引言

隨著國民經濟的發(fā)展,鐵路客車在確保安全的前提下,如何利于環(huán)保,提高客車服務質量也越來越引起人們的關注。旅客列車的主要輔助設備有空調系統、影視系統及車內照明等,這些裝置的配備能改善乘車環(huán)境,使旅途更加舒適。

目前,我國電氣化鐵路旅客列車輔助電源系統大都采用DC 600V供電制式,即機車通過受電弓從高架線上輸入25 kV交流電,經過變壓器降壓后再整流為DC600V,采用母線方式提供給各節(jié)車廂。本文介紹的輔助電源系統就適用于DC 600V供電制式的空調客車以及具有相應供電制式的動車組。其主電路采用高頻變壓器使輸出與輸入600V母線隔離,其控制芯片采用了先進的DSP控制器。系統中的DC/DC變換器采用兩級轉換,前級采用Boost變換器控制系統的輸出,后級采用諧振開關,提高了整個系統的效率。該系統具有實時控制、自保護、自診斷、自恢復、CAN、RS485/232通訊等功能。系統對短路、過壓、欠壓、過流、過熱、接地等故障具有功能強大的診斷系統,從而提高了系統的安全性和可靠性,同時也增強了系統的可維護性。

l 基于DSP的機車輔助電源系統軟硬件設計

1.l 主電路

主電路由一個DC/DC變換器和一個三相逆變器構成。DC/DC變換器采用了帶高頻變壓器的充電技術,一路輸出直接給蓄電池充電,另一路輸出600 V供給三相逆變器。三相逆變器采用的是空間矢量逆變技術。系統主電路如圖l所示。

l.2控制電路結構

控制電源由DC llOV電源供電,通過系統內部的電源模塊將DC llOV分別變換為DC 24 V,DC±15V,DC 5 V,為控制芯片提供5V電源,為測量系統提供±15V電源,為驅動電路提供24V電源。系統工作時DSP,根據采集到的輸入電壓、電流、輸出電壓、電流、散熱器溫度以及頻率設定自動選擇工作模式進行工作,控制系統的電路結構如圖2所示。

1.3 系統工作原理及軟件說明

l.3.1 DC/DC模塊的工作原理

如圖3所示,DC/DC模塊由3部分組成,分別為升壓電路,諧振電路和整流電路。在系統啟動階段,S1、S2的占空比保持在50%,系統根據檢測到的蓄電池充電電流和電池電壓逐步調整S3、S4的占空比,使輸出到蓄電池上的電壓穩(wěn)定在設定值(一般為DC 120 V)。啟動結束后,系統將固定S3、S4的占空比,并根據蓄電池充電電流和蓄電池電壓、600 V輸入電壓、蓄電池溫度補償特性等動態(tài)地調整S1、S2的占空比,使蓄電池的電壓嚴格符合充電特性曲線。充電特性曲線由蓄電池廠家提供,不同廠家要求的充電特性曲線不盡相同。DC/DC模塊程序流程簡圖如圖4所示。

1.3.2 三相逆變器的工作原理

三相逆變器電路圖如圖l所示。其輸入600V由DC/DC模塊提供,由于DC/DC變換器緩慢啟動,其輸出電壓也是緩慢上升,所以逆變器輸入電壓(變壓器輸出整流后)也緩慢上升,因此該三相逆變器節(jié)省了傳統逆變器前級預充電電路。在系統工作時,逆變器檢測到DC 600 V輸入大于等于600V時,三相逆變器根據系統輸出模式要求(模式決定電壓和頻率)啟動三相逆變器,輸出三相380 V供給客車空調。三相逆變器根據DC/DC直流電壓輸入值,采用空間矢量的方式對600V直流進行逆變?？臻g矢量逆變方式的電壓利用率最高。三相逆變器的簡明程序流程如圖5所示。

2 試驗與改進

在進行實際裝車試驗時,發(fā)現系統與機車DC600V整流電源不相匹配,從而在設備啟動時引起600 V干線電壓和電流的波動,影響了輔助電源系統的正常運行。試驗波形如圖6所示。

圖6中,縱坐標200V/diV,橫坐標50ms/p。上面的曲線為輔助電源啟動時,DC600V母線電壓的波形,波動幅度超過了200V,波動頻率約在6Hz。下面的曲線為DC 600V母線電流的波形,波動幅度將近40A。并且電壓、電流波形的相位差接近90°,即輔助電源系統表現出的功率因數很低。這樣的波動使母線電壓瞬間超過了輔助電源系統的過壓值和欠壓值,設備進行保護從而無法正常工作。分析原因,一方面機車DC600V整流電源冗余量不夠,各節(jié)車廂設備同時啟動時的電流較大,造成DC600V電壓波動,另一方面,輔助電源的功率因數較低,也影響了DC 600V電源的利用率。[!--empirenews.page--]

針對這種情況,對機車DC600V整流電源進行了改造,并對輔助電源系統的控制部分也進行了改造,在軟件中加入了PFC(功率因數校正)控制,使系統呈現出阻性負載的特征,即運行中DC600V電壓和電流幾乎同相位,波動控制在允許的范圍之內,系統的啟動和運行有了根本的好轉。改進后的輸入電壓、電流波形如圖7所示。

3 結語

本系統為我公司與德國SMA公司聯合開發(fā)研制的新型DC600V客車輔助電源系統,已在鄭州鐵路局武昌車輛段,武昌-西安、漢口-深圳的客運列車上使用,目前運行狀況良好。