25T型客车
供电系统和电气监控系统
前 言
我国首列DC600V/AC380V兼容供电列车于98年在郑州铁路局武昌至北京正式开通运营，并达到了预期的目的。此后，DC600V列车供电系统作为铁道部的一项技术政策，应用到高速列车和动车组，取得了良好的社会效益和经济效益。
从国家的能源政策和环境保护政策目的出发，以接触网供电的电力机车集中向客车供电的DC600V供电系统，无疑具有技术和经济上的优势；而在全国电气化铁路尚未完全成网时，从长远考虑，以DC600V/AC380V兼容供电系统，则是作为一种过渡模式。
DC600V供电系统应用过程中，铁道部有关部门组织了多次技术论证，对推动DC600V供电系统的应用和提高DC600V供电系统的技术水平起到了决定性作用；各科研和生产制造单位在实践中也不断认识和完善了DC600V供电系统。
DC600V供电系统有以下优点：1）电力机车采用单相相控整流方式提供DC600V电源，采用两路供电，具有一定的冗余。一路电源故障时，另一路仍可向客车供电。2）各车厢逆变器放在车下，不占有客车空间。不联挂发电车则可以多联挂一辆客车，增加客运收入。3）各车厢独立性强，列车编组灵活。4）DC110V全列贯通，各车厢DC110V供电系统互补性强，可靠性高。5）供电系统可以实现集中控制，操作简单。
为适应日趋激烈的运输市场竞争的需要，铁道部决定在2004年 4月18日进行第5次大提速。四大干线的旅客列车运行速度将达到160km/h以上。第5次大提速的主要机车是DF11内燃机车、SS9、SS7电力机车；其中电力机车全部实现接触网通过机车向客车供电，而内燃机车也将发电机组安装在机车上；提速的主型客车是我国自主设计制造的25T型客车，构造速度200km/h，运行速度为160—180km/h。
为保障列车的运行安全，提高旅客乘车的舒适度，25T型客车在25K客车的基础上，采用了许多新工艺、增加了很多新的设备，其中供电系统的变化最为明显，其标志是DC600V供电系统和DC600V/AC380V兼容供电系统。
25T客车DC600V供电系统和DC600V/AC380V兼容供电系统在铁道部的组织下，长客、四方、浦镇、唐山和四方所等单位，在25K 型DC600V供电列车和2003部备25G型DC600V供电列车的基础上联合开发设计。为便于现场使用维护，我们将整个供电系统的基本原理和
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主要部件的性能编写成册，简要介绍。
第一章 系统概况
DC600V供电制式的空调客运列车，在电气化区段运行时，采用电力机车集中供电（DC600V）、客车分散变流供电方式。在非电气化区段运行时，DF11客运大功率内燃机车本身带有辅助发电机，既可采用AC380V柴油发电机组集中供电，也可将发电机组输出整流以DC600V方式向客车供电，当实现电气化牵引后，采用DC600V直接供电，这就是DC600V/AC380V兼容供电系统。DC600V供电系统工作原理框图见图1。
机车电源 集中控制器 机车电源 DC600V DC600V 400KW 400KW DC110V 电气综合控制柜 2# 电气综合控制柜 1# 空调 采暖 空调 采暖 伴热 照明 伴热 照明 逆变器 逆变器 2X35KW 2X35KW 充电器 充电器 8KW 8KW
图1 DC600V供电系统原理框图
1电气化区段系统运行方式
电气化区段，新研制的客运（SS8 、SS7、 SS9）电力机车的列车辅助供电装置将受电弓
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接受的25KV单相高压交流电降压、整流、滤波成600V直流电。机车上安装了两套DC600V电源装置，两套装置分两路通过KC20D连接器向空调客车供电。空调客车通过电气综合控制柜自动(按车厢号分奇偶选择)将其中一路DC600V直流电送入空调逆变电源装置（简称逆变器）及DC110V电源装置（简称充电器）。逆变器将DC600V直流电逆变成三相50Hz交流电，向空调装置、电开水炉等三相交流用电负载供电；充电器将DC600V直流电变换成DC110V直流电，给蓄电池组充电的同时向照明、供电控制等负载供电。客室电热器采用DC600V电源直接加热。
25T客车的空调机组为1T1型。采用2335KW逆变器供电，主要从两方面考虑：一是25T客车由于新增加了许多设备，单车负载容量较大；另一方面是为适应新的运行方式，增加供电系统的可靠性和安全性。两台逆变器其中一台主要给空调机组供电；另一台给电开水炉、伴热器等交流负载供电。正常情况下，两台逆变器相互独立，互为热备份。但当其中一台发生故障时，由另一台负责继续向负载供电，只是部分受控负载要减载运行（如空调机组转入半冷或半热工况）。客室电热器、温水器等电阻性负载，采用DC600V直接供电的方式。一方面减轻了逆变器的冬季负载，另一方面减轻了电阻性负载引起的漏电流。
由于电气化区段每隔25km左右便有一个分相区（不同变压器之间换相）即无电区，逆变器在过分相区时停止输出，因此逆变器也没有三相交流输出。为了避免照明负载的频繁断电，所以照明负载采用DC100V直流供电；在牵引区段，由充电器向照明负载供电，而过无电区时则由安装在车下的蓄电池供电。同样，为了保证空调等控制电路的控制电器不频繁吸合和释放，控制电路也采用DC110V供电。
为了防止本车蓄电池放亏或故障，保证重要负载（如轴温报警器等）的供电，全列蓄电池通过阻断二极管并联。尾灯、电话等设施从延续性的角度考虑仍采用DC48V供电。 2非电气化区段系统运行方式
非电气化区段，内燃机车牵引的DC600V/AC380V兼容空调客车既可采用大功率柴油发电机组供电，也可采用将发电机组交流输出整流成DC600V供电。如果发电机组的输出为两路三相50Hz、380V交流电，空调客车通过电气综合控制柜自动选择其中一路的三相交流电直接向空调装置、电开水炉等三相用电负载供电；通过DC110V电源装置将三相AC380V变换成DC110V直流电，给蓄电池组充电的同时向照明、供电控制等负载供电。如果发电机组以整流方式输出为两路DC600V直流电，空调客车通过电气综合控制柜自动选择其中一路DC600V直流电送入逆变器及充电器。逆变器将DC600V直流电逆变成三相50Hz 交流电，向三相用电负载供电；充电器将DC600V直流电变换成110V直流电，给蓄电池充电的同时向110V直流用电负载供电。
特点：25T型DC600V/AC380V兼容供电客车，在主要考虑目前的AC380V集中供电的同时兼顾了DC600V供电系统，即兼容供电系统不仅可以运用在柴油发电机组AC380V集中供电系统，在电气化区段也可以直接用DC600V供电系统。尽管可以由柴油发电机组集中供电，但由于要兼顾DC600V供电，因此DC600V/AC380V兼容供电25T型客车的照明和控制系统
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采用DC110V供电，车下安装中倍率碱性蓄电池和DC600V/AC380V－DC110V充电器；而空调机组、客室电加热、开水炉、温水器伴热等主电路全部采用AC380V供电（不同于电气化区段），控制电路则采用DC110V控制。 3关键技术 3.1电压制式的确定 DC600V供电电压制式的选择，参照了国外供电制式并结合我国国情和技术现状。高压
供电从经济性考虑无疑具备优势。但是，采用高压供电系统必定将降压、整流和逆变器全部集中在客车上，其安装和配重难度较大。而机车集中整流后向客车供电，在技术上没有太大的困难。
基于我国逆变器技术的现状，确定了600V电压等级，因为AC380V三相交流电压整流后的电压为DC540V，而直/交变换存在电压利用率问题，输出交流要达到380V，要求输入电压应在600V左右。国外有540V、600V、660V、720V甚至750V等级。我国采用DC600V电压等级，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。 3.2逆变技术
将交流电变成直流电的过程称为整流，将直流电变成交流电的过程称为逆变。电力机车接触网电压是单相供电而且供电品质很差，不能降压后直接供给列车的用电负载，因而必须用到逆变技术，将单相交流电变成直流电后再逆变成三相交流电供给客车负载。近几年，国内逆变技术已达到实用化程度，为DC600V列车供电提供了技术基础。
客车空调逆变器的基本原理为：在每个正弦波周期内，将直流电压分割成若干个脉冲，这些脉冲的面积，正好等于正弦波的面积。通常情况下，一个周期内脉冲的个数乘以50即为调制频率（什么意思？），调制频率越高，输出的脉冲个数越多，在没有滤波器时，电动机负载的电流越接近于正弦波，而如果有滤波器，则滤波器的体积可以减小，输出电压波形的谐波成分越低。调制频率越高，对IGBT的驱动和保护要求越高，技术难度大。 3.3变频变压（VVVF）技术
电动机在启动时，存在7倍左右的电流冲击，如果不采取软启动方式，逆变器必须至少有7倍以上的额定容量，显然极不经济；同时机车电源也要承受启动电流冲击。如果能做到启动电流较小或基本与额定电流一样，则比较经济而且可靠性高。采用输出电压（V）和输出频率（f）同时变化并保证V/f=C（常数）即可实现软启动。
电动机有两个基本公式：
U = Ceфf -----（1）
M = CmфI -----（2）
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上述两个公式中，Ce、Cm为常数。由公式（1）可以看出，电压U降低而频率保持不变，则磁通ф减小，而根据公式（2），磁通ф减小，必然要增大电流才能保证启动转矩M。而如果保证在电压变化时，频率也保持同步变化，即U/f等于常数，则启动过程中磁通ф保持不变，在保证启动转矩M的同时，可以使启动电流减小，这就是软启动的原理。负载直接启动而不实行VVVF启动的方式称为强迫启动或突投。
I（A） t（s） 图2电动机的启动电流波形
兰色为强迫启动电流波形，红色为软启动电流波形。 3.4大功率高频开关电源
DC600V供电系统中的充电器是供蓄电池充电及照明控制等系统用电的重要设备，由于输入为DC600V（或AC380V），因此必须采用DC/DC变换技术。为了减小充电器的体积和防止高压窜入低压系统，采用高频绝缘式DC/DC变换器。
高频绝缘式充电器在铁路上的应用，其主要技术特点：
采用电压电流双闭环控制，实现蓄电池恒流定压充电。 采用软开关技术，减小IGBT高频开关损耗，效率达到92%。 采用先进的非晶态铁芯制造变压器，减小充电器的体积。
IGBT的开关频率达到20KHZ以上，避开了音频区域，减小充电器的电磁噪音。
3.5综合控制技术
新造25T型DC600V和DC600V/AC380V兼容供电客车采用了智能化综合控制技术，供电系统的转换与控制、空调系统的控制与保护、电源装置的启动与监测等，是基于PLC为核心的智能化控制。可以在触摸屏上设置车厢号、车辆编号；设置电源和空调机组的保护值；设置空调制冷、采暖的转换温度；显示逆变器充电器的工作状态、输入输出参数和故障诊断信息；可以记录电源的运行状态和参数；空调机组的工况和运行参数；记录压缩机、电热器的运行时间和电流参数；可以根据温度传感器自动控制空调装置的工况转换；可以记录电气系统内出现的故障；可以通过触摸屏控制其他车辆的电源和空调工况。
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