基于DC3000V的高压系统和轨道车辆的设计与研制

基于 DC3000V的高压系统和轨道车辆的设计与研制

于晓杰 崔文成

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东省青岛市

摘要：本文介绍了基于DC3000V供电的轨道车辆的设计与研制，并对牵引系统、辅助供电等关键系统的设计进行详细说明，为后续同类型项目设计提供借鉴。

关键字：DC3000V、高压系统、轨道车辆

1. 引言

目前城市轨道交通车辆的主流供电制式有DC750V和DC1500V两种，在国际市场中部分国家和城市还有采用DC600V和DC3000V的供电方式，本文介绍了基于DC3000V供电的牵引系统、辅助供电系统的设计与研制过程，同时阐述了基于DC3000V供电的轨道车辆设计思路和原则。

2. 基于DC3000V的高压系统研制

2.1 基于DC3000V供电的牵引逆变器箱研制

结合文献^[1]中的牵引系统设计流程进行基于DC3000V的牵引辅助系统设计,牵引辅助系统的供电电压需满足IEC60850的标准，基于DC3000V的牵引逆变器较国内常规的而言，由于电压增大导致牵引逆变器内各高压器件选型、绝缘间隙、爬电距离均有所增大，在进行牵引逆变器内部布置时，充分考虑到由于网压增大带来更大的电磁干扰影响^[2]。

基于DC3000V网压的架控牵引逆变器前端高压电路采用完全冗余设计，两个转向架对应的高压电路、低压控制完全独立，牵引逆变器主电路如下图1所示。

图1 基于DC3000V网压的架控牵引逆变器主电路

牵引逆变器箱主要包含电抗器、充电接触器、短接接触器、逆变模块等部件。牵引逆变器由直流电网供电，内部主电路有两个独立的变流单元（对应于动车两个转向架）。其中 KM1、KM2 和R1 组成一架充电短接回路，R11 、R12为一架固定放电电阻，KM3、KM4 和R2 组成二架充电短接回路， R21、R22 为二架固定放电电阻。制动斩波及三相逆变的开关管均为IGBT 元件；SV1、SV2 、SV3、SV4为电压传感器，SV1、SV3 检测电网直流网压，SV2 、SV4检测逆变器上的电容器电压； SC1、SC2、SC3、SC4、SC13、SC14、SC23、SC24、SC15、SC25为电流传感器，其中SC1、SC2用于检测一架输入电流，SC3、SC4用于检测二架输入电流，SC15、SC25分别检测一架、二架电阻制动斩波电流，SC13、SC14检测一架输出电流，SC23、SC24 检测二架输出电流。

2.2 基于DC3000V供电的辅助逆变器箱研制

在进行辅助逆变器项内部设计时，也应充分考虑到由于电压增大带来的影响，辅助逆变器箱主要包含输入电路、逆变电路、输出电路、冷却电路和充电机电路五部分，主电路图如下图2所示。

图2 基于DC3000V网压的辅助逆变器主电路

（1）输入电路

辅助变流器的输入电路由电流传感器、电压传感器、主接触器、充电接触器、充电电阻及电抗器组成。作用如下：

• 通过电流传感器实现直流输入电路的电流检测；

• 通过电压传感器实现直流输入电压及逆变器电路输入电压的检测；

• 通过充电接触器及充电电阻对逆变电路支撑电容进行限流充电；

• 通过主接触器控制直流电路的接通和分端。

（2）逆变电路

辅助变流器的逆变电路采用模块化设计的逆变器模块及输出三相电流传感器。逆变器模块集成了翅片散热器、直流防反二极管、直流支撑电容、固定放电电阻、IGBT组成的三相桥式逆变电路、脉冲分配单元、驱动单元及温度继电器。

• 通过直流防反二极管实现直流输入电压的防反接功能；

• 通过直流支撑电容实现直流电路的储能及谐波电流的吸收；

• 通过固定放电电阻实现辅助变流器停机后支撑电容的放电，保证辅助变流器及人身安全；

（3）输出电路

辅助变流器的输出电路由输出电路接地检测单元、输出电压互感器、输出电流传感器、EMI滤波器及输出接触器组成；

• 通过接地检测单元实现三相变压器次边及负载侧的接地检测；

• 通过输出电流传感器实现负载电流的检测；

• 通过EMI滤波器实现辅助变流器EMC性能的提升；

• 通过输出接触器控制辅助变流器与辅助负载的通断。

（4）冷却电路

辅助变流器的冷却采用强迫风冷，风机配置电机保护断路器，可对风机缺相及短路进行保护。

（5）充电机电路

充电机电路是一个DC/DC变换电路，由线路电抗器L2、全波整流桥、半桥变换电路及整流滤波电路构成。

3. 基于DC3000V的轨道车辆整车设计

3.1 基于DC3000V供电的车辆高压电路设计

（1）弓网DC3000V电压经过受电弓接入车辆，再通过高压电器箱中的受电弓选择开关接入高速断路器，DC3000V电压经过高速断路器接入牵引逆变器，牵引逆变器采用“直-交”变换，将直流电压转换为可变压变频的交流电压，驱动牵引电机运行。同时经过受电弓选择开关的DC3000V电压接入辅助逆变器，辅助逆变器为车辆提供三相交流输出，辅助逆变器集成充电机，充电机提供低压直流输出。

（2）基于DC3000V网压的高压电路互锁方案

参考高铁车辆既有的高压设备互锁方式^[3]，设计和实现了一种基于机械、电路、气路三级互锁的安全联锁方案，可以避免当车辆升起受电弓时意外打开高压设备进行检修维护而触电，也可以避免当车辆在检修维护高压设备时意外升起受电弓而触电。

3.2 整车EMC设计重点

（1）优化整车高低压布线设计

在满足以往轨道车辆布线原则的前提下，适当增加高低压线缆走线之间的路径以减少EMC的影响。

（2）屏蔽接地技术

为解决车辆整车和各子系统电气设备的电磁干扰问题，在车辆设计和制造过程中采取合理接地、屏蔽和隔离、合理布线等方式保障整车的电磁兼容性能。

4. 结束语

高压电气系统是城市轨道交通车辆的核心系统，其设计和开发需要依托完整的基础理论体系、工程设计经验和行业标准来支持。DC3000V的高压电气系统有独特的技术优势，且已证明其安全、可靠，未来将获得更多的市场推广和应用。

参考文献

[1]郭晓燕,张波,黄金.城铁列车牵引系统集成设计技术研究[J].铁道机车车辆,2013,33(03):56-62.

[2]邓莹华,阎逢旗,张红江,王旭柱.城轨车辆防磁板屏蔽效果研究及仿真软件开发[J].电力机车与城轨车辆,2011,34(05):34-36.

[3]石东海.地铁车辆高压设备互锁设计[J].科技与创新,2015(21):61-62.

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