425T型空调客车供电系统.docx

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425T型空调客车供电系统

第三章25T型空调客车供电系统

内容简介：

本章主要介绍DC600V供电系统、变频技术在供电系统中的应用、逆变器、充电箱综合控制柜以及AC380V/DC600V兼容供电系统的组成、特性、操作方法及注意事项。

第一节机车供电的方式取代发电车集中供电

一、发电车集中供电方式应用回顾

随着国民经济和人民生活水平的提高，提高运输质量、改善乘车环境是增强铁路运输竞争力的重要硬件基础，为此在过去10年多的时间里，铁道部曾经大力推广以发电车集中供电的空调旅客列车。

发电车集中供电系统的运用，大大地提高了我国铁路车辆的供电水平。

空调客车是目前我国铁路的主型客车，空调客车的推广运用，提高了我国车辆供电的技术水平，所采用的技术已被使用现场所接受，发电车集中供电系统则是目前我国车辆供电的主要形式。

随着科学技术的发展，应该在充分肯定该系统的前提下，对其存在的问题进行改进。

发电车集中供电方式存在的主要问题及改进的必要性

1．发电车噪声及环境污染问题。

在推广空调列车时，柴油发电机组是比较现实的选择，但是随着人民生活水平的提高和对环境问题的关注，柴油发电机组的噪音和排放污染问题越来越突出。

2．旅客列车在电气化线路采用电力机车供电，其合理性和非常可观的经济性已经被世界铁路的发展所证实。

客车在电气化区段采用电网供电，不仅节能，还可以增加客运收入。

同时发电车轴重19吨，车速应在180KM/h以下，不适合今后开发高速列车的运行条件。

在1994年铁道部的《铁路主要技术政策》已明确提出：

“电气化区段，客车供电由电力机车提供”。

3．世界性的石油危机及能源的安全问题是全球各国都十分关注的重大问题，石油也是十分重要的战略资源，一旦发生危机，就将受到敌对国家的禁运威胁，会严重影响国民经济的正常发展。

我国早已成为石油进口大国，列居美国之后，成为世界第二位。

随着我国经济的快速发展，对石油的需求将会越来越大，受世界石油供给的影响更是与日俱增。

减少对石油的依赖，是保证铁路运输这个国民经济大动脉的根本出路。

4．机车向旅客列车供电已成为我国机车车辆行业今后发展中着重解决的重大技术问题。

研制适用于机车向旅客列车供电的DC600V系统不仅具有重要的现实意义，同时对动车组及高速列车供电系统的选型及确定具有重要的意义。

二、机车DC600V供电方式的诞生

我国机车供电的空调列车采用DC600V集中供电、分散变流的方式。

要求电力机车主变压器的副边，专门有两个辅助供电绕组，提供单相AC860V电压，经相控整流、滤波后供给客车DC600V。

内燃机车可以专门设计一个与牵引主发电机同轴的辅助发电机，输出三相AC480V电压，经全波整流后供给客车DC600V。

DF11G内燃机车则在尾部有一个专门的辅助发电机，输出三相AC380V电压，两个机车重连，各供一路给客车用电。

因此与发电车集中供电相似，只是缺少一个备用机组（发电车装备三台机组）。

第二节DC600V供电系统

近几年，我国电气化铁路发展迅速，京广线以西电气化铁路已基本连成网络，从北京可以向13个省会城市开行电力机车牵引的列车。

“十五”期间，铁道部将加快我国的电气化进程，实现电力机车向旅客列车供电已具备了基本条件。

97年下半年，铁道部决定在SS8电力机车和25K空调客车的基础上，进行一列由电力机供电的列车样车设计，试制、试验及运用考核后认为：

DC600V集中供电、列车分散变流系统不仅适合我国当前的技术水平，而且便于与国外列车供电系统接轨。

DC600V供电系统有以下优点：

1．机车采用单相相控整流方式提供DC600V电源，采用2路供电，具有一定的冗余，一路电源故障时，另一路仍可向客车供电。

2．各车厢逆变器放在车下，不占用客车空间。

3．各车厢独立性强，列车编组灵活。

4．控制电源采用DC110V并全列贯通，各车厢DC110V供电系统互补性强，可靠性高。

5．供电系统可以实现集中控制，操作简单。

6．可以实现DC600V和AC380V兼容供电。

一、DC600V逆变器基本原理

25T客车采用2×35KW逆变器供电方式，两个逆变器的工作原理是相同的。

图2-3-1逆变器主电路原理

逆变器主电路原理如图2-3-1，包括以下几部分：

1.输入输出隔离电路。

KM1、KM3电磁接触器，主要功能是在逆变器、输入电路或输出负载发生故障时实施隔离，防止故障扩散。

2.中间支撑电路。

主要由滤波电容C1、C2组成。

主要功能是滤平输入电路的电压纹波，当负载变化时，使直流电压平稳。

由于逆变器功率较大，因此滤波电容的容量较大，一般使用电解电容。

受电解电容的电压等级限制（一般最高工作电压为450V），需要两个电容串联后再并联。

由于电容自身参数的离散，使得串联的两个电容电压无法完全一致，因此采用电容两端并联均压电阻的方法，如图中的R1和R2。

R1和R2的另一个作用是在逆变器停止工作时，将电容上的电压放掉。

3．缓冲电路。

由R0和KM2组成。

电容的特性

是电压不能突变，因此在合闸瞬间，电容的电压很

低，基本可以认为瞬间短路，因此对电源造成很大

的冲击电流，这个电流足以使保护熔断器熔断，因

此逆变器电流一般都有输入缓冲电路。

其工作原理为：

在输入端施加电压时，先通过图2-3-2电容电压变化曲线

缓冲电阻R0对电容充电，当电容电压充到一定值时（比如540V），KM2吸合，将R0短路。

只有在电阻R0短路后，三相逆变电路才能启动工作。

见图2-3-2。

4．交流滤波电路由L1~L3和C1~C3组成，主要是将逆变器输出的PWM波变成准正弦波。

早期的逆变器输出PWM波形，谐波含量高，很多负载无法适应。

根据铁道部新的技术条件要求，25T客车使用的逆变器输出为正弦波。

由于驱动和保护技术的不断完善，使逆变器的调制频率提高，最高可达到6K~8K，因而滤波电感和电容的体积并不太大。

5．桥式三相逆变电路

由V1~V6组成的桥式三相逆变主电路是逆变器的核心电路。

图2-3-3为三相逆变器的主电路图，输入端为A、B，输出为U、V、W，右上角为V1~V6的导通顺序，阴影部分为各个IGBT的导通时间，每一格的时间为л/3，则根据各IGBT的导通顺序，可以绘出U、V、W的线电压波形。

T1、T2时间内，V1、V4同时导通，U为＋，V为－，uUV为＋且Um=Ud。

T4、T5时间内，V2、V3同时导通，U为－，V为＋，uUV为－且Um=-Ud。

T3、T4时间内，V3、V6同时导通，V为＋，W为－，uVW为＋且Um=Ud。

T6、T1时间内，V4、V5同时导通，V为－，W为＋，uVW为－且Um=-Ud。

T5、T6时间内，V5、V2同时导通，W为＋，U为－，uWU为＋且Um=Ud。

T2、T3时间内，V1、V6同时导通，W为－-，U为＋，uWU为－且Um=-Ud。

三相线电压的波形如图2-3-4所示。

由图可以看出，三者之间的相位差为2л/3，幅值与直流电压Ud相等。

由此可见，只要按照一定的顺序控制6个逆变管的导通与截止，就可以把直流电逆变成三相交流电。

实际上由于大功率集成开关管IGBT的开通与关断特性的影响，同一桥臂中的两个IGBT在关断与开通之间有一定的时间延迟，即死区保护，主要是防止同一桥臂的上下IGBT同时导通，造成所谓的桥臂贯穿短路。

图2-3-3桥式三相逆变电路

图2-3-4三相线电压的波形图

6．输出波形

按照上述原理，我们把方波电压按照正弦波的规律调制成

一系列脉冲，即使脉冲系列的占空比按正弦规律排列，当正弦

值为最大时，脉冲的宽度也最大；反之，当正弦值为最小时，

脉冲的宽度也最小。

把脉冲的宽度调制的越细，即一个周期内

脉冲的个数越多，调制后输出的波形越好，电动机负载的电流

波形越接近于正弦波。

见图2-3-5波形图。

图2-3-5负载波形图

7．逆变器的保护功能

通常逆变器具有输入过压、欠压保护，输出过流、过载、短路保护，IGBT过流、过热保护等功能。

（1）过压保护：

输入电源、电动机的突然停止和线路感抗等是引起逆变器过压的原因。

对于输入电源的短时过压，逆变器一般进行检测后，自动停止工作，当电源恢复正常后，逆变器可以自动重新工作，但对于输入电源的长时间过压，逆变器将切断输入电路进行隔离保护；对于电动机的突然停止，由逆变器本身的中间支撑电容和系统内其他负载消化；对于线路感抗产生的过电压，则依靠逆变器自身的吸收电路来解决。

（2）欠压保护：

由于接触网电压的波动，有可能造成输出欠压，但在这种情况下逆变器可以不停止工作，而是采取降频降压的方式工作，即当输入电压低于540V时，逆变器按照V/F=C（常数）的规律降频降压工作。

电力机车由于存在过分相的问题，因此欠压保护可以不考虑保护，而只是进行提示。

（3）过流保护：

逆变器在下列情况下会出现过流：

①负载尤其是电动机负载的冲击；

②输出侧短路；

③自身工作不正常，如逆变桥臂中某个IGBT损坏、上下桥臂同时导通等。

25T客车用的逆变器在技术要求中已明确要求逆变器具备承受电动机负载突加与突减的能力；当输出侧和负载发生短路时，逆变器能立即封锁脉冲输出，并停止工作，这种保护是一次性的，必须在故障清除后，逆变器才能重新工作。

逆变器在三相输出侧都安装了电流检测传感器，传感器的输出信号既做输出电流的监测，又用于过流和过载保护；逆变器的内部过流保护一般依靠IGBT的驱动模块或IPM的内部电流检测电路来实现，其原理是检测IGBT或IPM导通时的管压降Vce，当器件故障时，Vce会发生变化，根据变化来判断是否过流并采取保护对策，如减低驱动脉冲的幅值、封锁脉冲等。

③过载保护：

由于某种原因，使逆变器的输出超过其自身的输出能力，称为过载，逆变器的过载检测靠输出侧的电流传感器或输入侧的直流电流传感器。

一般情况下逆变器的过载保护为反时限特性，即设定过载电流为额定电流的1.5倍持续1min后保护，而低于1.5倍可延长保护动作时间，而高于1.5倍时则保护动作的时间小于1min。

④过热保护：

IGBT工作时，产生各种损耗，其中主要包括导通过程损耗、通态损耗和关断时的损耗，这些损耗以热量的形式通过散热器向外传送。

半导体器件工作在较高的温度环境下，性能、寿命、可靠性等都受到影响，而且超过其结温的限值（150℃）将使其损坏。

因此需要对IGBT进行过热保护。

当散热器的温度达到一定值时（设置为65℃～80℃不等），风扇才启动。

当散热器温度超过允许温度时，安装在散热器上的热保护继电器给出信号，逆变器的控制电路自动封锁脉冲，停止工作。

除上述保护功能外，逆变器还有其他一些保护功能，如三相不平衡、缺相等。

第三节交流变频技术在供电系统中的应用

在供电系统的逆变器中，还采用了软启动技术，就是电源变频的具体应用。

一、变频技术的控制方法

变频技术相应的控制方法有；VVVF法、CVCF法、PWM法、SPWM法、PAM法。

其中应用最多的大都是VVVF法和PWM变频法。

在“变频的同时也要变压”，这就是所谓VVVF（variablevoltagevariablefrequency）英文缩写的含义。

由于正弦波PWM法（SPWM）其控制变频的效果较好，其相应的硬件和软件技术较成熟。

控制变频的效果虽然不是最高级的，但是结构相对简单，技术更为成熟，其相应的硬件和软件技术可靠性更强。

为达到良好的变频效果，在DC600V的逆变器中采用了“金属一氧化物一半导体场效应管”，这是一种集成化的绝缘栅极场效应管，其中以功率场效应管MOSFET和绝缘栅双极晶体管IGBT成为主流。

二、IGBT“绝缘栅双极晶体管”

IGBT是InsulatedGateBipolarTransistor英文的缩写，中文含义就是一种大功率而且集成化的“绝缘栅双极晶体管”。

大功率的绝缘栅双极晶体管是一种新型复合电子器件，是集合了一种大功率双极型晶体管（GreatTran