地鐵輔助變流器的設計初探

徐士強

摘要：隨著城市化進程的不斷推進，城市人口上升趨勢更加明顯，城市的交通壓力大幅增加，我國大部分城市為了緩解城市公共交通的壓力，都選擇修建地鐵，地鐵修建工程進入新的時期，對地鐵輔助供電系統的電能質量、功率等級、運行可靠性等方面都提出了更多和更高的要求。由此，本文將對地鐵輔助系統的重要組成設備輔助變流器的構成、發展歷程以及功能等方面進行敘述，并提出相關設計優化措施，提高地鐵輔助變流器的可靠性。

關鍵詞：地鐵；輔助變流器；設計優化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.178

1地鐵輔助變流器的概述

輔助變流器是地鐵車輛的重要組成設備之一，主要由輔助逆變器和蓄電池充電機兩部分組成，輔助變流器的主要功能是受電弓上的直流電實現轉換，轉換成三相交流電供給車載空調、空壓機等使用，將直流電轉換成交流電，給負載及控制系統提供穩定、可靠的電源，并能有效緩解負載不均衡的現象。地鐵輔助變流器的重要組成部分的輔助逆變器主要功能是將直流電源經輔助逆變器處理為三相交流電，提供給空調設備、空氣壓縮機、設備通風機、照明系統以及擋風玻璃除霜器等三相負載使用，輔助逆變器能自動進行啟動和關閉，并且能對故障進行切除和對輔助系統的運行狀況進行跟蹤記錄，保障地鐵正常運行。充電機是為車載的各系統的控制電路、直流照明、電動車門等直流負載提供可靠電源，并能給車載蓄電池進行充電。地鐵輔助變流器追求的目標是不僅是有效的地鐵需要的功能，還能為用戶提供良好的操作界面方便操作，地鐵輔助變流器在不斷提高自動化水平的同時應注意滿足以下要求；首先，輸入電壓在我國相關標準規定的范圍內時，變流器能為空調設備、空壓機、通風機等設備提供穩定電源，并在運行環境惡劣的情況下，能保持較高的可靠性，保障地鐵車輛正常運行。

2我國輔助變流器的發展歷程

近年來，隨著我國的城市軌道交通快速的發展，輔助供電系統作為地鐵車輛的關鍵系統也在不斷的進行優化升級，輔助變流器所采用的功率器件從初期的GTO逐步漸進步為現在的具有優良性能的IGBT，初期的GTO存在器件燒毀較多的情況，而現在采用的IGBT不僅具有能耗小、頻率高、器件燒毀少的特點，還具備多重保護能力，能有效的保護線路，減少短路現象的發生，極大的提高了輔助變流器以及輔助系統的穩定和可靠性。隔離方式也從最初的低頻發展為現在的高頻，輔助變流器的功率密度更為集中，各方面性能得到了有效提升。并且最初的我國輔助變流器是從國外采購，在購買相關設備的同時，也開始引進相關技術，在不斷對輔助變流器進行優化的過程中，我國開始自主研發輔助變流器，并成功應用于地鐵車輛上，目前我國常用的主要有TGF9型和TGF11型這兩種輔助變流器，輔助變流器應用到地鐵車輛輔助系統時，其技術經濟方面的優越性也得到充分顯示。

3提升輔助變流器性能的設計方法

（1）網側電路參數設計。網側電路能對重要的硬件起到保護作用，主要由電壓電流傳感器、線路接觸器、網側IGBT、預充電電阻、壓敏電阻、防極性反向二極管以及直流濾波電路等組成，當變流器啟動或地鐵車輛經過無電區域時，網側電容會受到電流迅速增大的影響，而預充電和電感可以對電流增長速度起到限制的作用。由于輸入側電壓波動起伏的情況會影響變流器的正常使用，而由網側的電感和電容構成的輸入濾波器能有效消除這種影響，保證輔助變流器正常運行。在對網側支撐電容材料的進行選擇時，應選用耐壓能力強、高頻特性好、無極性的材料，直流側濾波電路應選用膜支撐電容，而不用電解電容，相比較而言，膜支撐電容的耐壓能力以及高頻性能都強于電解電容。網側電路中的電感主要作用是限制電流變化幅度過大，減小電流對輔助變流器的影響，并且在車輛經過無電區域時，為地鐵車輛提供運行所需的能量，而在對網側濾波電感進行設計以及電抗參數的選取時，其諧振電壓峰值不超過2000V。

（2）開關管選擇。地鐵輔助變流器的開關器件種類較多并且各有所長，在對變流器的開關器件進行選型時，應結合功率等級、應用場合等因素進行綜合考慮，有助于選取最合適的。MOSFET具有電流拖尾的缺點，不適合在功率較大的場合使用，GTO存在器件燒毀較多的現象，所需的經濟投入較多，IGBT與上面兩種相比較而言，具有驅動電流小、容易恢復、器件燒毀少的優點，所以選用IGBT作用開關管，不僅能減少故障的發生也能有效減少經濟投入。而在選取IGBT的型號是，應根據電壓和電流以及散熱方式做為標準進行嚴格挑選，保障IGBT的可靠運行和延長使用壽命。

（3）輔助變流器保護功能設計。地鐵輔助變流器的保護功能對地鐵輔助系統以及整個車輛的安全運行提供有效保障，對地鐵輔助變流器的進行保護功能設計，能對系統中的故障進行有效隔離，當系統中的某個區域發生故障時，能快速切斷與故障區域相關的電路連接，阻止故障進一步擴大，并對系統中的設備起到保護作用，防止設備收到故障的影響。

（4）輔助變流器的安全性設計。對輔助變流器的主要電路器件進行優化設計能起到延長使用壽命和提高安全性的作用，電容器存在損耗較大、易發熱損壞等缺點，這可能是由于設計不合理以及生產工藝存在缺陷造成的，在對電容器進行優化時，設計過程中加入壓力釋放閥，能有效防止運行過程中因發熱導致爆炸、燃燒等重大安全事故的發生，增加輔助變流器的安全性。

4總結

輔助變流器因具有低噪音、節能、過載能力強、輸出電壓穩定等特點，被廣泛應用于在我國地鐵車輛上，文章對地鐵輔助變流器的設計提出相關進行優化措施，能有效保障地鐵車輛正常運行。