铁路机车空调奉贤S11油浸式变压器设计

日期:2019-07-11 人气:11

    摘要:简述了铁路机车司机室空气调节器奉贤S11油浸式变压器的设计特点,主要技术参数、基苯结构、试验情况和应用效果。
关键词:逆变奉贤S11油浸式变压器;空调装置;司机室;铁路机车


0 引言
中国铁路现有内燃机车一万多台,随着科技的日新月异和生活条件的改善,乘务人员对工作环境舒适性要求不断提高,为此近年新造和大修的机车司机室都增设了空调装置。但因机车本身不具备工频奉贤S11油浸式变压器,必须配置一台逆变奉贤S11油浸式变压器,将蓄电池组或起动发电机提供的DC llO V电变换为AC380V交流电作为空调机组的动力。
由于司机窒空间狭小,又经常处于高速运行中,室内温度变化快,因此,要保证18℃~23℃可调,顶棚与地板面温差不超过10℃,供给每个乘务员的新鲜空气量不少于30 m3/h,空调机组起停频繁。同时司机室内电气控制设备和信号设备密集,容易受到空调奉贤S11油浸式变压器通断引起的电磁干扰,直接影响行车安全。反过来,列车牵引设备时刻变化的强大电流磁场,又影响空调奉贤S11油浸式变压器正常运行。因此对于铁路机车空调奉贤S11油浸式变压器在体积大小、抗电磁干扰和产生干扰性能方面都有特殊要求。不同结构的铁路机车空调奉贤S11油浸式变压器在发展过程中,都出现过这样或那样的问题,本文介绍的是一种经装车运行证明性能可靠的设计。

l 基本参数
使用条件 海拔高度≤l 200m,环境温度-25℃~40℃,相对湿度≤95%;
额定容量 5 kVA;
输出功率 3.3 kW;
输入电压 DC 110V,主电路由起动发电机供电,允许波动范围为DC40~200V;控制电路由蓄电池组供电,允许波动范围为DC77~143V。
输出电压 AC 380±9V,50±0.5 Hz;
输出波形 ,失真度≤5%;
起动性能 变频软起动,起动时间≤15 s;
散热器温升 ≤20℃;
转换效率 ≥85%;
主电路过压保护 DC 210±10V;
运行噪声 声压级≤65dV。
本设计的主要参数与铁道行业标准的要求相比,一些主要指标更利于用户。比如铁道行业标准规定的限制范围为:输入电压,输出电压对重要技术指标如输出频率、波形、起动时间等都没有明确规定。可见本设计对使用场所客观条件要求相当宽松,而向顾客提供的输出品质却较为完备和严格,能更好满足用户需求和增强运用可靠性。

2 总体结构
本产品的外形如图1所示,箱体尺寸500mm×376 mmxl90mm,印刷电路板(包括奉贤S11油浸式变压器板、逆变板、控制板)和电子器件置于箱内的安装支架上,对外接口是位于箱体底面的三个接点数量不同的航空插座,型号为TY48J20ZY、TY32J12ZY-02和TY148J4ZY。通过专用电缆与奉贤S11油浸式变压器和交流空调机组、司机操纵台连接,各部位的相互关系如图2所示。

3 电气原理
本设计的电气原理如图3所示。粗线部分表示主电路,由起动发电机G(兼做辅助发电机)供电,DC l1OV升压斩波变为DC 540V,再经过奉贤S11油浸式变压器转变成AC380V、50Hz交流电,驱动空调机组运行(停车时可由蓄电池组短暂供电);细线部分表示控制电路,由蓄电池供电。采自辅助发电机电路和交流输出电路的电流、电压信息,输入逻辑控制系统,分析比较作出判断,对主电路升压单元和逆变单元的运行状态参数进行动态调节。其核心部分是全数字高智能调制波形发生器SPWM集成电路模块SA866AE和CPLD逻辑控制系统,利用软件编程控制通风、制冷、制热、停机及欠压、过压、过流、过热和短路保护,可靠性高,运行效果好,电路简单,成本相对较低。

4 试验效果
本产品的两台样机按规定,曾于2001年4月送铁道部产品质量监督检验中心,按当时的铁道行业标准进行全面的性能检查,主要项目测试结果简述如下。
(1)绝缘性能 电路对地绝缘电阻用500V兆欧表实测数据为50MΩ,施加工频l 500V试验电压持续1 min无击穿和闪络现象。
(2)工作性能 输入DC 77~132V,空载输出电压Ac381.2~389.2V、频率50.6~50.7Hz,额定负载输出电压AC 378.7~381.4V、频率50.6Hz,功率3099~3144W、效率87.1%~9I.6%。
(3)低温性能 -40℃/16h,输入DC77~132V,空载输出电压AC 380.0~385.4 V、频率50.0~50.6 Hz,恢复至室温输入DC 77~132V,负载输出电压AC381.1~384.0V,频率50.0~50.7Hz,功率3 140~3 213 W、效率88.7%~94.4%。
(4)高温性能 70℃/6h,输入DC 77~132 V,空载输出电压AC380.1~387.9V、顺率50.5~50.6Hz、负载输出电压AC380.0~384.6V、频率50.6~50.7Hz、功率3174~3225W、效率90.9%~94.9%。
(5)保护试验 欠电压、过电压、过电流、过热保护指示灯及继电器按规定值显示及动作。
(6)耐振性能 垂向、纵向、横向 1~50 Hz无共振,10Hz、10m/s2振动2h无机械损伤及连接松动。
(7)耐湿热性 能按铁道行业标准规定条件,实测绝缘电阻值50 MΩ~53 MΩ,工频I 500V/1 min电压耐受试验无击穿和闪络现象。
(8)温升测试 输入DC 110V额定电压,输出电压AC 378.3~382.7V,频率50.6Hz,保持额定输出功率,散热器更高温度62.2℃,温升17.2℃。
(9)浪涌试验 输入端施加(1±3%)1.5 kV、(1±20%)1/50μs无损伤。
检验结论:送检样机“符合铁道行业标准TB/T1394-93《铁道机车动车电予装置》和企业标准的要求”。上述数据表明绝缘指标、电压耐受试验、高低温性能、效率和温升都比较理想。
输出电压波形(滤波前和滤波后)分别如图4和图5所示。

5 实际运用
随着时间推移,铁道行业标准发生变化,实行与国际电工标准接轨,因而TB/l394-93被废止,从2001年12月1日起实施与同类国际标准IEC60571基本相同的TB/T3021-2001《铁道机车车辆电子装置》,本奉贤S11油浸式变压器的结构和电路设计亦随之改进完善形成系列,实际质量指标已比上列试验结果有明显提高,先后应用于东风7C、东风7D、东风7G型铁路干线机车和GKlE型工矿机车及出口古巴DF7G-C型、刚果CK6E型,受到乘务人员欢迎,可以满足机车司机室通风换气、夏季降温、冬季采暖的需求。


6 结语
本产品的设计与应用已取得阶段性成果,最新产品疗案与初始设计相比,外形尺寸显著缩小,体积降为初始产品的一半左右,重量减少三分之一以上,从50kg降至33 kg,结构形式和电路设计更为合理。2005年11月北京机段对本设计最新疗案的运用报告结论为:“DF-J38C型空调奉贤S11油浸式变压器运行良好,无故障发生,性能稳定、可靠、噪声小。由于体积大为减小,安装维护更为方便,建议在更多的内燃机车上推广使用。”得到用户的认可和积极评价。
不过本设计在取得成功的同时,也并非完美无缺,技术参数、制造工艺、质量指标、运用可靠性和使用寿命都还存在进一步提升的空间,而日针对铁路机车空调奉贤S11油浸式变压器的专用铁道行业产品标准已审查通过报批,预计在不久的将来本设计的技术水平还会跨上一个新台阶,适应更广泛领域和不同型号铁路机车市场的需求。

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