任務2　車輛電氣負載用電量認知

【活動場景】

為了能更好地理解和加深對鐵道車輛供電電源技術重要性的認知，本次任務我們將對鐵道車輛中最主要的電氣負載的用電量進行定性的或定量認知，并結合實例進行計算。

在鐵道車輛普通客車或空調客車供電檢修車間，或在具有供電模型的試驗室，或在能展示鐵道車輛供電技術的多媒體教室進行。

【任務要求】

1.掌握鐵道車輛主要電氣負載的用電量計算的基本方法。

2.掌握鐵道車輛主要電氣負載基本參數的計算。

【知識準備】

1.鐵道車輛電氣負載用電量基本參數的認知

鐵路客車在設計制造時，對于車輛電氣負載供電系統的容量，在設計時應重點考慮車輛電氣負載的最大功率、有效效率、功率因數和功率利用系數等重要參數。

一般情況下，車輛常規電氣負載設備在其產品目錄和說明書上均標有其額定功率、效率等參數。通常情況下，電熱元件構成的電氣負載，其功率為所需功率；而電動機類電氣負載所標功率為電動機在正常工作狀態下電動機軸上所具有的有效機械功率，電動機的需要功率比有效機械功率大，多出的部分是本身的損耗。所以電動機所需功率實際等于有效機械功率除以電動機的機械效率。

負載的功率因數（cosφ）是對交流電路而言，在計算交流發電機及其輸電線的功率時，需要考慮負載的功率因數。負載功率因數的大小由其視在功率除以所需功率的商來確定。視在功率等于負載的額定電壓與額定電流的乘積，單位用V·A或kV·A表示。在同一需要功率的情況下，負載的功率因數愈小，它的視在功率就愈大。因此，應盡可能提高負載的功率因數。

目前，鐵道車輛采用的三相異步電動機在正常工作狀態下的功率因數值在0.75～0.85之間；如果電動機不滿載，將可能降至0.5，空載時可降至0.25～0.30。鐵道車輛上電取暖器等電熱元件和照明用的白熾燈屬于電阻性負載，其功率因數等于1；熒光燈和控制電器等屬于電感元器件，其功率因數等于或小于0.7。總體上統計，對有空氣調節裝置的旅客列車的功率因數，在夏季工況時，由于電感性負載較多，全列車負載功率因數一般為0.8；而在冬季工況，電阻性負載較多，功率因數則接近于1。圖1-5、圖1-6所示是目前鐵道車輛上常用的電氣負載，請讀者自行分析其負載的類型（電阻性、電感性負載）。

車輛電氣負載在大部分運行時間中并非同時工作，特別是帶有空氣調節裝置的旅客列車，空調裝置的工況是隨外溫和車內定員的變化而變化的，因而列車電氣負載的功率消耗也將產生相應的變化。因此，要合理的計算供電容量，還必須考慮負載的功率利用系數。

負載的功率利用系數是指某一時間內、一組同時工作的負載，其平均需要功率與總安裝功率之比。它與負載的效率、平均電網電壓、負載與負載之間的組合方式以及負載本身的特性等因素有關。常見車輛電氣負載的功率利用系數見表1-1。

續上表

2.柴油發電機組額定功率

柴油發電機組是單獨供電的電源，應根據某一種特定車型的電氣負載用電需求來選型。若運轉機組的容量為PY，裝機容量為PZ，備用機容量為PB，則：

PZ=PY+PB（kW）　　（1-1）

PY=PJS+P1（kW）　　（1-2）

式中：PJS計算功率，一般按冬季計算負荷取，單位為kW；

P1運轉機組電力余量，單位為kW。

其中：　　P1=（0.05～0.1）PJS（kW）　　（1-3）

以RW25K客車為例，RW25K的用電量的求解過程如下：

RW25K客車的有功功率（負載的額定功率與負載的效率之比）：P=21.59kW。

RW25K客車的計算功率：PJS=21.59kW。

運轉機組電力余量：P1=0.1×PJS=0.1×21.59=2.159kW。

運轉機組的容量：PY=PJS+P1=21.59+2.159≈24kW。

柴油發電機單獨供電系統沒有備用機組，所以也就沒有備用機容量PB，因而柴油發電機單獨供電系統裝機容量PZ就是運轉容量PY。即：

PZ=PY　　（1-4）

空調列車在最大負荷期間，不允許機組超載運行；在最小負荷期間，不應小于機組的50％額定容量。發電機組在經濟負荷運行下能減少耗油量、降低電能成本，柴油機全列車負載的最佳經濟運行狀況是12h功率的75％～90％。因此，空調列車的單獨供電選用的柴油發電機組額定功率應為24kW。

3.發電車的計算負荷

發電車的計算負荷是柴油發電機組選型的重要數據依據，發電車的計算負荷為全列車計算負荷P與同時系數的乘積。

有功功率：　　PJS=K∑pP（kW）　　（1-5）

無功功率：　　QJS=K∑qP（kW）　　（1-6）

式中：K∑p——有功同時系數，取0.95～0.98，按冬季負荷進行設計，取0.98；

K∑q——無功同時系數，取0.93～0.97；

cosφ——發電站總負載的功率因數；

P——全列的計算負荷，取537.5kW。

發電車的總容量，由柴油發電機組的額定容量決定。運轉機組的備用容量或稱運轉機組的電力余量，用PB表示。

PB=PZ-PJS　　（1-9）

式中：PZ——全車所有機組額定功率的總合，稱為發電車裝機容量。

PZ=PJS+PB=PY+P2　　（1-10）

式中：PY——在最大負荷時運轉機組的總容量，稱為運轉容量，發電車必須有備用電力容量，以使在機組檢修或發電故障時，備用機組運轉容量PY投入運行；

P2——可運轉機組的備用容量或稱備用機組容量。

P2=PZ-PY　　（1-11）

PZ、PY、PJS之間，必須滿足式（1-12）所示關系：

PZ≥PY≥PJS　　（1-12）

發電車總的備用率見式（1-13）：

單臺機組的容量應根據計算負荷的大小、輸電干線數、空調列車對供電連續性和可靠性的要求以及發展遠景等條件來確定。空調列車在最大負荷期間，不允許機組超載運行；在最小負荷期間，不應小于單臺機組50％的額定容量，即單臺機組不應在低于50％額定容量的負荷下運行。發電機組在經濟負荷運行下能減少耗油量、降低電能成本，柴油機的最佳經濟運行工況是12h功率的75％～90％。

空調列車采用兩路供電線，需要選用兩臺機組供電。通常一單臺機組容量PDJ以冬季負荷為計算依據：

式中：N——機組的臺數。

備用機組容量確定原則：

①在功率最大的一臺機組出現故障或需要檢修的情況下，備用機組投入運行后能滿足最大負荷需要。

②只按1臺機組故障或檢修考慮備用量。

③如無特殊要求，檢修備用容量一般不小于電力計算負荷。

如果發電車運轉機組選用2臺300GF型柴油發電機組，則其運轉容量：

PY=2×300=600（kW）

據此備用機組選用1臺300GF型柴油機發電機組，備用容量為：

PB=300（kW）

在一臺運轉機組出現故障或需要檢修時備用機組投入運行后，即能滿足最大負菏的需要。因此，發電車的總裝機數為3臺300GF機組，總裝機容量為：

PZ=3×300=900（kW）

（1）25K型空調客車電氣負載及其額定功率

①空調裝置中有制冷壓縮機、蒸發風機、冷凝風機、排氣風機的三相感應電動機和其控制設備。列車空調機組參數見表1-2。

②根據要求確定車燈照明功率，對于25K型客車整車平均照度達到300lx，平均照明功率可取1.3kW。

③客車電開水爐，采用DR50-16CT1電開水器，功率為5kW。

④餐車電冰箱功率，依據規定標準取2×1.1kW。

⑤其他用電設備，軟臥車溫水箱功率為1kW，其他車均為1.5kW。列車播音、閉路電視、軸溫檢測與報警裝置等用電量少，可略去不計。

⑥為補償車內外溫差造成的車體熱損失，軟臥車補償12kW、硬臥車15kW、硬座車12kW、餐車15kW。

（2）各種負載的效率與功率因數

①采暖的電加熱器、電開水爐和溫水箱電熱均屬電阻性負載，其cosφ=1。

②熒光燈照明用電可取cosφ=0.52。

③對于三相異步電動機，當其功率負載在60％～100％范圍內變化時，其效率變化不大。而功率因數卻隨負載與轉速大小而變化。不同型號電動機在額定負載和轉速情況下的效率和功率因數見表1-3。

（3）功率利用系數

由于空調旅客列車運行季節、車上人員和電源電壓的變化，使設計安裝的電氣設備功率沒有完全被利用。

對于空調機組按經驗其功率利用系數一般只為75％，而各種電氣負載的功率利用系數參照表1-1。

（4）列車用電量

①負載的有功功率P

式中：P0——負載的額定功率，kW；

η——負載的效率；

K1——負載的功率利用系數。

②負載的無功功率Q

式中：cosφ——該負載的功率因數。

③負載的視在功率S

或

【任務實施】

1.分析鐵道車輛電氣負載計算的基本原理和方法。

2.進行實際鐵道空調客車電氣負載的計算。

例1：某照明電路中的熔斷器熔斷電流為5A，現將220V、1000W的負載接入電源，問熔斷器是否熔斷？如果是220V、1500W的負載呢？

解：根據I=P/U，則

I1=P1/U1=1000/220=4.5（A），I1<I熔，熔絲不熔斷。

I2=P2/U2=1500/220=6.8（A），I2>I熔，熔絲將熔斷。

例2：客運列車停站時，由列車上的蓄電池給列車照明供電。已知蓄電池的電動勢為48V，照明燈為20盞48V、40W的白熾燈，蓄電池的內阻為r=0.12Ω，求蓄電池的輸出電流和電壓，以及照明負載實際消耗的功率。

解：每只照明燈電阻為

20盞并聯后電阻為

R=R1/20=57.6/20=2.88（Ω）

蓄電池輸出電流為

蓄電池輸出電壓為

U=I·R=16×2.88=46.08（V）

照明負載實際消耗功率

P=I·U=16×46.08=737.28（W）

3.25T型空調客車電氣負載的計算舉例。

已知某鐵路客車制冷壓縮機功率為2×4.5kW，效率為0.85，滿載工作，試求該負載所需的供電功率為多少kW？

解：2×4.5÷0.85≈10.59（kW）

答：該負載所需功率為10.59kW。

4.鐵道車輛用電器選用導線、開關和熔斷器時負載電流的計算問題。

（1）白熾燈、電流器的電流計算

式中：I——電流，單位為安（A）；

P——功率，單位為瓦（W）；

U——電壓，單位為伏（V）。

當供電電源為220V單相時，電流（A）=功率（W）/220（V）。

當供電電源為380V單相時，電流（A）=功率（W）/380（V）。

例如，一臺額定電壓為220V，功率為1500W的電熱水器，電流=1500/220≈6.82A。

（2）日光燈的電流計算

日光燈由220V單相電源供電時，電流（A）=功率（W）/[220（V）×功率因數]。

當日光燈沒有電容補償時，其功率因數cosφ可取0.5～0.6；有電容補償時，可取0.85～0.9。另外，日光燈的功率應指燈管功率與鎮流器消耗功率之和。鎮流器消耗：用于6～8W日光燈為4W，用于15～40W日光燈為8W。

例如，一只40W日光燈未裝電容器，則通過燈管的電流=（40+8）/（220×0.5）≈0.436（A）。

（3）電動機的電流計算

單臺220V單相電動機電流（A）=功率（W）/[220（V）×功率因數]。

如果單相電動機銘牌上無功率因數可查，則單相電動機的功率因數可按0.8～0.9估算。當電動機功率為馬力時，應換算為W計算（1馬力=735W）。

單臺380V三相異步電動機電流（A）=功率（kW）×1000/（1.73×380×功率因數×效率）。

三相電動機功率因數和效率在銘牌上可查得，無銘牌時可分別取0.8和0.85。

一條線路上有幾臺電動機運行時，總電流為所有電動機的額定電流之和。注意，這里的總電流是供選擇導線時的總計算電流，并非線路上的實際工作電流，實際工作電流是電動機在實際工作負載（并非額定負載）下的電流。