DC600V客车电气系统工作原理.docx
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DC600V客车电气系统工作原理
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。
DC110V集控电源
DC110V母线＋110V
1.DC600V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17KV—31KV，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DC110V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2×35KW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。
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。
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。
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=Ceфf-----
（1）
M=CmфI-----
（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ф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，
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。
+DC
U
T1T2
T3T4
τ
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。
PLC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（0～10V）
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（cosφ=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：
20×15个汉字
液晶显示器规格：
320×240个点
有效显示面积：
122×92mm2
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Ⅰ、逆变器Ⅱ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：
DC500V～DC660V
交流主电源：
AC380V
额定工作电压：
三相交流380V
电压波动范围：
三相交流323V～437V
额定工作频率：
50Hz±1Hz
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：
DC91V±1V恢复值：
DC97±1V
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DC110V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DC110V电源提供；控制柜内的DC-DC电源模块将DC110V电源转换成DC24V电源向PLC、显示触摸屏、网关、安全用电记录仪供电；转换成DC12V向传感器供电；DC110V/DC48V电源将DC110V转换成DC48V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：
DC88V~121V
PLC、触摸屏电路
额定工作电压：
DC24V
电压波动范围：
DC20.4V～26.4V
信号采集电路（传感器）
额定工作电压：
DC12V
电压波动范围：
DC11.4V～12.6V
输出电压范围：
DC0～10V；0～5V
PLC、触摸屏及传感器供电电源
额定输入电压：
DC110V
输入电压波动范围：
DC77～135V
额定输出电压：
DC24V（±5%）；DC12V（±5%）
额定输出电流：
DC24V不小于3A；DC12V不小于1A
电压调整率：
不大于1%
电流调整率：
不大于1%
输出电压纹波峰-谷值（VP-P）：
不大于1.0V
变换效率：
大于80%
尾灯、电话插座供电电源
额定输入电压：
DC110V
输入电压波动范围：
DC77～135V
额定输出电压：
DC48V（±5%）；
额定输出电流：
不小于1A
电压调整率：
不大于1%
电流调整率：
不大于1%
输出电压纹波峰-谷值（VP-P）：
不大于1.0V
变换效率：
大于80%
（2）WG型网关规格
WG型网关用于铁路客车TKDT或TKDG型配电柜。
其中包括PLC网关、轴温报警器网关、防滑器网关、烟火报警器网关等。
这些网关一方面通过各种通信接口实现PLC到安全记录仪之间、轴温报警器到PLC之间、防滑器到PLC之间、烟火报警器到PLC之间的数据传递，另一方面通过Lonworks接口及列车总线实现车辆间的信息和命令传递。
额定输入电压：
DC24V
输入电压波动范围：
DC20V~27V
外形尺寸：
160mm×90mm×42mm
安装尺寸：
145mm×63mm，安装螺丝：
M4
（3）DL-Ⅱ代理节点
代理节点是联接列车网和车辆网的桥梁，有2个独立的Lonworks通讯接口。
上行Lonworks通讯接口负责列车级网络通信，接收列车主机的信息，并将信息转发给下行Lonworks通讯模块。
下行Lonworks通讯接口负责车辆级网络通信，转发集中控制命令，接收车辆级各应用节点传输的参数、工作状态等信息。
额定输入电压：
DC24V
输入电压波动范围：
DC20V~27V
外形尺寸：
160mm×90mm×56mm。
安装尺寸：
145mm×63mm，安装螺丝：
M4
环境条件
（1）工作环境温度：
0℃～＋50℃
（2）存储温度：
－25℃～＋75℃
（3）相对湿度：
最湿月月平均最大相对湿度不大于90%（该月月平均最低温度为25℃）。
（4）海拔高度：
≤2500m。
（5）振动：
相对于客车的垂向、横向和纵向存在着频率f为1～50Hz的正弦振动，其振动加速度在频率f为1～10Hz时等于0.1g（g为重力加速度，可以减化为10m/s2计算），当频率f为10～50Hz时等于1g。
因机车连挂时的冲击，沿机车纵向激起的加速度不大于3g。
第七章25GDC600V客车乘务员作业要点
1.坚持25G型DC600V客车出库前检查“三确认”
（1）确认车列DC600V车体绝缘符合标准
检查确认DC600V电气传输主干线绝缘（正对地、负对地、正对负）。
使用1000V等级兆欧表测量，在相对湿度＜60％时，线间≥2ΜΩ，线地≥1ΜΩ；相对湿度60％～85％时，线间≥0.6～2ΜΩ，线地≥0.3～1ΜΩ；相对湿度＞85％时，线间≥0.6ΜΩ，线地≥0.3ΜΩ。
（2）检查确认DC110V电气传输主干线绝缘良好
用万用表直流电压档在母线110V空开Q20上端检测正对地、负对地电压值在45V—65V间。
也可以在车列首尾110V电力连接器测量。
或在广播间播音照明控制柜检查DC110V在线绝缘检测装置（直流漏电报警器）不报警。
（3）检查确认集控电源、供电请求、供电允许电路良好
“供电请求”信号确认方法：
在全列供电试验开关SB2断开的情况下，用万用表测量与机车连接43芯通讯线插头端：
①1＃、3＃插针与39＃、41＃插针之间有110V电压,说明供电请求、供电允许电路良好；否则说明供电请求、供电允许电路存在问题。
②37＃、38＃插针与40＃、43＃插针之间有110V电压,说明集控电源正常。
否则说明集控电源电路存在问题。
2.DC600V列车供电作业
为确保DC600V列车始发突发故障，经过多次实践我们总结出“DC600V列车供电快速反应作业法”，此法的特点就是在机车供电后，列车两端的乘务员均可以在第一时间发现故障，快速反应、快速处理，大大的缩短了时间，保证列车正点开行。
实践证明此方法可行。
方法如下：
始发前两名乘务员分别位于车列首尾两端，机车连挂时，车列首部的一名乘务员与机车办理供电手续，确认机车与第一辆车的车钩连挂和软管、电力连接线、集控线连接状态，并安装折角塞门开口销、钩提杆防跳档、车钩防跳装置。
车列尾部乘务员在机车连挂后，注意风表风压变化情况，始发前确认列车尾部折角塞门、制动软管（总风软管）及防尘堵状态。
机车供电前，列车首部的乘务员提前通知尾部的乘务员已办理好供电手续，两人分别在列车首尾车电气综合控制柜观察供电状况，如果发现供电异常，首部的乘务员及时与机车司机联系，确认机车还是车辆故障，如属车辆故障，两名乘务员从列车两端向列车中部进行检查，必要时要进行减载，减载完毕后通知机车再次送电，重新加载进一步确认故障车辆并处理。
在确认供电正常的情况下，首尾两名乘务员分别在首尾车综合控制柜触摸屏查看列车各车厢电气设备运行情况。
在确认正常后，尾部的乘务员参加列车制动机试验，首部的乘务员由列车首部向后对列车进行技检，发现问题及时处理。
尾部乘务员在列车始发前确认列车尾部折角塞门、制动软管（总风软管）及防尘堵状态，始发后核对列车尾部风压，从上部向前移动检查列车各项设施使用状况，在列车中部两名乘务员会合，互相确认。
第八章25GDC600V客车应急故障处理
1、机车DC600V供电装置接地保护，停止供电如何处理？
⑴确定故障：
乘务员应与机车联系请求再次供电，确认是否属于接地故障，如果是接地故障，断开全列电气综合控制柜Q1、Q2。
然后通知机车司机送电，然后逐辆加载，加至某一辆车时机车接地保护，即可判明该车有故障。
⑵判明原因：
先将故障车综合控制柜的Q1、Q2、Q3断开，通知机车重新送电，先保证其它车辆的供电；然后将故障车的负载全部断开，重新供电，逐一合上各负载开关，同时注意观察，如果合上某一负载开关后机车接地保护，即可判明该负载有故障。
⑶恢复供电：
发现故障点后，与机车司机联系重新供电，同时将故障车故障负载切除，恢复本车供电，待入库后处理。
2、机车不能同时提供两路电源应如何处理？
⑴切换电源：
如果综合控制柜的供电转换开关SA1为“自动”位时，控制柜会自动转换到正常的那路电源，同时将空调负载减半载运行。
如供电转换开关SA1为试验Ⅰ（Ⅱ）路时（非特殊原因不推荐使用试验位），要将供电转换开关转换到有电的那路。
⑵控制负载：
为避免机车电源过载，应注意各车厢的负载分配，尽量使每节车厢的总电流控制在30A以下，必要时切除一些负载，优先保证充电机、通风、伴热、半冷、半暖负载工作，其它负载酌情考虑。
3、如何判断是机车供电故障，还是车辆接地故障？
如果机车供电一路正常，另一路电压输出不足540V甚至降到0V，车辆综合控制柜会自动转换到另一路电源且不出现接地故障，一般为机车供电故障，处理方法见2题。
如果综合控制柜触摸屏显示有一路供电电压突然变为0V。
此时车辆全列综合控制柜会自动转换到另一路供电电路，如果另一路供电电压也变为0V，这表明因车辆漏电超标，机车接地保护。
处理方法见1题。
4、机车司机反映无“供电请求”信号应如何处理？
⑴判明原因：
若机车司机反映无“供电请求”信号，乘务员应立即检查车辆供电请求空开Q18是否断开。
如断开则立即重合。
如Q18又动作断开，则为机车集控电路故障。
⑵重新供电；如Q18重合后仍无“供电请求”信号，乘务员可要求机车司机强制供出DC600V，并合上电气综合控制柜全列供电试验开关SB2，使全列综合控制柜工作。
如顶Q18，还需摘开与机车连接的39芯转43芯集控线。
⑶加强巡视：
乘务员在列车运行途中要加强巡视，发现问题立即处理。
⑷入库处理：
如机车集控器故障，到站后通知司机检查机车集控器，同时回库内检查车辆供电请求电路是否存在故障。
5、机车司机反映无集控电源时应如何处理？
检查综合控制柜内集控电源空气开关Q12是否断开。
如断开则立即重合，如继续顶断，摘开与机车连接的39芯转43芯集控线。
通知机车司机强制供电，并合上电气综合控制柜全列供电试验开关SB2。
使全列综合控制柜工作。
到站后通知司机检查机车集控器，同时回库内检查车辆集控电源是否存在故障。
6、机车强制供电后，合上全列供电试验开关SB2，但全列综合控制柜工作仍不工作应如何处理？
机车手动供电后，合上全列供电试验开关SB2，但全列综合控制柜工作仍不工作说明“供电请求”、“供电允许”电路存在问题，为及时保证列车供电，合上本车供电试验开关Q19逐辆加载。
7、机车供电后出现过流保护应如何处理？
⑴调整负载：
机车供电后车辆Ⅰ路或Ⅱ路供电突然停止，乘务员应立即与机车司机联系询问停电原因，如果是因为供电时车辆负载过大造成机车供电过流保护，则必须对车辆的负载进行调整。
可暂时切断部分车辆辅助电器设施（如电茶炉、餐车厨房电器）甚至全车的电源，要求机车司机重新供电，然后逐辆加载恢复以上车辆的供电。
⑵积极协助：
如机车过流保护信号仍不消除无法送出电，可要求机车司机先切断机车所有控制电源开关，再重合并向车辆供电。
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