车辆电气装置(第二章接触网供电)1

1、车辆电气装置车辆电气装置郭世伟郭世伟第二章第二章 接触网供电接触网供电（一）（一）在电气化区段的接触网电网供电，输电损失少、效在电气化区段的接触网电网供电，输电损失少、效率高，有良好的经济、社会效益，并且是铁道车辆技术水率高，有良好的经济、社会效益，并且是铁道车辆技术水平发展的一个重要标志。平发展的一个重要标志。一、铁路客车接触网供电方式一、铁路客车接触网供电方式根据我国列车运输的特点，列车供电需要保证在各根据我国列车运输的特点，列车供电需要保证在各种供电制式下全线贯通运行，即能适应在电气化区段和非种供电制式下全线贯通运行，即能适应在电气化区段和非电气化区段运行时不同的供电方式。电气化区段运行

2、时不同的供电方式。在在电气化区段电气化区段，由电力机车提供电源，电力机车主，由电力机车提供电源，电力机车主变压器增设有两个辅助绕组供电；在变压器增设有两个辅助绕组供电；在非电气化区段非电气化区段，需加，需加挂发电车供电。挂发电车供电。铁路客车电气化接触网供电方式主要有：铁路客车电气化接触网供电方式主要有：机车供机车供电、电源车供电和电、电源车供电和DC600V/AC380V兼容供电兼容供电三种方式。三种方式。前两者发展于前两者发展于1995年以前，后者发展于年以前，后者发展于1995年以后。年以后。1、机车供电供电、机车供电供电在电气化区段，采用在电气化区段，采用电力机车集中供电、客车分散变电

3、力机车集中供电、客车分散变流流的方法：的方法：机车内的机车内的变压器设备变压器设备把把受电弓受电弓输入的高电压输入的高电压降压降压后，后，通过通过电力连接器电力连接器输送输送到贯穿全列车的到贯穿全列车的列车母线列车母线，然后再由配，然后再由配备在各节车厢下部的小型备在各节车厢下部的小型变流变流设备变换成为客车所需的设备变换成为客车所需的三相三相交流电压交流电压；对于照明、通风、电气控制等设备所需的；对于照明、通风、电气控制等设备所需的不间断不间断电源电源，其所需的变流设备及蓄电池组可配备于，其所需的变流设备及蓄电池组可配备于1辆或辆或2辆车下，辆车下，输出的不间断电压供全列车各车厢使用。输出的

4、不间断电压供全列车各车厢使用。在非电气化区段，采用大功率发电车三相交流电供电。在非电气化区段，采用大功率发电车三相交流电供电。 特点：这种兼容供电方式较好地解决了铁路干线没有完全电特点：这种兼容供电方式较好地解决了铁路干线没有完全电气化的空调列车的供电问题，简单、经济、可靠，但只适于气化的空调列车的供电问题，简单、经济、可靠，但只适于机车车辆固定编组的场合。机车车辆固定编组的场合。25K客车的逆变器客车的逆变器 2、电源车、电源车专为客车用电配备的一辆电源用车。通过受电弓直专为客车用电配备的一辆电源用车。通过受电弓直接把电能输送至电源车，电源车内备有变压器、斩波器、接把电能输送至电源车，电源车

5、内备有变压器、斩波器、逆变器、蓄电池等，可变换电能为客车所需的各种电源，逆变器、蓄电池等，可变换电能为客车所需的各种电源，以满足客车的用电需要。以满足客车的用电需要。特点：因有较大的空间，可配备较大容量的蓄电池，特点：因有较大的空间，可配备较大容量的蓄电池，电网断电时可由不间断电源维持较长的工作时间；机动性电网断电时可由不间断电源维持较长的工作时间；机动性好，不受机车摘挂的影响。但需要占用好，不受机车摘挂的影响。但需要占用1辆车，必须配有辆车，必须配有专业工作人员，不够经济。专业工作人员，不够经济。* 直流斩波是将固定的直流电压变换成可变的直流直流斩波是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也

6、称为电压，也称为DC/DC变换。变换。* 逆变器是一种将直流电（逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。 3、DC600V/AC380V兼容供电兼容供电空调客运列车，在电气化区段运行时，采用电力机空调客运列车，在电气化区段运行时，采用电力机车直流车直流600V集中供电、客车分散变流的供电方式；在非集中供电、客车分散变流的供电方式；在非电气化区段运行时，采用大功率发电车三相交流电供电。电气化区段运行时，采用大功率发电车三相交流电供电。（1）在电气化区段）在电气化区段 电力机车通过受电弓

7、接受电力机车通过受电弓接受25kV的单相高压交流电，的单相高压交流电，经降压、整流、滤波成为经降压、整流、滤波成为600V直流电。列车上设直流电。列车上设2路互相路互相独立的独立的DC600V供电干线供电干线，分两路向空调客车，分两路向空调客车集中供电集中供电（配电柜有供电选择开关）（配电柜有供电选择开关）；空调客车各车厢通过配电柜；空调客车各车厢通过配电柜进行进行分散变流分散变流，各车厢上的逆变器将，各车厢上的逆变器将DC600V的电压逆变的电压逆变为三相为三相380V/单相单相220V的交流电源向车厢用电设备供电。的交流电源向车厢用电设备供电。如：空调逆变电源可将如：空调逆变电源可将600

8、V直流电逆变为三相直流电逆变为三相50Hz交流交流电，向空调装置、电开水炉等三相交流用电负载供电。电，向空调装置、电开水炉等三相交流用电负载供电。DC600V/AC380V兼容供电系统原理图兼容供电系统原理图列车还内设列车还内设DC110V供电干线，各车厢内设供电干线，各车厢内设DC110V电源。电源。DC110V电源装置（简称充电器）可将电源装置（简称充电器）可将600V直流电变换为直流电变换为110V直流电，给蓄电池组充电并向直流电，给蓄电池组充电并向照明、供电控制等负载供电，又可变换为照明、供电控制等负载供电，又可变换为DC48V，为，为轴报器、防滑器、水位检测器、电话插座、尾灯插座轴报

9、器、防滑器、水位检测器、电话插座、尾灯插座等直流负载供电。等直流负载供电。（2）在非电气化区段）在非电气化区段 空调客车可采用大功率发电车交流供电，输出空调客车可采用大功率发电车交流供电，输出为为2路三相路三相50Hz、380V交流电，向客车供电。交流电，向客车供电。 在各车厢内，可直接向三相交流用电负载供电；在各车厢内，可直接向三相交流用电负载供电；通过通过DC110V电源装置可将三相交流电变换为电源装置可将三相交流电变换为110V直直流电，给蓄电池组充电并向照明、供电控制等负载供流电，给蓄电池组充电并向照明、供电控制等负载供电；或采用专用发电车，可输出电；或采用专用发电车，可输出2路路60

10、0V直流电，向直流电，向客车供电（与机车客车供电（与机车600V直流供电相同）。直流供电相同）。（3） 列车供电装置的安全使用要求列车供电装置的安全使用要求 为防止误操作客车配电柜供电开关而引起为防止误操作客车配电柜供电开关而引起DC600V、AC380 V供电回路短路，确保列车安全供电，列车设供电供电回路短路，确保列车安全供电，列车设供电集控系统。集控系统。 列车供电集中控制电路由：机车上的供电钥列车供电集中控制电路由：机车上的供电钥匙、列车集中控制线、各车厢内的供电设备构成。司机操匙、列车集中控制线、各车厢内的供电设备构成。司机操纵供电钥匙即可自动启动或停止各车厢的供电设备。纵供电钥匙即可

11、自动启动或停止各车厢的供电设备。 （4） 供电系统的保护供电系统的保护机车内有供电系统主电路的接地保护装置，各车厢机车内有供电系统主电路的接地保护装置，各车厢上有供电设备的漏电检测装置。客车设本车漏电检测电路，上有供电设备的漏电检测装置。客车设本车漏电检测电路，当当 DC600 V供电线路及三相交流用电负载对地绝缘不良时，供电线路及三相交流用电负载对地绝缘不良时，自动切除自动切除DC600 V供电。供电。机车设有源接地保护，当空调列车干线或三相负载机车设有源接地保护，当空调列车干线或三相负载对地绝缘低于允许值时，保护电路动作，停止机车向客车对地绝缘低于允许值时，保护电路动作，停止机车向客车供电

12、。供电钥匙复位，又可重新转入供应位。供电。供电钥匙复位，又可重新转入供应位。二二、变流供电装置的工作原理变流供电装置的工作原理 变流：变流： 利用电力电子器件使得工业电能的一个利用电力电子器件使得工业电能的一个或多个特性（例如电压、电流、波形、相数和频率，或多个特性（例如电压、电流、波形、相数和频率，包括零频率）发生变化，而不产生可观功率损耗的过包括零频率）发生变化，而不产生可观功率损耗的过程。程。变流可分为变流可分为4种类型。种类型。整流：由交流到直流的变流。整流：由交流到直流的变流。 逆变：由直流到交流的变流。逆变：由直流到交流的变流。 直流变流：由直流到直流的变流。直流变流：由直流到直流

13、的变流。 交流变流：由交流到交流的变流。交流变流：由交流到交流的变流。 电能变换的电能变换的4种类型的关系如图所示。种类型的关系如图所示。（一）整流（一）整流1、半波整流电路、半波整流电路电源变压器电源变压器B 整流二极管整流二极管D 负载电阻负载电阻Rfz 变压器把市电电压（多为变压器把市电电压（多为220伏）变换为所需要的交伏）变换为所需要的交变电压变电压E2，D 再把交流电变换为脉动直流电。再把交流电变换为脉动直流电。 2、全波整流电路、全波整流电路 (单相桥式整流电路单相桥式整流电路) 与半波整流相比，全波整流能充分利用电能与半波整流相比，全波整流能充分利用电能单相全波整流电路单相全波

14、整流电路单相桥式整流电路单相桥式整流电路3、三相桥式整流电路、三相桥式整流电路三三相相桥桥式式整整流流电电压压波波形形常常见见整整流流电电路路的的电电压压计计算算4、滤波器、滤波器LC滤波器滤波器形形LC滤波器滤波器5、稳压电路、稳压电路稳压管稳压电路稳压管稳压电路集成稳压电源集成稳压电源（二）晶闸管整流电路（二）晶闸管整流电路1、晶闸管、晶闸管 晶闸管又叫作可控硅（晶闸管又叫作可控硅（SCR），为重要的大功），为重要的大功率半导体器件，它在交直流电机调速系统、调功系率半导体器件，它在交直流电机调速系统、调功系统，以及随动系统中都得到广泛应用。统，以及随动系统中都得到广泛应用。单向可控硅具有单

15、向导通作用，其符号见下图，单向可控硅具有单向导通作用，其符号见下图，A为阳极，为阳极，K为阴极，为阴极，G为控制极。为控制极。晶闸管的结构与外形晶闸管的结构与外形2、晶闸管整流电路、晶闸管整流电路（1）电阻性负载的整流电路）电阻性负载的整流电路电阻性负载的单相半波可控整流电路电阻性负载的单相半波可控整流电路01 cos0.452UU平均电压值平均电压值电感性负载（并联有续流二极管）电感性负载（并联有续流二极管）（2）电感性负载的整流电路）电感性负载的整流电路电感性负载的单相半波可控整流电路的电压、电感性负载的单相半波可控整流电路的电压、电流波形（无续流二极管时）电流波形（无续流二极管时）电流导

16、通角电流导通角=-，但直流，但直流平均电压降低。平均电压降低。电感性负载的单相半波可控整流电路的电压、电感性负载的单相半波可控整流电路的电压、电流波形（有续流二极管时）电流波形（有续流二极管时）接续流二极接续流二极管后，电感管后，电感性负载两端性负载两端的电压波形的电压波形与电阻性负与电阻性负载相同了，载相同了，而电流波形而电流波形则改变较大。则改变较大。单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路（电阻负载）（电阻负载）01 cos0.92UU平均电压值平均电压值3、单相半控桥式整流电路、单相半控桥式整流电路把半控桥中的两把半控桥中的两只二极管用两只只二极管用两只晶闸管代替即构晶闸管代替即构成全

17、控桥。成全控桥。单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路（电阻负载）（电阻负载）4、三相半控桥式整流电路、三相半控桥式整流电路三相桥式整流三相桥式整流电路输出电压电路输出电压uL的波形的波形可用于大功可用于大功率、可调电率、可调电压、直流电压、直流电压脉动较小压脉动较小的情况。的情况。三个可控硅的触三个可控硅的触发脉冲间隔为发脉冲间隔为120o。对于电阻。对于电阻性负载，输出直性负载，输出直流电压平均值与流电压平均值与控制角控制角间关系为：间关系为：1 cos2.342LUU（a）电路）电路 （b）电压波形）电压波形单结晶体管驰张振荡电路单结晶体管驰张振荡电路5、晶闸管触发电路、晶闸管触发电路

18、最常用的有单结晶体管触发电路。最常用的有单结晶体管触发电路。先由先由RC充电，直到单结晶体管截止，再由充电，直到单结晶体管截止，再由R1C放电。放电。无无“同步同步”功能，不能用以触发晶闸管功能，不能用以触发晶闸管电压波形图电压波形图各元件：各元件：R1、R2、R、RP、C值的计算选取，决定着值的计算选取，决定着输出脉冲电压的频率、控制角（导通角）、输出脉冲电压宽输出脉冲电压的频率、控制角（导通角）、输出脉冲电压宽度、幅值等，决定着触发电路是否能正常工作。度、幅值等，决定着触发电路是否能正常工作。稳压管的削波作用。稳压管的削波作用。稳压管使将整流电压稳压管使将整流电压u0变换为梯变换为梯形波，

19、存在稳定的电压值形波，存在稳定的电压值uZ；每半周期内，单结晶体管的第；每半周期内，单结晶体管的第一个脉冲对晶闸管触发起作用，其产生时间（即控制角）不一个脉冲对晶闸管触发起作用，其产生时间（即控制角）不受交流电压波动的影响。受交流电压波动的影响。变压器的同步作用。变压器的同步作用。通过变压器将触发电路和主电路通过变压器将触发电路和主电路接在同一电源上，实现两者同步。故变压器不仅是个整流变接在同一电源上，实现两者同步。故变压器不仅是个整流变压器，还起同步作用，也称同步变压器。压器，还起同步作用，也称同步变压器。电阻电阻RP的移相作用。的移相作用。增大增大RP，可使，可使C充电变慢，控充电变慢，控

20、制角增大，导通角变小，输出电压平均值变小，达到调压作制角增大，导通角变小，输出电压平均值变小，达到调压作用。用。实际常用电路如上图所示。实际常用电路如上图所示。晶体管晶体管T1、T2构成直接耦合直流放大电路。构成直接耦合直流放大电路。T2又相当又相当一可变电阻，相当于前面电位器一可变电阻，相当于前面电位器Rp的作用，对输出脉冲有移的作用，对输出脉冲有移相作用，进而调压。输入电压相作用，进而调压。输入电压U1增大时，增大时，T2阻值变小，控制阻值变小，控制角变小。角变小。普通晶闸管（普通晶闸管（SCR）靠门极正信号触发之后，撤掉信号）靠门极正信号触发之后，撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断，必须切

21、断电源，使正向电流低于亦能维持通态。欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低于维持电流维持电流IH，或施以反向电压强近关断。这就需要增加换向电，或施以反向电压强近关断。这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。失真和噪声。可关断晶闸管可关断晶闸管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦称门）亦称门控晶闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能控晶闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。自行关断。可关断晶闸管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管可关断晶闸管克

22、服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。想的高压、大电流开关器件。GTO的容量及使用寿命均超过巨的容量及使用寿命均超过巨型晶体管（型晶体管（GTR），只是工作频率比），只是工作频率比GTR低。目前，低。目前，GTO已达已达到到3000A、4500V的容量。大功率可关断晶闸管已广泛用于斩的容量。大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。6、可关断晶闸管、可关断晶闸管双向晶闸管

23、相当于两个单向晶闸管的反向并联，对外也双向晶闸管相当于两个单向晶闸管的反向并联，对外也引出三个电极（双向可控硅也叫三端双向可控硅，简称为引出三个电极（双向可控硅也叫三端双向可控硅，简称为TRIAC），但只有一个控制极。），但只有一个控制极。在结构上象是两个单向可控硅的反向连接，具有双向导在结构上象是两个单向可控硅的反向连接，具有双向导通作用。双向晶闸管正、反特性具有对称性，所以它可在任何通作用。双向晶闸管正、反特性具有对称性，所以它可在任何一个方向导通，是一种理想的交流开关器件。一个方向导通，是一种理想的交流开关器件。7、双向晶闸管、双向晶闸管伏安特性伏安特性双向晶闸管与单向晶闸管一样，双向晶

24、闸管与单向晶闸管一样，也具有触发控制特也具有触发控制特性性。不过，它的触发控制特性与单向晶闸管有很大的不同，。不过，它的触发控制特性与单向晶闸管有很大的不同，这就是这就是无论在阳极和阴极间接入何种极性的电压，只要在无论在阳极和阴极间接入何种极性的电压，只要在它的控制极上加上一个触发脉冲，也不管这个脉冲是什么它的控制极上加上一个触发脉冲，也不管这个脉冲是什么极性的极性的,都可以使双向晶闸管导通。都可以使双向晶闸管导通。由于双向晶闸管在阳、阴极间接任何极性的工作电由于双向晶闸管在阳、阴极间接任何极性的工作电压都可以实现触发控制，因此双向晶闸管的主电极也就没压都可以实现触发控制，因此双向晶闸管的主电

25、极也就没有阳极、阴极之分，通常把这两个主电极称为有阳极、阴极之分，通常把这两个主电极称为T1电极和电极和T2电极，将接在电极，将接在P型半导体材料上的主电极称为型半导体材料上的主电极称为T1电极，将电极，将接在接在N型半导体材料上的电极称为型半导体材料上的电极称为T2电极。电极。由于双向晶闸管的两个主电极没有正负之分，所以由于双向晶闸管的两个主电极没有正负之分，所以它的参数中也就没有正向峰值电压与反同峰值电压之分，它的参数中也就没有正向峰值电压与反同峰值电压之分，而只用一个最大峰值电压，双向晶闸管的其他参数则和单而只用一个最大峰值电压，双向晶闸管的其他参数则和单向晶闸管相同。向晶闸管相同。采用

26、检测交流电过零点来实现触发脉冲与交流电压的采用检测交流电过零点来实现触发脉冲与交流电压的同步，提高了效率。同步，提高了效率。（三）晶闸管直流调速系统（三）晶闸管直流调速系统（四）晶闸管交流调压（四）晶闸管交流调压有效电压值有效电压值晶闸管交流调压的电压波形晶闸管交流调压的电压波形三相交流电机的软启动电路三相交流电机的软启动电路（五）逆变（五）逆变交交-直直-交变频器交变频器电压型单相桥式逆变电路电压型单相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路电压型三相桥式逆变电路顺序脉冲触发电压顺序脉冲触发电压不同区间晶闸管的导通情况不同区间晶闸管的导通情况相电压波形相电压波形线电压波形线电压波形逆变器的开关元件

27、逆变器的开关元件（六）直流斩波器（六）直流斩波器直流斩波是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，直流斩波是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为也称为DC/DC变换。直流斩波器变换。直流斩波器(D.C. Chopper)又称为截波又称为截波器，它是将电压值固定的直流电，转换为电压值可变的直流器，它是将电压值固定的直流电，转换为电压值可变的直流电源装置，是一种直流对直流的转换器电源装置，是一种直流对直流的转换器(DC to DC Converter)已被广泛使用，如直流电机的速度控制、交换式电源供应器已被广泛使用，如直流电机的速度控制、交换式电源供应器(Switching-Power-Su

28、pply)等。等。用直流斩波器代替变阻器可节约电能用直流斩波器代替变阻器可节约电能(2030)%。直流。直流斩波器不仅能起调压的作用斩波器不仅能起调压的作用(开关电源开关电源)， 同时还能起到有效地同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。抑制电网侧谐波电流噪声的作用。开关电源的有效工作过程是通过开关电源的有效工作过程是通过“斩波斩波”，即把输入，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可

29、以通过变压器来升高或降低。通斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。如下图如下图(a)所示为直流斩波器基本电路图，图所示为直流斩波器基本电路图，图(b)为负载为负载电压波形，可看出当直流斩波器导通电压波形，可看出当直流斩波器导通(Ton)时，负载端之电压时，负载端之电压Vo等于电源电压等于电源电压Vs，当直流斩波器截止，当直流斩波器截止(Toff)时，负载端之时，负载端之电压电压Vo为为0

30、 ，如此适当的控导通时间，即可改变负载的平均，如此适当的控导通时间，即可改变负载的平均电压。输出电压之峰值等于电源电压电压。输出电压之峰值等于电源电压Vs，而输出电压之平均，而输出电压之平均值值Vo随随Ton之时间而变。之时间而变。 最常见之改变方式为最常见之改变方式为 ：1.周期周期T固定，导通时间固定，导通时间Ton改改变，称脉波宽度调制变，称脉波宽度调制(Pulse-width Modulation PWM)。2.导导通时间通时间Ton固定，周期固定，周期T改变，称频率调制改变，称频率调制(Frequency Modulation FM)。 3.周期周期T及导通时间及导通时间Ton 同时

31、改变，即波同时改变，即波宽调制及频率调制混合使用。宽调制及频率调制混合使用。在实际应用中，因直流斩波器常需在负载端接上滤波在实际应用中，因直流斩波器常需在负载端接上滤波电感及滤波电容，若频率改变过大对电感及电容影响大，因电感及滤波电容，若频率改变过大对电感及电容影响大，因此多数采用脉波宽度调制。此多数采用脉波宽度调制。（七）晶闸管的保护（七）晶闸管的保护晶闸管承受过电流和过电压的能力较差，故在晶闸管承受过电流和过电压的能力较差，故在晶闸管装置中需要采取适当的保护措施。晶闸管装置中需要采取适当的保护措施。1、晶闸管过电流保护、晶闸管过电流保护发生过电流的主要原因：负载过载或短路；其发生过电流的主要原因：负载过载或短路；其它晶闸管等元件被击穿短路导致的过电流；触发电它晶闸管等元件被击穿短路导致的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，导致晶闸管误触发而引起路工作不正常