屏蔽门模块化直流电源系统的应用研究

　　摘要：屏蔽门进入国内轨道交通行业已有多年，随着参与屏蔽门产品开发的厂家越来越多，屏蔽门的功能及结构设计均呈现多样化的趋势。作为屏蔽门的动力核心，屏蔽门电源系统结构也产生了更多的形式。本文现针对模块化直流电源系统在地铁屏蔽门的应用情况进行分析。

　　关键词：模块化,直流电源系统,屏蔽门

　　1 引言

　　近年来，由于屏蔽门俱有保障列车乘客上下车的安全的功能，屏蔽门已被广泛应用于国内轨道广通行业。而供电电源是实现屏蔽门稳定、可靠工作的基础。根据《城市轨道交通站台屏蔽门》(CJ/T 236-2006)要求，屏蔽门供电电源应采用一级负供电，其驱动电源与控制电源分别独立设置，驱动备用电源的储能应能满足30分钟内至少完成开/关门一次循环，控制备用电源储能至少应满足负载持续工作30分钟。本文将对广州地铁五号线屏蔽门的供电电源进行介绍，并比较模块化直流电源系统与整机式交流电源系统两者应用的差异。

　　2 线路概况

　　广州市轨道交通五号线首期工程22个地下站安装全封闭式屏蔽门，2个高架站安装1.5米高安全门。本线路屏蔽门设备电源采用驱动电源和控制电源分开供电。电源系统主要部件采用模块化，可实现完善的N+1备份功能，及在线式热插拔及在线维修功能，具备智能电池管理功能。

　　地下站驱动电源容量、蓄电池按6辆编组(每侧站台18个门单元，每侧各有2个非标门单元采用双电机驱动，双侧共(16+2×2)×2=40台电机)进行配置，使用3个20KVA整流模块半，按2+1冗余备份方式构成。高架站电源容量、蓄电池按6辆编组(每侧站台18个门单元，第个安全门均采用双电机驱动，双侧共(18×2)×2=72台电机)进行配置，使用4个20KVA整流模块，按3+1冗余备份方式构成。系统蓄电池的容量需满足在断电后车站所有屏蔽门可开/关门操作至少3次的要求，并能够实现控制电源保持工作及屏蔽门带电静止30分钟。控制电源容量按断电后控制系统满足持续工作30分钟的要求进行配置，使用2个10KVA整流模块，按1+1冗余备份方式构成。

　　3.供电电源组成

　　3.1驱动电源

　　驱动电源包括主要由三相隔离变压器、整流模块、充电模块、监控模块、绝缘监测模块、蓄电池及馈线回路等构成，以完成充电、馈电及两路电源停电后供电的功能。驱动电源为滑动门电气设备(门控单元，驱动电机，开门指示灯等)供电。

　　3.2控制电源

　　控制电源装置主要由整流模块、DC/DC装置、UPS电源装置、充电模块、单相隔离变压器、监控模块、绝缘监测模块、蓄电池及馈电单元构成，且盘面设有必要的测量表计。控制电源为每侧站台的中央接口盘、就地控制盘、紧急控制盘及控制面板指示灯供电。

　　3.3.主要使用模块说明

　　3.3.1整流模块

　　1) 性能说明

　　驱动电源整流装置工作原理如下：

　　Ø 三相交流输入首先经防雷处理和EMI滤波。该部分电路可以有效吸收雷击残压和电网尖峰，保证模块后级电路的安全。

　　Ø 三相交流经整流和无源PFC后转换成高压直流电，经全桥PWM电路后转换为高频交流，再经高频变压器隔离降压后整流输出。

　　Ø 模块控制部分负责PWM信号产生及控制，保证输出稳定，同时对模块各部分进行保护。提供“四遥”接口。

　　Ø 模块采用无源PFC技术，功率因数达到0.9以上;采用高频软开关技术，模块转换效率大大提高，最高可达95%。

　　Ø 模块采用自然冷却方式，减少了风扇噪音和飞尘。

　　Ø 模块监控采集电源工作参数并显示后上传给主监控，接收主监控指令对电源进行控制，通过显示、按键校准模块参数，设置模块运行状态。

　　主要技术指标

　　输入电压：AC380V±15%

　　频 率：50Hz±10%

　　输出电压：100VDC±0.5%

　　输出额定电流：20A*N(N为整流模块个数)

　　输出瞬间过载电流：50A*N(N为整流模块个数)

　　纹波电压：≤100mV

　　过载能力：≥110%

　　1)过压保护

　　输出电压过高对用电设备会造成灾难性事故，为杜绝此类情况发生，高频模块内有过压保护电路，出现过压后模块自动死锁，相应模块故障指示灯亮，故障模块自动退出工作而不影响整个系统正常运行。

　　2)并联保护

　　每个模块内部均有并联保护电路，绝对保证故障模块自动退出系统，而不影响其它正常模块工作。

　　3)过流保护

　　过流保护主要保护大功率变流器件，在变流的每一个周期，如果通过电流超过器件承受电流，关闭功率器件，达到保护功率器件的目的。过流保护可自动恢复。

　　4)输出瞬间过载功能

　　模块额定电流为20A，但其输出瞬间过载电流可达到50A，此电流可持续2S。

　　3.3.2 DC/DC装置

　　模块采用高频开关技术，实现了电气隔离，并可带电插拔，在线维护方便。

　　主要技术指标如下：

　　输入电压：72V～130VDC

　　输出电压：24VDC±0.5%(调节范围：24V～30VDC)

　　额定电流：40A

　　3.3.3 UPS电源装置

　　UPS电源装置的工作原理如下：

　　由上图可知，逆变模块有两路交流电可以输出：一路是将电池或整流模块提供的直流电经过各级变换电路转换成交流电;另一路是直接将市电经过内部旁路引至交流输出端。

　　UPS装置采用在线式工作模式。正常工作时，UPS将整流模块提供的直流电逆变转换成交流电，供后级设备使用;当市电异常时，UPS直接将电池释放的电能转换成交流电，供后级设备使用。逆变模块在转换过程中，需要跟踪市电的频率、相位，不跟踪幅值。这样既保证了交流电源的高质量、高稳定性，又保证了UPS设备的零切换时间。

　　逆变模块采用全数字化DSP控制，能够快速地检测输入直流电压、输入市电、逆变交流电的各种参数，并控制将市电电压和逆变电压其中之一引至输出端。

　　如果直流输入电源正常(90～120VDC)，无论交流输入电源是否异常，UPS总处于逆变工作状态。其中，当市电电压在频率为50±3Hz、幅值220V±10%的跟踪范围内时，逆变模块的输出跟踪市电以实现逆变工作状态零时间切换旁路工作状态;当市电超出跟踪范围(即市电故障)时，逆变模块会转为恒压、恒频输出，此时逆变模块不会切换到旁路工作状态，一直处于逆变工作状态。

　　如果直流输入电源异常，交流输入电源正常，UPS会切换到旁路工作状态，但直流输入电源恢复正常(95～115V)，模块会等到逆变电压跟踪市电成功后，切换到逆变工作状态，同样实现零切换。

　　主要技术指标如下：

　　输入电压：220VAC±25%、100VDC±20%

　　频 率：50Hz±10%

　　线 制：单相三线制

　　隔 离：输入带隔离变压器，其电阻为10MΩ

　　输出电压：220V±1%

　　频 率：50Hz±0.25Hz

　　3.4系统输出

　　驱动电源共设7路110VDC输出，由驱动整流模块提供，其中6路输出给门控单元及站台半高门/屏蔽门直流驱动电机，1路作为备用回路。每路输出给6扇半高门/屏蔽门供电，可保证对应一节车厢的其中一个回路电源故障时，其余的门能正常工作。

　　控制电源共设8路110VDC输出(由控制整流模块提供)、8路24VDC输出(由DC/DC装置提供)、1路220VAC输出(由UPS装置提供)。

　　4 系统特点

　　4.1电源系统主要部件采用模块化，可实现完善的N+1备份功能

　　驱动电源及控制系统主要部件能实现模块化在线式热插拔及在线维修功能，实现完善的N+1冗余备份功能，无单点故障，主机设备个别部件的故障不会引起整台设备的故障。系统各模块更换简单快捷，一般工人也可在5分钟之内完成此更换过程。驱动电源的输出回路采用多回路设计，确保对应一节车厢的其中一个回路电源故障时，其余两道滑动门能够正常工作。

　　4.2门控单元能使用直流电源方案，减少转换环节

　　广州地铁五号线屏蔽门门控单元采用直流电设计，输入电源为DC110V。整流模块可以结合供电线路降压等因数，通过对输出端参数的调整，向门控单元提供适用的直流电压及电流范围。如使用传统UPS方案，三相380V一级负荷通过UPS交直交转换输出一般为AC220V，由于输出电源不适用于直流门控单元使用，需要增加直流模块实现AC220V到DC110V的转换，才能满足供电要求。通过对两个方案的对比，传统UPS方案需要增加直流模块，降低了整机的转换效率，在增加工程投资的同时，增加了系统的故障点。

　　5 结语

　　针对目前屏蔽门门控单元以使用直流供电为主，采用模块化直流电源系统能有效地减少功率转换环节，提高电源的使用效率。此外，模块化的设计有利于电源的在线维修以及降低电源模块单体故障对供电系统的影响 。

《屏蔽门模块化直流电源系统的应用研究》

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文章名称： 屏蔽门模块化直流电源系统的应用研究

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