城市轨道交通车辆-4.2 电气箱体认知

知识点1电气箱体概述目

录知识点2电气箱体功能概述知识点3高压电器箱知识点4牵引逆变器知识点5熔断器及隔离开关箱知识点6应急通风逆变器箱知识点7过压吸收电阻箱知识点8滤波电抗器知识点9辅助逆变器目

录知识点10变压器箱知识点11辅助高压箱知识点12扩展供电箱知识点13接地开关箱知识点14蓄电池箱电气箱体概述知识点1电气箱体概述

城市轨道交通车辆的电气控制一般是以箱体为单位进行协同工作的,各个箱体集成不同的电气设备,通过协同配合,一起完成列车的电气控制。一般来说,列车的电气主回路箱体都是安装在轨道列车底部。根据轨道列车的结构,车下设备除转向架外一般主要包括供风系统、制动系统和电气箱体组成。不同类型的车辆使用的电气设备和布置方式略有差异。下面以车辆编组方式为“+Tc-Mp-M1-M2-Mp-Tc+”的列车进行说明。定义

备注:+:半自动车钩;-:半永久棒式车钩;Tc车:有驾驶室的拖车;M1车:中间带扩展供电动车;M2车:中间动车;Mp车:带受电弓的动车。图4-13M1箱体电气箱体概述Mp车包括以下牵引系统设备:高压电器箱、牵引逆变器(VVVF)、熔断器及隔离开关箱、应急通风逆变器箱、过压吸收电阻箱、接地开关箱、滤波电抗器等。M1车包括以下牵引系统设备:高压电器箱、牵引逆变器(VVVF)、扩展供电箱、应急通风逆变器箱、过压吸收电阻箱、接地开关箱、滤波电抗器等。M2车包括以下牵引系统设备:高压电器箱、牵引逆变器(VVVF)、应急通风逆变器箱、过压吸收电阻箱、接地开关箱、滤波电抗器等。Tc车包括以下牵引系统设备:逆变器与充电机箱、变压器箱、蓄电池箱、辅助高压箱、应急逆变器箱、接地开关箱、空压机启动、应答器天线、电笛、雷达等。电气箱体功能概述知识点2电气箱体功能概述

列车的电气箱体的主要功能可分为牵引系统及辅助电源系统。接触网的电流经受电弓受流后到车上分为两路,一路经辅助逆变器保护熔断器(BF)及单刀单置开关(BS)接入整车辅助贯通母线;另一路连接牵引逆变器保护熔断器(MF用于截断主电路电流),经过高压电气箱(控制牵引主电路)、滤波电抗器(滤除高压谐波)等,连接至牵引逆变器(将DC1500V电源逆变为1100V电动机供电)。在母线上设有辅助逆变器保护熔断器,用于防止母线过流,起保护作用。图4-14电路原理图电气箱体功能概述

一般来说,车下的高压电气箱、牵引逆变器(VVVF)、熔断器及隔离开关箱、应急通风逆变器箱、过压吸收电阻箱、滤波电抗器等是列车牵引系统的控制核心部件,接收接触网传递来的直流电压,经过一系列的控制与转化,控制电动机驱动列车前进。辅助电源供电系统主要为除牵引系统外的所有用电系统供电,其供电的主要负载有列车空调系统、客室照明系统、设备通风冷却系统、列车控制系统、蓄电池的充电等。整个辅助电源供电系统一般由辅助逆变器(SIV)、扩展供电箱、接地开关箱、蓄电池、辅助高压箱等部件组成,它的工作状态正常与否直接影响整列车的功能。特别是当数辆车发生辅助电路故障时将导致列车的运行故障,甚至造成整条线路的运行中断。因此,电动列车辅助电源系统对保障整个地铁运营系统高效、可靠、安全的运行体系是极其重要的。电气箱体功能概述

以常见的6编组地铁B型车为例,辅助电源系统将直流电压(DC1500V)逆变成三相交流电压(AC380V),为空调、空气压缩机、照明及控制电路等提供稳定的三相四线制的交流电压,并将交流电压(AC380V)通过DC110V电源变换成蓄电池充电与低压直流负载使用的DC110V电压,DC24V则由DC110V经过DC/DC得到。每辆列车安装2套辅助电源装置即辅助逆变器(SIV)和蓄电池组,其输出能力可满足6辆编组列车各种负载工况的用电要求。当其中1套SIV故障时,剩下的1套能承担6辆车的基本负载并保证列车的正常运行(基本负载是指全部负载中减掉全列车每套空调机组的一台压缩机)。为保证辅助电源系统的高可用性及避免电压中断,列车会设置DC1500V辅助高压母线,通过高压辅助母线将列车2台辅助电源输入端并行连接起来。高压电器箱知识点3高压电器箱一、基本组成

高压电器箱是牵引系统的构成部分,包含给牵引逆变器供电电路中的各种高压电器,主要由隔离开关、高速断路器、差动电流传感器、线路接触器、充电接触器、充电电阻器、浪涌吸收器、续流二极管、阻尼电阻、快速放电开关、快速放电电阻和滤液电容器等器件组成。图4-151个单元的辅助电源供电原理图高压电器箱DC1500V电源从受电弓、避雷器送到高压电器箱,经过隔离开关(MS)和接地开关(GS)、高速断路器(MQF)、差分电流传感器(LH1)、充电接触器(KM2)、充电电阻(R1)、线路接触器(KM1),将电力传输到线路电抗器和牵引逆变器。隔离开关(MS)和接地开关(GS1)是手动操作的闸刀式机械开关,用绝缘棒操作。在每次列车运行前,都要确认隔离开关(MS)和接地开关(GS1)处于闭合状态。同时,隔离开关设置有专门用于释放牵引逆变器电容能量的放电开关(MQS1),该开关与隔离开关联锁,在确保断电8min后,通过绝缘棒操作。高速断路器(MQF)为牵引系统的总开关。每个高压电器箱内都有一个高速断路器。其为单极设备,可以提供双向通断,给车上的牵引设备提供过流和短路保护。高速断路器的断开方式有两种:一种是通过牵引控制单元(DCU)来控制;另一种由过流和短路故障而引发的脱扣分断。差动电流传感器(LH1)是利用监测牵引电路中去路和回路的电流差值,从而为主电路提供保护的设备。当检测到1A漏电流时发出警告信号,当检测到50A漏电流时发出跳高速断路器(MQF)信号。线路接触器(KM1)为单极电磁型接触器,在正常工作情况下,高速断路器(MQF)并不经常通断,而由线路接触器(KM1)闭合和断开,为牵引逆变器提供或切除动力。充电接触器(KM2)为单极电磁型接触器,其作用是向牵引逆变器中的支撑电容器充电。充电接触器(KM2)与充电电阻(R1)一起作用,避免电压突变而对支撑电容器造成损伤。续流二极管(V1、V2)和阻尼电阻(R2)构成续流回路,当高速断路器(MQF)或线路接触器(KM1)断开时,为后续的储能部件(如电抗器和牵引逆变器中的支撑电容器)提供续流,消耗其中剩余的能量。浪涌吸收器(F1)用于吸收浪涌过电压;快速放电开关(MQS1,与MS联锁)和快速放电电阻(R3)为支撑电容放电电路;滤波电容器(C)用于在接地电刷接触不良引起电压跳变时为线路提供滤波高压电器箱一、基本组成高压电器箱内部器件的名称与缩写对应关系:隔离开关MS高速断路器MQF差动电流传感器LH1线路接触器KM1充电接触器KM2充电电阻R1浪涌吸收器F1续流二极管V1、V2阻尼电阻R2快速放电电阻R3快速放电开关(与MS联锁)MQS1滤波电容器C二、技术参数输入输出电压:DC1500V(DC1000V~DC1800V)。额定电流:DC600A。最大电流:DC1000A。差分电流检测及保护:1A时发出警告信号,50A时发出跳高速断路器信号。高速断路器整定值:1300A。控制电源:DC110V,额定功率150W,冲击功率(1s)1000W。牵引逆变器知识点4牵引逆变器

牵引逆变器(VariableVoltageVariableFrequency,VVVF)是交流电动列车上的重要设备,安装在列车动车底部。其组成包括电源电流传感器、滤波电抗器、直流电压传感器、过电压释放晶闸管、过电压放电电阻、放电电阻、滤波电容器、IGBT模块、相电流传感器等。牵引逆变器采用先进的调频调压交流感应电动机驱动系统。其基本原理是将来自接触网(受流器)的1500V(750V)直流电通过逆变器转换成频率和电压均可调的三相交流电,供给驱动电动机。逆变器单元采用IGBT模块,为两电平逆变电路,主电路由两个逆变器单元(INV1、INV2)组成,每个逆变器单元集成三相逆变器的三相桥臂及制动相桥臂,驱动2台异步牵引电动机。2个逆变器单元集成在一个牵引逆变器箱中,驱动4台牵引电动机。逆变器模块采用抽屉式结构;冷却采用热管散热器走行风冷却方式。图4-16所示为牵引逆变器三维结构示意。图4-16牵引逆变器三维结构示意牵引逆变器

逆变器控制装置即传动控制单元（DCU）主要通过IGBT逆变器控制交流异步牵引电机的实时控制、粘着控制、制动斩波控制，同时具备完整的牵引变流系统故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和一定程度的故障自复位功能以及部分车辆级控制功能，DCU是组成列车通讯网络的一部分，与多功能机车车辆总线MVB接口及通信。DCU集成在一个标准机箱内，安装在逆变器箱（VVVF箱）中。图4-17DCU面板图4-18DCU控制主回路示意图牵引逆变器

牵引逆变器作为整个交传系统的重要组成部分,根据中间储能元件的不同可分为电压型逆变器和电流型逆变器。

目前,交流牵引多采用电压型逆变器,因此以下所指的牵引逆变器,除特别说明外均指直-交变换电压型逆变器。当前中小功率的牵引逆变器中的开关元件以IGBT为主,大功率逆变器以GTO为主。随着IGBT元件和应用技术的不断更新和发展,以IGBT作为主电路开关的牵引逆变器的容量和性能进一步提高,并代表了地铁和城轨牵引逆变器的发展趋势。图所示为变流器模块。图4-19变流器模块类型高压电器箱一、主要特点

主要部件模块化设计,易于安装、拆卸和维修;低感母排技术,无吸收电路;热管走行风冷,无环境污染;再生制动,节约能源;电机直接转矩控制,有优良的动态响应;控制系统微机化、数字化、网络化、信息化;具有IGBT元件故障保护、直流电压过压/欠压保护、直流电流过流保护、逆变器输出过载保护、主电路接地保护、插件不在位保护、电源故障保护、电机过热保护。

逆变器的作用是通过IGBT的顺序导通关断,将直流电变换为电压频率可调的三相交流电。高压电器箱一、主要特点

主要部件模块化设计,易于安装、拆卸和维修;低感母排技术,无吸收电路;热管走行风冷,无环境污染;再生制动,节约能源;电机直接转矩控制,有优良的动态响应;控制系统微机化、数字化、网络化、信息化;具有IGBT元件故障保护、直流电压过压/欠压保护、直流电流过流保护、逆变器输出过载保护、主电路接地保护、插件不在位保护、电源故障保护、电机过热保护。

逆变器的作用是通过IGBT的顺序导通关断,将直流电变换为电压频率可调的三相交流电。(1)列车投入运行前,应手动将隔离开关(MS)和接地开关(GS1)闭合。在操作隔离开关(MS)和接地开关(GS1)时,应使用绝缘棒,以避免意外电击事故的发生。(2)列车运行时,控制高速断路器闭合,驾驶员给方向指令后,充电接触器(KM2)闭合,DC1500V电源经充电电阻(R1)给牵引变流器内直流支撑电容器充电,充电完成后线路接触器(KM1)闭合,然后牵引逆变器启动工作。(3)DCU控制主电路的运行。1)上电初始化处理。DCU自检包括控制电路的开机自检;DCU内部CPU之间通信与状态检查。使“主断合允许”信号无效。2)初始化完成后,若列车网络控制和诊断系统没有向本单元DCU发出跳主断命令,则控制系统给出“主断合允许”信号。3)满足下列条件时,闭合充电接触器。方向手柄离开零位;主断已闭合;网压正常;列车网络控制和诊断系统没有向本单元DCU发出隔离命令。4)满足下列条件时,逆变器投入工作:方向手柄有效;无其他故障。(4)牵引控制(加速)。DCU接受驾驶员控制器传来的向前/向后指令和牵引指令,首先确认接收的转矩给定是连续的0~100%指令信号,进行加速度冲击率限制后,再执行牵引控制。逆变器采用间接转矩控制进行启动,随着转速的上升,DCU开始进入直接转矩控制转矩控制、恒功率控制,电机自然特性控制。(5)制动控制(减速)。DCU接受驾驶员控制器传来的向前/向后指令和制动指令,首先确认接收的转矩给定是连续的0~100%指令信号,进行减速度冲击率限制。从高速制动减速时,先执行恒电压及恒滑差频率的电机自然特性控制,再采用直接转矩控制的恒功率控制,最后恒转矩控制,较低转速采用间接转矩控制。

熔断器及隔离开关箱知识点5熔断器及隔离开关箱组成

熔断器及隔离开关箱是地铁车辆为牵引系统和辅助系统供电的构成部分,包含给牵引逆变器和辅助逆变器供电的电器,主要由牵引逆变器保护熔断器(2只并联)、辅助逆变器保护熔断器、单刀单置开关、直流接触器等器件组成。图4-20熔断器及隔离开关箱内部实物结构熔断器及隔离开关箱组成

熔断器及隔离开关箱的柜体是采用不锈钢材料焊接而成的,外表面喷涂油漆,光泽度(50±10)%,可以承受风、沙、雨、雪的侵袭及车辆清洗时清洗剂的作用。熔断器及隔离开关箱总共有前后两个门,即正面的前门和背面的后门。前门有4把门锁,后门不常开,用螺栓紧固。门上均有警示标识,提示有“断电5min后方可操作的字样,请务必遵守。在柜体的左右两侧,分别设有接地螺柱,用于与车体接地相连。

熔断器及隔离开关箱主要元件都以母排相连,只有二次回路以电缆连接。箱内主要器件如熔断器、隔离开关及直流接触器从正面在同一平面内垂直安装,按从左至右的方向一字排列。方便观察、检测和维护;并列的两个熔断器通过过渡母排组装在一起,再连接到上下的铜牌上,以方便检修和更换。直流接触器的控制信号,通过二次电缆与引至箱体左后侧的固定端子板上,再与外部控制系统连接。熔断器及隔离开关箱内所有紧固件都是公制的,并且在紧固后用油漆做好了标记。熔断器及隔离开关箱所有外接电缆都从箱体后侧电缆旋紧件或管接头进出。为了便于识别,柜体内每个器件、接地螺柱、连接器和电缆夹都做了标识。熔断器及隔离开关箱的硬件配置见表4-2。熔断器及隔离开关箱

DC1500V电源从受电弓接线盒送到熔断器及隔离开关箱进线端,分为三路供电:经过MF1熔断器组,过线接线盒进入牵引逆变器,为牵引电路供电,当系统出现严重问题,如线路短路时,熔断器熔断,为后续电路提供保护;经过MF2熔断器组,过线接线盒进入本车牵引逆变器,为本车牵引电路供电,当系统出现严重问题,如线路短路时,熔断器熔断,为后续电路提供保护;经过BF熔断器、BS隔离开关,沿隔离开关输出铜排,到3101端口时分成两路:一路沿3101铜排到KM1直流接触器,经接触器输出铜排,过线接线盒,引入另一熔断器及隔离开关箱内,当该箱受电弓缺电时为其提供电源,或者当本熔断器箱受电弓缺电时,由另一熔断器箱经连接电缆向本箱供电;另一路隔离开关处3101端口接线端子经外接电缆输出铜排,进入辅助逆变器,为辅助逆变器供电;当辅助系统出现严重问题,如线路短路时,BF熔断器熔断,为后续电路提供保护;隔离开关用于隔离辅助系统电路,为检修或实际运行需要提供安全保障;直流接触器用于辅助系统电源的通断控制,由控制系统提供操作电源和控制指令,实现辅助电源通断。应急通风逆变器箱知识点62）应急通风逆变器箱参数应急通风逆变器箱

当列车两台SIV均发生故障,列车三相380V、50Hz交流电源失效的情况下,为保证乘客安全,每辆车配置了一个应急通风逆变器箱,由车辆DC110V蓄电池组经应急通风逆变器为空调机组通风机供电。1）作用输入电压:DC110V(DC77V~DC121V)输出三相交流电压:380VAC±10%(50Hz时)整定频率:35Hz(25~50Hz连续可调)启动方式:调频调压软启动,U/F=恒量输出电压波形:近似正弦波。输出电压谐波畸变≤3%。允许负载不平衡<30%。效率≥90%(功率因数≥90%)。额定功率:3.5kV·A。具有输入欠过压保护、过流保护和负载短路保护

具有自我检测及给列车发出故障和结点信号。

逆变器连接到启动信号后,10s内输出三相电压。3）其他:

采用自然通风的散热方式。过压吸收电阻箱知识点7过压吸收电阻箱

过压吸收电阻箱是为牵引系统在电制动时消耗过高再生电压的耗能设备,保证线网及列车的安全。因为在电制动的情况下,能量不能被电网完全吸收时,多余的能量必须转换为热能消耗在过压吸收电阻上,否则电网电压将抬高到不能承受的水平。因此,过压吸收电阻的存在确保了电网上的其他设备的安全。图4-21过压吸收电阻箱结构图4-22电阻单元滤波电抗器知识点8滤波电抗器

滤波电抗器(FL)的作用是将高压直流中的交流杂波滤除,提高直流品质。每台牵引逆变器装置均配备一个滤波电抗器。滤波电抗器由电抗器和电容器及其他高压器件组成。其设计与高速断路器的分断能力协调一致,以保证突然接地时,不损坏其他设备。滤波电抗器的安装采用屏蔽隔磁板结构以减少磁通密度对其他电气设备、电气线路和客室的影响。(1)形式:采用倒L形LC滤波器(无源滤波器,是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路,可滤除某一次或多次谐波)防止对通信信号等设备的电磁干扰。滤波电抗器为空芯电抗器,滤波电容为油浸电容器。(2)基本参数:额定电流390A、额定电压DC1500V、电感8.5mH组、绝缘等级F级。作用辅助逆变器知识点9辅助逆变器一、辅助逆变器的功能

辅助逆变器是将电网的直流1500V(750V)电源变成交流50Hz、380V/220V电源和直流110V等的电源。对于采用交流供电的照明系统,逆变器还负责向照明系统供电。列车辅助逆变器的工作原理与主牵引逆变器是一致的,只是辅助系统的供电的频率及幅值是固定的,其控制相对主逆变器来说较为简单。辅助逆变器的控制单元与牵引系统控制单元一样,采用模块化设计,分电源、输入输出模块及中央处理器模块等几个部分。每辆列车的2套辅助逆变器(SIV)向全列车辅助系统的负载提供电源;当其中1套SIV故障时,余下的1套能承担6辆车的基本负载并保证列车的正常运行。基本负载是指全部负载中减掉全列车每套空调机组的一台压缩机。辅助逆变器是将电网的直流1500V（750V）电源变成交流50Hz、380V/220V电源和直流110V等的电源。对于采用交流供电的照明系统，逆变器还负责向照明系统供电。工作原理图4-23辅助逆变器箱体内部结构二、技术参数辅助逆变器工况

连接的电路未连接的电路运行受电弓牵引逆变器系统辅助电源车间电源车间车间电源辅助电源受电弓牵引逆变器系统切除无受电弓辅助电源牵引逆变器系统车间电源表4-4辅助逆变器的技术参数变压器箱知识点10变压器箱

变压器箱在辅助电源供电系统中,变压器箱起电压隔离、变换作用,把从SIV输出的低压、大电流的三相电源整定为稳定的工频AC380V电源,供车辆的空调、照明、电热等辅助系统工作,一般安装在Tc车底架上。作用图4-24电容正面维护、维修过程中需要做以下检查:

(1)检查变压器箱内三相变压器和三相电抗器外观状态良好,器件无烧损、破裂等现象。

(2)变压器箱交流滤波电容器检查。1)检查电容器外观状态良好,表面无变色、开裂、剥落、漏油等现象。2)拆卸UVW三相连接,取下固定UVW三相连接线的螺母。3)万用表置于电容挡,将万用表红、黑表笔分别放在电容器的UVW三相接线柱上,测量任意两接线柱间的电容值应大于规定的标准值。图4-24所示为电容正面。4)变压器箱电抗器、变压器线圈阻值及绝缘阻值测量,该值需符合要求。辅助高压箱知识点11辅助高压箱

Tc车下均配置有利于受电弓与车间电源间转换供电的辅助高压箱。辅助高压箱中装有三位置隔离开关,可实现运行、车间、切除三种工况。

辅助高压箱配置有辅助电源输入电路的隔离和接地电路,正常工作情况下辅助隔离开关QS1闭合,SIV接入DC1500V高压电源。SIV维护期间,将QS1置于断开位置,QS1上的辅助联锁接点闭合而将SIV滤波电容器输入端接地,以保证人身安全。正常工作状况图4-25辅助高压箱原理图扩展供电箱知识点12扩展供电箱