稳定，过载时采用调节输出电压限流的方式。

单相电源为日常清洁、维护和测试工具/设备供电。单相电源将DC 110 V直流经高频变换隔离升压，再经过高频逆变、滤波，输出220 V/50 Hz单相交流电，其额定功率为2.5 kVA；该单相电源输入输出高频隔离，采用高频逆变经LC(电感电容)滤波，谐波含量少，在全部输入电压范围内从空载到额定负载条件下，输出单相电源的总谐波失真(THD)小于5%，适合笔记本电脑等使用单相电源的小型便携设备使用。

3 辅助电源装置三相输出功率研究

既有PBTS跨坐式单轨车辆辅助电源装置三相输出功率为37.5 kVA。该型号辅助电源装置已在国内外多个项目中得以广泛应用，技术成熟。已应用的项目包括巴西圣保罗市轨道交通项目、我国芜湖市单轨项目等。但在国外某个新项目上，因当地气候炎热，列车运行环境温度高，对列车空调系统的制冷需求较大，所需空调系统的功率也较大。经初步分析，需要将辅助电源装置的三相输出功率由37.5 kVA提高至43 kVA。本文对功率增加后的关键参数及其适用性进行研究。

3. 1 辅助电源装置参数设计计算

根据项目需求，对功率增大前后辅助电源装置相关参数进行计算，计算时取功率因数为1，结果如表1所示。

3. 2 可行性与适用性研究

3. 2. 1 输入电感

既有PBTS跨坐式单轨车辆的输入电感技术参数如表2所示。

功率增大至43 kW后，电感量保持不变，输入电感额定电流为70 A，实际的额定电流为82 A。该输入电感可满足新项目使用要求，其适用性分析如下：

表1 辅助电源装置参数值对比

表2 输入电感技术参数

1) 电感预埋电缆的截面积为25 mm2，满足载流要求。

2) 电感量随电流变化曲线如图4所示。通过电流和电感量曲线可知：在190 A情况下，电感依然不会饱和，电流增大后对电感量无影响。

3) 实测温升远低于设计允许温升，额定电流增加后温升仍满足要求。

图4 电感量随电流变化曲线

3. 2. 2 输入熔断器

从电压和电流两方面，说明熔断器在新项目中具有适用性：

1) 熔断器型号为D120GC75V160TF，电压等级一致，可适用；

2) 额定电流为160 A。在输入电压最低的情况下(525 V)，辅助电源装置输入最大电流为117 A，低于额定电流值。

3. 2. 3 预充电电路

预充电电路如图5所示。辅助电源装置得电后，通过预充电电阻R向直流环节电容充电。充电完成后，IGBT导通并短路R，辅助电源装置开始启动输出。

图5 预充电电路示意图

预充电电路采用IGBT开关管，通过驱动信号控制其开关。预充电电路IGBT型号为DIM400XCM45-TS000，技术参数如表3所示。功率增加后，由于IGBT的VCES为4 500 V，而输入电压为DC 750 V(范围500～900 V)，电压可完全覆盖；IGBT的IC为400 A，而输入最大电流为82 A，电流可以完全覆盖。所以，从电压、电流上分析，设备依然满足使用要求。由于功率增加带来的损耗增加，在现有冷却条件下温升依然满足设计要求，因而，从温升角度设备也具有适用性。

表3 预充电电路IGBT参数

3. 2. 4 输入电流传感器

电流传感器用于输入电流的检测，采用LEM厂家的LF305-S/SP10，其额定电流为300 A，完全覆盖输入电流范围，因而此电流传感器可满足新项目使用要求。

3. 2. 5 智能功率模块(IPM)

IPM型号为FS150R17N3E4，其集电极—发射极阻断电压值为1 700 V，集电极直流电流为150 A，集电极峰值电流为300 A，电路如图6所示。单轨辅助电源装置采用2个IPM并联，单个IPM的最大使用电流为58.5 A，使用率为39%，输入电压范围短时最高值为DC 1 300 V，故集电极直流电流为150 A、耐压为1 700 V的功率管可适用，IPM可以满足新项目的使用要求。

3. 2. 6 三相输出滤波电感

三相输出滤波电感技术参数如表4所示。

图6 IPM电路示意图

参数符号参数名称参数值备注Ie额定电流/A54用于热设计Ipeak额定峰值电流/A85Iovpeak过载峰值电流/A140Iov过载能力/A1.5Ie过载时间10 min 10 s

滤波电感与滤波电容构成LC滤波器(滤波电容采用星形接法)，额定电流为54 A(对应功率为35 kW)。新项目辅助电源装置的实际额定电流输出为65 A，超出标称电流值，且实测该电感温升较高，功率增大至43 kW后过载使用温升无法达到设计要求。因此，在新项目中需要对此进行重新设计。三相输出滤波电感新设计方案的安装尺寸可以做到与既有方案兼容，质量则较原方案增加约15%。

3. 2. 7 去耦电感

并联逆变器去耦电感，设计感量为2×5 mH，额定电流为28 A，并联后小于额定输出65 A的设计要求，在新项目中需要重新设计。去耦电感新的安装尺寸可以与原方案兼容，质量较原方案增加约15%。

3. 2. 8 输出接触器适用性

接触器型号为CL45D300MWD-RAIL，其接触器最大电流为60 A。接触器适用性主要考虑其电压等级和过流能力，新项目辅助电源装置中额定的输出电流为65 A，综合考虑设计余量，需选用容量较大的接触器。

3. 2. 9 输出电流传感器

输出电流传感器用于输出电流的检测和闭环控制，采用LEM厂家型号为LF205-S/SP5的设备，其额定电流为200 A，完全覆盖输出电流范围，可满足新项目使用要求。

4 结语

针对海外某新项目对于单轨车辆辅助电源装置三相输出功率从既有的37.5 kW增大至43 kW的要求，既有PBTS跨坐式单轨车辆辅助电源装置内的大部分设备都能适用，不需要更换；而三相输出滤波电感、去耦电感、输出接触器等则需要重新进行设计或选型。新设计方案下的单轨车辆辅助电源装置与既有装置相比,总质量增加约12 kg，增幅为8%。