任务2　车辆电气负载用电量认知

【活动场景】

为了能更好地理解和加深对铁道车辆供电电源技术重要性的认知，本次任务我们将对铁道车辆中最主要的电气负载的用电量进行定性的或定量认知，并结合实例进行计算。

在铁道车辆普通客车或空调客车供电检修车间，或在具有供电模型的试验室，或在能展示铁道车辆供电技术的多媒体教室进行。

【任务要求】

1.掌握铁道车辆主要电气负载的用电量计算的基本方法。

2.掌握铁道车辆主要电气负载基本参数的计算。

【知识准备】

1.铁道车辆电气负载用电量基本参数的认知

铁路客车在设计制造时，对于车辆电气负载供电系统的容量，在设计时应重点考虑车辆电气负载的最大功率、有效效率、功率因数和功率利用系数等重要参数。

一般情况下，车辆常规电气负载设备在其产品目录和说明书上均标有其额定功率、效率等参数。通常情况下，电热元件构成的电气负载，其功率为所需功率；而电动机类电气负载所标功率为电动机在正常工作状态下电动机轴上所具有的有效机械功率，电动机的需要功率比有效机械功率大，多出的部分是本身的损耗。所以电动机所需功率实际等于有效机械功率除以电动机的机械效率。

负载的功率因数（cosφ）是对交流电路而言，在计算交流发电机及其输电线的功率时，需要考虑负载的功率因数。负载功率因数的大小由其视在功率除以所需功率的商来确定。视在功率等于负载的额定电压与额定电流的乘积，单位用V·A或kV·A表示。在同一需要功率的情况下，负载的功率因数愈小，它的视在功率就愈大。因此，应尽可能提高负载的功率因数。

目前，铁道车辆采用的三相异步电动机在正常工作状态下的功率因数值在0.75～0.85之间；如果电动机不满载，将可能降至0.5，空载时可降至0.25～0.30。铁道车辆上电取暖器等电热元件和照明用的白炽灯属于电阻性负载，其功率因数等于1；荧光灯和控制电器等属于电感元器件，其功率因数等于或小于0.7。总体上统计，对有空气调节装置的旅客列车的功率因数，在夏季工况时，由于电感性负载较多，全列车负载功率因数一般为0.8；而在冬季工况，电阻性负载较多，功率因数则接近于1。图1-5、图1-6所示是目前铁道车辆上常用的电气负载，请读者自行分析其负载的类型（电阻性、电感性负载）。

车辆电气负载在大部分运行时间中并非同时工作，特别是带有空气调节装置的旅客列车，空调装置的工况是随外温和车内定员的变化而变化的，因而列车电气负载的功率消耗也将产生相应的变化。因此，要合理的计算供电容量，还必须考虑负载的功率利用系数。

负载的功率利用系数是指某一时间内、一组同时工作的负载，其平均需要功率与总安装功率之比。它与负载的效率、平均电网电压、负载与负载之间的组合方式以及负载本身的特性等因素有关。常见车辆电气负载的功率利用系数见表1-1。

续上表

2.柴油发电机组额定功率

柴油发电机组是单独供电的电源，应根据某一种特定车型的电气负载用电需求来选型。若运转机组的容量为PY，装机容量为PZ，备用机容量为PB，则：

PZ=PY+PB（kW）　　（1-1）

PY=PJS+P1（kW）　　（1-2）

式中：PJS计算功率，一般按冬季计算负荷取，单位为kW；

P1运转机组电力余量，单位为kW。

其中：　　P1=（0.05～0.1）PJS（kW）　　（1-3）

以RW25K客车为例，RW25K的用电量的求解过程如下：

RW25K客车的有功功率（负载的额定功率与负载的效率之比）：P=21.59kW。

RW25K客车的计算功率：PJS=21.59kW。

运转机组电力余量：P1=0.1×PJS=0.1×21.59=2.159kW。

运转机组的容量：PY=PJS+P1=21.59+2.159≈24kW。

柴油发电机单独供电系统没有备用机组，所以也就没有备用机容量PB，因而柴油发电机单独供电系统装机容量PZ就是运转容量PY。即：

PZ=PY　　（1-4）

空调列车在最大负荷期间，不允许机组超载运行；在最小负荷期间，不应小于机组的50％额定容量。发电机组在经济负荷运行下能减少耗油量、降低电能成本，柴油机全列车负载的最佳经济运行状况是12h功率的75％～90％。因此，空调列车的单独供电选用的柴油发电机组额定功率应为24kW。

3.发电车的计算负荷

发电车的计算负荷是柴油发电机组选型的重要数据依据，发电车的计算负荷为全列车计算负荷P与同时系数的乘积。

有功功率：　　PJS=K∑pP（kW）　　（1-5）

无功功率：　　QJS=K∑qP（kW）　　（1-6）

式中：K∑p——有功同时系数，取0.95～0.98，按冬季负荷进行设计，取0.98；

K∑q——无功同时系数，取0.93～0.97；

cosφ——发电站总负载的功率因数；

P——全列的计算负荷，取537.5kW。

发电车的总容量，由柴油发电机组的额定容量决定。运转机组的备用容量或称运转机组的电力余量，用PB表示。

PB=PZ-PJS　　（1-9）

式中：PZ——全车所有机组额定功率的总合，称为发电车装机容量。

PZ=PJS+PB=PY+P2　　（1-10）

式中：PY——在最大负荷时运转机组的总容量，称为运转容量，发电车必须有备用电力容量，以使在机组检修或发电故障时，备用机组运转容量PY投入运行；

P2——可运转机组的备用容量或称备用机组容量。

P2=PZ-PY　　（1-11）

PZ、PY、PJS之间，必须满足式（1-12）所示关系：

PZ≥PY≥PJS　　（1-12）

发电车总的备用率见式（1-13）：

单台机组的容量应根据计算负荷的大小、输电干线数、空调列车对供电连续性和可靠性的要求以及发展远景等条件来确定。空调列车在最大负荷期间，不允许机组超载运行；在最小负荷期间，不应小于单台机组50％的额定容量，即单台机组不应在低于50％额定容量的负荷下运行。发电机组在经济负荷运行下能减少耗油量、降低电能成本，柴油机的最佳经济运行工况是12h功率的75％～90％。

空调列车采用两路供电线，需要选用两台机组供电。通常一单台机组容量PDJ以冬季负荷为计算依据：

式中：N——机组的台数。

备用机组容量确定原则：

①在功率最大的一台机组出现故障或需要检修的情况下，备用机组投入运行后能满足最大负荷需要。

②只按1台机组故障或检修考虑备用量。

③如无特殊要求，检修备用容量一般不小于电力计算负荷。

如果发电车运转机组选用2台300GF型柴油发电机组，则其运转容量：

PY=2×300=600（kW）

据此备用机组选用1台300GF型柴油机发电机组，备用容量为：

PB=300（kW）

在一台运转机组出现故障或需要检修时备用机组投入运行后，即能满足最大负菏的需要。因此，发电车的总装机数为3台300GF机组，总装机容量为：

PZ=3×300=900（kW）

（1）25K型空调客车电气负载及其额定功率

①空调装置中有制冷压缩机、蒸发风机、冷凝风机、排气风机的三相感应电动机和其控制设备。列车空调机组参数见表1-2。

②根据要求确定车灯照明功率，对于25K型客车整车平均照度达到300lx，平均照明功率可取1.3kW。

③客车电开水炉，采用DR50-16CT1电开水器，功率为5kW。

④餐车电冰箱功率，依据规定标准取2×1.1kW。

⑤其他用电设备，软卧车温水箱功率为1kW，其他车均为1.5kW。列车播音、闭路电视、轴温检测与报警装置等用电量少，可略去不计。

⑥为补偿车内外温差造成的车体热损失，软卧车补偿12kW、硬卧车15kW、硬座车12kW、餐车15kW。

（2）各种负载的效率与功率因数

①采暖的电加热器、电开水炉和温水箱电热均属电阻性负载，其cosφ=1。

②荧光灯照明用电可取cosφ=0.52。

③对于三相异步电动机，当其功率负载在60％～100％范围内变化时，其效率变化不大。而功率因数却随负载与转速大小而变化。不同型号电动机在额定负载和转速情况下的效率和功率因数见表1-3。

（3）功率利用系数

由于空调旅客列车运行季节、车上人员和电源电压的变化，使设计安装的电气设备功率没有完全被利用。

对于空调机组按经验其功率利用系数一般只为75％，而各种电气负载的功率利用系数参照表1-1。

（4）列车用电量

①负载的有功功率P

式中：P0——负载的额定功率，kW；

η——负载的效率；

K1——负载的功率利用系数。

②负载的无功功率Q

式中：cosφ——该负载的功率因数。

③负载的视在功率S

或

【任务实施】

1.分析铁道车辆电气负载计算的基本原理和方法。

2.进行实际铁道空调客车电气负载的计算。

例1：某照明电路中的熔断器熔断电流为5A，现将220V、1000W的负载接入电源，问熔断器是否熔断？如果是220V、1500W的负载呢？

解：根据I=P/U，则

I1=P1/U1=1000/220=4.5（A），I1<I熔，熔丝不熔断。

I2=P2/U2=1500/220=6.8（A），I2>I熔，熔丝将熔断。

例2：客运列车停站时，由列车上的蓄电池给列车照明供电。已知蓄电池的电动势为48V，照明灯为20盏48V、40W的白炽灯，蓄电池的内阻为r=0.12Ω，求蓄电池的输出电流和电压，以及照明负载实际消耗的功率。

解：每只照明灯电阻为

20盏并联后电阻为

R=R1/20=57.6/20=2.88（Ω）

蓄电池输出电流为

蓄电池输出电压为

U=I·R=16×2.88=46.08（V）

照明负载实际消耗功率

P=I·U=16×46.08=737.28（W）

3.25T型空调客车电气负载的计算举例。

已知某铁路客车制冷压缩机功率为2×4.5kW，效率为0.85，满载工作，试求该负载所需的供电功率为多少kW？

解：2×4.5÷0.85≈10.59（kW）

答：该负载所需功率为10.59kW。

4.铁道车辆用电器选用导线、开关和熔断器时负载电流的计算问题。

（1）白炽灯、电流器的电流计算

式中：I——电流，单位为安（A）；

P——功率，单位为瓦（W）；

U——电压，单位为伏（V）。

当供电电源为220V单相时，电流（A）=功率（W）/220（V）。

当供电电源为380V单相时，电流（A）=功率（W）/380（V）。

例如，一台额定电压为220V，功率为1500W的电热水器，电流=1500/220≈6.82A。

（2）日光灯的电流计算

日光灯由220V单相电源供电时，电流（A）=功率（W）/[220（V）×功率因数]。

当日光灯没有电容补偿时，其功率因数cosφ可取0.5～0.6；有电容补偿时，可取0.85～0.9。另外，日光灯的功率应指灯管功率与镇流器消耗功率之和。镇流器消耗：用于6～8W日光灯为4W，用于15～40W日光灯为8W。

例如，一只40W日光灯未装电容器，则通过灯管的电流=（40+8）/（220×0.5）≈0.436（A）。

（3）电动机的电流计算

单台220V单相电动机电流（A）=功率（W）/[220（V）×功率因数]。

如果单相电动机铭牌上无功率因数可查，则单相电动机的功率因数可按0.8～0.9估算。当电动机功率为马力时，应换算为W计算（1马力=735W）。

单台380V三相异步电动机电流（A）=功率（kW）×1000/（1.73×380×功率因数×效率）。

三相电动机功率因数和效率在铭牌上可查得，无铭牌时可分别取0.8和0.85。

一条线路上有几台电动机运行时，总电流为所有电动机的额定电流之和。注意，这里的总电流是供选择导线时的总计算电流，并非线路上的实际工作电流，实际工作电流是电动机在实际工作负载（并非额定负载）下的电流。