电子电力在北京地铁5号线中的应用与发展

      城轨电动车辆电气系统是指静止辅助电源系统和主传动电路系统。随着电力电子技术的发展,它们在城轨车辆中的应用也在不断地进步和发展。车辆上的静止辅助电源,主要用作空调机、通风机、空压机、蓄电池充电器、照明及控制等辅助设备的供电电源。随着电力电子技术的发展,辅助电源系统已从早期的旋转式电动-发电机组模式进步为静止式变流机组,即所谓的静止辅助电源装置。随着城市的发展,北京地铁5号线供电网压制也从早期1号线和2号线的600VDC和750VDC发展为1500VDC网压制,以适应大客流发展的需要。

1北京地铁5号线工程概况

      北京地铁5号线南起丰台区的宋家庄站、北至昌平区的太平庄北站,总长2 7.515km。共设22座车站,其中5座高架站、1座地面站、16座地下站,还在宋家庄设1处停车场,太平庄北站附近设1处车辆段,控制中心设在小营。北京地铁五号线是北京市区轨道交通线网规划的重要干线,与11号线、4号线、7号线、2号线、6号线、3号线、10号线、13号线汇接,为缓解北京市中心区域的地面交通压力起到非常重要的作用。北京地铁5号线将建成为安全可靠、功能合理、技术先进、经济实用的贯穿南北市区的快速轨道交通干线,为缓解北京城市交通拥堵状况、为成功举办北京2008年奥运会提供必要的硬件环境。

2北京地铁5号线的电子电力系统发展 2.1静止辅助电源系统方案随着电力电子器件的发展,北京地铁5号线的静止辅助系统也经历了不同的方案发展过程。由于新一代性能优良的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)器件迅速发展,故90年代中后期,在国外尤其是欧洲和日本,辅助系统大都采用IGBT其大致方案有:①斩波稳压再逆变加变压器降压隔离;②三点式逆变器加变压器降压隔离;③电容分压两路逆变加隔离变压器构成12脉冲;④二点式逆变器加滤波器与变压器降压隔离;⑤直-直变换与高频变压器隔离加逆变。这些方案各有其特点而且都能满足地铁或轻轨车辆的要求。北京地铁5号线车辆上静止辅助系统采用电容分压两路直-直变换器,并联输出经斩波升压稳压到640VDC,再逆变输出为三相四线50Hz380V/220V交流电源,给用电设备供电,并有一路经斩波降压稳压再经直-直变换后输出为1 1 0 V D C控制电源。A车上带1 1 0 V D C控制电源。B车和C车上无直流110V控制电源环节,而且逆变器输出也不带中线,仅为三相380VAC。

3对北京地铁5号线辅助系统的评述

      地铁5号线采用两动一拖(3节车辆)构成一个单元,每节车辆均配备一台静止辅助逆变器,每单元共用一台110VDC控制电源;由两个单元(所谓6节编组)构成一列车。每节车辆辅助逆变器的容量为75～80kVA,直流110VDC(兼作蓄电池充电器)功率约为25kW。地铁5号线静止辅助逆变器是辅助电源系统中最关键的装置。三点式逆变器不仅能弥补IGBT器件阻断电压不够高的缺陷,而且从其电气性能看,输出的电压或电流波形好,其开关频率低,损耗也小。在德国与日本的地铁或轻轨车辆上已得到了广泛的应用,体现了其优越性。而二点式逆变器是传统的通用逆变器,要想输出接近正弦波的电压或电流,不仅要高的开关频率,而且还要串入高要求的匹配的滤波器。但目前IGBT器件可靠性不断提高,驱动与保护又集成并封装在功率模块内(所谓IPM器件),再从希望降低噪声的观点出发,三点式方案是可选的方案,其开关频率低,器件本身损耗小,结温低,工作条件有利,寿命与可靠性也能进一步提高。为了人身安全低压系统或控制电源虽从1500V DC网压变换而来,但必须实现与高压网压系统在电气电位上的隔离。最佳且最实用的隔离方式是采用变压器隔离。从上述方案看出,有50Hz变压器隔离和高频变压器隔离两种方式。由变压器基本原理可知,50Hz变压器其体积与重量较大,而高频变压器其体积与重量成倍减小。但后者必须采用性能好的高频磁芯,目前大都采用进口的铁氧体磁芯或国内已研制成功的价廉的铁基微晶合金磁芯。采用高频变压器隔离,应用国产高频磁芯,国内已具备条件。地铁5号线车辆静止辅助系统是采用高频变压器实现电气电位上的隔离,其工作频率约20kHz,两个高频变压器容量各约50kVA,其体积与重量同50Hz变压器相比已缩减到几十分之一。考虑到高频时铁芯损耗,可将高频变压器放置在强迫通风的风道内。对于分散供电方式,为减轻重量采用高频变压器隔离也是较好的。由于强迫通风,为降低噪声,应在冷却和风道设计方面仔细考虑。对于集中供电,由于容量较大,目前国外还大都采用50Hz变压器实现电气电位上的隔离。

4电力牵引系统的保护装置

       牵引系统的馈线保护以微处理器为基础,用来完成对直流快速断路器的控制、保护和制动。保护系统需要对馈线电流和电压等模拟量参数进行实时的检测,为了便于一次设备直流电流和电压的测量,并且能有效进行电气隔离,应采用直流隔离放大数字采集单元,经隔离和放大和数据采集后,由保护装置进行运算和控制;开关量信号的输入与输出也需要经过开关量采集和开关信号输出驱动等专门的电路进行处理;除了模拟输入和开关量输入输出外,还有保护装置的外围接口和设备,主要包括通讯功能和人机界面等。而北京地铁5号线现行的制动系统主要是靠气制动实现停车,而气制动在低速时由于靠摩擦力制动的不稳定性,乘客会感到较明显的晃动。在目前制动系统的硬件基础上,可通过控制上的改善来实现全电制动控制停车,这会提高停车精度、降低停车冲击、降低制动块的摩擦损耗及制动噪音,进一步提高乘客乘坐的舒适度。