列車輔助電源系統試驗研究

■ 曹建剛 張志強 孫國成

列車供電系統主要包括牽引供電系統、輔助電源系統及控制供電系統。輔助電源系統采用按各電源系統貫穿全列車的方式，由牽引變壓器輔助繞組提供電源。其供電的設備有空調裝置、換氣裝置、蓄電池及ATP主控電源。在高速動車組的設計研究中，對輔助電源系統提出了更高要求，同時在裝車前對輔助供電系統應進行性能驗證，以保障列車輔助供電系統的可靠性、可用性、安全性。

1 輔助電源系統

列車輔助電源系統主要包括輔助電源裝置（APU）、輔助整流器及蓄電池組等，可以輸出以下五制式電源：非穩定單相AC 100 V電源；穩定單相AC 100 V電源；穩定單相AC 220 V電源；穩定三相AC 400 V電源；穩定DC 100 V電源。輔助電源裝置輸出AC 100 V和AC 220 V為列車供水系統、服務系統提供電源，并向牽引系統的相關通風機輸出三相AC 400 V電源，其內還設有向電熱器等供電的AC 100 V電源用輔助變壓器（ATr）。輔助整流器主要輸出DC 100 V電源，為蓄電池及插座、服務設備等車上直流設備提供電源。蓄電池主要為列車提供主控電源及應急電源。

2 地面試驗平臺

輔助電源試驗平臺主要由3部分組成：主電路系統、控制系統、測量系統。其主要功能包括：校核輔助電源系統及各部件的參數是否匹配，測試各種工況下輔助電源系統各項技術參數（電壓、電流、功率、溫度等）是否符合設計要求；通過校核參數，實現對輔助電源系統優化設計；按照標準要求，完成輔助電源系統的型式試驗考核；開展輔助電源系統的相關研究性試驗項目。

試驗平臺主電路系統需要能夠適用于不同列車的輔助電源系統，主電路系統由動力變化單元、被試件、連接裝置、負載裝置組成。動力變換單元由單相感應調壓器、調壓器、單相變壓器等組成（見圖1）。

試驗平臺控制系統的控制方式、邏輯關系需要能夠模擬各種輔助供電系統運行工況。控制系統主要由工控機、PLC S7-200、擴展I/O等組成（見圖2）。

圖1 試驗平臺主電路

試驗平臺測試系統需要方便、精確、可靠、功能全面。由于要適用于不同的輔助供電系統測試，需設置全面的測試項目與硬件；應具備試驗數據自動采集，實時跟蹤功能；應采用高精度傳感器和采集系統。測試系統主要由傳感器、信號調理模塊、PCI數據采集卡等組成。試驗平臺測試系統原理見圖3。

3 試驗驗證

利用輔助電源系統試驗平臺對輔助電源裝置、輔助整流器及蓄電池組構成的輔助電源系統進行試驗，包括輔助電源裝置的電源輸出特性試驗，輔助整流器的輸出特性試驗及蓄電池充放電特性等試驗項目。

3.1 試驗方法

輔助電源系統提供電源的主電路工作過程為三相AC 380 V、50 Hz電源經過單相感應調壓器輸出，將此三相電變換為被試件輸入電源，調壓器其容量為500 kV·A，輸出最高電壓為AC 1 200 V，然后再經隔離變壓器后，為被試輔助電源裝置提供電源。調節電阻和電抗模擬加載在被試品上的負載。控制系統的主要工作過程為邏輯控制單元（PLC）根據各種工況的開關量控制主回路中各接觸器的動作，模擬輔助供電系統在不同工況下的運行狀態。通過上位機Labview控制程序可以改變相應的PLC邏輯控制關系，靈活實現不同工況的模擬控制。測試系統的主要工作過程為通過相應的電流、電壓、溫度等傳感器測量信號，并通過PCI采集卡對數據進行采集。測試系統基于Labview的軟件平臺，實現了測試軟件與硬件的無縫連接，并在Labview軟件平臺上，開發了獨特的信號分析模塊，實現了信號分析、數據處理和數據波形的顯示。

3.2 試驗數據

通過試驗驗證輔助電源裝置在不同工況下，其輸出電源品質是否符合相關要求。其測試數據見表1。

調節試驗平臺單相調壓器，使之輸出AC 400 V為輔助電源裝置APU供電，分別在無負載及負載為12 kV·A兩種工況下檢測輔助電源裝置AC 100 V支路及AC 220 V支路的電源輸出特性。由表1可見，輔助電源裝置電源輸出品質滿足相關標準要求。

通過試驗平臺為輔助整流器提供AC 400 V電源，輔助整流器輸出DC 110 V電源為蓄電池組提供電源。調整試驗平臺負載裝置作為蓄電池組的放電負載。通過試驗平臺的控制系統實現對蓄電池組的放電控制。輔助整流器輸出參數見表1。

蓄電池放電特性試驗過程中分別測試堿性蓄電池及酸性蓄電池不同溫度下的放電特性。

圖2 試驗平臺控制系統

圖3 試驗平臺測試系統原理

表1 試驗數據

圖4和圖5中，藍線代表堿性電池的放電曲線，粉線表示酸性電池的放電曲線。在環境溫度為25 ℃時，堿性電池和酸性電池放電曲線基本一致，放電起始電壓在2.07 V左右，經過超過11 h的放電過程，蓄電池電壓為1.8 V左右，此過程電壓變化速率為0.024 V/h。在環境溫度為0 ℃時，堿性蓄電池和酸性蓄電池放電曲線出現偏差，堿性蓄電池放電起始電壓為2.06 V，而酸性蓄電池的起始電壓為2.03 V，經過9.5 h的放電過程，堿性蓄電池和酸性蓄電池的放電電壓基本保持一致，放電電壓達到1.8 V左右，此過程堿性蓄電池的電壓變化速率為0.027 V/h，而酸性蓄電池的電壓變化速率為0.024 V/h。通過蓄電池放電容量曲線（見圖6），可以得出堿性蓄電池的容量變化速率明顯與酸性蓄電池容量變化的不同，堿性蓄電池在循環放電120次左右時，容量變化了100 Ah，而酸性蓄電池在循環放電140次左右時，容量變化了50 Ah，可見堿性蓄電池容量變化速率比酸性蓄電池快。

圖4 蓄電池組25℃放電曲線

圖5 蓄電池組0℃放電曲線

圖6 蓄電池組放電容量曲線

3.3 試驗結論

通過對輔助電源系統的試驗分析可知，輔助電源裝置所提供的AC 100 V、AC 400 V及AC 220 V電源品質滿足設計要求，輔助變流器提供的DC 110 V電源品質滿足設計要求。通過對堿性蓄電池和酸性蓄電池放電特性分析可以得出以下結論：試驗過程中的堿性蓄電池和酸性蓄電池放電特性均受溫度影響，溫度越低放電過程越迅速。其中堿性蓄電池的放電電壓變化速率受溫度的影響比酸性蓄電池要明顯，堿性蓄電池的放電容量變化速率快于酸性蓄電池。

4 結束語

列車輔助電源系統試驗研究的意義在于：輔助電源系統作為列車供電系統的重要組成部分，若能在裝車前檢驗其特性指標，將明顯降低整車調試難度，減少地面聯調聯試時間，更進一步保證列車行車安全，提高產品安全性和可靠性，提高產品維護、檢修效率，為產品優化設計等提供依據。

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