DC600V客车电气系统工作原理.doc
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1、DC600V客车电气系统工作原理DC600V供电制式的空调客运列车,在电气化区段运行时,采用电力机车集中供电(DC600V)、客车分散变流供电方式。在非电气化区段运行时,DF11G客运大功率内燃机车本身带有辅助发电机,可将发电机组输出整流以DC600V方式向客车供电。DC600V供电系统工作原理框图见图1。电气综合控制柜 2#机车电源DC600V400KW机车电源DC600V400KW集中控制器电气综合控制柜 1#DC110V逆变器35KW充电器8KW空调伴热采暖照明逆变器35KW充电器8KW空调伴热采暖照明DC600V供电系统原理框图 DC110V集控电源 DC110V母线 110V1.DC
2、600V供电装置原理简介我国电力机车供电的空调列车采用机车DC600V集中供电、客车分散变流的方式。电力机车主变压器的副边,有两个给客车供电的辅助供电绕组,提供单相AC860V电压,经相控整流、滤波后供给客车DC600V。DF11内燃机车则两头分别有一个专门的辅助发电机,输出三相AC380V电压,分两路供给客车AC380V。电力机车电源设有接地保护电路、输出稳压及限流环节、过流及短路保护、过压及欠压保护等。每路输出功率为400KW。DF11内燃机车的辅助发电机组与发电车集中供电相似,只是缺少一个备用机组。基本工作原理上图为电力机车DC600V电源装置的主电路原理图。这是一个非常典型的单相相控整
3、流电路,不同的是该电路的受控元件SCR在同一桥臂上,而另一个桥臂的两个二极管既可整流,又起到续流的作用。电力机车向客车供电的辅助绕组输出额定电压为1AC870V,额定电流600A,额定功率522kVA,阻抗电压8%。之所以采用870V是考虑接触网电压波动的影响,电力牵引网的网压受多种因素的影响,波动范围为17KV31KV,在网压为25KV时,输出对应空载870V,而在低网压17.5KV(-30%)时,输出电压约为1AC610V,全波整流电压接近与550V,基本能够保证客车的正常供电。但是,870V的交流输入电压带来的问题是使电源装置的功率因数降低,系统参数匹配(尤其是电感L)困难。电路中,KM
4、作为电源交流输入的投切开关,机车司机台上设有供电钥匙,由司机转换该钥匙来控制交流真空接触器KM的闭合与分断。V1、V2为大功率整流二极管,SCR1、SCR2为晶闸管,由V1、V2、SCR1、SCR2四只大功率半导体器件构成了单相半控全波整流的主电路。单相电源的正半周经过V1、SCR2,负半周经过SCR1和V2构成回路。输出滤波电路由电感L和电容C组成,使输出电流脉动率小于30%。直流输出侧安装了电流传感器I/V,既作为限流控制又作为过流检测的元件;设有单刀隔离开关,当其中一路供电故障时,可人为使用该刀开关切除整流装置直流输出与连接器的连接。R是并联在输出端的死负载,既是停止输出时滤波电容的放电
5、电阻,又是整流器空载工作的负载。U/V是电压传感器,输出恒压控制由电压传感器提供电压信号。机车电源输出侧电流保护采用基于传感器信号的电子式保护。2.电源装置的保护2.1.过流保护:当交流侧出现过流时,过流继电器与电流互感器构成检测回路,当达到整定值时,过流中间继电器动作,其常闭联锁分断使KM失电。2.2.当直流侧出现过流时,电流传感器I/V检测电流信号,达到过流整定值时,微机送信号使中间继电器得电,分断KM,同时微机柜封锁供电整流桥触发脉冲。2.3.任一路交流侧、直流侧的过流保护都是独立控制。3.接地保护两路供电装置各用一个接地保护系统,可同时保护直流、交流侧,使两路交流接触器分别分断。接地继
6、电器动作后,使KM断开,若出现故障后,将钥匙开关断开,故障排除可继续合接触器,系统重新工作。2.电气化区段系统运行方式电气化区段,电力机车的列车辅助供电装置将受电弓接受的25KV单相高压交流电降压、整流、滤波成600V直流电。机车上安装了两套DC600V电源装置,两套装置分两路通过KC20D连接器向空调客车供电。空调客车通过电气综合控制柜自动(按车厢号分奇偶选择)将其中一路600V直流电送入逆变器及DC110V充电器。空调逆变电源将600V直流电逆变成三相50Hz交流电,向空调装置、电开水炉(部分车改为DC600V供电)等三相交流用电负载供电。DC110V充电器将DC600V直流电变换成DC1
7、10V直流电,给蓄电池组充电的同时向照明、供电控制等负载供电。25G型客车的空调机组根据车种不同分为1T1、1T2型,均采用35KW逆变器供电,其中:25G型硬座、餐车由于单车负载容量较大,均配置235KW逆变器供电,其中一个主要给空调机组供电,另一个给开水炉等交流负载供电,正常情况下,两个逆变器相互独立,互为热备份。但当其中一个发生故障时,另一个自动切换继续向负载供电,只是部分受控负载要减载运行(如空调机组转入半冷或半热工况)。25G型硬卧、软卧由于单车负载容量较小,均配置单台35KW逆变器供电,向空调机组、开水炉供电。客室电热器、温水器等电阻性负载,采用DC600V直接加热的方式,一方面减
8、轻了逆变器的冬季负载,另一方面减轻了电阻性负载引起的漏电流。由于电力机车牵引每50km存在分相区,过分相区时,受电弓失电,DC600V电源没有输出,逆变器也停止向空调机组供电,为了防止过分相时,控制接触器频繁吸放,控制系统采用DC110V供电。过分相时控制系统和照明的电源来自于DC110V蓄电池。电力机车经过分相区的最短时间约为10S(200Km/h),由于逆变器采用VVVF(变频变压)启动,空调机组的电流冲击并不存在。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30S以上。DC600VAC380V600V电源软启动过分相逆变器缓冲稳定运行软启动过分相电源
9、输出波形为了防止本车蓄电池放亏或故障,保证重要负载(如轴温报警器等)的供电,全列蓄电池通过阻断二极管并联。尾灯、电话等设施从延续性的角度考虑仍采用DC48V供电。3.非电气化区段系统运行方式非电气化区段,客运大功率内燃机车既可采用大功率柴油发电机组AC380V供电,也可采用将发电机组交流输出整流成DC600V供电。DF11G型内燃机车牵引的DC600V客车与电气化区段韶山系列(SS7C、SS7D、SS7E、SS8、SS9)机车系统牵引的DC600V客车运行方式的完全一样,只是停、送电方式略又不同,并且不存在过分相问题。采用电力机车牵引时,机车可以控制客车供电系统的主回路和控制回路,不需要车辆乘
10、务员操作可实现对客车供电的停、送电的控制。而采用DF11G内燃机车牵引时,机车只可以控制客车供电系统的主回路,供电时,必须要通过车辆乘务员的操作(全列供电钥匙),才可实现对客车的停、送电。在停电时,必须由车辆乘务员先对客车进行逐辆减载,机车才可停电,否则会由于负载突减,造成机车柴油机组飞车而损坏。4.DC600V客车中的关键技术4.1.电压制式的确定DC600V供电电压制式的选择,参照了国外供电制式并结合我国国情和技术现状。高压供电从经济性考虑无疑具备优势,但是,采用高压供电系统必定将降压、整流和逆变器全部集中在客车上,其安装和配重难度较大。而机车集中整流后向客车供电,在技术上没有太大的困难。
11、基于我国逆变器技术的现状,确定了600V电压等级,因为AC380V三相交流电压整流后的电压为540V,而直/交变换存在电压利用率问题,输出交流要达到380V,就要求输入电压应在600V左右。国外有540V、600V、660V、720V甚至750V等级。我国采用DC600V电压等级,一方面可以提高逆变器的可靠性,另一方面这个等级的电压,实际在绝缘、耐压等方面与AC380V基本一致,安全性好。4.2.逆变技术将交流电变成直流电的过程称为整流,将直流电变成交流电的过程称为逆变。电力机车接触网电压是单相供电而且供电品质很差,不能降压后直接供给列车的用电负载,因而必须用到逆变技术,将单相交流电变成直流电
12、后,再逆变成三相交流电供给客车负载。近几年,国内逆变技术已达到实用化程度,为DC600V列车供电提供了技术基础。客车空调逆变器的基本原理为:在每个正弦波周期内,将直流电压分割成若干个脉冲,这些脉冲的面积,正好等于正弦波的面积。通常情况下,一个周期内脉冲的个数乘以50即为调制频率,调制频率越高,输出的脉冲个数越多,在没有滤波器时,电动机负载的电流越接近于正弦波,而如果有滤波器,则滤波器的体积可以减小,输出电压波形的谐波成分越低。调制频率越高,对IGBT的驱动和保护要求越高,技术难度大。UAC +DCCCDC-逆变器工作原理 A B C 图中由6只IGBT构成三相桥式逆变器,A、B、C为电动机的三
13、相绕组,电流按红色箭头由正到负,则UAC正相波形如红色区域;电流按兰色箭头由正到负,则UAC反相波形如兰色区域。如果按正弦波规律控制IGBT的导通和关断,则可输出调制波形。4.3.变频变压(VVVF)技术电动机在启动时,存在7倍左右的电流冲击,如果不采取软启动方式,逆变器必须至少有7倍以上的额定容量,显然极不经济,同时机车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,则比较经济而且可靠性高。采用变频变压(VVVF)技术,电动机起动时转速随频率升高而升高,在启动过程中只要磁通保持不变,在保证启动转矩的同时,可以使启动电流减小,从而实现软启动。其原理为:采用输出电压(V)和
14、输出频率(f)同时变化并保证V/f=C(常数)即可实现软启动。电动机有两个基本公式:U = Cef -(1) M = CmI -(2)上述两个公式中,Ce、Cm为常数。由公式(1)可以看出,电压U降低而频率保持不变,则磁通减小,而根据公式(2),磁通减小,必然要增大电流才能保证启动转矩。而如果保证在电压变化时,频率也保持同步变化,即U/f等于常数,则启动过程中磁通保持不变,在保证启动转矩的同时,可以使启动电流减小,这就是软启动的原理。负载直接启动而不实行VVVF启动的方式称为强迫启动或突投, t(s)I(A)电动机的启动电流波形兰色为强迫启动电流波形,红色为软启动电流波形4.4.大功率高频开关
15、电源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的重要设备,由于输入为DC600V(或AC380V),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。 +DC20KHZ40KHZ充电器工作原理 UT1 T2 T3 T4 t 按反相控制规律分别控制T1、T4和T2、T3,即T1、T4导通时,T2、T3截止,而T2、T3导通时,T1、T4截止,这样就可以在变压器副边感应出高频脉冲电压,该电压通过整流滤波,得到DC110V输出。高频绝缘式充电器在铁路上的应用,其技术已达到国外先进水平,主要关键技术有:采用电压电流双闭环控
16、制,实现蓄电池恒流定压充电。采用软开关技术,减小IGBT高频开关损耗,效率达到92%。采用先进的非晶态铁芯制造变压器,减小充电器的体积。 IGBT的开关频率达到20KHZ以上,避开了音频区域,减小充电器的电磁噪音。3.5.综合控制技术DC600V供电客车采用了具有智能化综合控制技术的电气综合控制柜,供电系统的转换与控制、空调系统的控制与保护、电源装置的启动与监测等,是基于以控制柜内PLC(可编程控制器)为核心的智能化控制。综合控制柜控制单元由PLC主机单元(CPM2A-CPU61)、12/8点的I/O扩展模块(CPM1A-20EDR1)、信息显示触摸屏(NT31-ST122-EV2)组成。PL
17、C是可编程逻辑控制器的缩写,它对整个电气系统进行自动控制,实时监测电气系统运行过程中的参数进行分析,出现故障时自动处理,通过显示触摸屏实现人机对话,响应显示触摸屏输入的命令、参数,将故障信息、运行记录通过显示触摸屏显示等。模拟量输入点: 17点(010V)温度输入点: 1点(PT100)开关量输入点: 24点(直流24V,8mA),开关量输出点: 24点(继电器输出)输出端最大开关能力:2A,250VAC(cos=1);2A,DC24V输出端最小开关能力:10mA,5VDC 显示触摸屏是一种微型可编程终端,采用全中文液晶显示触摸屏(带背光),具有字符类型和图像类型显示,由通讯接口和PLC的外设
18、接口进行通讯。主要功能是现场参数设定,电源转换、空调机组等功能单元运行工况的人为控制,运行工况参数的显示,实时显示各功能单元的运行状态及实时报告故障现象。 字符、图像类型显示:2015个汉字 液晶显示器规格:320240个点 有效显示面积:12292 mm2技术规格(1)交、直流电源规格:主电路电源主电路由两路电源母线中的其中一路提供电源,向逆变器、充电器、客室电热等供电,并由逆变器、逆变器变换成AC380V/50Hz,向车内空调、伴热等交流负载供电直流主电源: DC600V额定工作电压: DC600V电压波动范围: DC500VDC660V交流主电源: AC380V额定工作电压: 三相交流3
19、80V电压波动范围: 三相交流323V437V额定工作频率: 50Hz 1 Hz蓄电池DC110V电源全列贯通,各车厢蓄电池及充电器通过逆流二极管与DC110V干线并联。蓄电池在充电机停止或故障时,向本车照明、水位显示、车下电源箱控制、温水箱开水炉控制等负载供电。电池欠压保护动作值: DC 91V1V 恢复值:DC 971V直流控制电源应急灯、轴温报警器、防滑器、PLC等重要负载由列车DC 110V母线供电;照明、车下电源箱、温水箱、开水炉、水位显示等负载的控制电源由本车DC 110V电源提供;控制柜内的DC-DC电源模块将DC110V电源转换成DC 24V电源向PLC、显示触摸屏、网关、安全
20、用电记录仪供电;转换成DC12V向传感器供电;DC110V/DC48V电源将DC110V转换成DC 48V电源向尾灯、电话插供电。直流电器控制电路额定工作电压: DC110V电压波动范围: DC 88V121VPLC、触摸屏电路额定工作电压: DC 24V电压波动范围: DC 20.4V26.4V信号采集电路(传感器)额定工作电压: DC 12V电压波动范围: DC 11.4V12.6V输出电压范围: DC 010V;05VPLC、触摸屏及传感器供电电源额定输入电压: DC 110V输入电压波动范围: DC 77135V额定输出电压: DC 24V(5%);DC 12V(5%)额定输出电流:
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