电气装置课外知识.docx

1、电气装置课外知识CRH1 型动车组牵引传动系统 动车组通过Tp1或Tp2车顶的受电弓（运营中只能升起其中一个受电弓）从接触网将25kV 50Hz 的单相交流电接引下来，传递到装于车底架上的主变压器，经过变压器将高压变为900V 50Hz的低压，降压后的交流电经过网侧变流器转换成DC1650V的直流电，随后通过牵引电机变流器转换成频率和电压均可变的三相交流电传递给牵引电动机，电动机驱动WN节联轴节，联轴节驱动减速齿轮组，最后驱动轮对转动，使列车向前运行。从上述电能传递过程可以看出，牵引传动系统回路主要由受电弓、主变压器、网侧变流器、电机变流器和三相牵引电动机组成。 主变压器主变压器，又称为牵引变

2、压器，是交-直-交传动动车组中的重要电器设备，用来将接触网上取得的单相工频交流 25 kV 高压电降为列车各电路所需的电压。CRH1 型动车组有三个主变压器，分别位于三个拖车（Tp1、Tp2和Tb）车体底架上。三个主变压器将25kV工频单相交流电变成 900 V工频单相交流电后，向所有网侧变流器模块供电：Tp1 上的主变压器负责向TBU1中Mc1和M1上的两个变流器箱提供电流；Tp2上的主变压器负责向TBU2中Mc2和M2上的两个变流器箱提供电流；Tb上的主变压器负责向TBU3中M3上的变流器箱提供电流。另外车体上主变压器的旁边还安装了HV控制箱，对主变压器进行状态监测和控制。此外还有接地变压

3、器，为电力回流提供了一条电流通路，防止回流通过轮对轴承，使轴承发热。主变流器，又称为牵引变流器，主要用于电能转换，以满足牵引列车及牵引控制对电能形式的需要。通过网侧变流器模块LCM（line Converter Module）将经变压后的单相工频交流电转换成直流电，随后经牵引电机变流器模块MCM（Motor Converter Module，逆变器）转换成三相交流电供给三相交流异步电动机。可通过控制LCM和MCM实现动车组的牵引、调速及制动功能。CRH1 型动车组在 5 辆动车上各布置了一个变流器箱 CB（Converter Box），每个变流器箱内装有一套网侧变流器模块 LCM、两套牵引电机

4、变流器模块MCM及一套辅助逆变器模块ACMAuxiliary Converter Module，向三相系统和电池充电模块提供电流（3230/400 V，50 Hz）。变流器箱内有独立的外部水冷却系统，可对箱内各模块进行有效冷却。每节动车上的两套 MCM 是两台转向架上四台牵引电动机变频调速电源，列车牵引制动的实现都是通过对牵引变流器的控制实现的。牵引变流器的功率器件是 IGBT（绝缘栅双极晶体管），控制装置采用微处理器，可方便地实现功率转换与保护，也可实现再生电气制动。蓄电池电解液的自动调整“三位一体”的自动调整装置和调整法的工艺原理如附图所示。它是将蓄电池电解液的浓度、温度、液面高度三项指标

5、在一个装置中同时进行调整的。具体方法是在每一蓄电池的上盖注液孔中插入两根同一直径的输液管。一根向蓄电池中注入电解液，另一根把蓄电池中的电解液导出并送回电解液雄。再用泵将冷却后的电解液送往蓄电池中，形成电解液的循环。循环的速度主要取决于高度差月值。高、低液面的平均高度即是蓄电池液面相对地面的高度H。若调定充电台高度D之值，则蓄电池液面高度h随之确定。在充放电过程中只要电解液保持循环状态，各单节中的电解液浓度，温度会自动与罐中的趋于一致，液面高度会始终保持规定的h值。操作者只要调整电解液罐中的浓度、温度就行了。采用浓度、温度、液面高度“三位一体”的自动调整方法有很多优点: 一是电解液在整个充放电过

6、程中随时调整为最佳状态，克服了人工调整有阶段性的缺点， 二是可以对一批单节蓄电池成组地进行集中调整，保证了各单节电解液指标数值均匀一致，克服了人工调整各单节千差万别的缺点，特别是实现了蓄电池电解液单节调整自动化。1分相区1.1分相区概念 在电气化铁道牵引区段, 牵引供电采用单工频交流供电方式。为使电力系统三相尽可能平衡，接触网采用分段换相供电。为防止相间短路，必须在各独立供电区之间建立分相区，各相间用空气或绝缘子分割，称为电分相。短分相区分相区的无电区的长度约100m,分相区总长度约为190m。(即短分相区）1.2动车组升弓的注意事项 禁止在一列动车组上同时升两个弓或在重联的两动车组上同时升中

7、间的两个弓：因为动车组两受电弓间的距离约为107m，两车重联时受电弓的最小间距约为93m,当 受电弓无电区(D) 升起的两受电弓的间距分相区长度(D)时,这时两受电弓在重叠区的位置，会通过两受电弓滑板间会引发两相之间的短路（在短分相区的情况）2过分相区时中间牵引电路的电压保持.1分相区的电压保持 在分相区内，接触网不带电，列车主断路器打开，列车的牵引和车载供电不能由接触网供电，为了保证在过分相区时向车载电源的持续供电，必须维持对中间牵引电路的供电，在“ 驾驶” 模式或者电制动情况下，可以转换为牵引系统中间电路的“ 直流环节电压保持” 模式，即列车采取些许“ 制动” ，而牵引电机则转为发电机状态

8、，通过逆变器向中间牵引电路供电。2.2无冲击的切换电压保持 为了无冲击切换“ 电压保持” ，应该给电压保持的转换提供一个时间周期. 在“ 驾驶” 运行模式时, 按照中间电路对功率的要求，牵引力按预定坡度线性减小到零而制动力按预定坡度线性增加。然后阻断4QS，切换到电压保持状态。这个过程持续从0.5 秒或27.8 m（200km/h）到约1 秒或19.5 m（70km/h）。 从牵引方面看，直到到达电压保持状态，主电路的断路器才能够开。如果主断路器在未达到电压保持状态前断开，则试图直接转换至电压保持，牵引力/制动力不是按坡度变化，即意味着冲击。 2.3电压保持结束 出分相区后，接触网再次以网压供

9、电后，需要3 秒的延时以使主断路器控制确认网压的恢复，然后闭合主断路器。3自动过分相的信号系统 CRH3动车组运行过分相过程中，有ETCS（欧洲列车控制系统）信号时，由ETCS信号控制。否则由GFX-3A信号控制。当两种信号都没有时，由司机通过手动的方式过分相区。 CRH3动车组运行时，除了在一些特定的300km/h线路上（例如新建的京津高铁，京沪高铁）主要用ETCS信号控制外。在普通的线路上，大都用GFX-3A信号控制，此时动车组速度应可以维持在200km/h以上，但不会太高。 用GFX-3A信号控制时，必须屏蔽ETCS信号，因为过分相时如果两种信号发生冲突，自动控制程序将会中断，过分相后主

10、断路器不会再次闭合，会导致行车事故。 分相区前方放置2个地面感应器，一个在轨道右边(G1)，一个在轨道左边(G2)，分相区后面也放置2个地面感应器(G3、G4)。 在动车组安装受电弓的车上（02或07）装四个感应接收器(T1、T2、T3和T4)来接受线路上的定位地面感 应器，两个T2、T4装在右边来感应G1和G3，另两个T1、T3装在左边来感应G2和G4。 动车组以200km/h的平均速度进入分相区前，首先会先接到G1点发出的过分相预告信号，信号通过MVB传送到牵引控制单元，列车在接到信号后经过1秒钟的延时后开始触发电压保持，此种模式可以确保在通过分相区时对车载电源的持续供电。大约0.5秒后，

11、牵引力按预定坡度线形减小到零而制动力按预定坡度增加。无冲击切换到电压保持状态，然后主断路器断开。从接到G1点发出的过分相预告信号到主断路器断开大约要经过1.6秒。 如果G1发送信号失败，就由G2发送信号，此时列车会自动断开主断路器，直接切换到电压保持状态。因为没有给电压保持的转换提供一个时间周期，牵引力和制动力不是按坡度变化，会产生冲击，因此不能保证电压保持的转换可以成功实现。如果电压保持转换失败，相接的辅助变流器不能供电，列车将靠惯性过分相区。 列车离开分相区后，接到G3发出的信号后，需要经过3秒钟使主断路器控制单元确认网压的恢复，并传递信号给牵引控制单元。3秒后主断路器闭合，再经过1.5秒

12、的延时牵引控制单元开始终止电压保持状态，3秒后牵引变流器处于常规状态，根据牵引控制器的状态建立牵引力，牵引系统重新使用，电制动重新正常使用。 正常状态下，CRH3单车运行时经过分相区大约需要3.2秒，双车重联大约需要6.8秒。 200公里时速约每秒50多米。 300公里时速约每秒80多米。3.2 用ETCS信号过分相区 以300km/h的平均速度计算，这段时间列车运行了四百多米，因此在300km/h线路上对过分相的装置更高一些。用ETCS信号离开分相区 列车离开分相区后，信号同样经过1.5秒传递给车辆控制。之后需要3秒钟的时间检测网压是否正常，然后合上主断路器，开始由电网供电。1.5秒后电压保

13、持状态终止开始，需要3秒的延时牵引变流器结束电压保持状态，重新建立牵引力，此时牵引力要根据牵引控制区的状态设定。4手动过分相4.1手动操作过分相的过程 司机按下“分相区”按钮（带指示灯），经过1秒的延时，开始电压自动保持状态转换，再经过大约0.5秒（200km/h情况下）完全转换到电压保持状态。然后主断路器断开，在200km/h的情况下，从“分相区”指示灯点亮到主断路器断开大约需要1.6秒。主断路器断开后在驾驶员的MMI主显示器上会有一个明亮标记“HSCB off”显示“主断路器断开”状态。如果司机未及时按下“分相区”按钮，则进入分相区后“接触网低压”保护功能将触发主断路器断开，避免电力机车过

14、分相时易出现的带电闯分相事故。手动操作离开分相区 列车离开分相区后，需要经过3秒钟使主断路器控制单元确认网压的恢复，并传递信号给牵引控制单元。网压恢复3秒后。司机在确认牵引控制器置零后可以闭合主断路器。司机闭合主断路器后经过1.5秒的延时牵引控制单元开始终止电压保持状态，此时驾驶员的MMI主显示器上会有一个明亮标记“HSCB on”显示“主断路器闭合”状态。再经过3秒后重新建立牵引力。4.2在分相区停止的再次启动 列车速度较低时或由于其它因素导致列车停在分相区时，司机要向控制中心发送请求，并要在牵引控制器置零的情况下，“分相区”指示灯至少点亮2秒后，同时网压至少恢复3秒后合上主断路器。在断路器

15、闭合的同时，“分相区”指示灯熄灭。控制中心可以向分相区单侧供电，CCU在主断路器再次闭合后重置分相区信号，车载供电再次运行之后，在置换牵引控制器后，建立牵引力。 列车驶出分相区后，司机要向控制中心报告，以便停止向分相区供电。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压。光生伏打效应:当光照射到pn结上时，产生电子-空穴对，在半导体内部P-N结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内部电场的吸引，电子流入n

16、区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在p-n结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。当把能量加到纯硅中时（比如以热的形式），它会导致几个电子脱离其共价键并离开原子。每有一个电子离开，就会留下一个空穴。然后，这些电子会在晶格周围四处游荡，寻找另一个空穴来安身。这些电子被称为自由载流子，它们可以运载电流。将纯硅与磷原子混合起来， 只需很少的能量即可使磷原子(最外层五个电子)的某个“多余”的电子逸出，当利用磷原子掺杂时，得到的硅被成为N型（“n”表示负

17、电），太阳能电池只有一部分是N型。另一部分硅掺杂的是硼，硼的最外电子层只有三个而不是四个电子，这样可得到P型硅。P型硅中没有自由电子（“p”表示正电），但是有自由空穴。空穴实际是电子离开造成的，因此它们带有相反（正）的电荷。它们像电子一样四处移动。电场是在N型硅和P型硅接触的时候形成的。在交界处，它们确实会混合形成一道屏障，使得N侧的电子越来越难以抵达P侧。最终会达到平衡状态，这样我们就有了一个将两侧分开的电场。 这个电场相当于一个二极管，允许（甚至推动）电子从P侧流向N侧，而不是相反。当光以光子的形式撞击太阳能电池时，其能量会使电子空穴对释放出来。 每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电

18、子，从而产生一个自由的空穴。如果这发生在离电场足够近的位置，或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内，则电场会将电子送到N侧，将空穴送到P侧。这会导致电中性进一步被破坏，如果我们提供一个外部电流通路，则电子会经过该通路，流向它们的原始侧（P侧），在那里与电场发送的空穴合并，并在流动的过程中做功。只有达到一定的能量单位为电子伏特（eV），由电池材料（对于晶体硅，约为1.1eV）决定才能使电子逸出。我们将这个能量值称为材料的带隙能量。如果光子的能量比所需的能量多，则多余的能量会损失掉。在电池顶部采用抗反射涂层，减少硅的反射损失一种提高效率的方法是使用两层或者多层具有不同带隙的不同材料。带隙较高

19、的材料放在表面，吸收较高能量的光子；而带隙较低的材料放在下方，吸收较低能量的光子。这项技术可大大提高效率。这样的电池称为多接面电池，它们可以有多个电场。如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流，另一方面，若将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差。可以测得这个值，并称为开路电压。由于此时p-n结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以决定电位差的值。燃料电池机车车辆燃料电池是直接将燃料能源转化为电能的固态设备,它们基于电化学而不是燃烧,因此

20、称为“高效、低噪、无辐射”。氢燃料电池正被用于针对轿车、公共汽车和卡车的技术开发中,而这项铁路工程则是迄今为止最雄心勃勃的。该项研究的主要益处包括提高能源效率,通过降低对进口石油依赖性而增强国家能源安全性,以及改善环境质量。1 日本JR东日本公司NE列车尽管铁路是一种对环境影响不大的交通模式，为进一步减少二氧化碳排放及列车运营能耗，JR东日本公司采用了很多方法，例如车辆配置再生制动和研发永磁电机等。NE列车就是为减少对环境的影响应运而生的，项目研究分为两个阶段：第一阶段开发混合动力内燃车组（蓄电池及柴油机），已投入商业运营；第二阶段研发混合动力燃料电池车组，目前正在进行中。1.1 混合动力内燃

21、车组第一阶段研发的NE列车是世界上首台配备混合动力的车辆样车，为单节车。为最有效地利用已有的列车技术，制造了各种标准化装置，与最新的电动列车兼容。列车车体采用与在地方线路运行的E127系轨道车辆相同的不锈钢车身。至于转向架、电机和控制器，除由于电容器特性对电压做了一些调整外，基本与E231系相同。电容器和E127系轨道车的制动机电阻器一样安装在试验车的车顶。表1是混合动力内燃车组技术指标及参数。公路车辆中使用的混合系统分为：串联式混合系统、平行式混合系统，以及具有这两种系统特点的串联平行混合系统。NE列车开发采用串联式混合系统，因为只需用燃料电池替换发动机就可以将动力系统转向燃料电池系统，便于

22、之后燃料电池的应用。2003年5月样车首次测试运行，结果显示它比传统内燃车组少消耗20%的能源。由于输出功率的限制，列车最多以3辆编组的连接方式开始在小海线（Koumi Line）商业运营，服务型号为KIHA-E200，运营中还要不时地为第二阶段研发搜集各种有效数据。1.2 混合动力燃料电池列车KIHA-E200成功运营后，第二阶段研发随之开始。利用燃料电池替代混合动力内燃系统的柴油引擎/电力装置，利用高压氢气罐替代柴油罐，以及将变压器换成高压装置等。能量管理控制系统是系统研发的首要任务，因为它控制受电装置和蓄电池的能量平衡，执行各种调节功能，包括列车加减速、燃料电池发电量和蓄电池充放电等。与

23、混合动力内燃车辆相比，混合动力燃料电池列车的突出特点就在于燃料电池，其具体技术指标及参数见表2，并且列车有其特定的基本操作模式（见图1)。混合动力燃料电池列车样车于2006年制造完成，仍为单节车。为搜集到基本数据，确保安全性，在列车制造厂某条试验线上以50 km/h测试运行，以核实燃料电池活性、车辆加减速性能、燃料电池冷却功能及氢气供应等。测试结果证实该车与传统车组拥有一样的加减速性能。2007财年开始在商业线路上测试运行，测试中将速度提高到100 km/h。测试项目包括测试燃料电池发电效率、测量里程及运行安全评估。试验在装置的轻量化、紧凑化方面作了改进，并为进一步保存能源优化了能量管理控制系

24、统。该车是世界首台混合动力燃料电池列车，当前面临许多技术挑战。例如，如何研发满足车辆要求的燃料电池，如何提高车载的储氢量，如何改进地面供氢的方式等。计划继续就这些问题进行各种试验，以便将来取得燃料电池技术突破。2 BNSF燃料电池调车机车2.3 燃料电池调车机车构造及性能燃料电池调车机车以Railpower Green Goat混合动力调车为研发平台。Green Goat混合动力调车是Railpower技术公司于2004年开始研发生产的节能环保型产品，机车轴式B-B，牵引功率7351 470 kW（1 0002 000马力），最高运营速度为97 km/h。燃料电池调车机车除内部供能系统通过燃料

25、电池整套匹配系统来实现外，其他外部设施几乎均采用Green Goat机车构造。燃料电池调车机车是目前最重、动力最强劲的燃料电池车，整备重量达130 t，暂态牵引功率可达1 500 kW，热力学效率达到51%，采用的氢质子交换膜（PEM）燃料电池持续功率可达240 kW，氢罐采用碳纤3 欧洲“氢列车”项目在欧洲，丹麦西日德兰半岛长期以来一直作为新能源技术的试验场地。两个世界顶级风力发电机制造商25年前已经在这里建厂。可再生能源中心在用风电制氢方面有着超过10年的经验。该地区还有为测试大型（25 MW）离岸风力涡轮机和波能发电机所配备的先进设备。2003年一些公司开始与当地的公司合作开展氢燃料电池

26、相关研究和示范项目。2004年，为便于这些项目的开展与协调，成立了区域性的HIRC。“氢列车”项目是众多项目中的一项。为研发首列氢动力客运列车，欧洲成立了“氢列车”项目集团，其主要成员及主要任务见表3。岛上的VLTJ（Vemb-Lemvig-Thybor n）铁路将成为“氢列车”的展示和测试线路。VLTJ线路全长59.5 km，沿线设5个客运站及2个货运站，2005年客运量达到24.8万人，其中学生占53%，通勤人员占15%，其余大多是国外游客。学生和游客比率大、当地的氢资源可用性高、线路与外界关联不大、地势平坦、对列车功率要求不高，这些因素都促使合作团队决心在该线实施该项目。在作完一系列可行

27、性研究后，合作团队认为该线对于氢列车示范试验非常有利。整个项目制定了详细的时间安排，分为可行性研究、资金启动、列车研发及列车运营试验4个阶段。目前项目进展缓慢，明显滞后于原定计划。混合动力车混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle，简称HEV) 是指同时装备两种动力来源热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。通过在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。工作原理混合动力电动汽车的动力系统主要由控制系统、驱动系统、辅助动力系统和电池组等部分构成

28、。串联混合动力电动汽车为例，介绍一下混合动力电动汽车的工作原理。 在车辆行驶之初，蓄电池处于电量饱满状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作;电池电量低于60时，辅助动力系统起动：当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量； 当车辆能量需求较小时，辅助动力系统为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。混合动力汽车采用能够满足汽车巡航需要的较小发动机，依靠电动机或其它辅助装置提供加速与爬坡所需的附加动力。其结果是提高了总体效率，同时并未牺牲性能。混合动力车设计成可回收制动能量。在

29、传统汽车中，当司机踩制动时，这种本可用来给汽车加速的能量作为热量被白白扔掉了。而混合动力车却能大部分回收这些能量，并将其暂时贮存起来供加速时再用。当司机想要有最大的加速度时，汽油发动机和电动机并联工作，提供可与强大的汽油发动机相当的起步性能。在对加速性要求不太高的场合，混合动力车可以单靠电机行驶，或者单靠汽油发动机行驶，或者二者结合以取得最大的效率。比如在公路上巡航时使用汽油发动机。而在低速行驶时，可以单靠电机拖动，不用汽油发动机辅助。即使在发动机关闭时电动转向助力系统仍可保持操纵功能，提供比传统液压系统更大的效率。 分类根据混合动力驱动的联结方式，混合动力系统主要分为以下三类： 一是串联式混

30、合动力系统。串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机发电，产生的电能通过控制单元传到电池，再由电池传输给电机转化为动能，最后通过变速机构来驱动汽车。在这种联结方式下，电池就象一个水库，只是调节的对象不是水量，而是电能。电池对在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节，从而保证车辆正常工作。这种动力系统在城市公交上的应用比较多，轿车上很少使用。二是并联式混合动力系统。并联式混合动力系统有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电机驱动系统。两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车。这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单，成本低。本田的Accor

31、d和Civic采用的是并联式联结方式。三是混联式混合动力系统。混联式混合动力系统的特点在于内燃机系统和电机驱动系统各有一套机械变速机构，两套机构或通过齿轮系，或采用行星轮式结构结合在一起，从而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比，混联式动力系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。此联结方式系统复杂，成本高。Prius采用的是混联式联结方式。根据在混合动力系统中，电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重，也就是常说的混合度的不同，混合动力系统还可以分为以下四类：一是微混合动力系统。代表的车型是PSA的混合动力版C3和丰田的混合动力版Vitz。这种

32、混合动力系统在传统内燃机上的启动电机（一般为12V）上加装了皮带驱动启动电机（也就是常说的Belt-alternator Starter Generator, 简称BSG系统）。该电机为发电启动(Stop-Start)一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。从严格意义上来讲，这种微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。在微混合动力系统里，电机的电压通常有两种：12v 和42v。其中42v主要用于柴油混合动力系统。第四代的混合动力车Hybrid X二是轻混合动力系统。代表车型是通用的混合动力皮卡车。该混合动力系统采用了集成启动电机（也就是常说的Integrated Starter Generator，简称ISG系统）。与微混合动力系统相比，轻混合动力系统除了能够实现用发电机控制发动机的启动和停止，还能够实现：（1）在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收；（2）在行驶过程中，发