摘  要： 文章简要介绍深圳地铁 3 号线车辆辅助电源系统 APS 的组成和特点， 并针对其在现场调试及运用中，启动 APS 瞬间断开控制电源造成的短路现象，以及蓄电池充电器充电不良的现象，提出了改进方法。

关键词： 地铁车辆； 辅助电源系统； 逆变器； 整流器； 蓄电池

 

      深圳地铁 3 号线车辆采用 DC 1 500 V 供电制式、第三轨受流。 其辅助电源系统采用了韩国 ROTEM 的以IGBT 为逆变器为核心的产品， 安装在拖车上，将DC 1 500 V 逆变为三相四线制的 AC 380 V（220 V）电源，供给列车上的空气压缩机、空调、照明等设备，同时将 380 V 交流电通过整流器整流输出 DC 110 V 电源，对列车控制设备供电，并对蓄电池进行浮充电。每列车配备有两套辅助电源系统， 其冗余设计技术和微机故障判断与处理方式，保证了机车的可靠运行。

      辅助电源系统 APS 主要由受电电路 （包括辅助隔离开关和辅助熔断器）、电容器充放电电路、三相逆变器、交流滤波电路、整流装置、扩展供电装置以及相关控制电路等组成。 其主电路原理框图见图 1。

      本文针对辅助电源系统在深圳地铁 3 号线车辆的试验与运行中出现的问题，进行研究与分析，并提出了相应的改进方案，为以后整车系统的稳定运行提供保障。

 

      当 APS 输入端输入高电压时，充电接触器 CHK 闭合、放电接触器 DSK 断开，滤波电容处于初步充电状态下（即 FC1、FC2 总电压小于 800 V），此时断开 APS控制电源 （即蓄电池电源），CHK、DSK 线圈失去了维持电压，瞬间 DSK 回到闭合状态，造成 APS 直接短路，如图 2 所示。

      原电路图中 CDR 是两个 500 Ω/500 W 的电阻（CHR 和 DSR）并联（等效 250 Ω/1 kW），如将其分开连接，充电时等效电阻值为 500 Ω，放电时等效电阻值为1 kΩ，滤波电容等效值为 4 500 μF。

      充放电电路整改电路如图 3 所示。 由于增加了DSR 电阻， 即使充电接触器 CHK 与放电接触器 DSK由于各种原因同时闭合，该回路之间有 DSR 电阻承受其中的电压，避免了短路现象，上述短路问题得到了有效的处理。

      根据并联 RC 电路的延时时间常数 τ=R×C，滤波电容充电电压 ，U_S为电容满充后稳定电压，滤波电容放电电压 ，U₀为输入直流电压，平均电流 I=U/R，功率 P =UI。 从理论上分析， 当 t 趋于 ∞ 时，U_FC和 U^′_FC才能达到稳态，但实际上一般认为经过 3τ 到 5τ 的时间，U_FC和 U^′_FC已接近稳态值，过渡过程结束。计算出电路更改前后充放电时间如表 1 所示。

      根据实验波形可以测量出整改前后的充放电时间：整改前的充电时间为 2.9 s，放电时间为 4.5 s；整改后的充电时间为 3.6 s，放电时间为 19.5 s（与表 1 理论计算值相近）。

      通过理论分析以及实验数据对比可以看出， 该整改方案虽然避免了短路现象，但同时带来了新的问题:由于增大了充放电的等效电阻阻值而导致了充电时间（启动时间）与放电时间的增大 ，如果操作者在断开车辆负载后立即进行车辆检修，存在触电的安全隐患。因此在实际检修过程中， 通过检修规程规定操作者需断开车辆负载 1 min 后才能进行检修操作。

      上述整改方案可以预防初步启动时可能出现的短路问题，并且由于研究内容可满足其容量需求，对耐用性没有任何影响，使得使用原先部件方可立即适用。

 

      当两单元车蓄电池电压不一致（例如蓄电池 2 为充电状态，蓄电池 1 为放电状态），由于蓄电池 1 为完全放电状态，APS 为限制电流而降低了充电电压， 此时APS2 的输出电压高于 APS1，则 APS2 通过 1100 线为蓄电池 1 充电，如图 5 所示。

      APS1 的电流传感器 BCCT2 检测 1100A 线电流 ，当电流检测值高于 28.4 A 时，APS1 进入电流限制模式， 通过增大整流模块的触发角减低输出电压。 由于APS2 给 APS1 蓄电池充电电流持续高于 28.4 A，导致整流模块输出电压持续降到零。

      根据基尔霍夫电流定律，1100A 线电流 I_a=流向蓄电池电流 I_b+负载电流 I_c。 由负载电流 I_c检测到的电流为 28.4 A 以上，而 APS1 将进入电流限制模式，导致充电电压降低、蓄电池充电不良现象的发生。为了避免此现象，需要对电路进行改进。

      蓄电池充电器电路改进方案如图 6 所示。 将二极管 BD 放置到 1100 线处，并将 BCK 放置原二极管 BD位置，由于二极管 BD 的单向导通性，防止了 APS2 的电流向APS1 而给 APS1 供电； 同时取消两个二极管VD5 以及之间的连接线。

      当两单元车再次出现蓄电池电压不一致（如蓄电池2 为充电，蓄电池 1 为放电状态）现象时，由于二极管BD的反向截断特性，从而使 APS2 无法向 APS1 和蓄电池1供电。 由于每组电客车蓄电池组容量为 140 Ah，按5 h放电计算， 蓄电池的放电率电流 C5=140÷5=28 A，因此，即使蓄电池 1 处于完全放电状态，电流传感器BCCT2 检测的电流为 28 A（低于 28.4 A），APS1 不会进入电流限制模式，蓄电池和 APS 均处于正常工作状态。

      在静调库对 0310 车进行整改测试， 电客车两端送高压，并启动两端 APS，在重负载情况下，用直流电流传感器检测流向蓄电池电流（1100A 线电流）为15 A，直流总负载电流（1100 线电流）为 57 A，蓄电池处于正常充放电工作状态，两端 APS 正常工作。

      对到段 24 列车进行整改，并经过 4 个月的观察与运用，再没有发生蓄电池充电不良的现象。

 

      本文是以深圳地铁 3 号线 B1 型电客车为项目背景，重点对辅助电源系统进行研究。针对车辆现场调试过程中，启动 APS 瞬间断开控制电源短路现象，以及蓄电池充电器充电不良的现象， 进行了深入的研究和分析，并提出了改进方案，通过改进前后测试结果的对比，证实了改进方案是可行有效的。从目前的试验运行情况看，已整改车辆辅助电源系统运行稳定，有效地避免了整改前出现的问题。

 

[1] 陶生桂 ，梁建英. 城市地铁与轻轨车辆辅助系统综述[J]. 电力机车技术，2001（3）.

[2] 郭晓燕. 铁道机车车辆的辅助电源系统[J]. 机车电传动，2008（4）.

[3] 刘志刚，叶 斌，梁 晖. 电力电子学[M]. 北京 ：北京交通大学出版社，2005.