列车辅助电源系统试验研究

■ 曹建刚 张志强 孙国成

列车供电系统主要包括牵引供电系统、辅助电源系统及控制供电系统。辅助电源系统采用按各电源系统贯穿全列车的方式，由牵引变压器辅助绕组提供电源。其供电的设备有空调装置、换气装置、蓄电池及ATP主控电源。在高速动车组的设计研究中，对辅助电源系统提出了更高要求，同时在装车前对辅助供电系统应进行性能验证，以保障列车辅助供电系统的可靠性、可用性、安全性。

1 辅助电源系统

列车辅助电源系统主要包括辅助电源装置（APU）、辅助整流器及蓄电池组等，可以输出以下五制式电源：非稳定单相AC 100 V电源；稳定单相AC 100 V电源；稳定单相AC 220 V电源；稳定三相AC 400 V电源；稳定DC 100 V电源。辅助电源装置输出AC 100 V和AC 220 V为列车供水系统、服务系统提供电源，并向牵引系统的相关通风机输出三相AC 400 V电源，其内还设有向电热器等供电的AC 100 V电源用辅助变压器（ATr）。辅助整流器主要输出DC 100 V电源，为蓄电池及插座、服务设备等车上直流设备提供电源。蓄电池主要为列车提供主控电源及应急电源。

2 地面试验平台

辅助电源试验平台主要由3部分组成：主电路系统、控制系统、测量系统。其主要功能包括：校核辅助电源系统及各部件的参数是否匹配，测试各种工况下辅助电源系统各项技术参数（电压、电流、功率、温度等）是否符合设计要求；通过校核参数，实现对辅助电源系统优化设计；按照标准要求，完成辅助电源系统的型式试验考核；开展辅助电源系统的相关研究性试验项目。

试验平台主电路系统需要能够适用于不同列车的辅助电源系统，主电路系统由动力变化单元、被试件、连接装置、负载装置组成。动力变换单元由单相感应调压器、调压器、单相变压器等组成（见图1）。

试验平台控制系统的控制方式、逻辑关系需要能够模拟各种辅助供电系统运行工况。控制系统主要由工控机、PLC S7-200、扩展I/O等组成（见图2）。

图1 试验平台主电路

试验平台测试系统需要方便、精确、可靠、功能全面。由于要适用于不同的辅助供电系统测试，需设置全面的测试项目与硬件；应具备试验数据自动采集，实时跟踪功能；应采用高精度传感器和采集系统。测试系统主要由传感器、信号调理模块、PCI数据采集卡等组成。试验平台测试系统原理见图3。

3 试验验证

利用辅助电源系统试验平台对辅助电源装置、辅助整流器及蓄电池组构成的辅助电源系统进行试验，包括辅助电源装置的电源输出特性试验，辅助整流器的输出特性试验及蓄电池充放电特性等试验项目。

3.1 试验方法

辅助电源系统提供电源的主电路工作过程为三相AC 380 V、50 Hz电源经过单相感应调压器输出，将此三相电变换为被试件输入电源，调压器其容量为500 kV·A，输出最高电压为AC 1 200 V，然后再经隔离变压器后，为被试辅助电源装置提供电源。调节电阻和电抗模拟加载在被试品上的负载。控制系统的主要工作过程为逻辑控制单元（PLC）根据各种工况的开关量控制主回路中各接触器的动作，模拟辅助供电系统在不同工况下的运行状态。通过上位机Labview控制程序可以改变相应的PLC逻辑控制关系，灵活实现不同工况的模拟控制。测试系统的主要工作过程为通过相应的电流、电压、温度等传感器测量信号，并通过PCI采集卡对数据进行采集。测试系统基于Labview的软件平台，实现了测试软件与硬件的无缝连接，并在Labview软件平台上，开发了独特的信号分析模块，实现了信号分析、数据处理和数据波形的显示。

3.2 试验数据

通过试验验证辅助电源装置在不同工况下，其输出电源品质是否符合相关要求。其测试数据见表1。

调节试验平台单相调压器，使之输出AC 400 V为辅助电源装置APU供电，分别在无负载及负载为12 kV·A两种工况下检测辅助电源装置AC 100 V支路及AC 220 V支路的电源输出特性。由表1可见，辅助电源装置电源输出品质满足相关标准要求。

通过试验平台为辅助整流器提供AC 400 V电源，辅助整流器输出DC 110 V电源为蓄电池组提供电源。调整试验平台负载装置作为蓄电池组的放电负载。通过试验平台的控制系统实现对蓄电池组的放电控制。辅助整流器输出参数见表1。

蓄电池放电特性试验过程中分别测试碱性蓄电池及酸性蓄电池不同温度下的放电特性。

图2 试验平台控制系统

图3 试验平台测试系统原理

表1 试验数据

图4和图5中，蓝线代表碱性电池的放电曲线，粉线表示酸性电池的放电曲线。在环境温度为25 ℃时，碱性电池和酸性电池放电曲线基本一致，放电起始电压在2.07 V左右，经过超过11 h的放电过程，蓄电池电压为1.8 V左右，此过程电压变化速率为0.024 V/h。在环境温度为0 ℃时，碱性蓄电池和酸性蓄电池放电曲线出现偏差，碱性蓄电池放电起始电压为2.06 V，而酸性蓄电池的起始电压为2.03 V，经过9.5 h的放电过程，碱性蓄电池和酸性蓄电池的放电电压基本保持一致，放电电压达到1.8 V左右，此过程碱性蓄电池的电压变化速率为0.027 V/h，而酸性蓄电池的电压变化速率为0.024 V/h。通过蓄电池放电容量曲线（见图6），可以得出碱性蓄电池的容量变化速率明显与酸性蓄电池容量变化的不同，碱性蓄电池在循环放电120次左右时，容量变化了100 Ah，而酸性蓄电池在循环放电140次左右时，容量变化了50 Ah，可见碱性蓄电池容量变化速率比酸性蓄电池快。

图4 蓄电池组25℃放电曲线

图5 蓄电池组0℃放电曲线

图6 蓄电池组放电容量曲线

3.3 试验结论

通过对辅助电源系统的试验分析可知，辅助电源装置所提供的AC 100 V、AC 400 V及AC 220 V电源品质满足设计要求，辅助变流器提供的DC 110 V电源品质满足设计要求。通过对碱性蓄电池和酸性蓄电池放电特性分析可以得出以下结论：试验过程中的碱性蓄电池和酸性蓄电池放电特性均受温度影响，温度越低放电过程越迅速。其中碱性蓄电池的放电电压变化速率受温度的影响比酸性蓄电池要明显，碱性蓄电池的放电容量变化速率快于酸性蓄电池。

4 结束语

列车辅助电源系统试验研究的意义在于：辅助电源系统作为列车供电系统的重要组成部分，若能在装车前检验其特性指标，将明显降低整车调试难度，减少地面联调联试时间，更进一步保证列车行车安全，提高产品安全性和可靠性，提高产品维护、检修效率，为产品优化设计等提供依据。

[1] 董锡明. 高速动车组工作原理与结构特点[M]. 北京： 中国铁道出版社，2007.

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[3] 利群湛. 高速铁路电气化工程[M]. 成都：西南交通大 学出版社，2006.