辅助电源系统的组成及工作原理

【项目描述】该项目主要以日立公司的产品为例介绍城轨道交通车辆辅助电源系统结构及功能；辅助电源系统的常见故障现象和原因分析；辅助电源的常见故障的处理方法及预防措施等。

【学习目标】学习掌握轨道交通车辆辅助电源系统结构及各部分功能；掌握辅助电源系统的常见故障现象和发生原因；掌握辅助电源系统的常见故障的处理方法及预防措施等。

【技能目标】掌握轨道交通车辆的辅助电源系统结构；能够处理一般的辅助电源系统的故障并分析故障原因；学会辅助电源系统的常见故障的处理方法、检查的要点等。

【活动场景】在车辆检修现场讲解（或使用多媒体展示）城轨车辆辅助电源系统的组成。

【任务要求】掌握城轨车辆辅助电源系统的组成及辅助电路的工作原理。

【知识准备】

辅助系统是地铁或轻轨车辆上的一个必不可少的、关键的电气部分，它可为空调、通风机、空压机、蓄电池充电器及照明等辅助设备提供供电电源。目前，世界上在地铁与轻轨辅助系统中大都采用绝缘栅双极型晶体管IGBT模块来构成。辅助供电系统输出AC380 V、DC110 V及DC24 V电源，其主要由辅助静态逆变器（SIV）、整流装置、启动装置、扩展供电装置以及蓄电池5部分组成。

（1）辅助电源系统的主要功能

逆变部分：辅助用电设备大都需要三相50 Hz、380 V／220 V交流电源，因而首先要将波动的直流网压逆变为恒压恒频的三相交流电。

变压器隔离部分：为了安全必须将电网上的高压与低压用电设备，尤其是常需人工操作的控制电源的设备，在电气电位上实现隔离。通常采用变压器进行电气隔离，同时也可通过设计不同的匝比以满足电压值的需要。

直流电源（兼作蓄电池充电器）：车辆上各控制电器都由直流电源DC／DC供电。车辆上蓄电池为紧急用电所需，所以DC110 V控制电源同时也是蓄电池的充电器。

（2）辅助电源系统的组成及作用（以日立公司的产品为例）

1）启动装置

启动装置主要部件由直流电抗器、线路接触器、放电电阻、放电接触器等构成。

其主要作用是对进入SIV的输入电源进行开关控制，对输入电源起滤波作用，含有对SIV装置进行放电的放电电阻及接触器。

2）SIV逆变装置（见图8．1）

图8．1　SIV逆变装置

SIV逆变装置主要部件由功率单元（IGBT元件、PWM矢量控制）、逻辑部、HB、直流电容、交流电抗器、交流电容、三相输出变压器构成。

SIV逆变装置是辅助系统的核心，主要功能是将DC1 500 V转化为AC380 V供三相交流负载及整流装置。同时当辅助供电系统故障时，也可从此处通过计算机读取牵引系统故障数据。

3）整流装置

整流装置主要部件由110 V用变压器、110 V用整流回路、24 V用变压器、24 V用整流回路构成。主要功能是将AC380 V转化为DC110 V给车辆提供控制电源及给蓄电池浮充电，同时通过斩波模块将DC110 V转化为DC24 V给各电路板供电。

4）扩展供电装置（见图8．2）

图8．2　扩展供电装置箱体

图8．3　扩展供电装置的电磁接触器

扩展供电装置主要部件由电磁接触器（见图8．3）构成。主要作用是当1台SIV装置因保护动作停止时，SIV装置输出扩展供电指令，交流接触器闭合，另外1台SIV装置将提供全列车的基本负载并保证列车的正常运行。基本负载是指全部负载中减掉全列车每套空调机组的一台压缩机。

5）蓄电池组

一般城轨车辆每列车配有两套蓄电池组。国内地铁目前大多采用Hoppecke FNC镉镍碱性蓄电池；一部分城市地铁使用了国产的铅酸蓄电池。碱性电池和酸性电池各有优缺点。

蓄电池主要作用是给控制电路提供DC110 V电源，列车在电网无网压或两台辅助逆变器同时故障的情况下，能在45min内持续为以下应急负载供电，包括通风、客室应急照明、司机室照明、前照灯、尾灯、车侧灯、仪表灯、广播、无线电台、车门控制等。

6）应急逆变器

当列车两台SIV均故障，列车三相380 V、50Hz交流电源失效的情况下，为保证乘客安全，设定了应急逆变器，由车辆DC110 V蓄电池组经应急逆变器为空调机组送风机供电，保证45 min紧急通风。

（3）辅助电源系统的供电负载

辅助电源系统的供电负载见表8．1。

表8．1　辅助电源系统的供电负载

（4）辅助电源系统主电路

静止逆变系统主要采用的逆变加滤波器与变压器降压隔离；对DC110 V电源转换通过50 Hz隔离降压变压器来实现。静止逆变器的功率元件采用大功率电力电子元件IGBT，其控制采用微机控制并有自诊断功能。在正常情况下，每列车的两套静止逆变器（SIV）向全列车辅助系统的负载提供电源；当其中一套静止逆变器（SIV）故障时，余下的一套能承担6辆车的基本负载并保证列车的正常运行。基本负载是指全部负载中减掉全列车每套空调机组的一台压缩机。图8．4为辅助电源系统主电路。

图8．4　辅助电源系统主电路

【任务实施】

1．在车辆检修现场识别辅助电源系统各部件的名称及位置。

2．在车辆检修现场对蓄电池安装、外观接线进行查看。

3．在车辆检修生产现场进行对辅助逆变器的结构外观进行认识。

【效果评价】

评价表

【活动场景】使用多媒体展示城轨车辆辅助电源系统的常见故障并结合故障现象进行原因分析、讲解。

【任务要求】能够掌握并处理一般的城轨车辆辅助逆变器、蓄电池的常见故障，对各类故障的产生原因能分析、说明。

【知识准备】

辅助电源系统逆变装置常见故障主要分为内部程序故障、电路基板及器件故障、外部接线及部件故障、保护动作等；启动装置和扩展装置多为接线松脱、继电器的故障；蓄电池组故障主要表现在单体蓄电池电压低、蓄电池接反、蓄电池烧损、蓄电池传感器故障等现象。

（1）SIV逆变器故障

1）两台或一台SIV不启动

一般是控制电路的故障，控制电源开关跳闸或继电器故障，需要检查SIV控制电源的相关开关及继电器的电路。

列车在正线运营时出现该一台SIV故障不工作，列车的扩展供电装置启用，空调制动系统减载运行，此时司机可以驾驶列车维持到终点站后退出服务。当两台SIV故障不工作时，则需要在当前站进行清客、组织救援。

2）TMS显示的SIV相关轻微故障

一般是由于逻辑单元检测故障或受其他环境干扰引起的偶发故障，通过专用的复位按钮或重启电源即可恢复故障，俗称“假故障”。

SIV逆变器故障，在TMS有故障记录，通过司机室TMS显示屏，可以查看故障发生的时间、故障代码及故障描述，并具有相关的处理意见指引，检修人员可根据指引来缩小故障的范围，有助于故障的判断。

SIV逆变器故障时和VVVF牵引逆变器故障调查方法一样，也可通过下载逻辑部的故障信息来分析SIV故障时的数据变化，进一步调查故障的根本原因。

（2）蓄电池组故障

城轨车辆蓄电池在实际应用中存在的问题比较多，主要有以下7种情况：

1）液体渗漏现象

液体渗漏分为两类：一是加液时渗漏，这是由于人为操作或工具使用问题所致；二是运营过程中的漏液，一方面是由于加注的蒸馏水超过规定液面高，在运用中车辆晃动引起漏液；另一方面可能与个别单体的工作电压不均有一定的关系。判断渗漏是蒸馏水还是电解液的问题，要看是否有结晶体。有结晶体析出的渗漏是电解液，无结晶体析出的则是蒸馏水。

2）单体电压存在不均衡现象

蓄电池在应用中经常会发生单体电压不均衡的现象，其原因一般是由于部分单体失水过多，而工作温度较高，影响其内部化学反应，久而久之电压差显现。发现这种问题时，需要将蓄电池组从车上拆下，在车下进行充放电维护，使之活性物质重新化，从而达到均匀压差的目的。

3）蓄电池的“爬碱”现象

碱性蓄电池含有氢氧化钾（KOH）和氢氧化锂（LiOH）的碱性电解液，运用中时间一长，电解液有爬上容器口的特性，称为“爬碱”，如图8．5所示。

图8．5　蓄电池的爬碱现象

图8．6　蓄电池烧损现象

爬碱现象会引起蓄电池正、负极以及其他回路自放电加大，降低蓄电池正、负极间和直流系统的绝缘，且消耗电解液，会腐蚀引线、端子。爬碱一般是由于极柱、螺母、垫圈等处的凡士林油涂抹不均；蓄电池内部的电解液液面过高；极柱、气塞密封不严，外溢电解液过多造成的。遇到这些情况时，如因电解液过多而引起液面外溢时，应吸出一部分至液面标准线。气塞密封不严，应更换密封件，并拧紧螺母。

4）单体蓄电池烧损

在运营中，蓄电池烧损的现象也会偶尔发生，如图8．6所示。尤其新车调试或蓄电池检修重新安装后居多，这种情况直接危及运营的安全。其原因一般是作业人员未按标准操作引起，导致蓄电池连接板螺栓紧固不良。蓄电池在工作时，充、放电流较大，由于螺栓松动，端子接触不良，增大了接触电阻，使局部热量增大引起的烧损现象。因此，新车到段后，一些运营单位会组织人员重新对蓄电池接线端子进行力矩校正，以确保各连接螺栓紧固到位，避免发生该类事故。

5）蓄电池极性接反

蓄电池组是多个单体串联在一，在组装时由于作业人员不负责造成相邻电池极性接错，使单个蓄电池或多个蓄电池组长期处于放电状态，造成蓄电池亏电，单个或整组电池电压较低。蓄电池正、负极均有颜色标识，接线或检查时须注意。

6）蓄电池温度传感器故障（见图8．7）

蓄电池在充电过程中，因温度变化的不同充电电流也有一定的差别，通过温度传感器采集的蓄电池工作时的环境温度而不断调整充电电流，以满足不同温度下的充电电流值。由于蓄电池温度传感器连线较软，且易折断，温度传感器经常会发生线缆短路、断路、传感器反映不真实、传感器插头插接不良的故障。这些故障发生，直接导致辅助逆变器的故障，造成辅助逆变器不工作，影响较大。因此，在日常检查时要特别注意传感器的线缆，避免夹、折，用万用表测量传感器的探头电阻阻值，确保其工作时的可靠性。

8．7蓄电池温度传感器

7）运营维修中存在的问题

在实际运营维修中，发现除上述蓄电池故障外，还有蓄电池外壳壳体过热变形、机械撞击壳破损、蓄电池液面下降过多等问题存在，如图8．8、图8．9所示。

图8．8　蓄电池壳体破损

图8．9　蓄电池液面下降过多

蓄电池壳体具有防火、阻燃的特点，由无毒、不含卤的特殊PP材料或（Grilon-VO）组成，能承受一定的冲击力，在搬运、运输过程中也要避免机械撞击，以免造成壳体变形、损坏的情况发生。

对于在相等使用条件下失水过多的蓄电池，通常要特别进行检查，一方面确认壳体无裂纹、渗漏现象；另一方面检查单体电池电压是否正常。如果检查都正常，重新补水后进行跟踪观察，否则需作更换处理。

【任务实施】

1．在车辆检修现场用万用表测量蓄电池的单个电压、整体电压值。

2．在车辆检修现场对辅助逆变器的故障进行识别。

3．在车辆检修生产现场对扩展供电装置的功能进行验证操作。

【效果评价】

评价表

【活动场景】使用多媒体展示城轨车辆辅助电源系统常见故障的处理方法及日常维护工作。

【任务要求】掌握城轨车辆辅助逆变器、蓄电池常见故障的处理方法，能按照要求对设备进行检查工作。

【知识准备】

辅助系统故障发生后，先要下载辅助控制系统相关故障记录，根据记录的故障信息，参照系统提供的处理建议进行故障排查。辅助系统显示的一些轻故障，一般通过电源复位的方式即可恢复使用，对于一些重故障，则可能是由于本身硬件导致，需要更换一些硬件才能恢复故障。在现场应用中，一般采用备件互换的方式来确认故障。当一个辅助逆变器故障时，经过分析后有一定的故障定位，将疑似故障的部件与运行良好的辅助逆变器部件对调，以确认判断故障的准确性。

Hoppecke FNC镉镍碱性蓄电池设计的使用寿命为在平均温度22℃的条件下超过15年，温度过高会影响使用寿命，当有效容量降至低于额定容量的70%时，就到了它的使用寿命。蓄电池在使用中需要根据具体情况加蒸馏水，在使用寿命期内，不用更换电解液。有损伤或充电后电压不正常的蓄电池则需要更换。

蓄电池在日常维护时，外壳表面应保持清洁，因为灰尘和潮湿会导致电流爬升。蓄电池气塞及绝缘件良好，无泄漏电解液现象，外壳耐碱绝缘的环氧瓷漆层要良好。一般在月检或三月检定期检查液面高度，调整电解液比重。定期检查每只蓄电池的容量，及时更换电压过低的单体蓄电池。蓄电池各连接铜板及接线应无烧痕、腐蚀现象。定期对蓄电池箱体、小车框架、绝缘隔板的清洁。

蓄电池也可使用水来清洗，但不得使用任何溶剂与丝刷。如有必要阀也须使用清水清洗。必须保证阀上没有污点并且能被正确地盖上。螺栓及垫片应该被正确紧固。为避免腐蚀，可使用薄薄的一层中性凡士林或防腐油在蓄电池的连接件处及电缆眼处。

长时间使用后，由于单体内的活性物质、极板附着物增多等，蓄电池组难免出现电压不均衡现象，为了使整组蓄电池电压重新回到水平线上，需要进行“三放三充”的恢复性充电，以激活各单体的化学物质，恢复电化学性能。

新蓄电池长时间储存时，需注意的事项有以下几种：

①置于干燥、阴凉、无霜冻的房间的托盘上，电池或单体应用物品遮盖。

②以I5电流放电，截至电压为平均1．0 V／单体。

③用黄色运输塞代替标准通风阀。

④电池单体不叠放。

⑤温度不超过30℃。

⑥电池单体避免阳光直射。

图8．10　辅助逆变器逻辑部

辅助逆变器检查的要点体现在以下5个方面：

①检查辅助电源装置部件箱体外部有无损伤，检查固定螺丝有无松动现象，连接有无破损、防水装置是否良好。

②辅助逆变器控制逻辑部安装牢固、接线无松动、各板卡插接良好、光缆无压折等，如图8．10所示。

③检查温度传感器安装、蓄电池控制接触器、扩展供电接触器接线及外观是否良好。

④检查接触器灭弧罩安装状态，内部应无烧损突起物。主触头接触面不滑、无烧蚀，如图8．11所示。

⑤检查功率单元的散热片表面清洁，如图8．12所示。

图8．11　SIV接触器检查

图8．12　SIV接功率单元的散热片检查

【任务实施】

1．在车辆检修现场按要求对辅助逆变器的控制逻辑部进行检查。

2．在车辆检修现场按标准对蓄电池进行检查、清洁工作。

3．在车辆检修生产现场对辅助逆变器的故障处理方法进行确认。

【效果评价】

评价表

通过本章学习，掌握轨道交通车辆辅助电源系统的结构及部件功能；掌握辅助逆变器、蓄电池常见的故障现象及原因；学会辅助逆变器、蓄电池一般故障处理方法及日常维护工作。

1．举例说明轨道交通车辆辅助电源系统常见的故障现象。

2．说明蓄电池组的日常检查要点。