25T型空調客車(chē)DC600V／DC110V8kW充電系統應用研究

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載使用的DC110V，并在輸入電壓和負載變化時(shí)，保持輸出穩定即實(shí)現穩壓功能。DC／DC充電器的輸入保護和工作原理與逆變器相同，通過(guò)IGBT橋式逆變電路將DC600V電壓變換成占空比可調的高頻方波電壓。占空比是指一個(gè)半波內，驅動(dòng)IGBT的脈沖寬度占整個(gè)半波周期的比例。為了調整輸出電壓，占空比是可變的，屬于脈沖寬度可調模式即PWM方式。
該控制方式下，脈沖的幅值不變，當負載發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)改變脈沖的寬度來(lái)保證輸出電壓的穩定；如果輸入電壓發(fā)生變化，也可通過(guò)改變脈沖寬度保證輸出穩定。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(chē)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)壓降以減小導通損耗外，還要求具有快速的導通和關(guān)斷能力，以減小開(kāi)關(guān)損耗，因為在高頻條件下，二極管的導通和反向恢復時(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)現蓄電池恒流定壓充電；采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)減小IGBT高頻開(kāi)關(guān)損耗，效率達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(kāi)關(guān)頻率達20 kHz以上，避開(kāi)音頻區域，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和故障信息。

3 系統的工作過(guò)程
3．1 基本工作原理例
圖5為充電系統的輸入電路原理圖。工作過(guò)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。當母線(xiàn)電壓達到500 V時(shí)，KM1吸合，通過(guò)R1給電容C1、C2、C3充電，當電容上電壓充滿(mǎn)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)節進(jìn)行變換。R1和KM2組成軟啟動(dòng)電路，當輸入電源突增時(shí)，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，當輸入電容充滿(mǎn)后，控制接觸器KM2吸合，再正常變換。當充電器出現故障時(shí)，斷開(kāi)KM1使充電器和DC 600 V輸入斷開(kāi)。

為減小充電器啟動(dòng)工作的沖擊，充電器IGBT的驅動(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，當升高到一定值時(shí)，電壓反饋或電流反饋起作用。
系統具有限流定壓充電功能，由于25T型客車(chē)采用堿性中倍率電池，堿性電池充電的要求應符合馬氏曲線(xiàn)，即蓄電池在電壓低時(shí)采取恒流充電方式，當電壓充到一定程度時(shí)采取恒壓浮充方式。根據鐵道部統一要求，限流充電值為(1+10％)×25 A，25T型客車(chē)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(chē)蓄電池共有80節，充電電壓應為120 V，考慮到大多數低壓電器線(xiàn)圈電壓上限值為(1+10％)×110 V，即121 V，因此充電電壓可能偏低．運用中可適當減少1～2節蓄電池。
充電器的輸出電流分3部分，一部分向本車(chē)蓄電池充電，另一部分供給本車(chē)照明、控制等負載，還有一部分通過(guò)二極管向列車(chē)母線(xiàn)供電。
電流傳感器I1／V是測量充電器輸出總電流的傳感器，當充電器的輸出電流超過(guò)其允許電流70 A時(shí)，控制IGBT的驅動(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(chē)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(guò)二極管并聯(lián)，因此各客車(chē)充電器的輸出電壓應盡可能保持一致。
3．2 系統的工作過(guò)程
系統只有在接線(xiàn)準確無(wú)誤，控制電源正常，DC 600 V供電正常的情況下才能正常工作。系統在接通控制電源后，即開(kāi)始進(jìn)行各個(gè)狀態(tài)的檢測。如果只接通控制電源，無(wú)DC 600 V輸入時(shí)，該電源系統將循環(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(shí)和網(wǎng)關(guān)通信，將相應信息傳給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(kāi)始工作，監控系統同時(shí)循環(huán)檢測并顯示電源系統的輸出電壓、負載電流、充電電流及變換器工作狀態(tài)，同時(shí)和網(wǎng)關(guān)通信并將相應信息傳給PLC。
3．3 系統的基本保護功能
為了使系統高效工作，該系統設計輸人欠壓保護，輸出過(guò)載保護，輸入尖峰過(guò)壓保護，輸出過(guò)流及短路保護，輸入均值過(guò)壓保護，輸出欠壓保護，輸出峰值過(guò)壓保護，散熱器超溫熱保護，輸出均值過(guò)壓保護和功率開(kāi)關(guān)管過(guò)流保護等保護電路。另外，系統在安裝或更換電池前，首先應先確認極性正確再接線(xiàn)。

4 結束語(yǔ)
與同等功率的傳統電源相比，該系統具有以下特點(diǎn)：體積小、重量輕；效率高；可靠性高；對負載的供電質(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。該充電系統已達到國內先進(jìn)水平。