城轨车辆辅助电路分析及故障排除设计毕业设计说明书

毕业论文声明本人郑重声明：1．此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除了特别加以标注地方外，本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。2．本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。本人授权大学学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。3．若在大学学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担，与毕业论文指导老师无关。4.本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。论文中凡引用他人已经发布或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。论文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中已明确的方式标明。学位论文作者（签名）：年月关于毕业论文使用授权的声明本人在指导老师的指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、实验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属华北电力大学。本人完全了解大学有关保存，使用毕业论文的规定。同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权大学可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存或编汇本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为大学。本人毕业后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为大学。本人完全了解大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存或汇编本学位论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入学校有关数据库和收录到《中国学位论文全文数据库》进行信息服务。在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。论文作者签名：日期：指导教师签名：日期：毕业设计说明书课题名称：城轨车辆辅助电路及故障排除设计毕业设计任务书一、课题名称城轨车辆辅助电路的原理分析及故障排除二、指导教师三、设计内容与要求1、课题概述:随着城轨车辆牵引动力的交流化和运行速度的提高，列车上的受控部件或控制装置也越来越多，控制和被控设备之间的协调和快速响应显得越来越重要。虽然现阶段城轨车辆大都引入了网络控制，但是由于硬线电路具有极高的可靠性和可维护性，因此在城轨车辆电气设计中仍然大量采用硬线电路来实现其控制功能。本课题主要针对城轨车辆的部分辅助电路，包括辅助逆变器（DC/AC变流器，简称SIV）和低压电源（DC/DC变流器和蓄电池）两大部分等展开分析，指出其常见的故障现象，并详细说明排除故障的方法。2、设计内容与要求：1)设计内容a)辅助系统概述；b)Dc／Ac辅助逆变器供电；c)Dc／Dc辅助变换器(蓄电池充电器)故障处理；d)车载供电系统一380V(3相)；e)辅助电源装置；f)风扇接触器分析及故障排除；2)要求a)要求学生有一定的电气线路识图基础；b)要求学生有一定的电气控制及城轨专业基础。c)通过检索文献或其他方式，深入了解设计内容所需要的各种信息；d)能够灵活运用《电工》或《电机与电气控制》等课程的基础知识和城轨专业知识来分析城轨车辆的辅助电路。四、设计参考书［1］郑瞳炽.张明锐.城市轨道交通牵引供电系统.北京:中国铁道出版社，2008［2］高爽主编.地铁车辆构造与维修管理.北京:中国铁道出版社，2003［3］唐春林.城市轨道交通车辆电气.校本五、设计说明书内容1、封面2、目录3、内容摘要(200-400字左右，中英文)4、引言5、正文（#设计#比较与选择，设计方案原理、分析、论证，设计结果的说明及特点）6、结束语7、附录(参考文献、图纸、材料清单等)六、设计进程安排第1周：资料准备与借阅，了解课题思路。第2-3周:设计要求说明及课题内容辅导。第4－7周：进行毕业设计，完成初稿。第7-10周：第一次检查，了解设计完成情况。第11周：第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。第12周：毕业答辩与综合成绩评定。七、毕业设计答辩及论文要求1、毕业设计答辩要求1)答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。2)学生答辩时，自述部分内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。3)答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。2、毕业设计论文要求文字要求:说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。3、图纸要求:按制图制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注，文字注释必须使用工程字书写。4、曲线图表要求所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。摘要近几年来，我国城市轨道交通发展迅速，为缓解城市交通压力作出巨大的贡献。城轨车辆辅助供电系统的组成功能、结构类型，系统的选用原则和负载的分配。论文详细分析了城轨车辆辅助供电系统的电路原理、主要电气部件的技术参数、功能作用。着重分析了静止逆变器及其控制、城轨车辆辅助系统的维护与保养。城轨地铁车辆的辅助电源系统是机车的重要组成部分，担负着除机车牵引系统主电路以外各种装置的供电任务，如牵引/制动控制装置的控制电源，各冷却用风机、变压器冷却用油泵、变流器冷却用水泵、制动/受电弓等各种气动机械装置提供风源的空气压缩机、空调、通风机等辅助电动机的三相交流电源，电热器、冰箱、信息显示装置的电源等等。机车辅助电源系统由三相交流辅助电源系统和直流电源系统组成。每列车采用两台辅助逆变器，辅助逆变器将1500V接触网提供的直流电逆变处理后为车辆提供两组电源：一组为380V、50Hz的三相交流电，提供给空调、电暖器、电灯、空压机等设备。当一台辅助逆变器发生故障后，另一台辅助逆变器通过扩展供电单元向整列车供电，维持车辆的基本工作。关键词：辅助供电直流电逆变负载分配静止逆变器维护与保养ABSTRACTInrecentyears,therapiddevelopmentofurbanrailtransit,toeasethepressureonurbantransportmakeasignificantcontribution.Function,urbanraihicleapowersupplysystemstructuretypes,Theprincipleofthesystemandtheloaddistribution.Thepaperanalysesurbanrailvehicleauxiliarypowersupplysystemcircuitprinciple,technicalparameters,mainelectriccomponentsfunction.Focusesontheanalysisofthemaintenanceofauxiliarysystemstaticinverteranditscontrol,urbanrailvehicles.城轨地铁车辆的辅助电源系统是机车的重要组成部分，担负着除机车牵引系统主电路以外各种装置的供电任务，如牵引/制动控制装置的控制电源，各冷却用风机、变压器冷却用油泵、变流器冷却用水泵、制动/受电弓等各种气动机械装置提供风源的空气压缩机、空调、通风机等辅助电动机的三相交流电源，电热器、冰箱、信息显示装置的电源等等。Theauxiliarypowersupplysystemofurbanrailmetrovehicleisanimportantpartoflocomotiveexceptthepowersupplytaskundertakeslocomotivetractionsystemmaincircuitoutsidevariousdevices,suchastraction/brakingcontroldevicecontrolpowersupply,coolingfan,pump,convertertransformercoolingbycoolingpump,brake/pantographetc.pneumaticmechanicaldeviceprovidesasourceofaircompressor,airconditioning,ventilationandotherauxiliarymotorthree-phaseACpowersupply,electricheater,refrigerator,informationdisplaydevicepoweretc..LocomotiveauxiliarypowersupplysystemiscomposedofthreephaseACauxiliarypowersystemandDCpowersupplysystem.Eachtrainwithtwosetsofauxiliaryinverter,auxiliaryinverterinvertingDC1500Vcontactnetworktoprovideforvehiclestoprovidetwosetsofpower:asetof380V,50Hzthree-phaseACpowersupply,toprovideairconditioning,electricheater,electric,aircompressorequipment.Whenanauxiliaryinverterfault,anotherauxiliaryinverterbyextendingthesupplyunittothewholetrain,thebasicworkofmaintainingvehicle.Keywords:TheauxiliarypowersupplyDCinverterloadsharingStaticinverterMaintenanceandmaintenance目录第1章城市轨道交通电气线路的识图原则与简介-1-1.1城市轨道交通电气线路的基本知识与识图原则-1-1.2城市轨道交通控制电路构成与各部分电路作用简介-3-1.3城市轨道交通车辆控制电气线路的整体介绍-4-1.4城轨车辆控制电路系统故障介绍及其处理-8-第2章辅助供电系统供电电路的应用-9-2.1背景知识-9-2.2基本原理-9-2.3现状和发展-12-2.4辅助逆变器电路选型-13-2.5辅助逆变器电路选型-16-第3章辅助电路的常见故障的分析与处理-19-3.1车载供电系统一380V(3相)-19-3.2辅助电源装置-20-3.3常见的辅助逆变器电路形式-23-3.41500VDC供电原理-24-3.5闸刀开关-25-3.6辅助系统交流负载-26-3.7辅助逆变器的控制-27-3.8辅助逆变器的操作-27-心得体会-28-参考文献-29-引言人类的活动中心城市是社会进步的标志。随着经济的发展和科技的进步，城市的规模不断扩大。城市范围内的大量人员流动，要求配置便捷、可达性强的客运交通工具，以便人们高效率地达到出行的目的。世界上许多大城市的发展经验告诉我们，只有采用快速轨道交通系统（地下铁道、轻轨、高架独轨交通等）作为公共交通的骨干网络，才有可能有效的完成城市客运任务。在此形势下，城市轨道交通起到了骨干的作用，其中起到主要作用的是地下铁道和轻轨交通。而作为承担这一重要任务之一的地下铁道，其无论从时间方面还是从速度方面，都能在很大程度上满足人们的工作出行需求，而这种准时、准确的保证是从保证地铁正常工作的每个方面来保证的。电气控制是地铁中最为重要的部分之一，只有保证了电气控制的正常工作才能保证列车的运行，所以在列车出现电气故障的时候能够迅速准确的完成故障的查找与处理是重中之重。本文介绍了辅助供电系统是城轨车辆上一个必不可少的部分，辅助供电系统的功能是为空调、通风机、空气压缩机、蓄电池充电器及照明等辅助设备供电。传统的城轨车辆上，辅助电源通常采用旋转式电动发电机组的供电方案。电动机从受电装置获取直流电源，发电机输出三相交流电压向负载供电；对于DC110V和DC24V的用电设备，仍需通过三相变压器和整流装置向其提供电源。这种供电方式机组设备体积大、输出容量小、效率低，而且电源易受直流发电机组工况变化的影响，输出电压波动大，可靠性较差。近年来，我国引进的城轨车辆上，辅助电源均采用了静止式辅助逆变电源。静止式辅助逆变电源直接从城轨车辆受流装置受电，经过DC/DC斩波变换后向三相逆变器提供稳定的输入电压，通过VVVF变频调压控制，逆变器输出三相交流电压。对于多路输出电源，电路还采用变压器隔离形式。这种辅助逆变电源的优点是输出电压的品质因数好、电源使用效率高、工作性能安全可靠。本文第一章从总的方面介绍了电路图的识图概述以及控制电路的整体，并介绍了故障发生的几个常见部件与现象。第二章介绍了辅助供电系统供电电路的应用。第三章介绍了辅助电路的常见故障的分析与处理。第1章城市轨道交通电气线路的识图原则与简介1.1城市轨道交通电气线路的基本知识与识图原则1.1.1电气线路的基本知识电气、电子电路图是人们为了研究和工程的需要，用约定的符号绘制的一种表示结构的图形。电路图是采用相应标准统一规定的电气符号按制图规则表示电气设备连接顺序的图形，通过电路图可以知道实际电路的情况。电路图由元器件符号、连线、结点、注释四大部分组成。元器件符号表示实际电路的元器件，一般表示出了元器件的特点，而且引脚的数目都和实际元器件保持一致。连线表示的是实际电路的导线，结点表示若干个元器件引脚或者若干条导线之间相互的连接关系。所有和结点相连的元器件引脚、导线，不论数目多少，都是导通的。常见的电路图有原理图、方框图、装配图（配线图）等。（1）原理图。是用来体现电路工作原理的一种电路图，也叫做电原理图。（2）方框图。是一种用方框和连线来表示电路工作原理和构成概况的电路图。（3）装配图（配线图）。是为了进行电路装配而采用的一种图纸，图上符号是电路元器件的实物外形图。1.1.2电气线路的识图原则1.划分基本单元；2.基本单元功能分析；3.系统工作过程及功能分析。电气控制电路分析的内容和要求：1.熟悉机械、电气设备；2.根据设备的动作程序，结合设备结构识读电路图；3.分析电气控制系统（1）总体浏览；（2）分析控制电路；（3）分析辅助电路；（4）连锁与保护环节；（5）总体检查。电气设备常用基本文字符号和辅助文字符号（如表1-1所示）：表1-1电气设备常用和辅助基本文字符号 文字符号 字母表示 文字符号 字母表示 文字符号 字母表示 具有延时动作的限流保护器件 FR 具有瞬时动作的限流保护器件 FA 具有延时和瞬时动作的限流保护器件 FS 晶体管放大器 AD 端子板 XT 过电压放电器件避雷器 F 电容器 C 光指示器 HL 交流继电器 KA 照明灯 EL 熔断器 FU 接触器 KM 空气调节器 EV 限压保护器件 FV 电感器 L 选择开关 XK 按钮开关 SB 整流器 U 隔离开关 QS 电阻器 R 控制开关 SA 二极管 V 晶体管 B 晶闸管 KG 插座 XS 电磁阀 YV 端子板 XT 指示灯 HL 蓄电池 GB 断路器 QF1.2城市轨道交通控制电路构成与各部分电路作用简介1.2.1控制电路构成：城轨交通控制电路包括主电路、辅助电路、控制与信息监控电路及门控电路。车辆电气系统包括车辆上的各种电气设备及其控制电路。按其作用和功能可分为主电路系统，辅助电路系统和电子控制电路系统3个部分。1.2.2各部分电路作用：主电路由牵引电机及与其相关的电气设备和连接导线组成，其作用是将电网的电能转变为车辆运行所需的牵引力，当在电气制动时将车辆的动能转换为电制动力。它是车辆上的高电压、大电流、大功率动力回路。辅助电路系统为保证车辆正常运行必须设置的辅助设备(如供某些电器通风、冷却的通风机、空气压缩机、空调装置、车辆照明等)所提供的辅助用电系统。电子与控制电路分为有接点的直流电路和无接点的电子电路，控制电路的作用是控制主电路和辅助电路各电器的工作，通过司机操纵主控制器和各按钮使列车正常运行或由列车自动运行控制系统控制运行。1．直流斩波控制方式主回路包括：（1）线路输入滤波部分。（2）牵引---制动回路部分。（3）主要设备：电机、斩波器、受电弓、高速断路器、主控制器、紧急制动开关等。车辆电气系统包括车辆上的各种电气设备及其控制电路，按其功能可分为：1．主电路：指的是供车辆牵引动力的电路。主要由受流器、牵引箱、牵引电机、电阻、电抗器及电气开关等设备组成。2．控制与信息监控电路：用于对列车实施牵引、制动控制等操作，以及对设备状况进行监控、记录、预报的电路。3．辅助电路：通常由逆变器或发电机输出中级电压供车辆除牵引外电动力设备使用，应急情况由蓄电池维持供电。4．门控电路：对车门进行开、关控制的电路。1.3城市轨道交通车辆控制电气线路的整体介绍1.3.1主电路控制（电路图如图1-1所示）SA—浪涌吸收器；IES—隔离开关；HSCB—高速断路器；LFL—滤波电抗器；CCZ—充电电阻；CCK—充电接触器；LIK—线路接触器；VMD—电压传感器；DBZ—制动电阻；CMD—电流传感器；SS—速度传感器；M1～M4—交流电动机；CBR—差动电流保护器；FCZ—过压保护电阻；LFC—滤波电容器。图1-1主电路控制电路1．工作原理：牵引时，电网通过受电弓P、主熔断器F、隔离开关IES、高速断路器HSCB、线路接触器LIK及逆变器给牵引电机供电。在再生制动时以相反的路径使电网吸收电机反馈的能量。LFL是线路滤波电抗器，LFC是线路滤波电容器，两者构成线路滤波器。接触器CCK与电阻CCZ构成充电限流环节。在受电弓升起、高速断路器闭合后，为防止过大的充电电流冲击使滤波电容器受损，首先闭合CCK，待电容电压达到一定值后，闭合线路接触器LIK，将限流电阻CCZ短接。T1、D1～T6、D6构成VVVF逆变器。在牵引工况将直流电能变换为电压和频率可调的交流电能供给牵引电机。在电制动工况，电机作发电机运行，逆变器以整流方式将电能反馈给电网(再生制动)或消耗在电阻上(电阻制动)。T7、D8构成斩波器，DBZ为制动电阻。斩波器的主要功能是用于电阻制动，用它来调节制动电流的大小。另一个功能是作过电压保护之用。如果在逆变器的直流回路中有短时的过电压，则斩波器工作，通过它对电阻DBZ放电，待过电压消除后斩波器截止。这种过电压的保护环节也叫“软撬杠”。TZ是晶闸管，FCZ是过电压保护电阻。当直流环节发生过电压，经斩波器放电后仍不能消除，则晶闸管TZ导通，直流回路通过FCZ放电。因为晶闸管只能触发导通，而不能用门极触发方式关断，因此TZ触发后必须立即断开高速断路器HSCB，否则会造成直流回路持续放电。这种过电压保护环节叫“硬撬杠”。显然“硬撬杠”的保护动作整定电压值比“软撬杠”的高。(有的主电路中不设此环节)。Rc是固定并联在滤波电容器LFC上的放电电阻。为安全计，要求在主电路断电后LFC两端电压在5min内降到50V以下。由此可以确定放电的时间常数及放电电阻值。IES是隔离／接地开关，在需要主回路接地时将它转换到接地位置。CBR为差动电流传感器，用以检测直流回路流入与流出的电流差，以检测接地等故障。CMD为电流传感器，VMD为电压传感器，SS为速度传感器。2．控制方式：一台VVVF逆变器给同一辆车四台相互并联的电动机M1～M4供电，这种逆变器与电机的配置方式叫1C4M，它们的控制方式叫“车控”方式。也有一种配置是一台逆变器给同一转向架上两台相互并联的电机供电，这种配置方式叫1C2M，它们的控制方式叫“架控”方式。“车控”或“架控”取决于牵引、制动特性要求，以及逆变器与电机容量。我国多数城轨动车采用“车控”方式，但少数也采用“架控”方式，如广州地铁采用了“车控方式”，而天津滨海快速线采用了“架控”方式。如果由一台逆变器给一台电机供电，叫1C1M，也叫“轴控”。在城轨动车中由于电机功率较小，没有必要用轴控(在铁路干线大功率机车中才使用)。3．主电路设有下列保护：（1）输入过流保护：封锁IGBT的门极脉冲、断开HSCB及线路接触器、显示并报警、规定次数复位。（2）输出过流保护：首先改变IGBT的门极脉冲，若在一定时间间隔内仍过流则封锁IGBT门极脉冲、断开线路接触器、显示并报警、规定次数复位。（3）输入过电压保护：牵引工况：当网压高于设定值，首先使斩波器触发，若网压继续升高，则封锁IGBT触发脉冲、断开HSCB和线路接触器、显示并报警。网压下降到规定值自动复位。若主电路中设有“硬撬杠”过压保护环节，则在用“软撬杠”放电仍不能使过压消除情况下，触发晶闸管，使强行持续放电。同时封锁IGBT脉冲，开断HSCB及线路接触器。设置“硬撬杠”对于释放过电压的能量更有效、快捷。制动工况：采用再生制动时，当网压高于某设定值(例如1800V)，则自动转入电阻制动。若网压持续高于某设定值(例如1980V)则封锁IGBT脉冲，断开HSCB和线路接触器转入空气制动。（4）输入欠压保护：低于设定值(例如1000V)逆变器停机，恢复至某设定值(例如1100V)逆变器自动恢复运行。（5）过热保护：VVVF逆变器温度超过第一温度设定值时，逆变器降功率运行。超过第二温度设定值时，逆变器停机、报警并显示。（6）逆变器相电流不平衡保护：当不平衡超过设定值则停机。（7）牵引电机过流保护：保护动作顺序与输出过流保护相同。1.3.2辅助供电系统辅助供电系统包括辅助逆变器、低压电源装置、蓄电池和相关的电气设备和隔离开关、接触器、熔断器、故障转换装置(也称“扩展供电转换装置”)等。1．辅助逆变器辅助逆变器又称静止逆变器，是将直流输入电压变换为三相交流380V电压，给列车上的辅助设备供电的设备。它的主要负载包括空调设备(空调压缩机、冷凝器风扇、蒸发器风扇)、空气压缩机、设备通风机、客室照明以及挡风玻璃除霜器、方便插座、刮雨器等。(有的车上客室照明、雨刮器全用DC110V供电；有的车上所有设备都用自然风冷，则不需设备通风机。)2．辅助逆变器技术要求(1)输入电压范围(2)输出电压波动范围：(一般要求±5％)(3)输出电压波形畸变：(一般要求畸变因数<10％)(4)输出电压不均衡度：(一般在相间对称平衡时，要求<1％)(5)输出频率：50×(1+1％)Hz(6)效率：(一般要求全负荷时>90％)(7)噪声：相距一定距离的分贝[例如：相距1m时小于70dB(A)](8)保护：IP等级(9)过载能力：在额定输出电流下连续工作时，允许施加非周期性过载，对额定容量小于或等于100kVA的装置，过载能力为150％时为1min；对额定容量大于100kVA的装置，过载能力为130％时为30S。3．辅助逆变器对负载启动的要求(1)负载顺序启动，以避免启动冲击电流叠加。(2)当负荷在一定范围内变化时，要求其输出电压瞬间变化在一定范围内，且在限定时间内恢复其额定值。(例如当负荷变化为逆变器额定负载的±30％时，要求其输出电压瞬间变化范围不超过±15％，且在300ms内恢复其额定值。)(3)重复启动和停止一定负载的能力(例如额定负载的60％)。(4)当逆变器已带有部分负载的情况下，启动空气压缩机或空调压缩机等负载，其输出电压降在允许范围之内(例如20％)。4．辅助系统主要功能部分(1)逆变部分：辅助用电设备大都需要三相50Hz，380V／220V交流电源，因而首先要将波动的直流网压逆变为恒压恒频的三相交流电。(2)变压器隔离部分：为了安全必须将电网上的高压与低压用电设备，尤其是常需人工操作的控制电源的设备，在电气电位上实现隔离。通常采用变压器进行电气隔离，同时也可通过设计不同的匝比以满足电压值的需要。(3)直流电源(兼作蓄电池充电器)：车辆上各控制电器都由直流电源DC／DC供电。车辆上蓄电池为紧急用电所需，所以DC110V控制电源同时也是蓄电池的充电器。1.3.3控制电路主要是用来控制车辆的主线路，车辆的起动、运行、调速、停车、反向等一系列的动作，还包括许多监控回路，检测列车各工况下的参数，根据所检测到的故障参数，及时发出指令，控制继电器动作，切断主回路中相关的触点，起到相关保护作用。根据司机发出的指令，控制线路中有关继电器得电或失电，使得对应的主回路接触器动作，最终控制牵引电机的运转，从而控制列车的牵引、制动等工况。1.3.4门控电路包括车门的开启与关闭，车门的监控回路、列车再开门回路。1.4城轨车辆控制电路系统故障介绍及其处理地铁车辆的故障是指维修计划之外的故障和事故，包括在检修基地内进行的故障和在地铁运营线路上的车辆突发故障。地铁车辆故障分为4种情况：1．在线运营车辆发生故障不能正常运行，但经过短时间（2～3min）修复或换件处理可以恢复正常性能维持运行。2．在线运营车辆发生故障，但不影响车辆正常运行，这类故障一般继续维持运行，待车辆回库后再对故障进行处理。3.运营中地铁车辆发生严重故障，不能维持正常运行，且短时间内无法进行有效处理，为了不致耽误车上旅客太长时间和保证地铁线路的正常运行，有必要进行清客，使用地铁车辆或工程车将其牵引出运营线路退出服务，进行维修。4．地铁车辆运营中发生脱轨、颠覆、火灾或车辆走行部分发生如切轴等严重故障，影响车辆运行安全时，车辆维修部门接到报告后，应成立紧急求援队伍，迅速赶赴车辆故障发生地点，将旅客和无关人员进行疏散，将故障车进行紧急处理，如发生火灾还应将火源车辆做隔离处理。这些车辆一般也是回检修基地进行修复处理。第2章辅助供电系统供电电路的应用2.1背景知识DC/AC逆变技术能够实现直流电能到交流电能的转换，可以从蓄电池、太阳能电池等直流电能变换得到质量较高的、能满足负载对电压和频率要求的交流电能。DC/AC逆变技术在交流电机的传动、不间断电源(UPS)、变频电源、有源滤波器、电网无功补偿器等许多场合得到了广泛的应用。DC/AC逆变技术的基本原理是通过半导体功率开关器件(例如SCR,GTO，GTR,IGBT和功率MOSFET模块等)的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。由子是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，因此转换效率比较高。但转换输出的波形却很差，是含有相当多谐波成分的方波。而多数应用场合要求逆变器输出的是理想的正弦波，因此如何利用半导体功率开关器件的开通和关断的转换，使逆变器输出正弦波和准正弦波就成了DC/AC逆变器技术发展中的一个主要问题。2.2基本原理常用逆变器主电路的基本形式有两种分类方法：按照相数分类，可以分为单相和三相；按照直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电压型逆变器和电流型逆变器。具体如下：图2-1逆变器的分类DC/AC逆变器按拓扑结构划分，分为Buck型DC/AC逆变器，Boost型DC/AC逆变器，Buck-Boost型DC/AC逆变器。2.2.1Buck型DC/AC逆变器Buck型DC/AC逆变器电路基本拓扑如图所示。图2-2Buck型DC/AC逆变器电路基本拓扑采用了两组对称的Buck电路，负载跨接在两个Buck变换器的输出端，并以正弦的方式调节Buck变换器的输出电压，进行DC/AC的变换。它包括直流供电电源Vm，输出滤波电感L1和L2，功率开关管S1-S4。滤波电容C1和C2，续流二极管D1-D4，以及负载电阻R。通过滑模控制，使输出电容电压V1和V2随参考电压的变化而变化，从而使两个Buck变换器各产生一个有相同直流偏置的正弦波输出电压，并且V1和V2在相位上互差180度。由于负载跨接在K和代的两端，则DC/AC变换器的输出电压玲为如下式所示的正弦波，图2-3所示即为逆变器的基本工作原理。图2-3逆变器的基本工作原理虽然有一个直流偏置电压出现在负载的任一端，但负载两端电压为正负交变的正弦波电压，并且其直流电压为零。由于DC/AC变换器的输出电流是正负交变的，因此要求电路中的Buck变换器的电流能双向流通，如图2-4所示电路由两组双向Buck变换器组成。如图2-5所示，凡与又是一对互补控制的开关管，D1和D2为反并止极管。当开关S1闭合、S2打开时，若电感电流方向为正，则电流流经S1，若为负则电感电流经D1续流。当S1打开、S2闭合时，若电感电流方向为正，则电流经D2续流，若为负则电感电流流经S2。如图2-6所示一对互补控制的开关管曲线图图2-4两组双向Buck变换器图2-5一对互补控制的开关管图2-6一对互补控制的开关管曲线图2.2.2Boost型AC/AC逆变器Boost型DC/AC逆变器电路基本拓扑如图2-7所示。采用了两组对称的Boost电路，负载跨接在两个Boost变换器的输出端，并以正弦的方式调节Boost变换器的输出电压，进行D/AC的变换。它包括直流供电电Vm，输出滤波电感L1和L2，功率开关管S1-S4，滤波电容C1和C2，续流二极管D1-D4，以及负载电阻R。通过滑模控制，使输出电容电压K和K随参考电压的变化而变化，从而使两个Boost变换器各产生一个有相同直流偏置的正弦波输出电压，并且V1和V2在相位上互差180度。获得的输出电压为V0=V1-V2，是一个正弦电压。图2-7Boost型DC/AC逆变器电路基本拓扑2.2.3Buck-Boost型DC/AC逆变器。基本原理为上述两种结构的中和，这里就不做太多解释了。2.3现状和发展一般认为，DC-AC逆变器的发展可以分为如下两个阶段。1，1956-1980年为传统发展阶段。这个阶段的特点是：开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加为主，体积重量较大，逆变效率低。正弦波逆变器开始出现。1960年以后，人们注意到改善逆变器波形的重要性，并开始进行研究。1963年，F.G.Turnbull提出了“消除特定谐波法”，为后来的优化PWM法奠定了基础，以实现特定的优化目标，如谐波最小、效率最优、转矩脉动最小等。2、1980年到现在为高频化新技术阶段。这个阶段的特点是：开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以PWM法为主，体积重量较小，逆变效率高。正弦波逆变器技术发展日趋完善。20世纪70年代后期，可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR及其模块相继实用化。80年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了多种高频化的全控器件，并得到了迅速发展，如功率场效应晶体管PowerMOSFET，绝缘门极晶体管IGT或IGST,静电感应晶体管SIT,静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管MCT,MOS晶体管MGT、IEGT以及IGCT等。这就使电力电子技术由传统发展时代进入到高频化时代。在这个时代，具有小型化和高性能特点的新逆变技术层出不穷，特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。今后，随着工业和科学技术的发展，对电能质量的要求将越来越高，包括市电电网在内的原始电能的质量可能满足不了设备的要求，必须经过电力电子装置变换后才能使用，而DC/AC逆变技术在这种变换中将起到重要的作用。2.4辅助逆变器电路选型2.4.1从逆变器电路原理选型城市轨道交通列车使用的逆变器从电路原理组成有先经升/降压稳压后逆变和另一种是直接逆变两种。先升/降压稳压后逆变原理电路框图如图2-8所示。CHO为升/降压器,一般有斩波降压(如图2-8)和逆变降压(如图2-9)两种方式,其作用是使逆变器输入电压稳定,并对逆变器起保护作用。INV为逆变器,它的输出经电感电容滤波网络FIL滤波后输入到隔离变压器T0变压器的原边绕组为△连接,次边绕组为Y连接。输出三相四线AC380V,50Hz电压。另有2个变压器T1、T2由AC380V供电。分别经降压、整流、滤波后输出DC110V和DC24V。图2-8先升/降压稳压后逆变原理电路框图逆变器采用PWM调制,它的开关频率要兼顾两方面:过高则因开关损耗较大而影响逆变器的效率,还会由于正、负组换流所需的“死区”影响占空比,影响逆变器输出波形的谐波含量;若过低也会使输出电压波形谐波含量较大。一般采用SPWM调制,将开关频率控制在2.5kHz左右能兼顾这些要求。目前由于器件水平与控制技术的提高,已很少采用升/降压环节。即使对于DC750V的供电系统来说,其网压波动范围也为-33.5%～+20%,与DC1500V供电系统一致,所以对于DC1500V系统能做到的,对于DC750V系统同样能做到。直接逆变是城市轨道车辆辅助逆变电源最简单的基本电路结构形式,原理如图2-10所示。开关元器件通常可采用大功率GTO、IGBT或IPM。辅助逆变电源采用直接从受电弓或第三供电轨受流方式,逆变器按V/F等于常数的控制方式,输出三相脉宽调制电压采用变压器隔离向负载供电。这种电路的特点是电路结构简单、元器件使用数量少、控制方便;但逆变器电源输出电压容易受电网输入电压的波动影响,功率电子器件(如IGBT)换流时承受的du/dt较大,特别是在高电压情况下(DC1500V供电系统再生制动时,网压可达2000V)。图2-9上海地铁二、四号线辅助逆变原理电路框图输入滤波器INV逆变器FIL交流滤波器图2-10直接逆变电路结构框图2.4.2从逆变器的电路构造选型城市轨道辅助逆变器的电路构造有两种形式:双逆变器型和单逆变器型。双逆变器型又有串联型与并联型。单逆变器型有先升/降压后逆变型和直接逆变型。这些逆变器均采用二电平逆变方式。目前广州一号线采用的是双逆变器型(如图2-11),其他基本上采用单逆变器型。2.4.2.1对双逆变器型的评价(1)优点:开关频率低,仅150Hz。因此开关损耗小,逆变器效率高;输出电压为12阶梯波,电压的最低次谐波为11次。因此,对输出滤波器要求低。可以把较低电压的电力电子器件用于较高电源电压的逆变器。(2)缺点:电路复杂,使用器件多。两台逆变器串联,动态均压要求高,故障率高。每台逆变器输出电压为6阶梯波,因而不论是DY、DZ变压器或是T变压器,它们的原边绕组输入电压的谐波含量高,变压器中的谐波损耗大。变压器结构复杂,对于电路叠加型的DZ变压器,它的次边绕组为曲折连接,对于磁路叠加型的变压器,两个原边绕组由不同相位的电压分别输入,需作特殊设计。图2-11广州一号线辅助逆变器结构框图2.4.2.2对单逆变器的评价(1)优点:电路简单,使用器件少,可靠性高。PWM调制,输出电压的谐波含量小,而且可以设计优化的PWM调制,使谐波含量达到要求。逆变器电压输出先经交流滤波网络滤波后输入隔离变压器。因此,输入变压器电压的谐波含量低,变压器中谐波损耗小。变压器结构简单,无需特殊设计。(2)缺点:开关频率较高,相对于双逆变器方案,开关损耗大,逆变器效率较低。功率电子器件(如IGBT)换流时承受的du/dt(DC1500V供电系统再生制动时,网压可达2000V)。目前城市轨道交通车辆的辅助逆变器多数采用单逆变器型。2.4.3DC/DC变流器型式比较城市轨道列车DC/DC变流器有两种型式:直接变换与间接变换。直接变换工作可靠性与辅助逆变器无关,采用半桥高频逆变降压后整流输出要求DC一般为DC110V和DC24V;间接变换由辅助逆变器供电经降压、整流的型式。广州一、二号线车辆采用直接变换;广州三号线车辆等采用间接变换。2.5辅助逆变器电路选型城市轨道列车辅助供电有分散供电和集中供电这两种供电方式。在2M1T(3节车辆)构成一个单元的地铁车辆(由两个单元,即6节编组构成一列车)中,每节车辆均配备一台静止辅助逆变器,每单元共用一台DC110V的控制电源,这种供电方式为分散供电。在6节编组地铁车辆中,每单元只配一台静止辅助逆变器,直流110V控制电源也一台,这种供电方式为集中供电。轻轨车辆大都采用1M1T(2节车辆)构成一个单元,由两个单元(所谓4节编组)构成一列车,每单元只配一台静止辅助逆变器,也为集中供电。在我国早期引进的地铁车辆辅助供电多采用分散供电方式,如图2-12和图2-13所示。图2-12“Suv”为辅助逆变器,DC/DC变流器由辅助逆变器供电经降压、整流的输出,“AC1和AC2”为每节车的两台空调,“AC”为每节车的其他交流设备,“DC”为每节车的直流设备。图2-13“SIV”为辅助逆变器,DC/DC变流器采用半桥高频逆变降压后整流输出,“AC1和AC2”为每节车的空调、空气压缩机和风机交流负载,在每单元车中,A车电器柜内的220V交流插座的电源由B车的DC/AC提供,B车电器柜内的220V交流插座的电源由A车的DC/AC提供,C车电器柜内的220V交流插座的电源由自身的DC/AC提供,“DC”为每节车的直流设备。图2-12上海地铁一、二号线车辆辅助供电框图图2-13广州一号线车辆辅助供电框图我国在上海地铁二号线车辆后引进的城市轨道车辆辅助供电多采用集中供电方式,即每个单元由一台辅助逆变器供电。图2-14为广州二号线车辆辅助供电方式,辅助逆变器在C车与主逆变器在一起,DC/DC在A车上采用直接变换方式。图2-15为上海四号线车辆辅助供电方式,辅助逆变器在A车上,DC/DC采用间接变换方式与辅助逆变器在一起。图2-14广州二号线车辆辅助供电框图图2-15上海四号线车辆辅助供电框图广州三号线车辆采用两动一拖组成一列车,A车为带司机室的动车,B车为拖车,两台辅助逆变器(在一个箱体中)在B车上,DC/DC是位于B车内的辅助逆变器的一个组件,两个低压电源(每个辅助逆变器中有一个)都用于同时为整个三节编组列车内的直流负载供电,同时对蓄电池充电。图2-16为广州三号线车辆辅助供电方式,在正常运行中,两个三相系统相互独立工作,一个辅助逆变器的三相交流输出可以为一节A车和半节B车供电。一个辅助逆变器故障时,将通过断开相应输出接触器的方式将故障的辅助逆变器与三相配电回路之间隔离。10s之后,偶合接触器将闭合,先前被隔离的三相回路将被组合到一个系统中,由另一个有效辅助逆变器供电,每节车关闭一个空调单元和关闭故障辅助逆变器供电的空压机图2-16广州三号线车辆辅助供电框图近年来,上海、广州、北京等城市引进的城市轨道车辆上,辅助电源均采用了静止式辅助逆变电源,这种辅助逆变电源输出电压品质因数好、电源使用效率高、工作性能安全可靠。采用静止辅助逆变电源代替传统的直流发电机组供电装置,已是城市轨道交通列车发展的必然趋势。第3章辅助电路的常见故障的分析与处理3.1车载供电系统一380V(3相)架空线路导线截面积选择计算低压电动机的供电架空线路导线截面的选择，一般先根据基本要求，然后再按常用的计算方法核算确定。1．基本要求2.（1）自配电变压器二次侧出口至线路末端的允许电压损失为额定电压的7％；(2)线路的最大工作电流，不应大于导线的安全载流量；(3)铝绞线的最小截面积为16mm2。2．常用的计算方法(1)先由下述公式求出工作电流：Ie=ηϕ·cos3UePe(A)(3-121)式中Pe——电动机的额定功率，W；Ue——线路的额定电压，V；η——电动机的机械效率。(2)查铝绞线规格及安全载流量表，选取某规格的导线。(3)算出线路的总电压损失百分数：△U％=△u％·P·l(3—122)式中△u％——每kW·km的电压损百分数，由380V三相架空线铝绞线单位电压损失表中查得；l——线路的长度，km。按基本要求，△U％不大于7％。(4)校核机械强度，若新选择的导线截面小于16mm2时，应采用16mm2的铝绞线。上述的计算方法虽不复杂，但对青年电工和农村电工来说(由于他们的技术资料较缺乏)，计算起来仍不很方便。现介绍一种选择单台380V三相电动机供电架空线路导线截面的经验公式。在低压架空电力线路上，由于距离较短和负荷不大，为了计算方便，经常使用简化方法计算其电压损失:△U％=CAPL×100％(3—123)式中A——架空导线的截面积，mm2；C——常数，在采用铝绞线时取50。单台380V三相电动机的供电架空线路则是典型、常见的距离较短和负荷不大且平衡的电力线路，当电压损失按6％考虑时，由简化计算公式(3—123)则可推导出经验公式：AA1=3Pl(3—124)式中AAl——采用铝绞线的截面积，mm2；P——电动机的额定容量，kW；l——电动机到配电变压器处的距离，hm。因为铜导线电阻率(0．017)约为铝导线电阻率(0．027)的0．6倍，由此可得出经验公式：Acu=5Pl(3-125)式中Acu，——采用铜绞线的截面积，mm2。为了读者便于记忆及在现场运用，得出计算口诀：电机供电架空线，经验公式选截面。千瓦百米铜除五，千瓦百米铝除三。实际运用经验公式或计算口诀选择截面时得知：低压架空铜、铝绞线截面积速选公式、口诀可互用互换算。规则是在同等条件下，铝绞线截面大一线号等级，即用“铜除五”算出截面积数值，选出铜绞线标称截面，较其大一级的标称截面，即为选用的铝绞线截面积。为了满足机械强度的要求，当用口诀计算出铝导线的截面积规格不足16mm2时，可选用16mm2的铝线。若利用经验公式计算的结果略大于某一种规格的导线，建议选用偏小的规格导线。例如：计算得AA1=53mm2，则可选用LJ一50，因为公式中的系数3已考虑了△U％低于7％的因素。3.2辅助电源装置　城轨地铁车辆的辅助电源系统是机车的重要组成部分，担负着除机车牵引系统主电路以外各种装置的供电任务，如牵引/制动控制装置的控制电源，各冷却用风机、变压器冷却用油泵、变流器冷却用水泵、制动/受电弓等各种气动机械装置提供风源的空气压缩机、空调、通风机等辅助电动机的三相交流电源，电热器、冰箱、信息显示装置的电源等等。机车辅助电源系统由三相交流辅助电源系统和直流电源系统组成。每列车采用两台辅助逆变器，辅助逆变器将1500V接触网提供的直流电逆变处理后为车辆提供两组电源：一组为380V、50Hz的三相交流电，提供给空调、电暖器、电灯、空压机等设备。当一台辅助逆变器发生故障后，另一台辅助逆变器通过扩展供电单元向整列车供电，维持车辆的基本工作。3.2.1辅助电源装置运行原理1)输入滤波电路，输入滤波电路可减小1500V接触网提供的DC电源的整流波纹，降低进入变流器的高谐波电流。2)变流器电路,恒压恒频(CVCF)变流器具有产生3相交流电压的功能，变流器控制方法同样是3级PWM方法(使用IGBT)。3)交流输出滤波电路,交流输出滤波电路通过使用变压器，实现380V电路与1500V接触网高压电隔离。交流输出滤波电路可减小切换波纹和谐波，以产生低畸变输出电压。4)蓄电池充电器电路,蓄电池充电器提供110V直流电为列车蓄电池充电，并且为列车110VDC控制电路和列车24VDC控制电路提供电力。3.2.2蓄电池充电器蓄电池充电器输出电压和电流通过HCT2反馈(FB)到控制电路。该电流的反馈(FB)值受到控制限制器的限制。将电压指令及输出电压和电流的反馈值比较，产生电压误差。将电压误差输入到电压控制器。电压控制器的输出在A/D(模拟/数字)转换器中转换，A/D(模拟/数字)转换器的输出被输入到主控制器中。主控制器以AC380V的相位同步而产生IGBT用的闸极脉冲。DC-DC转换器与DC110V电池线路连接，为负载提供稳定的DC24V电压。蓄电池充电器的控制电路基本控制方法如下：控制电路有一个低电压控制器和一个大电流控制器。电压控制器将可控硅转换器的输出电压保持为恒定值。输出电压随输出电流从110V+3%变化至110V-3%，呈下降特性。该特性可用于电池充电器电流平衡。另外，电流控制器还可以在过电流条件下将输出电流限制在110%以内。3.2.3交流辅助电源系统交流辅助电源系统多采用辅助变流器生成三相交流电压为机车、动车组上辅助电气设备供电。辅助变流器根据输入侧的不同，主电路可分为交-直-交型和直-交型;根据输出的不同，可分为恒压恒频(CVCF)逆变器和变压变频(VVVF)逆变器;根据主电路电平级数的不同，可分为两电平辅助变流器和三电平辅助变流器。动车组辅助逆变器一般为CVCF逆变器。在机车上，除了提供恒压恒频的辅助变流器，为节约能耗、降低通风机噪声，还有按照不同状态下设备所需要的功率来调节电压和频率的VVVF辅助变流器。通常，在同一种车型上的CVCF逆变器和VVVF逆变器硬件结构相同，仅控制方式不同。三电平辅助变流器的特点是可降低开关器件的耐压等级，输出波形较好，谐波较少，但采用的器件较多，控制方式也较复杂，因此，随着电力电子器件的发展，结构和控制均简单的两电平辅助变流器占据了主流地位。下面分别探讨交-直-交型和直-交型辅助变流器的实现方案。3.2.3.1交-直-交型辅助变流器交-直-交型辅助变流器是由牵引变压器辅助绕组供电，与牵引变流器相同，一般也是由网侧变流器、中间直流回路、三相逆变器三部分组成。由于接触网电压的波动较大，因此，交-直-交型辅助变流器输入的单相交流电也有较大的波动，为了获得稳定的中间直流回路电压，辅助变流器的网侧必须采用可控整流电路。以前多采用相控整流电路，电路和控制简单，造价较低，但网侧的功率因数较低，对电网的影响大。随着电力电子技术的发展，脉冲整流器已开始取代相控整流器，它可使网侧的功率因数接近1，且动态响应性好。3.2.3.2直-交型辅助变流器系统　直-交型辅助变流器是从直流电网(DC750V或DC1500V)或直接从牵引变流器的中间直流环节取电，由逆变器实现直流电到三相交流电的转换。直-交型辅助变流器在机车、动车组、城轨等场合得到了越来越广泛的应用。由于输入电压较高，为保证输出辅助电气设备所要求的电压等级，一般需要增加降压设备。有两种方式，一种是先逆变，再通过三相降压变压器将较高的交流电压降到所要求的电压等级;另一种是先通过降压电路将直流输入电压降低到合适的值，再进行逆变。为得到品质良好的三相交流电源，通常需要增加滤波环节。在方式一中，三相电抗器/电容器滤波或三相LC滤波器可放置在逆变器和降压变压器之间，也可放置在变压器之后。方式二中，则将滤波器放置在逆变器输出之后。　3.2.3.3直流电源系统直流电源系统为列车照明和控制系统供电