車輛電氣裝置(第二章接觸網(wǎng)供電)1分解課件

1、車輛電氣裝置郭世偉第二章 接觸網(wǎng)供電（一）在電氣化區(qū)段的接觸網(wǎng)電網(wǎng)供電，輸電損失少、效率高，有良好的經(jīng)濟、社會效益，并且是鐵道車輛技術水平發(fā)展的一個重要標志。一、鐵路客車接觸網(wǎng)供電方式根據(jù)我國列車運輸?shù)奶攸c，列車供電需要保證在各種供電制式下全線貫通運行，即能適應在電氣化區(qū)段和非電氣化區(qū)段運行時不同的供電方式。在電氣化區(qū)段，由電力機車提供電源，電力機車主變壓器增設有兩個輔助繞組供電；在非電氣化區(qū)段，需加掛發(fā)電車供電。鐵路客車電氣化接觸網(wǎng)供電方式主要有：機車供電、電源車供電和DC600V/AC380V兼容供電三種方式。前兩者發(fā)展于1995年以前，后者發(fā)展于1995年以后。1、機車供電供電在電氣化區(qū)

2、段，采用電力機車集中供電、客車分散變流的方法：機車內(nèi)的變壓器設備把受電弓輸入的高電壓降壓后，通過電力連接器輸送到貫穿全列車的列車母線，然后再由配備在各節(jié)車廂下部的小型變流設備變換成為客車所需的三相交流電壓；對于照明、通風、電氣控制等設備所需的不間斷電源，其所需的變流設備及蓄電池組可配備于1輛或2輛車下，輸出的不間斷電壓供全列車各車廂使用。在非電氣化區(qū)段，采用大功率發(fā)電車三相交流電供電。 特點：這種兼容供電方式較好地解決了鐵路干線沒有完全電氣化的空調(diào)列車的供電問題，簡單、經(jīng)濟、可靠，但只適于機車車輛固定編組的場合。25K客車的逆變器 2、電源車專為客車用電配備的一輛電源用車。通過受電弓直接把電能

3、輸送至電源車，電源車內(nèi)備有變壓器、斬波器、逆變器、蓄電池等，可變換電能為客車所需的各種電源，以滿足客車的用電需要。特點：因有較大的空間，可配備較大容量的蓄電池，電網(wǎng)斷電時可由不間斷電源維持較長的工作時間；機動性好，不受機車摘掛的影響。但需要占用1輛車，必須配有專業(yè)工作人員，不夠經(jīng)濟。* 直流斬波是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為DC/DC變換。* 逆變器是一種將直流電（DC）轉(zhuǎn)化為交流電（AC）的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。 3、DC600V/AC380V兼容供電空調(diào)客運列車，在電氣化區(qū)段運行時，采用電力機車直流600V集中供電、客車分散變流的供電方式；在非電氣化區(qū)段

4、運行時，采用大功率發(fā)電車三相交流電供電。（1）在電氣化區(qū)段 電力機車通過受電弓接受25kV的單相高壓交流電，經(jīng)降壓、整流、濾波成為600V直流電。列車上設2路互相獨立的DC600V供電干線，分兩路向空調(diào)客車集中供電（配電柜有供電選擇開關）；空調(diào)客車各車廂通過配電柜進行分散變流，各車廂上的逆變器將DC600V的電壓逆變?yōu)槿?80V/單相220V的交流電源向車廂用電設備供電。如：空調(diào)逆變電源可將600V直流電逆變?yōu)槿?0Hz交流電，向空調(diào)裝置、電開水爐等三相交流用電負載供電。DC600V/AC380V兼容供電系統(tǒng)原理圖列車還內(nèi)設DC110V供電干線，各車廂內(nèi)設DC110V電源。DC110V電源

5、裝置（簡稱充電器）可將600V直流電變換為110V直流電，給蓄電池組充電并向照明、供電控制等負載供電，又可變換為DC48V，為軸報器、防滑器、水位檢測器、電話插座、尾燈插座等直流負載供電。（2）在非電氣化區(qū)段 空調(diào)客車可采用大功率發(fā)電車交流供電，輸出為2路三相50Hz、380V交流電，向客車供電。 在各車廂內(nèi)，可直接向三相交流用電負載供電；通過DC110V電源裝置可將三相交流電變換為110V直流電，給蓄電池組充電并向照明、供電控制等負載供電；或采用專用發(fā)電車，可輸出2路600V直流電，向客車供電（與機車600V直流供電相同）。（3） 列車供電裝置的安全使用要求 為防止誤操作客車配電柜供電開關而

6、引起DC600V、AC380 V供電回路短路，確保列車安全供電，列車設供電集控系統(tǒng)。列車供電集中控制電路由：機車上的供電鑰匙、列車集中控制線、各車廂內(nèi)的供電設備構(gòu)成。司機操縱供電鑰匙即可自動啟動或停止各車廂的供電設備。 （4） 供電系統(tǒng)的保護機車內(nèi)有供電系統(tǒng)主電路的接地保護裝置，各車廂上有供電設備的漏電檢測裝置?？蛙囋O本車漏電檢測電路，當 DC600 V供電線路及三相交流用電負載對地絕緣不良時，自動切除DC600 V供電。機車設有源接地保護，當空調(diào)列車干線或三相負載對地絕緣低于允許值時，保護電路動作，停止機車向客車供電。供電鑰匙復位，又可重新轉(zhuǎn)入供應位。二、變流供電裝置的工作原理 變流： 利用

7、電力電子器件使得工業(yè)電能的一個或多個特性（例如電壓、電流、波形、相數(shù)和頻率，包括零頻率）發(fā)生變化，而不產(chǎn)生可觀功率損耗的過程。變流可分為4種類型。整流：由交流到直流的變流。 逆變：由直流到交流的變流。 直流變流：由直流到直流的變流。 交流變流：由交流到交流的變流。 電能變換的4種類型的關系如圖所示。（一）整流1、半波整流電路電源變壓器B 整流二極管D 負載電阻Rfz 變壓器把市電電壓（多為220伏）變換為所需要的交變電壓E2，D 再把交流電變換為脈動直流電。 2、全波整流電路 (單相橋式整流電路) 與半波整流相比，全波整流能充分利用電能單相全波整流電路單相橋式整流電路3、三相橋式整流電路三相橋

8、式整流電壓波形常見整流電路的電壓計算4、濾波器LC濾波器形LC濾波器5、穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路集成穩(wěn)壓電源（二）晶閘管整流電路1、晶閘管 晶閘管又叫作可控硅（SCR），為重要的大功率半導體器件，它在交直流電機調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)，以及隨動系統(tǒng)中都得到廣泛應用。單向可控硅具有單向?qū)ㄗ饔?，其符號見下圖，A為陽極，K為陰極，G為控制極。晶閘管的結(jié)構(gòu)與外形2、晶閘管整流電路（1）電阻性負載的整流電路電阻性負載的單相半波可控整流電路平均電壓值電感性負載（并聯(lián)有續(xù)流二極管）（2）電感性負載的整流電路電感性負載的單相半波可控整流電路的電壓、電流波形（無續(xù)流二極管時）電流導通角=-，但直流平均電壓降低。電感性

9、負載的單相半波可控整流電路的電壓、電流波形（有續(xù)流二極管時）接續(xù)流二極管后，電感性負載兩端的電壓波形與電阻性負載相同了，而電流波形則改變較大。單相半控橋式整流電路（電阻負載）平均電壓值3、單相半控橋式整流電路把半控橋中的兩只二極管用兩只晶閘管代替即構(gòu)成全控橋。單相半控橋式整流電路（電阻負載）4、三相半控橋式整流電路三相橋式整流電路輸出電壓uL的波形可用于大功率、可調(diào)電壓、直流電壓脈動較小的情況。三個可控硅的觸發(fā)脈沖間隔為120o。對于電阻性負載，輸出直流電壓平均值與控制角間關系為：（a）電路 （b）電壓波形單結(jié)晶體管馳張振蕩電路5、晶閘管觸發(fā)電路最常用的有單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。先由RC充電，直到

10、單結(jié)晶體管截止，再由R1C放電。無“同步”功能，不能用以觸發(fā)晶閘管電壓波形圖各元件：R1、R2、R、RP、C值的計算選取，決定著輸出脈沖電壓的頻率、控制角（導通角）、輸出脈沖電壓寬度、幅值等，決定著觸發(fā)電路是否能正常工作。穩(wěn)壓管的削波作用。穩(wěn)壓管使將整流電壓u0變換為梯形波，存在穩(wěn)定的電壓值uZ；每半周期內(nèi)，單結(jié)晶體管的第一個脈沖對晶閘管觸發(fā)起作用，其產(chǎn)生時間（即控制角）不受交流電壓波動的影響。變壓器的同步作用。通過變壓器將觸發(fā)電路和主電路接在同一電源上，實現(xiàn)兩者同步。故變壓器不僅是個整流變壓器，還起同步作用，也稱同步變壓器。電阻RP的移相作用。增大RP，可使C充電變慢，控制角增大，導通角變小

11、，輸出電壓平均值變小，達到調(diào)壓作用。實際常用電路如上圖所示。晶體管T1、T2構(gòu)成直接耦合直流放大電路。T2又相當一可變電阻，相當于前面電位器Rp的作用，對輸出脈沖有移相作用，進而調(diào)壓。輸入電壓U1增大時，T2阻值變小，控制角變小。普通晶閘管（SCR）靠門極正信號觸發(fā)之后，撤掉信號亦能維持通態(tài)。欲使之關斷，必須切斷電源，使正向電流低于維持電流IH，或施以反向電壓強近關斷。這就需要增加換向電路，不僅使設備的體積重量增大，而且會降低效率，產(chǎn)生波形失真和噪聲?？申P斷晶閘管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦稱門控晶閘管。其主要特點為，當門極加負向觸發(fā)信號時晶閘管能自行關斷?？申P斷

12、晶閘管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優(yōu)點，以具有自關斷能力，使用方便，是理想的高壓、大電流開關器件。GTO的容量及使用壽命均超過巨型晶體管（GTR），只是工作頻率比GTR低。目前，GTO已達到3000A、4500V的容量。大功率可關斷晶閘管已廣泛用于斬波調(diào)速、變頻調(diào)速、逆變電源等領域，顯示出強大的生命力。6、可關斷晶閘管雙向晶閘管相當于兩個單向晶閘管的反向并聯(lián)，對外也引出三個電極（雙向可控硅也叫三端雙向可控硅，簡稱為TRIAC），但只有一個控制極。在結(jié)構(gòu)上象是兩個單向可控硅的反向連接，具有雙向?qū)ㄗ饔?。雙向晶閘管正、反特性具有對稱性，所以它可在任何一個方向?qū)?，是一種理想

13、的交流開關器件。7、雙向晶閘管伏安特性雙向晶閘管與單向晶閘管一樣，也具有觸發(fā)控制特性。不過，它的觸發(fā)控制特性與單向晶閘管有很大的不同，這就是無論在陽極和陰極間接入何種極性的電壓，只要在它的控制極上加上一個觸發(fā)脈沖，也不管這個脈沖是什么極性的,都可以使雙向晶閘管導通。由于雙向晶閘管在陽、陰極間接任何極性的工作電壓都可以實現(xiàn)觸發(fā)控制，因此雙向晶閘管的主電極也就沒有陽極、陰極之分，通常把這兩個主電極稱為T1電極和T2電極，將接在P型半導體材料上的主電極稱為T1電極，將接在N型半導體材料上的電極稱為T2電極。由于雙向晶閘管的兩個主電極沒有正負之分，所以它的參數(shù)中也就沒有正向峰值電壓與反同峰值電壓之分，

14、而只用一個最大峰值電壓，雙向晶閘管的其他參數(shù)則和單向晶閘管相同。采用檢測交流電過零點來實現(xiàn)觸發(fā)脈沖與交流電壓的同步，提高了效率。（三）晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)（四）晶閘管交流調(diào)壓有效電壓值晶閘管交流調(diào)壓的電壓波形三相交流電機的軟啟動電路（五）逆變交-直-交變頻器電壓型單相橋式逆變電路電壓型三相橋式逆變電路順序脈沖觸發(fā)電壓不同區(qū)間晶閘管的導通情況相電壓波形線電壓波形逆變器的開關元件（六）直流斬波器直流斬波是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為DC/DC變換。直流斬波器(D.C. Chopper)又稱為截波器，它是將電壓值固定的直流電，轉(zhuǎn)換為電壓值可變的直流電源裝置，是一種直流對直流的轉(zhuǎn)換器(D

15、C to DC Converter)已被廣泛使用，如直流電機的速度控制、交換式電源供應器(Switching-Power-Supply)等。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(2030)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關電源)， 同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。開關電源的有效工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。脈沖的占空比由開關電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。如下圖(a)所示為

16、直流斬波器基本電路圖，圖(b)為負載電壓波形，可看出當直流斬波器導通(Ton)時，負載端之電壓Vo等于電源電壓Vs，當直流斬波器截止(Toff)時，負載端之電壓Vo為0 ，如此適當?shù)目貙〞r間，即可改變負載的平均電壓。輸出電壓之峰值等于電源電壓Vs，而輸出電壓之平均值Vo隨Ton之時間而變。 最常見之改變方式為 ：1.周期T固定，導通時間Ton改變，稱脈波寬度調(diào)制(Pulse-width Modulation PWM)。2.導通時間Ton固定，周期T改變，稱頻率調(diào)制(Frequency Modulation FM)。 3.周期T及導通時間Ton 同時改變，即波寬調(diào)制及頻率調(diào)制混合使用。在實際應

17、用中，因直流斬波器常需在負載端接上濾波電感及濾波電容，若頻率改變過大對電感及電容影響大，因此多數(shù)采用脈波寬度調(diào)制。（七）晶閘管的保護晶閘管承受過電流和過電壓的能力較差，故在晶閘管裝置中需要采取適當?shù)谋Ｗo措施。1、晶閘管過電流保護發(fā)生過電流的主要原因：負載過載或短路；其它晶閘管等元件被擊穿短路導致的過電流；觸發(fā)電路工作不正常或受干擾，導致晶閘管誤觸發(fā)而引起過電流，等。晶閘管熱容量很小，一旦過流，溫度會急劇上升而可能把PN結(jié)燒壞，短時間內(nèi)可造成元件內(nèi)部短路或開路。需要在發(fā)生過電流很短的時間內(nèi)切斷電流。晶閘管過電流的保護措施有：（1）快速熔斷器為銀質(zhì)熔絲。不同于普通熔斷絲，熔斷速度快。熔斷器的電流定額應盡量接近實際工作電流的有效值。主要有三種接入方式：快速熔斷器的接入方式（2）過電流繼電器可接于輸入端（交流端）或輸出端（直流端），出現(xiàn)過電流故障時，可使輸入端的開關跳閘。對于過載是有效的，但對于電流較大的短路故障，過載繼電器的動作及自動開關