客車(chē)DC600V供電電源主電路的設(shè)計(jì)

摘要：為了提高客車(chē)DC600 V供電電源的功率因數(shù)，減小輸出電壓的波動(dòng)，對(duì)主電路提出了基于“二極管不控整流+IGBT降壓斬波”的設(shè)計(jì)、通過(guò)對(duì)主電路的PSIM仿真，表明該電路能夠大幅提高DC600 V電源的功率因數(shù)，而且使輸出電壓穩(wěn)定在600 V左右，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，能滿(mǎn)足對(duì)客車(chē)供電的質(zhì)量需求，保證用電設(shè)備的正常工作。
關(guān)鍵詞：DC600 V供電電源；主電路；功率因數(shù)；電壓波動(dòng)

目前，在電氣化區(qū)段，列車(chē)供電系統(tǒng)，由裝在機(jī)車(chē)(拖車(chē))內(nèi)的客車(chē)供電裝置將接觸網(wǎng)、受電弓送來(lái)的的25 kV單相交流電，經(jīng)降壓整流，濾波成600 V直流電壓，提供DC600 V電樂(lè)等級(jí)的列車(chē)供電母線(xiàn)。各空調(diào)客車(chē)通過(guò)配電柜供電選擇開(kāi)關(guān)將其中一路600 V直流送入空調(diào)逆變電源裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)逆變器)及直流110 V電源裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)充電器)，分別向空調(diào)、電開(kāi)水爐、冰箱等三相交流電器負(fù)載、電視機(jī)等單相220 V插座供電，并在給蓄電池充電的同時(shí)向照明、供電控制等直流負(fù)載供電。由于現(xiàn)有的客車(chē)DC600 V供電電源裝置的主電路采用是晶閘管單相半控整流電路，功率因數(shù)低，輸出電壓經(jīng)常在500～700 V間振蕩，電壓波動(dòng)不穩(wěn)，極易導(dǎo)致客車(chē)上的逆變器、充電器發(fā)生保護(hù)停機(jī)或損壞。
本文針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)客車(chē)DC600V供電電源的主電路提出了“二極管整流+ICBT降壓斬波”的技術(shù)方案，對(duì)主電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用PSIM軟件進(jìn)行仿真分析。

1 客車(chē)DC600 V供電電源主電路的設(shè)計(jì)思路
1．1 技術(shù)參數(shù)要求
根據(jù)客車(chē)用電的實(shí)際要求，客車(chē)DC600 V供電電源應(yīng)滿(mǎn)足以下技術(shù)要求。
電源裝置的額定輸出電壓： DC600 V
輸出電壓波動(dòng)范圍： ±10 V
額定輸出功率： 2×40HD kW
額定輸出電流： 2×670 A
輸出過(guò)載電流： 2×≯750 A
1．2 設(shè)計(jì)思路
現(xiàn)有的客車(chē)DC600 V供電電源采用的是單相橋式晶閘管半控整流電路，使得網(wǎng)側(cè)總功率因數(shù)波動(dòng)范圍為0．5～0．85，當(dāng)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓高網(wǎng)壓時(shí)，網(wǎng)側(cè)總功率因數(shù)低至0．5；網(wǎng)側(cè)基波功率因數(shù)波動(dòng)范圍為0．65～1，高網(wǎng)壓時(shí)低至0．65；而且輸出電壓經(jīng)常在500～700 V間振蕩，電壓波動(dòng)不穩(wěn)。
在所有的單相整流電路中，二極管不控整流電路的的功率因數(shù)恒定為0．9，網(wǎng)側(cè)基波功率因數(shù)接近1，相對(duì)較高，而且波紋系數(shù)小，整流電壓為0．9Ud；所以，主電路采用二極管整流橋可有效提高客車(chē)DC600 V供電電源n的功率因數(shù)。裝置的額定輸入電壓為交流860 V，經(jīng)過(guò)二極管整流后輸出的直流電壓為774 V，高于客車(chē)所需要的600 V，所以還需要降壓環(huán)節(jié)。
另外，該電源的輸入電壓會(huì)隨著接觸網(wǎng)的網(wǎng)壓隨時(shí)在波動(dòng)，降壓環(huán)節(jié)的降壓比也應(yīng)該隨著變化，因此，采用IGBT斬波電路，通過(guò)斬波電路的開(kāi)通占空比，調(diào)節(jié)輸出電壓穩(wěn)定在600V左右，減小輸出電壓的波動(dòng)。所以，對(duì)主電路設(shè)計(jì)了“二極管整流+IGBT降壓斬波”的技術(shù)方案。

2 客車(chē)DC600V供電電源主電路的設(shè)計(jì)
該DC2600 V供電電源的額定輸出功率為2×400 kW，由兩組相同的電路構(gòu)成，每組輸出功率為400 kW。兩組的電路結(jié)構(gòu)都是一樣的，包括預(yù)充電電路、二極管整流電路、斬波降壓電路、放電電路、接地保護(hù)電路、控制單元(包括功率板、控制板、通訊板)、顯示和計(jì)量電路等構(gòu)成。下面以其中一組電路為例說(shuō)明如圖1所示。

2．1 預(yù)充電電路
為了防止當(dāng)控制單元獲得DC110 V電源，且外部供電申請(qǐng)信號(hào)有效時(shí)，直接閉合主接觸器KM1，交流電源不經(jīng)過(guò)整流電路而通過(guò)濾波整流電路造成短路現(xiàn)象，設(shè)置了預(yù)充電電路。預(yù)充電電路輸入側(cè)通過(guò)輸入端子與機(jī)車(chē)主變壓器的單相860 V電源相連。由KM2、F0、D0及R0組成，當(dāng)控制單元獲得DC110 V電源，且外部供電申請(qǐng)信號(hào)有效時(shí)，先閉合預(yù)充電電路的接觸器KM2，給電容C1、C2充電，充電完成后閉合主接觸器KM1。