25T型空調客車DC600V DC110V8kW充電系統應用研究

1 引言

??? DC600V／DC110V8kW充電系統是為DC600V供電系統的25T型客車設計的專用系統，該充電系統由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，為鐵路空調客車蓄電池提供浮充電源。同時向其他直流負載供電，供蓄電池充電及照明控制等系統使用。

2 系統組成

??? 該25T型空調客車DC600V／DCI110V 8 kW充電系統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線端子、輸入輸出回路熔斷器和控制用的空氣開關等。

2．1 PWM高頻橋式逆變主電路分析及實現

??? DC600V／DC110V 8 kW充電系統輸入電壓為DC600 V，功率為8 kW，采用適應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PWM高頻橋式DC／DC變換的電路原理圖。整個系統由輸入隔離、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，變壓器輸出經高頻整流和濾波后，供給直流負載和蓄電池。圖2為由V1-V4構成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區間內，V1和V4導通，變壓器原邊電壓為正相電壓；t3～t4區間內，V2和V3導通，變壓器原邊電壓為反相電壓。

??? 圖3為25T型空調客車DC600V／DC110V充電系統主電路。分析圖2、圖3可知，開關元件IGBT功率模塊(V1、V2)高頻變壓器的初級經隔離直流電容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、時間可調的IGBT柵極觸發信號。進一步分析可知，系統在t2～t3區間內所有IGBT都不導通，這段時間稱為“死區”，以防止上下橋臂的兩只IGBT同時導通而造成橋臂“貫通”短路。

??? 系統在設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，電路結構雖然簡單，但由于IGBT作頻率很高，一般均在20 kHz左右，因此其開關損耗大，散熱困難。為解決高頻的開關損耗問題，系統采用移相技術實現IGBT的準軟開關控制。移相軟開關電路具有工作頻率不變、控制簡單、效率高、干擾小等優點。移相控制原理：利用變壓器漏感和IGBT結間的電容諧振，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導通，創造0電壓開關(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而設置的。電橋左右兩個橋臂的上下兩個開關管(V1和V2，V3和V4)施以180°互補的驅動信號，上下兩管180°互補導通。除上下兩管導通的死區外，電路中總有兩個開關管同時導通，共有4種導通組合，即V1和V4，V4和V2，V2和V3，V3和V1，并按此順序周而復始。其中V1和V4，V2和V3組合導通(即對角線導通)時，全橋電路給出能量，而V3和V1，V4合V2組合導通(即上橋臂兩管或下橋臂兩管同時導通)時，全橋電路處于續流狀態不輸出能量。調節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，系統采用高頻絕緣式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載使用的DC110V，并在輸入電壓和負載變化時，保持輸出穩定即實現穩壓功能。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。占空比是指一個半波內，驅動IGBT的脈沖寬度占整個半波周期的比例。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，當負載發生變化時，通過改變脈沖的寬度來保證輸出電壓的穩定；如果輸入電壓發生變化，也可通過改變脈沖寬度保證輸出穩定。經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壓降以減小導通損耗外，還要求具有快速的導通和關斷能力，以減小開關損耗，因為在高頻條件下，二極管的導通和反向恢復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控制實現蓄電池恒流定壓充電；采用軟開關技術減小IGBT高頻開關損耗，效率達92％；采用先進的非晶態鐵芯制造變壓器和電抗器，減小充電器體積；IGBT的開關頻率達20 kHz以上，避開音頻區域，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。工作過程：DC 600 V輸入+610 V、－610 V，經熔斷器、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進入充電器。當母線電壓達到500 V時，KM1吸合，通過R1給電容C1、C2、C3充電，當電容上電壓充滿時，KM2吸合，經輸入濾波電感L1和輸入濾波電容C1、C2、C3進行LC濾波后得到較平滑的直流電壓，再送入DC 600 V／DC 110 V直一交一直變換環節進行變換。R1和KM2組成軟啟動電路，當輸入電源突增時，為了避免對輸入濾波電容C1、C2、C3直接充電，DC 600 V輸入須經金屬膜電阻R1限流，當輸入電容充滿后，控制接觸器KM2吸合，再正常變換。當充電器出現故障時，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，當升高到一定值時，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，即蓄電池在電壓低時采取恒流充電方式，當電壓充到一定程度時采取恒壓浮充方式。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，充電電壓應為120 V，考慮到大多數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，一部分向本車蓄電池充電，另一部分供給本車照明、控制等負載，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，當充電器的輸出電流超過其允許電流70 A時，控制IGBT的驅動脈沖變窄，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，因此各客車充電器的輸出電壓應盡可能保持一致。

3．2 系統的工作過程

??? 系統只有在接線準確無誤，控制電源正常，DC 600 V供電正常的情況下才能正常工作。系統在接通控制電源后，即開始進行各個狀態的檢測。如果只接通控制電源，無DC 600 V輸入時，該電源系統將循環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(欠壓或正常)，同時和網關通信，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，變換器開始工作，監控系統同時循環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，同時和網關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，輸出過載保護，輸入尖峰過壓保護，輸出過流及短路保護，輸入均值過壓保護，輸出欠壓保護，輸出峰值過壓保護，散熱器超溫熱保護，輸出均值過壓保護和功率開關管過流保護等保護電路。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。

4 結束語

??? 與同等功率的傳統電源相比，該系統具有以下特點：體積小、重量輕；效率高；可靠性高；對負載的供電質量高：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水平。