关于电动轨道牵引系统的电源介绍.doc
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1、关于电动轨道牵引系统的电源介绍电动轨道牵引系统最初部署于19世纪,在当今时代变得越来越重要。与内燃机车相比,这种交通运输模式在单位重量能耗方面是最佳的,而且具有更快的加速和更好的轨道梯度牵引性能(图1)。图1:电动轨道牵引系统需要特别的电源管理方案。研究铁路供电电源设计架构时,我很惊讶地发现竟然有这么多电源供应商把这个领域作为一个主要目标市场,这还没有包括西门子(Siemens)等公司的IC供应商的产品,以及Mentor, a Siemens Business针对轨道牵引系统中电力电子的热可靠性仿真系统等产品。铁路电力架构需要电源对于电动铁路牵引电力系统,第三轨和架空电线是主要的电源解决方案(
2、图2、图3、图4)。受电弓(pantograph)是安装在列车顶部,从架空张力线取电的系统。图2:从器件级来看,自带气冷/液冷(转换器)、逆变器、整流器、电池和电机的IGBT功率模块是这种系统的有机组成部分。(图片由西门子提供)图3:电动轨道牵引系统中需要电源的地方有很多。(图片由Powerbox提供)图4:铁路车辆用电子设备的种类。(图片由富士电机提供)挑战在铁路架构中设计电源转换器既有其优点,也有困难。铁路电源设计的主要部分出现在移动的、不受控的环境中,即火车上。此外,电力机车的预期使用寿命为30年,这意味着数千小时的服务时间和数百万次的开关机次数(power cycle)。高速移动的列车
3、周边也有很多地方需要供电,例如轨道旁边。在这两部分用电方面,设计人员都需要在恶劣和不受控环境下实现高于正常要求的可靠性。这种环境下的功率器件会遇到严酷的电热条件,比如短路、过压、过流,过热,以及老化效应等。在这种类型的应用中,可靠性是必需的,极端的工作温度对哪怕最可靠的器件都是严酷的考验。电源通常采用对流冷却,整个电源系统的工作温度也必须低至-40。在这些电源系统中要使用振动补偿弹簧夹端子,以及保形涂层,还要以紧凑的外形提供非常轻巧的设计,所有这些都是设计架构的一部分,所有架构还都必须展现出最高的效率。其他一些铁路标准还包括:* EN 55022 A类和B类; * EN 61000-4-2(E
4、SD); * EN 61000-4-3(抗RF性能); * EN 61000-4-4(快速瞬变); * EN 61000-4-6(抗传导性能); * EN 50163; * RIA 12浪涌保护(3.5VN 20ms); * RIA 13和RIA 20机械标准; * IEC 571和IEC61373冲击/振动。铁路应用会对这些电源解决方案强调高负载和长寿命的要求,尤其是对分立功率器件,比如MOSFET、二极管、晶体管和IGBT等。西门子为此采用的技术包括:改善传热系数的直接键合铜基板;用条带键合取代较厚的键合线,以便更好地处理大电流;以及具有非常低热阻的无焊上片(die-attach)技术。上
5、述技术都是用于增强开关机次数和承受模块封装中的热效应。铁路应用信令和轨道旁边的应用平交路口控制和信令控制系统不需要满足EN50155。大多数车外或轨道旁的铁路应用都需要AC-DC电源,而不是DC-DC转换器。以下是ADM公司最近帮助客户实现的一个轨道旁应用示例。客户需要更换地铁车站信息屏幕内的电源,这是由于布线法规发生变化,要求显示屏采用直流电压供电,而不是240VAC。必须克服的一个问题是允许电压下降超过100V。在远离地下平台的控制柜里采用了一台Mean Well电源RSP-2400-48,将输入的240VAC转换为48VDC/50A输出。每个显示屏都更新了一个Mean WellSD-25
6、C-5DC-DC转换器,用来将输入的48VDC转换为显示屏供电所需的5VDC。机车车辆推进系统(IGBT控制、制动控制、电脑); 驾驶舱(电力显示屏、通信系统等); 旅客舱(交流电源充电、信息显示屏、娱乐系统); 餐车(微波炉、咖啡机、收银机、电脑)电池充电和系统用电产生; 电动机起动的充电设备; 牵引应用中的制动器磁化; 零伏启动应用。以下是ADM最近帮助客户安装配置精密时钟电源的机车车辆应用示例。该公司挑选了一个Mean WellPLN-60-12电源为高精度网络控制时钟供电这类时钟在澳大利亚的铁路网上广泛使用。事实证明,PLN-60-12非常可靠。这一点很重要,因为一旦安装后再打开此设备
7、的风险级别很高。牵引变流器当将电力用于铁路系统中的牵引系统时,我们通常称之为电力牵引。轨道电气化是指在为电力机车系统供电时使用的电源系统类型。其可以是AC或DC,或复合电源(图5)。图5:英飞凌为牵引系统设计提供的IC解决方案。(图片由英飞凌提供)电气化的类型选择取决于许多因素,例如电源的可用性、应用领域类型,或是城区、郊区还是干线服务等。电力牵引系统主要有三种:1、直流(DC)电气化系统(300、500、600、750、1200、1500和3000VDC);2、交流(AC)电气化系统(15kVAC16.7Hz和25kVAC50/60Hz,见图6);3、复合系统(1.5kVDC、3kVDC、1
8、5kVAC16.7Hz、25kVAC50Hz)。图6:此处显示了具有三级脉宽调制(PWM)转换器和变压变频(VVVF)控制系统逆变器架构的交流设计。该设计采用单个3级VVVF逆变器,共同驱动并联的四台牵引电机。(图片由富士电机提供)辅助电源馈给直流电动轨道列车系统的主要直流电压为1,500VDC、750VDC或600VDC。这些设计中所用IGBT采用两级转换器设计架构(图7)。图7:直流电动轨道车辆的辅助电源电路设计。(图片由富士电机提供)交流电电动轨道车上辅助电源的负载通常是指示灯、内部照明和控制电源,并且容量相对较小,然而,可靠性至关重要(图8)。图8:交流电电动轨道车辆的辅助电源电路设计
9、。(图片由富士电机提供)有时辅助电源是安装在电动轨道车顶部的(图9)。图9:顶部安装的辅助电源。(图片由富士电机提供)电动门系统在较老的设计中,日本和其他地方经常使用气动门系统。然而,最近电动门系统成为设计师的首选,因为其不需要太多维护,并且在乘客或行李有被门夹住危险的情况中,通过采用自诊断功能并使用高速控制响应系统,还可提高乘客安全性(图10)。图10:电动门系统。(图片由富士电机提供)IC方案西门子西门子称,如果没有电源转换器,电动轨道牵引链(ERTC)是不可能实现的。这些电源器件将电流转移并切换到电源转换器的不同分支,并具有大电流高电压能力。西门子为德国最新的列车ICE 4(BR 412
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