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

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(shí)，保持輸出穩(wěn)定即實(shí)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(gè)半波內(nèi)，驅(qū)動(dòng)IGBT的脈沖寬度占整個(gè)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(shí)，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(duì)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(duì)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?yàn)樵诟哳l條件下，二極管的導(dǎo)通和反向恢復(fù)時(shí)間所引起的損耗在總損耗中占有明顯比例。
DCfDC變換的特點(diǎn)：采用電壓電流雙閉環(huán)控制實(shí)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(bǔ)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(yùn)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(shí)，KM1吸合，通過R1給電容C1、C2、C3充電，當(dāng)電容上電壓充滿時(shí)，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(dòng)電路，當(dāng)輸入電源突增時(shí)，為了避免對(duì)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(shí)，斷開KM1使充電器和DC 600 V輸入斷開。

為減小充電器啟動(dòng)工作的沖擊，充電器IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖在啟動(dòng)時(shí)也采用軟啟動(dòng)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(shí)，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(shí)采取恒流充電方式，當(dāng)電壓充到一定程度時(shí)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(yùn)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(cè)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(shí)，控制IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖變窄，使輸出電壓降低，輸出電壓降低后充電器不會(huì)向其他客車輸出電流，同時(shí)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(gè)狀態(tài)的檢測(cè)。如果只接通控制電源，無DC 600 V輸入時(shí)，該電源系統(tǒng)將循環(huán)檢測(cè)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(shí)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(shí)，變換器開始工作，監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)循環(huán)檢測(cè)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(shí)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(jì)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(diǎn)：體積小、重量輕；效率高；可靠性高；對(duì)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(dòng)，對(duì)供電電網(wǎng)干擾小、輸出電壓紋波較小，抗干擾能力強(qiáng)。該充電系統(tǒng)已達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。