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1、4 25T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

2、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

3、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DC600

4、V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）

5、。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

6、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235KW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

7、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

8、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L1L3和C1C3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6K8K，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V1V6 组成的桥式三相逆变主电

9、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V1V6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/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。T

10、2、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2/3，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

11、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

12、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：负载尤其是电动机负载的冲击；输出侧短路；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

13、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。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

14、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。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6580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

15、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（variable voltage variable frequency）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。

16、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Insulated Gate Bipolar Transistor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（Great Transistor简称GTR）晶体管与MOSF

17、ET场效应管的优点而发展出的新型器件。目前大部分逆变器采用IGBT和IPM（智能功率模块）作为开关器件。IGBT是MOSFET和GTR复合的产物，具有GTR的导通特性和MOSFET 图2-3-6 IGBT等效电路的驱动特性，GTR是一种两种极性载流子（空穴型和电子型）均起作用的半导体器件，驱动简单，在用做变流技术时，作开关状态，控制方便，开关速度快，开关频率高，导通时电压降低、损耗功率小，高频性能很好。IPM是一种智能型模块，是把IGBT的驱动电路、保护电路及部分接口电路和功率电路集成于一体的功率器件。35KW等级的DC600V逆变器一般采用1200V/300A的模块，IGBT和IPM分为单单

18、元和双单元，所谓双单元是指一个模块上包含上下桥臂的两个IGBT（或IPM），6只单元器件或3只双单元模块可构成三相逆变器的主电路。参见图2-3-6。IGBT或IPM内部都集成了续流二极管。IPM元件构成的主电路结构和控制相对简单，但因为驱动和保护模式固定，降低了控制电路设计的灵活性。 IGBT是用MOSFET作为输入部分，输入部分特性与N沟道增强型MOS器件的转移特性相似，形成电压型驱动模式，电路简洁，输入阻抗高，开关速度快。输出时用GTR作为输出部件，导通压降低，容量大。不同的是IGBT的集电极IC 受栅极、射极间电压UGE的控制，导通、关断由栅极、射极间电压UGE决定。当UGE为正时而且大

19、于开启电压时，位于栅极下的P基表面形成N型导电沟道，并为PNP管提供基极电流，进而使IGBT导通；当栅极、射极间开路，或加反向电压时，MOS管内导电沟道消失，IGBT被关断。因此，IGBT是结合了MOSFET与GTR两者的优点制造的复合器件。用MOSFET作为输入部分，为电压型驱动方式，电路简洁，输入阻抗很高、开关速度快；用GTR为输出部件，导通电压低，容量很大。三、DC600V供电时过分相区后的软启动问题“分相区”是在电力化区段为电力机车供电方面的一个非常重要的特点。由于各个变电站提供的电力在相位、电压与频率上不可能完全相同！所以在各个变电站的分界点就必须构成“分相区”，电力机车在分相区前就

20、要断开供电负载，逆变器停止向空调机组供电，滑行过分相区后再接通负载的供电接触器，因此客车便在行驶途中经常出现短暂的断电情况。软启动在对感性负载电路，如三相异步电动机的启动中具有非常重要的意义，成为DC600V供电时频繁过“分相区”后的启动对供电系统能否正常为客车供电的突出问题。为了防止过分相区时，控制电路接触器频繁吸放，控制系统采用DC110V供电。过分相区时控制系统和照明的电源来自于DC110V蓄电池。不受DC600V断电的影响。使旅客感觉不出有什么变化，空调机组、电加热器短时停机，也不会造成客室内温度的大幅度变化。电力机车经过分相区的最短时间约为10S（200km/h），逆变器延时约30S

21、，仅仅对制冷量稍有损失。首先，过分相区的时间加上DC600V的缓启动时间及逆变器的缓冲、延时和软启动时间，至少在50S以上，空调机组有足够的时间来平衡压力，因此，没有必要在空调机组内进行旁通控制。参见2-3-7。 DC600V 600V电源 AC380V 软启动 过分相 逆变器缓冲 软启动 稳定运行 图2-3-7 软启动示意图 在正常18辆车的编组情况下，工作在制冷工况时，每辆客车的空调机组都有1台至2台通风机、冷凝风机、制冷压缩机工作，在自动控制下各车厢的这些设备连续启动会对供电系统造成冲击。因为每台交流异步电动机的启动电流都为正常运转时的57倍，在大电流冲击下，如果不采取软启动方式，逆变器

22、必须有7倍以上的额定容量，显然极不经济。同时机车供电电源也要承受启动电流冲击。如果能作到启动电流较小或基本与额定电流一样，则逆变器就能达到比较经济而且可靠性高。因此软启动（逐渐缓慢）的投入运行即供电设备的启动“变频控制”，就成为供电设备技术上非常重要的措施之一，它涉及到三相交流电的启动变频调速控制（软启动）与电动机的调速原理。不实行VVVF启动的方式称为强迫启动或“突投”，电动机的电流波形如图，浅色为强迫启动电流波形,深色为软启动电流波形。影响电动机转速的因素有：电动机的磁极对数p、转差率s和电源频率f。其中改变电源频率来实现交流异步电动机调速的方法效果最理想，这就是所谓变频调速。四、变频调速

23、：变频调速实质上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这一功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，对于直流供电的空调客车来说，就是将其中主电路直流逆变为交流的方式，即先将直流电（整流、滤波），转变成频率可调的矩形波交流电（逆变）。采用输出电压（V）和输出频率（f）同时变化并保证V/f C（常数）即可实现软启动。调节电压U，使其跟随频率f的变化而变化，从而达到使磁通量恒定不变的目的，即 EfUf常数 在“变频的同时也要变压”，这就是所谓VVVF（variable voltage variable frequency）英文缩写的含义。随着半导体功率器件的发展，号称第四

24、代的功率集成电路称之为智能功率模块（Intelligent power module，简称IPM）已崭露头角。它是将多个（或单个）功率器件组成半桥或全桥，并集成了快速恢复二极管、栅极（或基极）驱动电路、保护电路，而形成的一个混合模块。 功率集成电路是电力电子技术与微电子技术相结合的产物，它将半导体功率器件与驱动电路、逻辑控制电路、检测和诊断电路、保护电路集成在一块芯片上，使功率器件含有某种智能功能，因此又称智能功率集成电路。与分立功率器件组成的电动机驱动电路相比，智能功率集成电路有如下优点： 1.体积小，重量轻，但功能强大，很有可能将驱动器安装在电动机内部，形成一种“电子电动机”。2.减少了电

25、器元件数量，可提高系统的可靠性。内部集成的检测电路、诊断电路和保护电路增加了系统的可靠性。 3.控制电路与功率电路集成在一起，使监控更易实现。 4.集成化使电路的连线减少。减少了分布电容和分布电感及信号传输的延时，从而增加了系统抗干扰的能力。5.集成化可以使电路参数优化，避免在使用分立元件时，因不同厂商的产品所带来的兼容性问题。 6.使用集成化取代分立元件来实现这些功能，将大大降低系统成本。所有这些都使供电系统的控制走向了更高一级的集成化。电动机的控制技术与微电子技术、电力电子技术的结合使其发展成为一门新的技术运动控制。由于有微处理器和传感器作为系统的组成部分，赋予了系统以智能，所以又称为智能

26、运动控制。它作为一门多学科交叉技术而存在。当每种技术出现了新的进展时，都使它向前迈进一步，供电系统与电动机控制技术的进步是日新月异的。因此对车辆系统的职工来说，学习也是没有止境的，而且会有越来越高的要求。第四节 25T型客车的逆变器（235KVA）（南京华士） 南京华士公司生产的25T（DC600V）235KVA逆变电源是把DC600V逆变成三相AC380V及隔离输出的三相AC380V（带中线）的重要设备，主要为空调客车和相应供电制式的客车或动车组的空调设备及其它设备提供电源。车上所配套使用的235KVA逆变电源的基本参数、构成、原理以及使用、维修注意事项介绍如下： 一、235 KVA逆变器

27、（一）用途和特点： 235KVA逆变电源主要作为空调客车和相应供电制式的客车或动车组的交流电源。 该电源采用先进的计算机实现最新的数字控制技术，具备完善的自检功能。采用RS485接口与网关通讯，正常工作时，传输输出电压和频率，电源当前主要技术参数一目了然；发生故障时，传输故障代码，故障定位准确，迅速。 该电源采用特殊的控制方案，输出为正弦波，具有载波频率高，低次谐波接近为0等特点；同时还采用多种抗干扰技术，电磁兼容性好，可靠性高。 （二）主要技术参数： 1逆变器主要技术参数 （1）输入电压： 额定 DC600V 最高 DC660V 最低 DC500V （2）输出电压频率： 输出三相基波电压有效

28、值： AC380V 5 输出频率： 50Hz 1 （3）额定容量： 逆变器 235KVA 隔离变压器 10KVA （4）控制方式：VVVF（调压调频）控制 采用 SPWM控制方式， UF恒量。 （5）启动方式：采用软启动方式，启动时间为 10 s（可调） 2.逆变器控制电路技术条件： 输入电压： 额定DC 110V 最高DC 137.5V 最低DC 77V 3.冷却方式： 强迫风冷与自然风冷相结合（逆变器主要功率器件IGBT安放在大片散热器上，其上热量由内部风机吹向散热片，通过散热片与外部空气发生对流；内部一些易发热的元器件通过内部风机产生空气对流，保证元器件温升不能太高）。 4保护措施： I

29、GBT故障、驱动回路故障 输入过压、欠压故障 输出过压、欠压故障 散热器过热故障 接触器故障等内部故障 采用数码管显示和RS485通讯，实现最新的数字控制技术 系统具有故障自动恢复的功能，故障时自动恢复6次（可调）。 5效率： 额定负载运行时，效率90。第五节 25T型客车的充电箱（8KW）（南京华士）DC600VDC110V 8kW充电器是专门为DC600V供电系统的25T型客车而开发设计的，充电器箱由一个8KW充电器模块和一个3.5kVA单相逆变器模块组成。该变换器为客车蓄电池提供浮充电源，同时向其它直流负载供电。与同等功率的传统电源相比，具有以下几大显著特点：1体积小、重量轻：本电源采用

30、先进的高频软开关技术，大大减小了自身的体积和重量。2效率高：采用国外90年代初期论文介绍的移相全桥零电压PWM软开关控制技术，使电源在额定负载输出时效率可达到94左右。目前在电路技术上达到国际90年代中期水平，在国内处于领先水平。3可靠性高：本电源采用单片机实现众多的自我检测和保护（包括输入欠压、过压保护，输出过流、过压保护，过热保护等），确保本电源可长时间安全可靠地工作。并实现输出和故障数码显示，更易检测和维护。4对负载的供电质量高：采用恒流限压充电方式，负载特性好，DC110V输出脉动小，纹波谷峰值5V。5使用、维修方便：主机采用模块化工艺结构设计，便于提供快捷、方便的维修服务。此外，本电

31、源还采用了输入、输出LC滤波电路以及软启动，实现对电网干扰小、输出电压纹波小以及抗干扰能力强的优点。从维护系统的安全性和可靠性来考虑，充电器实际上是供电系统中最重要的设备，一旦充电器发生故障，蓄电池无法充电，电压会放到很低，有可能使车上的所有设备（35KW逆变器的控制也是依靠DC110V电源）都无法启动和工作。一、系统组成本系统分为单机和机柜两大部分，单机（散热器）部分主要是主电路和控制电路；机柜部分为对外进线端子、输入输出回路熔断器和控制用的空气开关等。 图2-3-8 PWM桥式DC/DC变换电路DC600V供电系统中的充电器是供蓄电池充电及照明控制等系统用电，由于输入为DC600V，因此必须采用DC/DC变换技术。为了减小充电器的体积和防止高压窜入低压系统，采用高频绝缘式DC/DC变换器。基于DC600V的输入电压和大于8KW的功率等级，客车用大功率DC/DC变换的主电路一般采用适应高压变换的半桥或全桥结构。充电器的输入隔离、滤波和缓冲电路与逆变器相同。逆变桥由4只IGBT组成，功率的传输靠高频变压器传递，变压器的输出经过高频整流和滤波后，供给直流负载和蓄电池。参见图2-3-8。