客车逆变器充电机综合性能试验装置技术改造.docx

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客车逆变器充电机综合性能试验装置技术改造

客车逆变器充电机综合性能试验装置技术改造

技术研究报告

乌鲁木齐车辆段

2015年11月25日

一、项目来源及选题目的和意义

（一）项目来源

1.乌鲁木齐车辆段于2014年初集中配属25T型DC600V直供电客车312辆，后逐步配属，目前已达到436辆。

2015年8月份开始将陆续达到A3修程，铁总运【2015】29号《铁路客车电气装置检修规则（试行）》（以下简称《新电规》）于2015年7月1日起开始实施，对DC600V客车逆变器及充电机A3修程中检测试验的项目、标准和精度重新进行了规范和要求，全路现有的DC600V客车逆变器充电机试验装置是按照铁运[2006]142号《25T型客车检修规程（A1、A2、A3级修程）的通知》（以下简称《旧电规》）进行设计制造的，新项目不能试验、检测达不到新标准。

2.乌鲁木齐车辆段配属的25T型DC600V直供电客车，逆变器及充电机分别由南京华士、四方所、铁科院、江苏新誉、武汉正远、株洲时代、北京鼎汉7个厂家生产，尽管铁总在《铁道客车DC600V电源装置技术条件V1.01版》中对车下电源硬件及接口进行了初步统型，但实际检修中还存在以下问题：

（1）逆变器电源程序未统型。

每个生产厂家逆变器电源运行程序不同，全路现有的DC600V客车逆变器充电机试验装置不能与所有的不同程序匹配。

（2）充电机输出端加装模拟负载未统型。

DC600V车下电源充电机生产厂家有的在充电机输出端加装了模拟负载，有的未加装，全路现有的DC600V客车逆变器充电机试验装置无法按照《新电规》要求对所有的充电机进行检测试验。

所以，DC600V客车逆变器充电机试验装置技术改造势在必行。

（二）选题目的和意义

既有的DC600V客车逆变器充电机试验装置是按照原铁运[2006]142号《旧电规》进行设计制造的，不能按照铁总运【2015】29号《新电规》新增标准进行检测试验。

《新电规》于2015年7月1日起开始实施后，我局配属的DC600V直供电客车首次A3修，如果不对DC600V客车逆变器充电机试验装置进行技术改造，《新电规》的新标准、新项目在A3修中无法落实，也不能实现对DC600V直供电客车不同厂家逆变器充电机检测试验的兼容匹配，导致部分客车无法检修，直接对客车的安全使用造成严重影响。

我局配属DC600V直供电客车首次A3修时《新电规》开始实施，按照《新电规》标准进行DC600V直供电客车A3修，乌鲁木齐车辆段在全路各车辆段中属于首批次的，技术改造既有的DC600V客车逆变器充电机试验装置，使之满足《新电规》新要求，可以兼容匹配不同厂家逆变器充电机，为全路其它车辆段《新电规》的落实起到了很好的借鉴、引领和示范作用。

二、项目所涉研究综述

（一）对车下充电机和逆变器电源工作原理的研究。

以乌鲁木齐车辆段配属的25T型DC600V直供电客车车下逆变器及充电机为研究对象。

车下逆变器电源是把母线DC600V逆变成两路独立输出的三相AC380V以及隔离输出的单相AC220V,该电源主要为空调客车和相应供电制式的客车或动车组的空调设备及其它设备提供交流电源，使用IGBT作为开关器件，具有开关频率高，驱动简单，损耗低，低次谐波接近为零等特点。

逆变器在输出端使用LC滤波器以及EMI滤波器，保证输出为纯正弦波，同时采用多种抗干扰技术,电磁兼容性好,可靠性高；输入输出采用接触器隔离，使得逆变电源在故障时，自动实现电气上的完全隔离和故障转换；采用先进的单片机实现最新的数字控制技术,对外部命令识别，系统状态监视，故障部件诊断，实现实时全面的管理和控制，通过RS485接口与列车网络连接，可方便地进行网络集中控制和信息查询，数据交互。

DC600V/DC110V充电器是专门为DC600V供电系统客车开发设计的。

该充电器通过高频变换将DC600V转变成DC110V电，为客车蓄电池提供浮充电源，同时向其它直流负载供电。

铁路客车3.5KVA单相逆变器集成了电力电子变换及微机控制技术，运用双极性SPWM的智能逆变控制方法，实现将列车DC110V电压逆变为单相交流220V电压，为车厢上的单相交流负载提供稳压、稳频的纯净电源。

具有完善的过压、过流、欠压、过热、过载、短路等保护功能，模块的运行状态可以通过控制板上的数码管显示出来。

单相220V交流电源的负载包括：

紧急通风设备、影音模块、便利插座、冰箱等等。

（二）对技术改造目标设定的研究

项目组在对试验对象—车下充电机和逆变器电源工作原理研究的基础上，对既有的DC600V客车逆变器充电机试验装置软、硬件配置进行了系统深入的研究分析，对内部构造及工作原理全面进行了解了解和掌握，认真对铁总运【2015】29号《新电规》对提出新的要求和规范进行了梳理，罗列出按照《新电规》标准对实现DC600V直供电客车不同厂家逆变器充电机检测试验的兼容匹配所存在的问题，认为既有DC600V客车逆变器充电机试验装置具备改造的基本条件，通过改造硬件和重新编写试验装置软件程序可以实现。

目标一：

满足2015《新电规》新增及变化试验项点、标准的要求。

《新电规》相比较《旧电规》新增及变化的试验项点和标准共有19项；其中DC600 V/AC380 V逆变器电源10项；DC600 V/DC110 V充电器8项；DC110 V/AC220 V单相逆变器1项，具体如下：

1.DC600 V/AC380 V逆变电源（试验负载也可使用模拟负载，以下同）

软启动性能试验

使用AC380 V用电负载，逆变器带载启动至稳定输出电压，时间不大于15 s。

稳定输出电压：

3AC380 V±19 V，频率：

50 Hz±1 Hz。

模拟过分相试验

逆变器正常工作时，切断DC600 V输入电源，等待10 s后，恢复DC600 V输入，逆变器须在55～60 s内正常启动。

（餐车为30 s内启动）。

联网通信试验

综合控制柜触摸屏的“车下电源”画面，能显示出逆变器工作的内部电压值和无故障的信息码“00”。

双单元逆变器互备功能试验

断开逆变器I的DC600 V输入电源，模拟逆变器I不能正常工作，另一台正常的逆变器II应停止工作。

延时30 s±3 s后，进行热备转换，逆变器II重新带载启动，两台逆变器（I和II）输出端子均有交流三相电输出。

断开逆变器II的DC600 V输入电源时，逆变器I应能进行互备供电。

输入过压保护试验

DC600 V电源输入电压连续5 min大于过压保护设定值（DC700 V），逆变电源停止输出、发出故障硬线信号、通过网络发送故障代码。

重新供DC600 V电源，电压正常时，逆变电源应正常启动，消除故障硬线信号。

保护动作时，主接触器、预充电接触器、输出接触器应处于断开状态。

输入欠压保护试验

DC600 V电源电压低于输入欠压保护设定值（DC500 V），逆变电源进行欠压保护。

输入欠压保护只通过网络传送信息代码，不给硬线信号。

当输入电压恢复到DC540 V±DC10.8 V时，逆变电源须正常输出。

保护动作时，主接触器、预充电接触器、输出接触器应处于断开状态。

输出电压稳定精度试验

逆变器输入电压在DC600 V，按额定负载的0、25%、50%、75%、100%、110%加载，测定各级负载稳态运行时的输出电压值，按下列公式计算输出电压的稳定精度，应小于±2.5%。

δn（%）=（U1-U）/U×100%

式中：

U1——各级负载状态下，三相输出电压平均值中的最大值或最小值。

U——额定工况条件下，三相输出电压的平均值。

额定负载工况下，输入电压在540 V～660 V范围变化时，逆变器正常输出，输出电压稳定精度应小于±5%。

降频降压输出试验

输入电压在500 V～540 V范围变化时，逆变电源按照 V/f=380/50的控制规律降压降频输出，最低输出频率不低于40 Hz。

抗负载突变能力试验

逆变器在20 kW负载状态下稳定运行时，突加一台配套的制冷压缩机或相同功率的感性负载（如电机），逆变器应能正常运行，不允许发生停机或再启动现象。

隔离变压器单相输出端突加感性负载（如电机，功率为150 W）时，逆变器应能正常运行。

三相电压不平衡度试验

三相平衡负载工况下，逆变器输出三相电压的平均值与最大（或最小值）之差与平均值之比不大于2%。

2.DC600 V/DC110 V充电器

蓄电池欠压保护试验

接通蓄电池（或模拟电源负载），使电源装置的控制电路工作（或不加DC600 V电源），蓄电池组开始放电，当蓄电池电压降到DC90 V～DC92 V时，欠压保护继电器应输出欠压硬线信号；当蓄电池电压上升到DC96 V～DC98 V时，欠压保护继电器应恢复。

模拟过分相试验

充电器正常工作时，切断DC600 V输入电源10 s后，再恢复供电，充电器应满足：

软启动（从输入电源电压不低于490 V±5 V开始到充电器正常输出为止）时间不超过14 s。

温度补偿充电性能试验

充电器额定工况时，在非限流充电状态下，输出电压为DC115 V～DC125 V，且应符合相对应的温度补偿曲线。

E3修时用外接电阻模拟温度，只须测量-20℃、20℃、50℃时输出电压达到的目标值：

DC123 V、DC120 V、DC118 V，其输出电压的精度为±1.2 V。

限流充电特性试验

充电器工作时应具有限流充电功能，限流保护值为。

输入过压保护试验

DC600 V电源电压大于输入过压保护设定值（DC700 V），连续5 min后，充电器进行输入过压保护，停止输出。

充电器发出故障硬线信号、通过网络发送故障代码。

重新供DC600 V电源，电压正常时，充电器应正常启动，消除故障硬线信号。

输入欠压保护试验

DC600 V电源电压已经低于输入欠压保护设定值（DC500 V），充电器直流输出不能满足技术条件的要求，进行欠压保护、停止输出。

输入欠压保护只通过网络传送故障代码，不给硬线信号。

当输入电压恢复正常时，充电器应正常输出。

输出特性试验

加载稳定性试验：

将充电器输入电压稳定在DC600 V，负载功率分别按20%、50%、75%加至额定值，其输出电压稳态调整率应不大于±1%。

按下列公式计算输出电压的稳定精度：

δn（%）=（U1-U）/U×100%

式中：

U1——各级负载状态下，输出电压平均值中的最大值或最小值。

U——额定工况条件下输出电压。

满载变压稳定性试验：

额定负载下，输入电压分别为500 V±10 V、550 V±10 V、600 V±10 V和660 V±10 V时，其输出电压稳态调整率不大于±1%。

输入输出电压纹波测量：

额定工况下，输出电压相对峰-峰纹波因数应小于10%（与蓄电池并联）；充电器启动和正常工作时对输入电源产生的相对峰-峰纹波因数应小于10%。

负载冲击性能试验

充电器在额定输入状态下，稳定运行时，突加负载到50%，再突减负载50%，充电器应能正常运行，不发生停机或再启动现象。

3.DC110 V/AC220 V单相逆变器

带载试验：

带1～2 kW单相交流负载进行试验，单相逆变器输出电压AC220 V±AC11 V，频率50 Hz±1 Hz。

目标二：

实现对不同厂家逆变器充电机检测试验的兼容匹配。

乌鲁木齐车辆段2014年初集中配属的312辆25T型DC600V直供电客车，车下逆变器充电机电源分别由南京华士、青岛四方所、铁科院、江苏新誉、武汉正远、株洲时代、北京鼎汉7个厂家生产，我们对上述厂家生产的逆变器充电机电源与既有试验装置按照《新电规》项点和标准进行联接试验时所存在的问题进行了记录、整理、分析和汇总，在充分研究的基础上，认为实现全部兼容匹配在技术上是可行的，并初步制定了技术攻关改进的方式。

目标三：

改试验装置固定式为车载移动式，优化操作界面。

既有试验装置采用固定式的安装模式，占据一部分检修车间的使用空间，对线路的排列方式及今后的设备的检修保养都有一定的要求。

结合实际的试验过程，对试验装置的安装位置比较苛刻。

针对这方面的不足，我们提出将试验装置固定式改为车载移动式，使用电瓶车，克服场地上的困难，不需要停车位置的固定要求，快捷便利，也节省了检修生产场地空间。

同时，我们征集整理现场职工作业中的意见和建议，改进优化既有试验装置的操作界面，在操作方式上采用目前最先进也是常用的可编程控制系统，操作界面清晰简单，操作人员一目了然，内部系统更加安全稳定，严格控制各项数据的载入和输出，内部电脑保存数据方便调取。

通过电脑监控整个试验流程，减少人为失误，通过智能计算，提高整个工艺流程效率并减少了工人的工作强度，可以有效推进车间整体生产进程。

三、项目存在的主要问题及解决方案

在既有DC600V客车逆变器充电机试验装置具备改进过程中，需要解决的问题较多，项目组技术人员与既有设备设计人员共同攻关，解决改进研制过程中的技术难题，给出了较为可行的技术解决方案。

问题一：

车下逆变器充电机电源做降频降压输出试验时，空调三相逆变器输出频率在50赫兹时，移动试验平台仪表频率显示正常，单试验频率数据采集时间过长，试验无法完成。

技术改造：

项目组技术人员与既有设备设计人员曾初步断定为车下电源输出频率不合格，导致数据采集不上，在使用专用频率表及示波器查看铁科院、青岛四方、株洲时代、北京鼎汉等各个厂家的车下电源三相逆变器输出后，输出频率均在50赫兹左右，《新电规》规定输出频率在51-49赫兹之间为合格，所以符合规定要求。

既有试验装置采集不上原因可能在与软件程序设定上，项目组技术人员与既有设备设计人员共同对试验装置软件原代码程序进行了查找分析，发现软件编程时将降频降压试验时的频率范围限制在50-40赫兹，而车下电源三相逆变器工作时经常输出在50至51赫兹，导致既有试验装置无法采集数据。

解决方案：

修改既有DC600V客车逆变器充电机试验装置软件，将频率范围修改为51-40赫兹后，试验正常。

问题二：

车下逆变器充电机电源做降频降压输出试验时，株洲时代生产的车下逆变器充电机电源空调三相逆变器输输入电压降至520V时，既有试验装置仪表频率无法显示，试验频率数据采集不到，试验无法进行。

技术改造：

项目组技术人员与既有设备设计人员初步断定，其它厂家均能采集，只有株洲时代车下逆变器充电机电源数据采集不到，应为株洲时代车下电源输出频率不合格，导致数据采集不上。

现场使用示波器查看株洲时代三相逆变器输入电压DC500V-520V时的输出情况，其波形输出光滑、平稳，未出现谐波波纹，频率始终保持在40赫兹以上，符合《新电规》“输入电压在500 V～540 V范围变化时，逆变电源按照 V/f=380/50的控制规律降压降频输出，最低输出频率不低于40 Hz”的要求。

我项目组技术人员与既有设备设计人员对试验装置软件原代码程序进行了查找分析，也未发现异常。

项目组在查找分析试验装置硬件配置时，发现频率采集表为施耐德PM800型，施耐德PM800表频率显示范围为45-60赫兹，表内寄存器可检测32-67赫兹，项目组经过研讨初步确定采集表显示范围不够。

通过用信号发生器反复试验，确定施耐德PM800表采集45-40赫兹频率时经常读不出数据。

铁科院、青岛四方、北京鼎汉等厂家生产的车下电源逆变器在输入电压降至500V时，输出频率降到45赫兹，而株洲时代的车下电源逆变器在输入电压降至500V时，输出频率降到40赫兹。

施耐德PM800表显示不到45赫兹以下频率，致使试验无法进行。

解决方案：

此问题属于既有DC600V客车逆变器充电机试验装置频率采集表不能与不同厂家生产的车下逆变器充电机电源兼容匹配产生的，项目组重新选择了青岛力创EX8型仪表，并在仪表输入端加滤波器，防止谐波干扰，全部厂家车下电源逆变器降频降压试验均能按照《新电规》标准完成。

施耐德PM800型

青岛力创EX8型

问题三：

株洲时代产车下电源逆变器隔离变压器单项输出端突加感性负载，逆变器重新启动，试验无法进行。

技术改造：

项目组技术人员与既有设备设计人员通过反复对不同厂家车下电源进行对比试验，确定为株洲时代产车下电源抗负载突变性能不过关，造成逆变器重新启动，属于株洲时代产车下电源软件编程问题。

解决方案：

联系株洲时代厂技术员现场查看后，重新编写了该厂车下电源软件程序，问题得到了解决。

问题四：

将株洲时代产车下电源充电机输出端负载拆下接入既有试验装置负载，做空载试验时，充电机空载启动后停机，试验无法进行。

技术改造：

项目组技术人员通过对不同厂家车下电源进行对比检测，发现株洲时代产车下电源充电机空载启动后，输出电压过高，造成充电机保护电路启动停机。

充电机在实际运用过程中基本都带载运行，不会产生停机现象，这种情况在按照《新电规》标准进行充电机空载试验时才会表现出来。

查看25T型DC600V直供电客车相关资料，该车型车下电源为拓扑结构，拓扑结构要求输出端不能空载运行，铁总在《铁道客车DC600V电源装置技术条件V1.01版》中对车下电源进行了统图，统图中未要求在充电机输出端加装模拟负载。

除了株洲时代其他厂家均在充电机输出端加装了模拟负载，防止充电机空载运行。

解决方案：

株洲时代厂车下电源按铁总统图设计制造，符合铁总要求，如要求株洲时代厂在客车上改造加装模拟负载，工作量非常大，这些车也在运行中，不符合实际情况，为此项目组技术人员与既有设备设计人员决定利用电子直流负载的特性，改变充电机试验程序，在每个充电机试验前先加载1-3A的小负载，避免株洲时代厂充电机空载运行。

同时联系株洲时代厂设计部门，建议在该厂生产的车下电源输出电路端加模拟负载，避免充电机空载运行，损坏充电机。

改进既有DC600V客车逆变器充电机试验装置试验程序后，株洲时代产车下电源充电机空载试验无法进行的问题得到解决。

充电机拓扑结构原理图

问题五：

株洲时代产车下电源逆变器模拟过分相试验过程中，时间上不满足《新电规》“逆变器正常工作时，切断DC600 V输入电源，等待10 s后，恢复DC600 V输入，逆变器须在55～60 s内正常启动（餐车为30 s内启动）”的要求。

技术改造：

项目组技术人员通过对不同厂家车下电源进行反复对比检测试验，确定株洲时代产车下电源逆变器正常灯启动时间不对。

铁总《铁道客车DC600V电源装置技术条件V1.01版》时间要求：

T0:

过分相区时间

T1：

预充电时间≤15秒

T2：

等待时间

T3:

软启动时间≤15秒

T4：

二次交流输出的间隔时间55S-60S（餐车逆变器除外）

T4应该为过分相区时间，计时开始时间为DC600V断电，计时结束时间应该为T2与T3时间交界处，即为逆变器发出脉冲信号逆变器启动时间。

既有DC600V客车逆变器充电机试验装置采集逆变器发出脉冲信号逆变器启动时间以逆变器正常灯型号为准，株洲时代逆变器正常灯信号是以DC600V通电为准，DC600V通电时逆变器未工作，正常信号不应该发出，造成了过分相时间不符合《新电规》要求。

解决方案：

项目组联系了株洲时代厂技术部门现车进行查看确认，修改了该厂车下电源逆变器的程序，问题得到解决。

问题六：

北京鼎汉车下电源充电机带载40A以上时、株洲时代车下电源充电机带载30安以上时，发生停机保护，试验无法进行。

技术改造：

项目组技术人员分析：

充电机试验过程中，电源输入端电压正常，充电机发生停机保护原因一般有输出过电流、输出过电压、输出功率超过最大功率3种原因。

项目组技术人员经过用示波器查看充电机输出电流：

（如下图）

在试验过程中，车下电源充电机使用的是既有DC600V客车逆变器充电机试验装置配备的电子直流负载，发生了输出电流振荡，最大振荡电流超过90A，充电机内部检测电路检测到充电机正常工作电流及振荡最大电流，经过保护程序计算，超过充电机最大输出电流，车下电源充电机保护停机。

所以车下电源充电机发生停机保护最主要的原因是既有DC600V客车逆变器充电机试验装置电子直流负载干扰造成的，当充电机使用客车负载时干扰较小的原因是由于它同时并联了客车的蓄电池。

铁总在《铁道客车DC600V电源装置技术条件V1.01版》要求充电机输出电压相对峰-峰纹波因数小于10%与蓄电池并联。

既有DC600V客车逆变器充电机试验装置做检测试验时无法并联蓄电池。

必须对试验装置所配备电子直流负载做出改进。

直流负载纹波改进要求：

下图为充电机的输出和电子负载的关系图

充电机Lo和Co的前级电流

电子负载的纹波过大，会给系统带来2方面影响：

一方面：

充电机为直流电源，电子负载的交流成分将全部从充电机的输出电容Co输出，一旦纹波超过充电机Co的要求，会大大缩短Co的寿命。

另一方面：

如果不对电子负载的纹波情况进行规定，充电机的采样电流得到的电流值与实际有效值有很大的区别，由于充电机本身默认输出时完全直流负载，取的是输出电流的平均值，纹波越大，实际输出功率会比充电机的功率大很多，一旦无法确定输出纹波情况，充电机的真实输出有效值就无法确定。

当电子负载的纹波为三角波时，电子负载的平均电流值和有效值的关系为：

其中r为纹波系数，纹波越大，电源的实际功率会越大。

当电子负载为矩形波时：

图中，D为一个周期中，矩形波所占的比例，因此（0

目前统型充电机输出电容Co的纹波情况：

当输出电流完全为直流负载，纹波为0的情况下，

额定情况下电容上纹波电流为：

16A

经过计算可得知：

电子负载的纹波电流峰峰值<20%是没有问题的，这时，有效值和平均值的偏差不超过2A。

电流不连续的其它影响：

当电流不连续时，充电机的输出峰值电流会大大增加，这样，要取得比较正确的平均电流，必须通过多次滤波来实现，而且会导致充电机存在在极端情况下，无法及时保护（如果电子负载峰值电流过高，瞬时保护会导致检修时误保护），最终导致充电机失效的情况。

解决方案：

查找到原因后，项目组技术人员与既有设备设计人员最终决定更换既有DC600V客车逆变器充电机试验装置配备的电子直流负载。

改进更换的电子直流负载要求纹波因数小于10%，最终将改进更换的电子直流负载纹波因数控制在6%之内并具有电流连续性，问题得到了有效解决。

问题七：

各个厂家车下电源单向逆变器采集输出电压不准确，试验操作界面不清晰。

技术改造：

项目组技术人员与既有设备设计人员通过检测分析，《新电规》对车下电源试验参数要求变化较多，既有DC600V客车逆变器充电机试验装置软件程序与试验装置硬件不匹配。

解决方案：

对试验装置试验程序以及操作界面进行了全面的重新设计，严格按照试验要求重新设定试验参数，更改试验软件后问题解决。

改进后的试验程序

问题八：

改试验装置固定式为车载移动式，需改造既有DC600V客车逆变器充电机试验装置负载，选用体积小、重量轻的负载。

技术改造：

从工作现场实际需求出发，为车下电源检测试验作业提供最大程度上的便捷，同时考虑操作人员的便捷，项目组技术人员选择使用电瓶车为载体，改既有的试验装置固定式为车载移动式，试验装置配有交流负载及直流两套试验用负载，考虑到电瓶车空间、承载能力，交流负载无法减小的情况下，直流负载必须要体积较小、重量较轻，以满足电瓶车空间、承载能力。

既有的试验装置使用的直流负载达不到《新电规》试验参数要求，同时体积较大、重量较重。

解决方案：

项目组技术人员通过市场不断的查找，选择使用了满足要求新型电子直流负载箱以及电瓶车，通过重新组装后，，试验柜体最终确定尺寸为2450mm*1500mm*1300mm,放置在电瓶车上，实现了改既有的试验装置固定式为车载移动的目标。

车载移动式DC600V客车逆变器充电机试验装置

四、项目研究达到的目的和效果

通过对既有DC600V客车逆变器充电机试验