第五章-DC600v集中供电空调客车.ppt

DC600v集中供电空调客车 第五章 一 背景知识 单独供电与集中供电二 DC600v集中供电系统工作原理三 TGN型逆变器四 DC110v电源装置 一 单独供电与集中供电 单独供电与集中供电 单独式供电 单独式供电方式是在单节客车上安装一套独立的供电装置 有车轴式和车下悬挂柴油发电机组式 用于单节空调客车 两种 集中式供电 在列车中的某一辆车上一个集中电源 可以通过柴油发电机组提供也可以由接触网通过电力机车主变压器提供 通过电力连接器向整个列车供电 这种供电方式称为集中式供电 集中式供电因其供电量大 输出电压稳定已经成为主流供电方式 单独供电 单独供电方式 一直以车轴式作为主导 随着空调客车的大量运用 客车用电量不断增加 客车供电方式正处于新旧交替时期 以柴油发电机组作为电源的车辆愈来愈多 车轴式供电 列车运行时 车轴通过皮带传动装置带动感应子发电机工作 发电机输出的三相交流电经整流后通过车体配线输入车内供负载使用并向蓄电池充电 当列车低速运行或停车时 由蓄电池组向车上负载供电 由于这种供电方式中的发电机是交流的 其输出经整流后成为直流 因此该供电方式又被称为交一直流供电方式 车轴式供电 在车轴式供电方式中 运用时把安装有用电器 附件 车体配线及发电机和蓄电池组的车叫 母车 把只安装有用电器 附件和车体配线的车叫 子车 一列客车即是由数辆 母车 和数辆 子车 组成 而 母车 和 子车 的数量及排列要视用电量和列车编组情况而定 车轴式供电 轴驱式发电机的供电系统有许多缺点 首先 客车发电机的机械传动是一个复杂的结构部件 经常损坏 特别是在高速运行时 此外 轴驱式发电机显著增加车辆的运行阻力 例如 在运行速度90公里 小时时 车辆的运行阻力由于有轴驱式发电机而增加28 客车独立供电系统由于能量多次转换 在电力机车上电能变成机械能 之后在客车上机械能变成电能 因而效率低 它由机车的平均运用效率 减速器 发电机及蓄电池的效率所决定 此时在额定功率下供电系统的效率大约是50 集中式供电 除供电量大 供电稳定外 集中式供电还体现出如下的优点 1 列车自重减小 由于没有车下发电机 传动装置和蓄电池组 故每辆母车的重量将减少近2t 其供电设备的平均重量仅是采用车轴式供电装置时的五分之一左右 而每千瓦功率所占的设备重量仅为十分之一 2 制造成本降低 每辆车电气设备的价值 仅是车轴式供电装置的三分之一到四分之一 而每一千瓦设备的价值仅是车轴式供电装置的十分之一左右 3 集中式供电系采用柴油采用集中式供电 不消耗机车功率 发电机组发电 其输出电压及频率不受列车运行速度的影响 4 集中式供电 就整个集中式供电来说 也存在着一些较难克服的缺点 如一旦发电机组出了故障或发电车从列车编组中摘挂时 将会影响列车供电 甚至使整个列车供电完全停止 另外还需培训一批发电车专职检修和管理人员 二 DC600v集中供电系统工作原理 DC600v集中供电系统工作原理 电气化区段运行方式 25kv 受电弓 主变压器 整流 滤波 DC600v DC600v 逆变器 空调 热水器 DC110电压装置 蓄电池 照明等其他直流负载 非电气化区段运行方式 发电车DC600v 逆变器 空调 热水器 DC110电压装置 蓄电池 照明等其他直流负载 空调 蓄电池 照明等其他直流负载 热水器 发电车ac380v 整流装置 供电及用电设备主要技术参数 供电设备 用电设备 三 TGN型逆变电源 第二节TGN型逆变电源 主要参数 组成及原理 由逆变箱和控制箱组成 控制箱主要包括控制电路和检测电路 逆变箱包括一个三相逆变器和一个单相逆变器 逆变控制原理 单相逆变 全桥 方波逆变器 三相逆变器电路可以由三个单相逆变器组成 通常三相逆变电路采用三相桥式电路 三相桥式电路如图所示 每个桥臂 Redleg Yellowleg Blueleg 相互延迟1200 三相方波逆变器 当G点和N点不连接时 180O导电型工作过程 负载为阻性 6个功率管的驱动信号如图所示 三个单相逆变器的激励脉冲之间彼此相差1200 每个管子都导通180O 以便获得三相平衡 基波 的输出 任何时刻都有3个管子导通 其导通顺序为5 6 1 6 1 2 1 2 3 2 3 4 3 4 5 4 5 6 5 6 1 每组管子导通60度 6个开关的驱动信号 6个状态的等效电路如图所示 可以求出6个状态时三相输出电压 由上式画出三相输出相电压波形 如图所示 可见波形每个周期由六个阶梯组成 因此又称为六阶梯波 我们称 为逆变器线电压 为逆变器相电压 方波逆变器的问题 一 方波逆变器可以方便地调整输出电压的频率 但输出电压的幅度在逆变环节中无法调节 通常需要增加调压环节完成调压功能 但这种方法使系统复杂 二 输出电压谐波大 方波的各次谐波 脉冲宽度调制 PWM 1964年 德国学者A Schonung和H Stemmler率先提出了脉宽调制 PWM PulseWidthModulation 的思想 把通讯技术中的调制技术应用于交流传动中 开创了DC AC技术研究的新领域 方波 正弦波 PWM控制的基本原理 重要理论基础 面积等效原理 定义 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时 其效果基本相同 若要改变等效输出正弦波幅值 按同一比例改变各脉冲宽度即可 SPWM波 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 PWM控制的基本原理 PWM控制的基本思想 对于正弦波的负半周 采取同样的方法 得到PWM波形 因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为 根据面积等效原理 正弦波还可等效为下图中的PWM波 而且这种方式在实际应用中更为广泛 Spwm逆变的实现 在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断 在ur正半周 V1通 V2断 当ur uc时使V4通 V3断 uo Ud 当ur uc时使V4断 V3通 uo 0 ur负半周 情况类推 控制脉冲还可以怎样产生 三相桥逆变的PWM控制 三相的PWM控制公用三角波载波uc 三相的调制信号urU urV和urW依次相差120 逆变器的具体电路 P175图5 2 四 DC110v电源装置 DC110v电源装置的作用 DC600v 逆变器 空调 热水器 DC110电压装置 蓄电池 照明等其他直流负载 基本电气参数 降压电路的基本形式 一 直接降压 DC DC 二 采用组合变流技术 直接降压电路的两种方式 线性调节器模式如图a所示 在这种模式中晶体管工作在线性工作区 其输出电压为 晶体管模型可以用可调电阻RT等效 其等效电路如图b所示 特点 开关调节器模式 在这种模式中晶体管工作在截止区和饱和导通区 缺点 电流断续 开关调节模式与线性调节模式相比具有明显的特点 1 功耗小 效率高 在DC DC变换中 电力半导体器件工作在开关状态 工作频率很高 目前这个工作频率已达到数百甚至1000KHz 这使电力半导体器件功耗减少 效率大幅度提高 2 体积小 重量轻 由于频率提高 使脉冲变压器 滤波电感 电容的体积 重量大大减小 同时 由于效率提高 散热器体积也减小 还由于DC DC变换无笨重的工频变压器 所以DC DC变换体积小 重量轻 3 稳压范围宽 目前DC DC变换中基本使用脉宽调制 PWM 技术 通过调节脉宽来调节输出电压 对输入电压变化也可调节脉宽来进行补偿 所以稳压范围宽 降压斩波电路 Buck 电路结构 全控型器件IGBT 续流二极管 负载出现的反电动势 典型用途之一是拖动直流电动机 也可带蓄电池负载 工作原理 t 0时刻驱动V导通 电源E向负载供电 负载电压uo E 负载电流io按指数曲线上升 t t1时控制V关断 二极管VD续流 负载电压uo近似为零 负载电流呈指数曲线下降 通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小 原理分析 若 L R 则流过L的电流I在VT通和断时保持不变 则有 负载上的输出平均电压Ud T不变 变ton 脉冲宽度调制 PWM ton不变 变T 频率调制 ton和T都可调 改变占空比 混合型 斩波电路三种控制方式 采用组合变流技术降压 采用这种结构的变换原因 输出端与输入端需要隔离 某些应用中需要相互隔离的多路输出 输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1 交流环节采用较高的工作频率 可以减小变压器和滤波电感 滤波电容的体积和重量 工作频率高于20kHz这一人耳的听觉极限 可避免变压器和电感产生噪音 工作原理 整个电路由四个部分组成半桥逆变器 高频变压器和输出整流滤波电路 输出波形 在一个周期Ts中的输入能量为 在一个周期Ts中的输出能量为 数量关系 则有 具体电路 P190图5 141 输入端有几种形式 为什么 2 模块V1起何作用 3 C1 C2 R2 R3有啥作用 4 V2部分实现那种功能 如何实现 5 U1模块 具体电路 TKB2 0035D单相逆变器 作用 TKB2 0035D将DC110的输入变换成单相AC220 50Hz输出 供给单相负载使用 主要技术参数 标准输入电压 DC110V输入电压波动范围 DC77V DC137 5V额定输出电压 AC22050Hz额定输出容量 3 5KV A额定效率 小于等于85 系统接线图 原理图 两种升压电路 1 升压斩波电路2 单端反激变换器 保持输出电压 储存电能 电路结构 升压斩波电路 工作原理 假设L和C值很大 V处于通态时 电源E向电感L充电 电流恒定I1 电容C向负载R供电 输出电压Uo恒定 V处于断态时 电源E和电感L同时向电容C充电 并向负载提供能量 数量关系 设V通态的时间为ton 此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为toff 则此期间电感L释放能量为稳态时 一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等 化简得 T toff 1 输出电压高于电源电压 故为升压斩波电路 电压升高得原因 电感L储能使电压泵升的作用电容C可将输出电压保持住 如果忽略电路中的损耗 则由电源提供的能量仅由负载R消耗 即 与降压斩波电路一样 升压斩波电路可看作直流变压器 输出电流的平均值Io为 电源电流的平均值I1为 Fly back 单端反激 变换器原理Fly back 单端反激 变换器原理图如图所示