铁路客车DC600V供电设计技术

铁路客车DC600V供电设计技术作者 胡晓春 温晋峰内容提要: 本文重点介绍了铁路客车DC600V供电系统的组成：逆变器箱、充电机箱、电气综合控制柜、蓄电池箱、车端连接器及布线等设备；介绍了DC600V供电系统在25G/T型车的设计步骤及设计验证,并对DC600V供电系统的安全设计作简要描述。

※ ※ ※1 概述供电技术是客车转向架、制动和供电三大核心技术之一，是列车快速、舒适、安全运行的基本保证。

近几年来，随着我国铁路运输事业的快速发展，旅客列车的供电技术也在不断进步，列车供电电源由客车轴驱发电到发电车集中供电和机车集中供电，其供电制式从最初的DC48V发展到现代的AC380V 和DC600V，尤其在客车实现DC600V供电后，列车的供电技术、控制技术和应用技术已经有了质的飞跃，供电设计技术已成为客车设计中的关键技术之一。

为了便于相关设计师对DC600V供电技术的学习和了解，我们编制了本教材，供大家学习参考。

本文就列车DC600V供电系统、客车DC600V系统组成、系统安全设计和DC600V供电的25G/T型车设计步骤进行重点介绍，并对DC600V供电制式的客车电气设计步骤进行简要阐述。

2列车DC600V供电系统目前我国铁路客车DC600V供电电源是由机车提供的，采用的是机车集中整流客车分散变流方式。

采用DC600V供电电压，是参照了国外供电制式并结合我国国情和技术现状所作出的选择。

高压供电从经济性考虑虽然具备优势，但是采用高压供电系统无疑需将降压、整流和逆变环节全部集中在客车上，其安装和配重难度较大。

而机车集中整流后向客车供电，由客车分散变流，在技术上没有太大的困难。

由于直/交变换存在电压利用率的问题，所以要达到输出AC380V,要求输入电压应在DC600V左右。

同时基于国外有直流540V、600V、660V、750V等级，所以我国采用DC600V电压，一方面可以提高逆变器的可靠性，另一方面这个等级的电压，实际在绝缘、耐压等方面与AC380V基本一致，安全性好。

2.1 机车供电电源在电气化区段，电力机车的列车辅助供电装置将受电弓接受的25 kV单相高压交流电降压、整流、滤波，形成两套独立DC600V直流电源，两套装置分两路通过连接器向空调客车供电，供电容量2x400kW。

在非电气化区段，内燃机车发电机组发电、整流、滤波，形成两套独立DC600V直流电源，两套装置分两路通过连接器向空调客车供电，供电容量2×400kW。

2.2 客车电源变换机车输送至客车的DC600V直流电源,经客车逆变电源装置的转换，将DC600V直流变为AC380V交流电源供车辆空调等交流设备使用，车下分线箱从车下干线上引出DC600V支线至车上，供电热器、开水炉等DC600V直流设备使用。

车下充电机箱将DC600V直流电变换为DC110V直流电供车上控制系统使用(并对蓄电池充电)。

车辆各用电装置的电能分配及控制由客车综合控制柜完成。

2.3 供电路径客车车下设两路DC600V干线，分别布设在车下两侧线槽，通过车端连接器的连接，实现全列贯通。

DC110V干线也分两路分别布设在车下两侧线槽，通过车端连接器实现全列贯通，但DC110V干线与机车之间没有联系。

车下电源经铁地板线槽引至车上综合控制柜，再经过车上线槽将电源引至各用电设备。

3客车DC600V系统组成客车DC600V供电系统主要由以下装置组成：逆变电源装置（以下简称逆变器箱）、DC600V/DC110V 电源装置（以下简称充电机箱）、电气综合控制柜、蓄电池箱、车端连接器及布线等设备组成。

本文以25G/T型客车为例，详细介绍系统各组成部分。

3.1逆变器箱逆变器箱包括两个容量及硬件结构完全相同的逆变器和一台容量为15KVA的隔离变压器。

两个逆变器在硬件结构和容量上完全相同，控制软件采用一致性设计，只是逆变器内部配线稍有不同。

两个逆变器电路相互独立，通过输出接触器的控制使两个逆变器的输出相互备份，提高了系统的可靠性。

正常工况下，15KVA的隔离变压器作为2＃逆变器负载。

在故障情况下，通过热备转换板控制逆变器输出接触器和转换接触器的相应动作，来实现逆变器的负载切换功能。

逆变器具有完善的输入过压、输入欠压、输入过流、输出过压、输出欠压、输出过流、输出过载、散热器过热、功率器件短路、接触器故障、内部故障等保护功能，系统的运行状态可以通过微机控制板上的双位数码管显示出来，同时通过微机控制板上的RS485通信接口将运行状态传送给综合控制柜进行显示。

逆变器箱的外形结构见图1。

逆变器电路前端及后端均加滤波模块，以提高逆变器的供电品质。

逆变器的主电路电气原理简图见图23.1.1逆变器工作原理逆变器是将客车提供的DC600V电源，加至由六个功率开关器件(IGBT)所组成的三相逆变器，微机控制系统产生三相PWM信号，经六路门极驱动电路分别驱动功率开关器件，产生三相PWM波形后经滤波 器形成三相对称的准正弦波。

同时将电压检测电路、电流检测电路检测到的各部分工作状态与微机控制系统预先设定的软件程序比较后，决定是否发出运行或保护指令，同时依据输入电压的变化调节输出电压，从而使三相逆变器输出恒定的三相380V、50HZ的准正弦波，供给客车空调机组使用，并通过隔离变压器变换输出三相四线AC380V交流电，供给客车其它交流负载用。

3.1.2主要性能技术参数图1 逆变器箱外形结构图逆变器： 额定容量为35kVA ，额定输入电压为DC600V， 最高输入电压范围为DC500V ～DC700V(瞬间720V)，额定输出频率50Hz±1。

隔离变压器：额定容量为15kV A，输入电压为逆变器输出电压，输出电压为额定相电压有效值AC220V±5%。

额定输出频率50Hz±1，接线方式为△/Yo。

3.2充电机箱充电机箱包括一台8KW充电机与一台3.5KVA单相逆变器。

其外形结构图见图3。

充电器箱的主要功能包括：为车辆提供高质量的直流电源，对蓄电池进行限流恒压智能充电；为车辆上的影视系统及充电插座提供AC220V交流电源；为蓄电池提供亏电欠压保护；通过485通讯接口上传充电器运行信息至综合控制柜。

3.2.1工作原理图2 逆变器主电路电气原理简图充电机：充电机为DC/DC 高频开关电源，专门为DC600V 供电制式空调客车提供DC110V 直流电源以及为蓄电池提供智能充电。

充电机具有输入过压、欠压、过流、输出过压、过载、短路等保护功能。

充电机主回路主要有输入滤波电容、桥式逆变电路、高频变压器、整流、滤波几部分构成。

原理框图如图4，电气原理图见图5。

单相逆变器：单相逆变器将由蓄电池提供的直流电源转换位单相AC220V 交流电源，为客车的影视系统及充电插座提供电源，额定输出功率为 3.5KVA 。

单相逆变器具备过欠压、过流、短路等保护功能。

3.2.2充电机的UI-充电特性充电器的输出电压和电流受到控制，电流被分成两部分：负载电流（+110、L+）和充电电流（D+），当蓄电池电压低于120V（可调）时，充电电流被限制在0.2C5，蓄电池电压慢慢升高，直至升至120V 电压开始恒定不变，然后充电电流慢慢减小。

充电曲线如图6.U2V2W2U1V1W1U3V3W3INVERTER2图3 充电机箱外形尺寸3.2.3温度补偿DC600V供电制式的25G/T型车，其充电机都有对电池进行温度补偿充电的功能。

在蓄电池箱内设置一个温度传感器，可以按照TA、TB、TC所接PT100传感器自动进行充电电压的温度补偿。

充电机浮 充电压在118V～123.5V范围内自动调节，当蓄电池箱内环境温度低于25℃时，充电电压自动调高，当蓄电池箱内环境温度高于25℃时，充电电压自动调低，当环境温度为25℃时，充电机对电池的浮充电压为120±1V。

3.2.4主要性能技术参数充电机：额定容量为8KW，输入额定电压DC600V，输入电压范围DC500V～ DC700V；额定输出电压为DC118～DC123V（随温度补偿可调），出厂整定值为 120±1V。

图4充电机电气原理框图 图5充电机电气原理简图图6 充电机UI-充电特性单相逆变器：额定容量为3.5KVA，输入额定电压DC110V，输入电压范围DC77V～ DC137.5V，额定输出电压为AC220V±1V，频率50HZ。

3.3 综合控制柜TKDT型铁路客车电气综合控制柜用于DC600V供电客车，是集电源转换控制、空调机组控制、蓄电池欠压保护、照明控制、联网通讯等功能单元于一体的智能型综合控制柜。

综合控制柜的控制核心采用可编程控制器PLC，PLC通过微型可编程序终端显示触摸屏接受各种指令并自动执行相应的操作步骤，对电气系统运行中出现的各种故障及时进行诊断、指示并保护。

综合控制柜具有检测、控制、诊断保护、信息提示、联网通讯功能，实现客车电气控制系统的综合控制，可进行车对车通信，也可初步实现车对地、地对车的计算机联网通讯。

3.3.1 主要部件技术参数及功能3.3.1.1综合控制柜控制单元综合控制柜控制单元由PLC主机单元（CPM2A-CPU61）、12/8点的I/O扩展模块（CPM1A-20EDR1）、信息显示触摸屏（NT31-ST122-EV2或NT31-ST123-EV3）组成。

a) PLC功能PLC是可编程逻辑控制器的缩写，对整个电气系统进行自动控制，实时监测电气系统运行过程中的参数并进行分析，对出现故障自动处理，通过显示触摸屏实现人机对话，响应显示触摸屏输入的命令、参数，将故障信息、运行记录通过显示触摸屏显示等。

b) 显示触摸屏功能显示触摸屏是一种微型可编程终端，采用全中文液晶显示触摸屏（带背光），具有字符类型和图象类型显示，由通讯接口和PLC的外设接口进行通讯。

主要功能是现场参数设定，电源转换、空调机组等功能单元运行工况的人为控制，运行工况参数的显示，实时显示各功能单元的运行状态及实时报告故障现象。

3.3.1.2交、直流电源a) 主电路电源主电路由两路电源母线中的其中一路提供电源，向温水箱、逆变器、充电器供电，并由逆变器Ⅰ、逆变器Ⅱ变换成AC380V/50Hz，向车内空调、伴热等交流负载供电。

b) 蓄电池DC110V电源全列贯通，各车厢蓄电池及充电器通过逆流二极管与DC110V干线并联。

蓄电池在充电机停止或故障时，向本车照明、水位显示、塞拉门、车下电源箱控制、温水箱开水炉控制等负载供电。

c) 直流控制电源应急灯、轴温报警器、防滑器、DC24V与DC12V电源模块等重要负载由列车直流110V母线供电；照明、温水箱、开水炉、水位显示等负载的控制电源由本车直流110V电源提供；控制柜内的DC-DC电源模块将DC110V电源转换成直流24V电源向PLC、显示触摸屏、网关、安全用电记录仪供电；转换成直流12V向传感器供电；DC110V/DC48V电源将DC110V转换成直流48V电源向尾灯、电话插座供电。