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。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：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。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MOSFET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，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：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 （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： IGBT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。bat 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。二、高频逆变器1.高频桥式逆变主电路V1V4构成DC/DC变换的主电路，V1V4的控制逻辑和变压器原副边电压波形如图2-3-9。 图2-3-9 DC/DC变换逻辑 t1t2区间内，V1和V4导通，变压器原边电压为正相电压；t3t4区间内，V2和V3导通，变压器原边电压为反相电压；我们注意到t2t3区间内任何一只IGBT都不导通，这段时间称为死区，主要是考虑防止上下桥臂的两只IGBT同时造成桥臂的贯通短路。充电器用的IGBT一般采用双单元，即一个模块上集成了上下桥臂的两个IGBT，电路结构简单，但因为IGBT工作在20KHz左右，因此其开关损耗大，散热困难。为解决高频的开关损耗问题，采用移相技术实现IGBT的准软开关控制。电桥左右两个桥臂的上下两个开关管（V1V2，V3V4）被施以180互补的驱动信号，上下两管180互补导通。因此除上下两管导通的死区外，电路中总有两个开关管同时导通，共有四种导通组合，即V1V4，V4V2，V2V3，V3V1，并按此顺序周而复始。其中V1V4，V2V3组合导通（即对角线导通）时，全桥电路给出能量，而V3V1，V4V2组合导通（即上桥臂两管或下桥臂两管同时导通）时，全桥电路处于续流状态不输出能量。调节这两种组合的时间比例，即移相角，变压器得到一个交变的PWM电压，以此实现对输出电压、电流的调整。移相控制的原理是利用变压器漏感和IGBT结间的电容谐振，漏感LK储能向电容C释放过程中，使电容C的电压逐步下降到0，二极管D开通，创造0电压开关（ZVS）条件，电路中的其他电感、电容元件是为获得可靠的零电压开关而设置。参见图2-3-10。2直一交一直变换（全桥变换）变换器主电路为一个全桥移相零电压PWM软开关高频变换器电路，工作频率约20kHz。移相软开关电路具有工作频率不变、控制简单、效率高、干扰小等优点。组成电桥的开关元件为IGBT功率模块（V1、V2）。高频变压器的初级经隔离直流电容C8和电感L2接电桥的对角线。变压器次级接全波整流器（V56）和滤波器L3、C9、C10输出119123V直流电。 图2-3-10 充电器主电路图主控制电路使用移相控制集成电路UC3875（UC2875）为控制芯片，输出两组（AB，CD）180互补且滞后，时间可调的IGBT栅极触发信号。3 25T客车DC/DC变换的特点（1）采用电压电流双闭环控制，实现蓄电池恒流定压充电。（2）采用软开关技术，减小IGBT高频开关损耗，效率达到92%。（3）采用先进的非晶态铁芯制造变压器和电抗器，减小充电器的体积。（4） 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。（5）蓄电池充电采用了温度补偿措施。（6）充电器具有故障诊断和通信功能，在控制柜触摸屏上可以显示充电器的运行参数和故障信息。4电压变换的实现DC600V供电客车的DC/DC变换，主要是通过IGBT桥式逆变电路将直流600V电压变换成占空比可调的高频方波电压，经变压器隔离后整流滤波成DC110V电压；兼容供电客车则是先将AC380V整流后，变成DC540V，然后采取与DC600V相同的DC/DC变换。所谓占空比是指一个半波内，驱动IGBT的脉冲宽度占整个半波周期的比例，为了调整输出电压，占空比是可变化的，属于脉冲宽度可调模式即PWM方式。在这种控制方式下，脉冲的幅值是不变的，当负载发生变化时，依靠改变脉冲的宽度，来保证输出电压的稳定；如果输入电压发生变化，也可以通过改变脉冲宽度来保证输出的稳定。由D1D4四只高频快速二极管组成的整流电路，对变压器副边输出的脉冲电压进行整流，并有电抗器L和电容C进行滤波。高频整流对二极管的要求与一般交流整流电路不一样，除了要求较小的通态压降以减小导通损耗外，还要求具有快速的导通和关断能力，以减小开关损耗，因为在高频条件下，二极管的开通和反向恢复时间引起的损耗在总损耗中占有明显的比例。5高频的影响采用20kHz的工作频率，主要是为了减小变压器、滤波器的体积。变压器的原边或副边的感应电压有一个基本公式： U = k f W1 B S 其中U为变压器线圈端电压，f为工作频率，W1为线圈匝数，B为磁通密度，S为磁路面积。从公式中可以看出，相同的输出电压和磁密时，当频率f提高，W1和S可相对减小，W1的减小即线圈绕组的匝数减少，亦即变压器的铜重可以减小；S的减小即变压器铁芯面积减小，亦即铁重减少，而铜线和铁芯是决定变压器的主要有效体积和重量。当频率提高到20kHz时，变压器的铁心非常小，线圈匝数大幅减小。同样，高频输出脉冲（对应40kHz）的滤波电感和电容也明显减小，这就是高频化的效果。但是高频带来的负面影响就是能量损耗的增加。IGBT、变压器、整流二极管、滤波电抗等，在高频时的能量损耗明显增加。3.6 DC/DC变换器的功能和保护DC/DC充电器的主要功能是将输入DC600V变换成适合蓄电池充电和直流负载使用的DC110V，并在输入电压和负载变化时，保持 输出稳定即稳压功能。DC/DC充电器的输入保护和工作原理与逆变器相同。参见图2-3-11。 三、工作原理1 输入软启动电路 ：参见图2-3-12 图2-3-11 DC/DC充电器功能 图2-3-12 充电器输入电路 DC600V输入十610、610，经过熔断器、接触器KM1、KM2、充电电阻R1、输入滤波电感L1、输入滤波电容C1、C2、C3进入充电器。当母线电压达到500V时，KM1吸合，通过R1给电容C1、C2、C3充电，当电容上电压充满时，KM2吸合，经输入滤波电感L1和输入滤波电容C1、C2、C3进行LC滤波后得到较为平滑的直流电压，再送入后面的DC600VDC110V直一交一直变换环节进行变换。其中，R1和KM2组成软启动电路，当输入电源突加时，为了避免对输入滤波电容C1、C2、C3的直接充电，DC600V输入须经过金属膜电阻R1进行限流，等输入电容充满后，控制接触器KM2吸合，再进行正常的变换，当充电器出现故障时，断开KM1，使充电器和DC600V输入断开。为减小充电器启动工作的冲击，充电器IGBT的驱动脉冲在启动时也采用软启动方式，即脉冲宽度逐渐增加，输出电压逐渐升高，当升高到一定值时，电压反馈或电流反馈起作用。 2DC/DC变换器DC/DC变换器采用双闭环即电流环和电压环控制，电压反馈靠电压传感器U/V输出测量信号，充电电流反馈靠电流传感器I2/V的输出信号，而电流传感器I1/V的反馈则提供输出总电流的检测 信号。参见图2-3-13。 限流定压充电功能：25T客车采用碱性中倍率 图2-3-13 软启动示意图电池，碱性电池充电的要求应符合马氏曲线，即蓄电池在电压低时采取恒流充电的方式，在电压充到一定程度时采取恒压浮充的方式。 根据铁标要求，限流充电值为25A +10% 。25T客车用蓄电池为120Ah，5小时放电电流为24A，因此恒流充电电流限制在25A+10%。碱性中倍率电池浮充的终止电压为1.5V,25T客车蓄电池总共装有80节，充电电压应为120V，考虑到大多数低压电器线圈电压上限值为110V（1+10%）即121V，因此充电电压可能偏低，运用中如果有问题可以适当减少12只蓄电池。 输出限流功能：充电器的输出电流分三个部分，一部分向本车蓄电池充电，另一部分供给本车照明、控制等负载，还有一部分通过二极管向列车母线供电。电流传感器I1/V是测量充电器输出总电流的传感器，当充电器的输出电流超过其允许电流（如70A）时，控制IGBT的驱动脉冲变窄，使输出电压降低，输出电压降低后充电器不会向其他客车输出电流，同时还可以减小蓄电池电流，以使总的输出电流降低。要注意的是：由于全列蓄电池、充电器通过二极管并联，因此各个客车的充电器的输出电压尽可能地保持一致，否则电压调整高的充电器要向列车母线提供更多的电流。 3辅助电路和驱动模块 交换器DC110VDC12V变换器模块获得12V电源，除供电给控制电路外，还供给IGBT驱动模块，电压、电流传感器、温度传感器电源等。 IGBT驱动模块具有以下功能：（1）将12V电源变成驱动电路所需的20V电源；（2）将UC2875输出的A、B、C、D移相控制信号变成相应的IGBT栅极触发信号；（3）检测 IGBT导通饱和压降。若饱和压降异常，则切断栅极信号，并送出保护信号。4正常操作 充电器在下述情况下方能正常工作： （1）安装接线准确无误（2）控制电源正常（3）DC600V供电正常 5工作状态本电源在接通控制电源（DC110V）后，即开始进行各个状态的检测。（1）在只接通控制电源，无DC600V输入时，本电源系统将循环检测和显示电池电压及其放电电流，并指示输入电压（欠压或过压）状态和电池电压状态（欠压或正常状态），同时和网关进行通讯，将相应的信息传给PLC；（2）在接通控制电源和输入电源（DC600V）时，变换器开始工作，监控系统同时循环检测和显示电源系统各个状态（输出电压、负载电流、充电电流及变换器工作状态），同时和网关进行通讯，将相应的信息传给PLC。（3）显示板上各种指示所代表的意义： U：输出电压（即电池电压） L：总负载电流 C：充电电流 F：放电电流6保护功能 输入欠压保护输出过载保护 输入尖峰过压保护输出过流及短路保护 输入均值过压保护输出欠压保护 输出峰值过压保护散热器超温热保护 输出均值过压保护功率开关管过流保护 7电池及欠压保护安装或更换电池前，应先确认极性正确后再接线。严防电池极性接反。备用车应断开电池，并按电池厂家有关出厂规定定期给电池补充充电。充电器设置了电池欠压检测功能，用来防止本车的蓄电池过放。如果本车蓄电池电压低于92V，输出一个常开有源（110V）触点信号（311），用于切断二级负载。如果电池电压恢复到98V以上时，该触点变为常闭。第六节 25T型客车的单相逆变器（3.5KW）（南京华士）该电源使用电池供电方式，为负载提供AC220V交流电。控制上采用了SPWM调制，载频高，输出近似正弦波。同时还采用了多种抗干扰技术，电磁兼容性好，可靠性高。一、DC110V逆变器的特点：1采用电压电流双闭环控制，实现蓄电池恒流定压充电。2采用软开关技术，减小IGBT高频开关损耗，效率达到92%。3采用先进的非晶态铁芯制造变压器和电抗器，减小充电器的体积。 4IGBT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。 5蓄电池充电采用了温度补偿措施。6充电器具有故障诊断和通信功能，在控制柜触摸屏上可以显示充电器的运行参数和故障信息。电动机在启动时存在电流冲击，逆变器必须至少有7倍以上的额定容量，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，采取软启动方式，则比较经济而且可靠性高。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。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”。二、基本参数1额定容量： 3.5 KVA2输入电压： 额定 DC 110V 最高 DC 137.5V 最低 DC 77V3输出电压： 输出电压频率： 基波 50Hz 1 输出电压基波有效值： AC220V 10 谐波含量： 小于10 %4控制方式： 采用SPWM调制方式5启动方式： 采用了软启动方式，启动时间为3秒6冷却方式： 自然风冷7保护功能： 输出过流，过载，IGBT过流，输入过压、欠压散热器过热等保护8效率： 额定负载时，效率大于75 %三、工作流程确认外部接线正确后方可将此产品投入运行。参见原理图2-3-14。当合上QF1后，外部DC110V（范围DC77DC137.5V）输入逆变器，逆变器通过R1给电容充电，同时延时继电器线圈得电，延时三秒后（电容电压已建立）逆变器开始检测输入电压是否正常，如果不正常，即电压范围不在DC77DC137.5V之间时，则控制板指示灯显示欠压或过压故障信号，电压若正常，则开始检测逆变器是否过热，若温度超过规定的85，则由控制板上指示灯报过热故障，同时外部故障指示灯亮，等待温度低于85时开始重新启动，3s后输出电压稳定值AC220V，此时逆变器进入正常工作状态。外部逆变工作指示灯显示绿色；若逆变器工作出现故障时，外部逆变工作指示灯显示红色。当外部指示灯显示逆变器工作故障时，可参照主控制板（CZ1）上指示灯的相应提示信号确定是什么故障，指示信号如下：该逆变器具有故障自动恢复功能：当逆变器发生输入欠压、过压、过热、过载故障后，逆变器报故障，当输入电压、散热器温度、负载恢复正常后，逆变器又可以重新正常运行，当故障累计达到6次后，逆变器自动停机，提醒用户排除故障。四、注意事项机器内部的电容放电按钮（红色）主要作用是快速泻放输入电容C1、C2的残余电压。该按钮只供停机后（且等待接触器弹开后）维修时使用，正常工作时禁止操作！ 图2-3-14 DC110V充电器原理图第七节 25T型客车的空调系统 25T型客车空调装置状况参见图2-3-15、图2-3-16。 1.软卧车设有一台制冷量为35kW的车顶单元式空调机组，装在一位端车顶。在车内设有主风道和回风道，由主风道向客室包间、乘务员室、洗脸间、四合一电器控制柜处送风，回风道设在客车二位侧，回风口设在大走廊窗垛中心，一、二位厕所，茶炉室等设有自然通风器。车的二位端设废排装置。2 硬卧车设有一台制冷量45kW的车顶单元式空调机组，装在一位端车顶。在车内设有主风道，向客室包间、乘务员室送风。回风为分散回风，回风口设在四合一电器控制柜处和大走廊窗帘滑道上方。洗面间、厕所间、开水炉间等设有自然通风器，三人洗面间、残疾人厕所（残疾人车）设有废排装置。3 餐车设有一台制冷量40kW的车顶单元式空调机组，装在一位端车顶。在车内设有主风道，向四合一电器控制柜处、餐厅、吧台、厨房送风。回风为集中回风，回风口设在一位过道平顶上。储藏室、二位厨房配电室顶部设有自然通风器，二位过道平顶处及厨房顶部设有废排装置。一、空调机组性能、结构安装（一）规格型号1配套车种： 软卧 KLD35X型车顶单元式空调机组。 硬卧 KLD45X型车顶单元式空调机组。 餐车 KLD40X型车顶单元式空调机组。2.主要技术参数（1） 使用环境温度：-40+45。湿度：不大于95%RH。海拔高度：1500m以下。（2） 电源 主电路： 三相交流 380V15% 50Hz（DC600V逆变器） 控制电路：直流 110V（DC77V137.3V） （3） 主要技术参数 产冷量：软卧35KW 硬卧45KW 餐车40.7KW工况条件：蒸发器进口干球温度 29 相对湿度60%冷凝器进口干球温度 35 相对湿度60%空调机组电加热功率（软卧6kW、硬卧9kW、餐车9kW），分33（4.5+4.5）kW两档控制。 总风量新风量 循环风机高速运转时 软卧4500/1000m/h硬卧6000/2000m/h餐车6000/1500m/h 循环风机低速运转时 软卧3000/650m/h硬卧4000/1300m/h餐车4000/1000m/h制冷剂：R223 空调机组结构的主要零部件 该空调机组由两套独立制冷循环系统构成，每个制冷循环由制冷压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管、蒸发器、汽液分离器及配管构成全封闭系统，此外机组内还设有蒸发风机、冷凝风机、电加热器、高低压力继电器、新风调节机构、电气连接器、减振器等零部件。4空调系统的保护措施为了确保空调机组可靠、安全地工作，空调机组在制冷系统和电气系统方面具有以下保护措施：（1）电源有过电压和欠电压保护。（2）压缩机有空气开关保护、压力开关保护、过电流保护、延时自动保护。（3）风机有热继电器保护。（4）电加热器有空气开关、温度继电器及温度熔断器保护。二、与25K型车的主要区别2004年3月生产的25T型空调客车的空调系统与25K型客车相比有一些重要变化：1、增加了压缩机和冷凝风机的功率。其目的是尽可能使空调机组在外温45以下的高温环境下能继续工作，必须提高空调机组功率和冷凝效果，防止在炎热的夏季外温超过40后，空调机组会频繁的出现保护而亮红灯，停止制冷，使得车厢温度升高而造成旅客投诉的不良后果。空调机组的其他参数则基本无大的变化。2、采用了涡旋式压缩机组。涡旋式压缩机能够更加均衡的工作，减小压力的波动，尤其是涡旋式压缩机不会产生“液击”，能可靠保护空调装置的安全运行。因为DC600V供电的机车提供的电源会由于过分相区的缘故，造成供电的断续进行，每大约3050KM就有约30s以上的停电时间，停电后的频繁再启动，对活塞式制冷压缩机是有危险的。当采用涡旋式压缩机就可以避免这种情况。三、空调机组的使用 1空调通风系统由主送风道及给乘务员室、四合一控制柜处送风的支风道组成，由包间、乘务员室、四合一控制柜处顶部送出冷风。2新风量调节。在机组新风吸入口（新风过滤网处）设有新风调节机构，可由此调节新风吸入量的大小。软卧车共设个包间，每一包间设两组电动可调风口，通过包间门口上的调节器可调节风口开度的大小，从而调节包间内的温度，可实现包间内温度的人为调整，硬卧和餐车无电动可调风口。3新风、回风过滤网装置。为保证进入车内的空气清洁，在机组的新风吸入口和回风口设有过滤网。空调系统运用一段时间后，须将过滤网取下清洗，以免影响空调效果。过滤网用中性清洁剂和清水洗净、擦干后便可重新投入使用，严禁使用强酸、强碱清洗过滤网。4新风过滤网取出。新风过滤网安装在空调机组内，取出时，打开客车一位端走廊顶部的回风过滤装置，便可取出新风过滤网。5回风过滤网的取出。将一位端走廊顶部的顶板打开，松开固定螺丝把回风过滤装置风道打开，便可将回风过滤网取出。图2-3-15 软、硬卧车空调装置安装示意图空调机组 空调送风道 吧台送风道主回风道 废排装置图2-3-16 25T餐车空调装置安装示意图 第八节 TKDT型铁路客车综合电气控制柜 25K型及之前铁路客车普遍使用的铁路单元空调机组控制柜。原统型空调控制柜的控制电路全部采用的是继电器控制电路，因此其工作频率低，反应速度越慢，影响控制效果。在技术与定时控制方面，继电器控制逻辑是依靠中间继电器的组合完成技术功能，因此设计技术速度慢、体积大、调整困难、定时精度不高，易受环境的湿度和温度影响。在可靠性与可维护性方面差。随着空调客车的普及应用，空调客车配属量迅速增加，乘务员在列车运行中的作业位置也是不固定的，特别当超员严重时，要巡视一遍安装在每个车厢的空调控制柜并进行操作往往需要很长的时间，当某一车厢的空调控制柜发生问题或空调控制柜的工况需要改变时，乘务员无法及时处理，这就潜伏着发生故障的隐患，影响行车安全。统型空调控制柜也不具备通信功能，无法实现联网监测、诊断、记录等功能。近10年来，微电子技术、计算机技术以及计算机网络技术有了突飞猛进的发展，自动控制领域越来越向高技术方面发展。使得传统的继电器接触型逻辑控制和过去的简单单机控制发展到现在的无触点、小型化、智能化、群控、通信联网以及工业总线方式，就使得25T型铁路客车电气控制柜应运而生。“智能型空调控制柜”是针对以上情况设计的。它的功能主要采用智能化控制空调系统完成通风、制冷、采暖等工况的正常工作并通过网络实现集中控制、故障检测、诊断、保护、记录并具备下载等功能。采用DC600V供电的25T型铁路客车电气控制系统，是集电源转换控制、空调机组控制、蓄电池欠压保护、照明控制等功能单元于一体的智能型综合控制柜。综合控制柜的控制核心采用可编程控制器（以下简称PLC），PLC通过微型可编