25T型空調(diào)客車DC600V DC110V8kW充電系統(tǒng)應(yīng)用研究

1 引言

??? DC600V／DC110V8kW充電系統(tǒng)是為DC600V供電系統(tǒng)的25T型客車設(shè)計的專用系統(tǒng)，該充電系統(tǒng)由1個8 kW充電器模塊和1個3．5 kV·A單相逆變器模塊組成，為鐵路空調(diào)客車蓄電池提供浮充電源。同時向其他直流負(fù)載供電，供蓄電池充電及照明控制等系統(tǒng)使用。

2 系統(tǒng)組成

??? 該25T型空調(diào)客車DC600V／DCI110V 8 kW充電系統(tǒng)是由單機和機柜兩大部分組成，其中，單機部分主要有主電路和控制電路；機柜部分包括對外進(jìn)線端子、輸入輸出回路熔斷器和控制用的空氣開關(guān)等。

2．1 PWM高頻橋式逆變主電路分析及實現(xiàn)

??? DC600V／DC110V 8 kW充電系統(tǒng)輸入電壓為DC600 V，功率為8 kW，采用適應(yīng)高壓變換的橋式整流電路和大功率DC／DC變換電路，圖1為系統(tǒng)PWM高頻橋式DC／DC變換的電路原理圖。整個系統(tǒng)由輸入隔離、濾波和緩沖電路組成。逆變橋由4只IGBT組成，高頻變壓器傳輸功率，變壓器輸出經(jīng)高頻整流和濾波后，供給直流負(fù)載和蓄電池。圖2為由V1-V4構(gòu)成DC／DC變換的主電路的控制邏輯和變壓器原副邊電壓邏輯波形圖：t1-t2區(qū)間內(nèi)，V1和V4導(dǎo)通，變壓器原邊電壓為正相電壓；t3～t4區(qū)間內(nèi)，V2和V3導(dǎo)通，變壓器原邊電壓為反相電壓。

??? 圖3為25T型空調(diào)客車DC600V／DC110V充電系統(tǒng)主電路。分析圖2、圖3可知，開關(guān)元件IGBT功率模塊(V1、V2)高頻變壓器的初級經(jīng)隔離直流電容C8和電感L2接電橋的對角線。變壓器次級接全波整流器(V56)和濾波器L3、C9、C10輸出119～123 V直流電。主控制電路使用移相控制集成電路，UC3875(UC2875)為控制器件，輸出兩組(A－B，C－D)180°互補且滯后、時間可調(diào)的IGBT柵極觸發(fā)信號。進(jìn)一步分析可知，系統(tǒng)在t2～t3區(qū)間內(nèi)所有IGBT都不導(dǎo)通，這段時間稱為“死區(qū)”，以防止上下橋臂的兩只IGBT同時導(dǎo)通而造成橋臂“貫通”短路。

??? 系統(tǒng)在設(shè)計時考慮充電器用的IGBT一般采用雙單元，即在一個模塊集成上下橋臂兩個IGBT，電路結(jié)構(gòu)雖然簡單，但由于IGBT作頻率很高，一般均在20 kHz左右，因此其開關(guān)損耗大，散熱困難。為解決高頻的開關(guān)損耗問題，系統(tǒng)采用移相技術(shù)實現(xiàn)IGBT的準(zhǔn)軟開關(guān)控制。移相軟開關(guān)電路具有工作頻率不變、控制簡單、效率高、干擾小等優(yōu)點。移相控制原理：利用變壓器漏感和IGBT結(jié)間的電容諧振，漏感LK儲能向電容C釋放過程中，使電容C的電壓逐步下降到0，二極管VD導(dǎo)通，創(chuàng)造0電壓開關(guān)(ZVS)條件，電路中其他電感、電容元件是為獲得可靠的零電壓開關(guān)而設(shè)置的。電橋左右兩個橋臂的上下兩個開關(guān)管(V1和V2，V3和V4)施以180°互補的驅(qū)動信號，上下兩管180°互補導(dǎo)通。除上下兩管導(dǎo)通的死區(qū)外，電路中總有兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通，共有4種導(dǎo)通組合，即V1和V4，V4和V2，V2和V3，V3和V1，并按此順序周而復(fù)始。其中V1和V4，V2和V3組合導(dǎo)通(即對角線導(dǎo)通)時，全橋電路給出能量，而V3和V1，V4合V2組合導(dǎo)通(即上橋臂兩管或下橋臂兩管同時導(dǎo)通)時，全橋電路處于續(xù)流狀態(tài)不輸出能量。調(diào)節(jié)這兩種組合的時間比例，即移相角，變壓器得到一個交變的PWM電壓，從而調(diào)整輸出電壓、電流。

2．2 DC／DC變換的功能與特點

??? 為了減小充電器的體積和防止高壓竄入低壓系統(tǒng)，系統(tǒng)采用高頻絕緣式DC／DC變換器，圖4為其電路圖。

??? DC／DC充電器用于將輸入的DC 600 V變換成適合蓄電池充電和直流負(fù)載使用的DC110V，并在輸入電壓和負(fù)載變化時，保持輸出穩(wěn)定即實現(xiàn)穩(wěn)壓功能。DC／DC充電器的輸入保護(hù)和工作原理與逆變器相同，通過IGBT橋式逆變電路將DC600V電壓變換成占空比可調(diào)的高頻方波電壓。占空比是指一個半波內(nèi)，驅(qū)動IGBT的脈沖寬度占整個半波周期的比例。為了調(diào)整輸出電壓，占空比是可變的，屬于脈沖寬度可調(diào)模式即PWM方式。

??? 該控制方式下，脈沖的幅值不變，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，通過改變脈沖的寬度來保證輸出電壓的穩(wěn)定；如果輸入電壓發(fā)生變化，也可通過改變脈沖寬度保證輸出穩(wěn)定。經(jīng)變壓器隔離后整流濾波成DC 110 V電壓；對部分兼容供電25T型鐵路客車則是先將AC 380 V整流變成DC 540 V，然后采取與DC 600 V相同的DC／DC變換。由VD1～VD4 4只高頻快速二極管組成的整流電路對變壓器副邊輸出的脈沖電壓整流，并由電抗器L和電容C濾波。

??? 由于高頻整流除要求較小的通態(tài)壓降以減小導(dǎo)通損耗外，還要求具有快速的導(dǎo)通和關(guān)斷能力，以減小開關(guān)損耗，因為在高頻條件下，二極管的導(dǎo)通和反向恢復(fù)時間所引起的損耗在總損耗中占有明顯比例。

??? DCfDC變換的特點：采用電壓電流雙閉環(huán)控制實現(xiàn)蓄電池恒流定壓充電；采用軟開關(guān)技術(shù)減小IGBT高頻開關(guān)損耗，效率達(dá)92％；采用先進(jìn)的非晶態(tài)鐵芯制造變壓器和電抗器，減小充電器體積；IGBT的開關(guān)頻率達(dá)20 kHz以上，避開音頻區(qū)域，減小充電器的電磁噪音；蓄電池充電采用溫度補償措施；充電器具有故障診斷和通信功能，控制柜觸摸屏可顯示充電器的運行參數(shù)和故障信息。

3 系統(tǒng)的工作過程

3．1 基本工作原理例

??? 圖5為充電系統(tǒng)的輸入電路原理圖。工作過程：DC 600 V輸入+610 V、－610 V，經(jīng)熔斷器、接觸器KM1、KM2，充電電阻R1、輸入濾波電感L1、輸入濾波電容C1、C2、C3進(jìn)入充電器。當(dāng)母線電壓達(dá)到500 V時，KM1吸合，通過R1給電容C1、C2、C3充電，當(dāng)電容上電壓充滿時，KM2吸合，經(jīng)輸入濾波電感L1和輸入濾波電容C1、C2、C3進(jìn)行LC濾波后得到較平滑的直流電壓，再送入DC 600 V／DC 110 V直一交一直變換環(huán)節(jié)進(jìn)行變換。R1和KM2組成軟啟動電路，當(dāng)輸入電源突增時，為了避免對輸入濾波電容C1、C2、C3直接充電，DC 600 V輸入須經(jīng)金屬膜電阻R1限流，當(dāng)輸入電容充滿后，控制接觸器KM2吸合，再正常變換。當(dāng)充電器出現(xiàn)故障時，斷開KM1使充電器和DC 600 V輸入斷開。

??? 為減小充電器啟動工作的沖擊，充電器IGBT的驅(qū)動脈沖在啟動時也采用軟啟動方式，即脈沖寬度逐漸增加，輸出電壓逐漸升高，當(dāng)升高到一定值時，電壓反饋或電流反饋起作用。

??? 系統(tǒng)具有限流定壓充電功能，由于25T型客車采用堿性中倍率電池，堿性電池充電的要求應(yīng)符合馬氏曲線，即蓄電池在電壓低時采取恒流充電方式，當(dāng)電壓充到一定程度時采取恒壓浮充方式。根據(jù)鐵道部統(tǒng)一要求，限流充電值為(1+10％)×25 A，25T型客車用蓄電池為120 A h，5 h放電電流為24 A，因此恒流充電電流限制在(1+10％)×25 A，堿性中倍率電池浮充的終止電壓為1．5 V，25T型客車蓄電池共有80節(jié)，充電電壓應(yīng)為120 V，考慮到大多數(shù)低壓電器線圈電壓上限值為(1+10％)×110 V，即121 V，因此充電電壓可能偏低．運用中可適當(dāng)減少1～2節(jié)蓄電池。

??? 充電器的輸出電流分3部分，一部分向本車蓄電池充電，另一部分供給本車照明、控制等負(fù)載，還有一部分通過二極管向列車母線供電。

??? 電流傳感器I1／V是測量充電器輸出總電流的傳感器，當(dāng)充電器的輸出電流超過其允許電流70 A時，控制IGBT的驅(qū)動脈沖變窄，使輸出電壓降低，輸出電壓降低后充電器不會向其他客車輸出電流，同時可減小蓄電池電流，降低總輸出電流。由于全列蓄電池、充電器通過二極管并聯(lián)，因此各客車充電器的輸出電壓應(yīng)盡可能保持一致。

3．2 系統(tǒng)的工作過程

??? 系統(tǒng)只有在接線準(zhǔn)確無誤，控制電源正常，DC 600 V供電正常的情況下才能正常工作。系統(tǒng)在接通控制電源后，即開始進(jìn)行各個狀態(tài)的檢測。如果只接通控制電源，無DC 600 V輸入時，該電源系統(tǒng)將循環(huán)檢測和顯示電池電壓及其放電電流，并指示輸入電壓和電池電壓狀態(tài)(欠壓或正常)，同時和網(wǎng)關(guān)通信，將相應(yīng)信息傳給PLC；如果接通控制電源和輸入電源電壓為DC 600 V時，變換器開始工作，監(jiān)控系統(tǒng)同時循環(huán)檢測并顯示電源系統(tǒng)的輸出電壓、負(fù)載電流、充電電流及變換器工作狀態(tài)，同時和網(wǎng)關(guān)通信并將相應(yīng)信息傳給PLC。

3．3 系統(tǒng)的基本保護(hù)功能

??? 為了使系統(tǒng)高效工作，該系統(tǒng)設(shè)計輸人欠壓保護(hù)，輸出過載保護(hù)，輸入尖峰過壓保護(hù)，輸出過流及短路保護(hù)，輸入均值過壓保護(hù)，輸出欠壓保護(hù)，輸出峰值過壓保護(hù)，散熱器超溫?zé)岜Ｗo(hù)，輸出均值過壓保護(hù)和功率開關(guān)管過流保護(hù)等保護(hù)電路。另外，系統(tǒng)在安裝或更換電池前，首先應(yīng)先確認(rèn)極性正確再接線。

4 結(jié)束語

??? 與同等功率的傳統(tǒng)電源相比，該系統(tǒng)具有以下特點：體積小、重量輕；效率高；可靠性高；對負(fù)載的供電質(zhì)量高：使用、維修方便；采用輸入、輸出LC濾波電路以及軟啟動，對供電電網(wǎng)干擾小、輸出電壓紋波較小，抗干擾能力強。該充電系統(tǒng)已達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。