任务5　了解铁道车辆电气、电源总体发展

【活动场景】

在铁道客车车辆电气设备或铁路客车供电检修车间，或在具有供电模型的试验室，或在能展示铁道车辆供电技术的多媒体教室进行。

【任务要求】

1.了解国内外铁道车辆供电电源技术的发展概况。

2.掌握空调客车供电系统的基本工作原理和特点。

3.了解空调客车供电系统的经济效益。

【知识准备】

铁道车辆的电气、供电电源装置作为铁道车辆重要的、关键的系统与技术，在满足乘客旅行安全、舒适的同时，自身也得到了长足地发展。铁道车辆的电气控制系统实现了从继电器控制到PLC控制以及高度智能化、信息化的飞跃；铁道车辆电源技术则经历了由轴驱供电、发电车供电、机车供电的发展历程，并且在青藏铁路客车首创了安全可靠的高原客车和高原发电车供电系统和技术；铁道车辆电源技术的供电电压制式经历了DC 24V、DC 48V、DC 110V、AC 380V、DC 600V，目前交流传动动力分散型动车组采用的AC 25kV；电气设备从基本的照明、电风扇到空调机组、电开水炉、压力保护设施等车内外设施，实现了节能环保，提升了旅客列车的乘坐舒适性和安全性。本任务将认知铁道车辆电气装置和电源供电装置的主要发展历程，并对其未来的发展进行展望。

1.发展历程的认知

众所周知，铁道车辆的发展与社会需求、技术进步密切相关。铁道客车电气装置的供电制式、控制方式与是否有空调机组、电加热器等装置密切相关。我国铁道车辆的电气控制方式在十多年前就已经全面实现了从继电器控制到PLC控制的提升；电源技术作为电气装置的核心技术，其发展历程则更是丰富多样。

在我国铁道车辆的发展中，非空调客车主要包括21型、22型、25B型车及进口的24型车，电气装置主要有照明装置、通风系统、广播系统、轴温报警装置等，供电电源是由母车上的轴驱发电机和蓄电池组并联供电，当发电机停止转动或低速转动时，由蓄电池组供电。轴驱发电机主要包括LK5型直流轴驱发电机和KFT型交流无触点感应子发电机。LK5型直流轴驱发电机使用于20世纪50、60年代，电机功率为3kW，额定电压为24V。KFT型交流无触点感应子发电机于20世纪70年代研制成功，功率有3kW和5kW两种，额定输出线电压为44V，三相交流电经桥式整流转换为直流电，给车上负载供电，并对蓄电池组充电。与LK5型直流发电机相比，KFT型发电机，功率大、重量轻、结构简单、维护方便。20世纪80年代进口的24型客车采用35kW轴驱式感应子交流发电机及万向轴传动，发电机与DC 110V碱性蓄电池组并联供电。25B型软卧车和餐车也安装了空调机组，由本车车下柴油发电机组给空调机组供电。

我国铁路空调客车的研制始于20世纪60年代，广泛应用于90年代，其中运用最广泛的25G型、25K型车分别定型于1992年、1998年，25T型车定型于2004年。

1966年、1979年分别研制出用于广九铁路的22型、25型空调发电车及空调客车，发电车柴油发电机组的装机容量为3×200kW，供电制式为三相AC 380V/220V、50Hz。

1987年研制出柴油发电机组装机容量为3×300kW、具有自动并车功能的大功率发电车（KD型，两路供电）。1989年研制出了2×500kW MTU柴油机组大功率发电车。1996年，在发电车基础上进行了电气原理图及主要关键设备（包括柴油发动机、发电机、控制柜、自动并车装置等）的统型设计。

在电气化铁路发展初期，柴油发电车很好地解决了空调客车的供电问题，与轴驱供电相比有很多优点，具有较好的机动性和广泛的适应性。但随着开行列车车次的逐年增加，运行噪声和燃油排放污染对沿途的影响也凸显出来。随着铁路电气化进程的加快普及，借鉴国外铁道客车供电技术，20世纪80年代，我国铁路开始研究电力机车向客车供电技术，这既符合国家能源政策，又能为客车提供足够的电源，改善旅行条件，同时增加列车编组，减轻列车自重，具有明显的经济效益和社会效益，基于当时的变流技术水平，选择了机车集中整流、客车分散变流的方式。

2004年第5次铁路大提速开行的25T型客车，具有运行速度高（160km/h）、长交路、一站直达或仅大站停、站停时间短等特点，不宜加挂发电车。因此，基于前期的大量研究和技术实践，在电气化区段开始采用电力机车供电，在非电气化区段采用DF11G型内燃机车供电，DF新型内燃机车可以为列车提供2路独立供电（2×400kW），2种电源（AC 380V或DC 600V）。

与此同时，2004年开始开展高速动车组技术的引进、消化吸收和再创新工作。辅助供电系统作为关键技术之一，主要包括辅助变流器、蓄电池组、充电机等。

CRH1型、CRH3型、CRH5型高速动车组及CRH6型城际动车组辅助变流器输入电源取自牵引变流器的中间直流回路，通过逆变器输出三相交流电，为动车组供风系统、散热系统、空调机组、充电机等供电；其优点是实现了轻量化，同时在过分相区时，列车利用其轻微再生制动保持中间直流电压不断电。CRH2型动车组辅助变流器输入电源取自牵引变压器的辅助绕组（单相AC 400V），经斩波整流、逆变为三相交流电，为供风系统、冷却系统、充电机等供电。所有车型的充电机均将三相交流电转换为低压直流电，为蓄电池组充电，并为控制系统及照明设备等供电。

2005年，我国青藏高原客车和发电车供电系统的研发解决了高原供电系统的技术难题，首创了安全可靠的高原铁路客车电气系统和技术，填补了世界高原铁路客车电气技术的空白。

2006年，DC 600V和AC 380V实时兼容供电技术及其PLC控制系统使双流制供电技术实现了国内自主研发。

2.轴驱式发电机供电系统的认知

轴驱发电机供电系统由轴驱式交流感应子发电机（KFT-1型、KFT-2型）与蓄电池组组成。由于轴驱发电机发出的交流电随车速和负载而变化，所以必须设置电压自动调整装置。22型及25B型客车普遍采用了3kW、5kW感应子发电机供电装置，发电机和整流装置安装在车下，控制箱（KP-2A型、KP-2B型）安装在车上。KFT-2型发电机于2003年在原KFT-1型发电机结构、工艺的基础上改进研制的，质量减少了37kg，各项性能参数均有提高，吊挂电机托架进行了优化，可有效防止裂纹。KP-2B型感应子客车发电机控制箱与KFT-2型，KFT-1型感应子发电机配套使用（KP-2A仅与KFT-1型感应子发电机配套），主要由主整流器、励磁整流器、激磁回路、测量回路、电压整定、限流充电、过压保护和输出限流等几部分组成，如图1-19所示。控制箱保证了在转速和负载发生变化时感应子发电机输出电压和电流的稳定性。

KP-2B型控制箱与KP-2A型控制箱的主要区别如下：

（1）KP-2B型控制箱改变了励磁电源，励磁电流减小，静态损耗减少；由单相晶闸管励磁改为三相整流直流控制，励磁调整管为电压控制型器件，控制电路简单，三相整流励磁电源改善了发电机的励磁电压波形，电压调整不存在振荡问题，因此，KP-2B型控制箱不设置振荡调节电位器。

（2）KP-2B型控制箱的控制电路采用集成控制，减少了分离元件。

（3）KP-2B型控制箱改善了限流充电性能，增加了总输出限流以保护发电机。

（4）KP-2B型控制箱的三相整流励磁电源及主整流电路采用模块化设计。

感应子发电机技术参数见表1-4。

3.柴油发电机组供电

由于我们将在后面学习任务中专门要学习铁路空调客车柴油发电机组的技术，因此在此仅简单介绍主型康明斯柴油机组的3×300kW统型25G/25K型AC 380V发电车和DC 600V青藏发电车及本车小容量柴油发电机组的基本构造与基本工作原理。

（1）KD25型空调客车发电车AC 380V供电系统

KD25型发电车满足25GK型20辆空调客车编组供电需求，主要由KTA19-G2型柴油机、西门子IFC5/IFC6型发电机或马拉松发电机、控制屏及辅助设备（如燃油、冷却、进排气、润滑、通风散热系统等）组成。发电车采用双路三相AC 400V/230V、50Hz四线制交流集中供电。发电车供电主回路原理如图1-20所示，供电技术参数见表1-5。

发电车控制屏由1号、2号、3号机组控制屏，空调控制屏和本车供电控制屏组成。机组控制屏控制柴油机的启动、停机，检测和显示柴油机的机油压力、油温、水温、转速和运转计时，具有柴油机高水温和低油压报警以及高水温、低油压、超速停机等保护功能，对发电机电压、电流、频率、功率和功率因数进行检测和显示；具有过流、逆功率、绕组过热等保护功能，对冷却风机实现手动、自动及高低速控制。机组控制屏内还装有自动调频调载器，根据检测到的不同路机组输出电压的频率、相位角、负载等参数，实现多台机组自动并车并网运行、自动负载分配和转移功能。3台机组并联运行时，最大额定输出功率为800kW。

1号、3号机组分别设有1个主开关，2号机组设2个主开关，Ⅰ路与Ⅱ路输电干线之间设有1个联络开关，由这5台主开关（AH-6B型抽屉式空气断路器）实现3种供电：①单机全路；②双机分路；③利用调频调载装置实现双机或三机并联运行供电。

（2）青藏发电车供电系统

青藏发电车采用2台三相AC 460V/265V发电机组及对应的2套高性能全数字式三相全控晶闸管桥式整流装置。整流装置采用全数字式电压、电流双闭环调节，输出电压连续可调，使得DC 600V输出不因机组输出电压波动和负载变化而变动，高原时整车最大输出DC 600V、2×725kW，供电主回路如图1-21所示。

青藏发电车采用DC 600V输出，同时适应青藏客车在平原上使用DC 600V供电的实际情况。发电机组的控制与保护原理同普通发电车（KD25型），但具体保护值根据高原特性做相应调整。青藏发电车与普通发电车的主要技术特点对比见表1-6。

柴油发电机组采用手动/自动监控。手动以控制屏盘面的指令开关及指示为基础来完成操作；自动控制单元的控制核心为可编程控制器（PLC）+触摸屏（TFT），在触摸屏上可监控柴油发电机组的启动、运行及故障自动诊断。

（3）本车小容量柴油发电系统

本车小型柴油发电机组一般仅供本车空调机组使用，输出三相AC 380V/220V，符合《往复式内燃机驱动的交流发电机组》（GB/T 2820）中三类电站的要求，主要应用在25B型软卧车、硬卧宿营车、餐车以及特种车上。

小型柴油发电机组的功率有24kW、32kW、40kW、48kW等，冷却方式有风冷和水冷两种。风冷柴油发电机组一般采用车下吊挂安装方式，柴油机主要有F6L912型柴油机、F6L913Z型增压柴油机；水冷柴油发电机组一般安装在车上，柴油机主要有潍柴495、南昌4105、进口perkins1104系列四缸柴油机和康明斯、沃尔沃5升机系列柴油机。

4.机车直流供电方式认知

机车直流供电是由电力机车或内燃机车提供2路（2×400kW）DC 600V电源给空调旅客列车。在电气化区段，采用由电力机车集中供电、客车分散变流的供电方式；在非电气化区段，由DF11G型内燃机车向客车提供DC 600V电源。

（1）DC 600V供电装置原理简介

机车设2套独立的DC 600V电源装置，采用DC 600V集中供电、客车分散变流的方式。电力机车主变压器有2个辅助绕组，分别通过2套DC 600V电源装置的相控整流、滤波后输出DC 600V，2×400kW电源；DF11G型内燃机车将2个辅助发电机组的三相交流电分别整流后输出2路DC 600V电源。下面简单介绍电力机车DC 600V供电装置。

电力机车主变压器每个辅助绕组输出额定电压为AC 860V，额定电流为600A，额定功率为522kV·A，阻抗电压为800V，额定电压确定为870V是考虑到17～31kV的网压波动。当网压为25kV时，输出对应空载电压为870V；而当网压为17.5kV时，输出电压约为AC 610V，此时全波整流电压值接近DC 550V，基本能够保证对客车正常供电。

电力机车DC 600V供电装置包括接地保护电路、输出稳压及限流环节、过流及短路保护、过压及欠压保护等，原理图如图1-22所示。

从图1-22可以看出这是一个非常典型的单相相控整流电路，不同的是该电路的大功率晶闸管SCR（受控元件）在同一桥臂上，而另一个桥臂则为2个大功率整流二极管，这2个二极管具有整流和续流的作用。相控整流的缺点是功率因数较低，调整周期较长，响应速度较低，系统参数匹配困难；优点为线路简单，成本较低。如图1-22所示，KM为输入交流真空接触器，司机通过设在司机台上的供电钥匙控制KM的闭合与分断。由V1、V2、SCR1、SCR2构成单相半控全波整流主电路，电源正半周经过V1、SCR2，负半周经过SCR1和V2构成回路。输出滤波电路由电感L、电容C组成，输出电流脉动率小于30000kV·A。直流输出侧的电流传感器为限流控制和过流检测的元件，电压传感器提供输出恒压控制电压信号。R是并联在输出端的固定负载，既是放电电阻，又是整流器空载负载。

（2）DC 600V列车供电系统

DC 600V供电客车通过综合控制柜按车厢号（分奇偶）自动选择Ⅰ路DC 600V供电。车下安装逆变电源装置和充电机。逆变电源装置包括2×35kV·A逆变器和1个15kV·A三相四线制隔离变压器。

2×35kV·A逆变器将DC 600V逆变成2路三相AC 380V、50Hz交流电，向空调机组、电开水炉等三相交流用电负载供电。8kW充电机将DC 600V变换成DC 110V直流电，给蓄电池组充电的同时，向照明、供电控制等直流负载供电。客室电热器和温水箱采用DC 600V直接供电。供电框图如图1-23所示。

采用2×35kV·A逆变器供电主要基于单车负载容量较大和增加供电系统的可靠性。其中一个逆变器主要给空调机组供电，另一个给开水炉、伴热负载等交流负载供电。正常情况下，2个逆变器相互独立，互为热备；当其中一个发生故障时，由另一个继续供电，但部分受控负载要减载运行（如空调机组自动转入半冷或半热工况）。客室电热器、温水箱等电阻性负载采用DC 600V供电，一方面减轻了逆变器的冬季负载，另一方面减少了中间环节，提高了效率和可靠性。

电气化区段每隔25～58km有一个分相区，DC 600V电源装置在过分相区时无电，逆变器和充电机均无输出。为了避免频繁断电对控制系统和应急设备的影响，照明装置和控制系统采用DC 110V供电。

在接触网有电时，由充电机向照明装置、控制系统等负载供电，而过分相区时则由蓄电池组供电。

为了防止本车蓄电池过放或短路故障时导致系统崩溃，保证对重要负载（如轴温报警器、防滑器等）的供电，全列蓄电池通过阻断二极管并联。尾灯、共线电话等设施基于信号运用仍采用DC 48V供电。

（3）DC 600V供电系统中的关键技术

①电压制式及接地方式的确定

DC 600V作为供电电压制式是参考了国外供电制式并结合我国国情和技术现状做出的选择。因为AC 380V三相交流电整流后的电压为DC 515V，考虑到接触网电压波动范围较大，逆变输出要达到三相AC 380V，就要求输入电压在DC 600V左右。这样一方面逆变器向空调等负载供电可不通过变压器，有利于减轻重量，另一方面该电压等级所用电缆等材料的绝缘、耐压等级与AC 380V的基本一致。

机车接地采用中点接地方式，分别在机车和客车装设DC 600V绝缘检测设备。按照分级保护原则，客车使用电流法通过漏电流传感器检测本车漏电值，发生漏电时可判定列车中具体的漏电车辆，测试结果为电流（单位为mA）；电力机车采用电压法检测全列DC 600V绝缘情况，但测试结果仅为故障报警，没有数值记录。换算后的机车漏电保护值等效为150～180mA，客车为100～150mA。

客车DC 600V和DC 110V均为浮地方式，无工作接地。其优点是系统出现单点绝缘损坏而致接地时不会造成短路，系统可带故障运行，降低了因短路导致电气火灾的风险。逆变器隔离变压器二次侧中性线接地，使得输出配电可采用漏电保护开关。

②变频变压（VVVF）软启动技术

电动机在强迫启动时，存在6～7倍左右的电流冲击。在过分相区后重新启动时，若不采取软启动方式，则要么各负载分别延时启动，要么提高逆变器的过载能力。同时机车电源也要承受启动电流的冲击，对空调压缩机等电机类负载的使用寿命也会有影响。如果能做到启动电流较小或基本与额定电流一样，则既经济又可靠。采用变频变压（VVVF）技术，电动机启动时转速随频率的升高而升高，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。

③大功率高频开关电源

DC 600V供电系统中的充电机是给蓄电池充电及照明控制等系统供电的重要设备，由于输入为DC 600V，因此必须采用DC/DC变换技术。为了减小充电机的体积、重量和防止高压窜入低压系统，采用高频绝缘式DC/DC变换器。

铁路应用高频绝缘式充电机的技术已达到国外先进水平，主要关键技术有：

a.采用电压电流双闭环控制，实现了蓄电池恒流定压充电或分段曲线充电；

b.采用软开关技术，减小了IGBT高频开关损耗，效率达到90％以上；

c.采用先进的非晶态铁芯制造高频变压器，减小了充电机的体积、重量；

d.IGBT开关频率达到20kHz以上，超过了人耳听觉音频范围，降低了充电机的噪声。

5.动车组辅助供电

CRH2型动车组辅助供电系统采用扩展供电模式，CRH1型、CRH3型、CRH5型动车组和CRH6型城际动车组的电源输入均取自牵引系统的中间直流电压，实现了轻量化及过分相区不断电，CRH1型、CRH3型动车组和CRH6型城际动车组的中压交流电源还实现了并联运行，代表了未来辅助供电技术的发展方向。以下分别对CRH1A型和CRH2型动车组的辅助供电系统进行介绍。

（1）CRH1A型动车组

①电压三相AC 380V辅助电路构成

辅助电源系统由5组辅助变流器（ACM）+蓄电池+充电机，以及列车干线等组成。ACM从网侧变流器DC 1650V直流输出接受电能，逆变为三相AC 876V、50Hz三相交流电，通过辅助变压器和交流滤波器输出三相AC 400V、50Hz交流辅助电源，然后经三相母线分配给不同的负载，供电系统框图如图1-24所示。在接触网压处于17～31kV时，ACM全性能运行，每个辅助变流器按140kV·A容量计算，5个辅助变流器并联运行提供三相AC 400V/230V、50Hz电源，总容量为700kV·A。

②辅助供电方式

辅助电源系统有普通运行模式和回送模式两种线路运行模式。

①普通运行模式

正常牵引工况下，由25kV接触网提供电能。ACM输入电源取自牵引变流器中间直流回路，当中间直流电压达到规定限值时，ACM自动启动。5个ACM中的某一个对应三相隔离接触器闭合接到公共三相交流母线，并软启动，完成给公共三相交流母线供电，之后其他ACM以此ACM的电压幅值、频率和相位同步为基准，先后闭合各自的三相隔离接触器，实现并网。一旦三相交流母线得电，蓄电池充电器（BCM）立即启动，BCM接触器按顺序（不是同时）把BCM连接到三相交流母线上。

②回送模式

在没有25kV电压时，以牵引电机作为发电机（相当于再生制动时的情况），提供牵引所需的辅助三相电源和蓄电池充电电源（CRH1型动车组制动也需要辅助电源）。回送模式下有一个预充电工作过程，电机变流器（MCM）提供电能并控制DC环节电压处于正常值，辅助逆变器将DC环节的电能转换为三相AC 400V、50Hz电源，提供充电器工作电源，为蓄电池充电。但牵引电机作为发电机运行时，必须首先获得励磁，这依靠预充电单元来实现。预充电单元使用直流环节DC 400V电源（把蓄电池输出的DC 110V升压后提供），通过电机变流器为牵引电机励磁几秒，牵引电机即可发电，之后预充电单元就可关闭。当DC环节电压达到正常值时，辅助逆变器正常运行。

（2）CRH2A型动车组

①辅助供电系统组成

辅助供电系统由2个牵引变压器辅助绕组、2套辅助电源装置[辅助电源箱（APU）+充电机（ARf）]，3组蓄电池、控制用电设备以及列车辅助供电干线等组成，如图1-25所示。从图1-25可以看出，系统采用牵引变压器辅助绕组扩展供电和辅助电源装置扩展供电，具有很好的冗余性，而且简单、可靠。

②辅助电源装置

辅助电源装置由辅助电源箱（APU）和充电机（ARf）构成，组成框图如图1-26所示。

从图1-26可以看出，辅助电源输入电源AC 400V、50Hz直接从牵引变压器辅助绕组获取，保证了牵引变流器不工作时辅助系统也能正常工作。辅助电源及辅助整流器分别提供：

a.稳压三相AC 400×（1±1000）V、50×（1±100）Hz电源，容量为123kV·A，由静态逆变器（SIV）逆变、滤波得出稳压三相AC 400V电源，给牵引制动系统相关的辅助设备（牵引变压器、牵引变流器、牵引电机用各送风机及空气压缩机等）供电。

b.稳压DC 100×（1±1000）V电源。由辅助整流器（ARf）将静态逆变器（SIV）输出的稳态三相AC 400V降压（TR2降压变压器）、整流后得到稳压DC 100V，给控制电源、照明、蓄电池、广播系统等供电。

③辅助电源装置的技术特点

a.1列编组中有2台辅助电源装置，在一台发生故障的情况下，另一台能够提供编组全部负载（充电机、冷却风机等，空调系统电源取自牵引绕组另外的辅助绕组）容量。

b.元件采用高频IGBT，电路结构为单相脉冲整流器+中间直流环节+二点式脉冲逆变器，实现了隔离变压器和电抗器的小型化、轻量化及低噪声。

c.采用瞬时波形控制方式实现AC输出电压的低畸变率，对输入波动和负载的变化实现实时控制。

d.控制电路采用16位CPU高性能控制，具有故障实时控制功能。另外，与车辆信息控制装置的数据通信（I/F方式）能够在线进行故障诊断和实时处理，极大地提高了检修效率。

e.发生故障时记录参数及波形，可以读取故障数据。

【知识扩展】

客车采用机车直供DC 600V供电系统，能够取消发电车，增加1节客车，减少燃油和噪声污染，既符合能源政策、实现节能减排，又能增加运能，具有明显的社会效益和经济效益，是铁道客车供电技术的发展方向。自2003年推广应用以来，截至目前，全路既有4.6万余辆客车中，已有约1.5万辆为DC 600V供电客车（尤其是自2005年起，新造客车均采用DC 600V供电）。随着CRH系列动车组辅助供电系统技术的引进、消化吸收和再创新工作的深入推进，借鉴动车组相关技术、降低客车DC 600V供电装置成本、提高可靠性是未来技术的发展方向。一方面研究可并联技术的逆变电源，采用子母车或相对集中配置，在降低成本的同时提高可靠性，彻底解决由于部分交流负载不隔离、出现漏电和接地而影响列车供电的问题，同时研究利用列车惯性，实现DC 600V电源装置过无电区时将电力机车动能再生为DC 600V，保证DC 600V供电不间断；另一方面，随着变频空调技术的发展，可研究空调机组等主要的电机类负载采用机组自带的小功率变频电源装置供电。

【任务实施】

1.在指导教师的组织下分组讨论铁道车辆供电系统的常用电器控制开关的基本工作原理和特点。

2.认知铁道车辆电源技术上常用电器控制开关，并能进行基本技术参数测量和故障诊断。