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

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(jī)和機(jī)柜兩大部分組成，其中，單機(jī)部分主要有主電路和控制電路；機(jī)柜部分包括對(duì)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(shí)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(gè)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(jí)經(jīng)隔離直流電容C8和電感L2接電橋的對(duì)角線。變壓器次級(jí)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(bǔ)且滯后、時(shí)間可調(diào)的IGBT柵極觸發(fā)信號(hào)。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(shí)間稱為“死區(qū)”，以防止上下橋臂的兩只IGBT同時(shí)導(dǎo)通而造成橋臂“貫通”短路。

    系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮充電器用的IGBT一般采用雙單元，即在一個(gè)模塊集成上下橋臂兩個(gè)IGBT，電路結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)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(shí)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(jiǎn)單、效率高、干擾小等優(yōu)點(diǎn)。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(chǔ)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(gè)橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)管(V1和V2，V3和V4)施以180°互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，上下兩管180°互補(bǔ)導(dǎo)通。除上下兩管導(dǎo)通的死區(qū)外，電路中總有兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)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(duì)角線導(dǎo)通)時(shí)，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(shí)導(dǎo)通)時(shí)，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(shí)間比例，即移相角，變壓器得到一個(gè)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(diǎn)
    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(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。