电力电子应用技术书8.6机车空调电源

1、8.6 电力/内燃机车空调电源铁路机车分为电力机车 （如韶山 SS 系列 ）和内燃机车 （如东风 DF 系列 ），内燃机车以柴油 机为牵引动力源， 电力机车以接触网上单相交流电为牵引动力源。 机车空调电源安装于电力 机车或内燃机车上， 驱动机车专用的空调机组运行，为机车驾驶室通风、制冷和取暖， 改善 司乘人员工作环境的专用设备。 根据应用于机车种类的不同， 分为电力机车空调电源 （简称 电力电源） 和内燃机车空调电源 （简称内燃电源） 两种。 两种空调电源除了输入电压有所不 同外， 其他方面如应用条件、电源指标、 接口条件等基本相同，所以在设计上要兼顾这些条 件，做到简统化，既便于调试和安装，

2、又便于生产和维护。8.6.1 引用标准和技术条件在给出电力 /内燃机车空调电源的技术条件之前，先给出制定技术条件引用的国家和铁路行业技术标准。1引用标准GB12668-90交流电动机半导体变频调速装置总技术条件GB1333机车电器基本技术条件TB1394铁道机车动车电子装置TB/T3034-2002机车车辆电气设备电磁兼容性试验及其限值GB4208外壳防护等级的分类TB1507机车电气设备布线规则TB2402非金属材料阻燃要求GB7183-87铁路干线机车车内设备机械振动烈度测定方法2技术条件（1）输入电压控制电源输入电压： 额定值 DC110V ，变化范围 DC77VDC143V ，对应 D

3、C110V 30%， 取自机车蓄电池组。主电路输入电压（电力电源） ：AC220V ，变化范围 AC154VAC273V ，对应 AC220V +24% -30%，取自电力机车变压器辅助绕组；过分相段时，输入电压取自电力机车蓄电池组，输 入电压值同控制电源电压。主电路输入电压（内燃电源） ：DC110V ，变化范围 DC70VDC140V ，取自内燃机车辅 助发电机（辅发）输出电压。（2）额定输出容量： 5kVA 。（3）负载：机车空调机组，总功率3.3kW 。三台三相异步电动机，其中室内风机300W，室外风机500W，压缩机2.5kW。（4）输出电压：额定值三相交流电压380V 5% ， 5

4、0Hz 1%。当输入电压为低于 DC88V （可能发生在电力机车过分相段或内燃机车辅发偏低时） ， 允许按照 V/f=Const. 的规律降频降压运行。（5） 输出电压波形：准正弦波，相对谐波含量w5% （31次以下谐波含量），失真度w 10%。（6）输出电压平衡度：额定输出电压时，各相对称负载情况下，三相输出电压最大值（或最小值）与三相电压平均值之差的绝对值与平均电压值之比不超过1%。（7） 输出电压稳定度：在额定输入电压下，带阻性负载04kW 范围内变化时，输出电压稳 定精度应不大于 5%；在额定负载工况下，交流输入电压在 AC154VAC273V 范围内变化 时（对应电力电源） ，或直流

5、输入电压在 DC70VDC140V 变化时（对应内燃电源） ，输出电 压稳定精度应不大于 5%。（ 8 ）保护功能输入电压保护值：对应电力电源AC283V 10% ;对应内燃电源 DC150V 10V ;输入欠压保护值：对应电力电源AC150V，对应内燃电源 DC70V ;负载过载（流）保护值：压缩机负载 4.8A 5%;室外风机负载 1.2A 5%;室内风机负载0.6A 5%；短路保护： 先将三相输出负载的任意两相短路， 再启动空调电源， 短路保护功能应动作； 在空调电源正常工作时，突然将任意两相负载短路，短路保护应动作。对空调机组的压力保护： 当空调机组的高压力、 低压力保护触点断开时，

6、空调电源停止输出 供电（停机） 。空调电源过热保护：当空调电源散热器表面温升超过20K （正常运行时温升w 20K）时,空调电源停机。空调电源面板上有如下指示：得电、正常运行、降频运行、输入过压保护、中间直流过 压保护、输入过流保护、输出过载保护（含三种负载） 、短路保护、散热器过热保护、空调 机组高、低压力保护。（9）启动功能：变频软启动。启动时间w 15s,启动最大电流值 Imaxw 1.5led, led为额定 负载运行时的输出电流。空调机组停机到再重新起机，时间间隔不小于60s，电源能自动识别这一段时间间隔，以保护空调机组。(10 )电力机车空调电源自动过分相功能： 电力电源在有交流和

7、直流双重输入供电的情况下， 断开交流电源， 电源正常运行不停机，但运行时间超过 30s 后自动停机， 当交流电源重新得 电后，又能自动起机运行。(11)额定转换效率：电源在额定输入电压、额定负载下测量时，转换效率不小于85%。(12 )电磁兼容性能：空调电源的EMC 性能应符合标准 TB/T3034-2002 。(13) 重量与外形尺寸：电源重量w 65kg ;最大外形尺寸：680 X 460 x 350mm ( L x W x H )。(14) 噪声与防护等级：不大于70dB (在距电源中心点 3m处测量)。电源防护等级为IP54。 ( 15 )电源的使用条件：工作温度：-25 C 70C

8、;储存温度：-40 C 85 C。大气条件为： 空气中不得有过多酸、 盐、腐蚀性气体及爆炸性气体， 最大相对湿度为 90% (该月月平均最低温度为 25C)。海拔高度：不超过 2500m。振动及冲击：电源要承受 1100Hz 的垂向、横向和纵向正弦波振动及冲击，振动幅值为： A=25/f(mm)，f=110Hz; A=250/f 2(mm) ,f=10100Hz。最大冲击加速度为：垂向10m/s2,横向20m/s2，纵向(沿列车运行方向)30m/s2。( 16 )安装与布线条件：空调电源采取壁挂式或卧式安装， 一般安装在能防止风、 沙、雨雪直接侵袭的车体内或 车体外部的箱体内， 并确保电源安装

9、平稳， 振动烈度不得超过相关标准。 安装位置要远离热 源，安装部位不得直接或间接给电源箱加热，风道畅通，至少距进风口150mm 及出风口300mm 内无障碍物。空调电源的主电路输入线采用6mm2电缆，空调电源输出线采用1.5mm2电缆，这些电缆对地耐压不低于 AC2500V。其余电缆都采用1.5mm2电缆，并且所有电缆布线只有防磨损 保护措施。( 17 )绝缘介电强度要求： 空调电源的主电路及控制电路的绝缘部分对地承受的绝缘耐压为：AC1500V 工频试验电压加一分钟无击穿或闪络现象。用 500V 兆欧表测量空调电源的主电路及控制电路的绝缘部分对地绝缘电阻应不小于1M Qo862空调电源设计1

10、空调电源主电路如图8-32所示是电力/内燃机车空调电源的主电路图。C4IGBT1IGBT2图8-32电力/内燃机车空调电源主电路图厂 li 1X=A 、 B、 CLIKsE UIGBT s 46电路的工作原理是：将输入的单相交流电压（电力机车空调电源为AC220V ）经过二极管不可控整流桥 DZ变成直流电压Udi，或来自机车辅发或蓄电池组的直流电压（内燃机车空调电源为DC110V ） Udi，经过Boost升压斩波电路升压到 U d2 , Ud2 一般设定为DC540V。其中在建立Ud1时，设置了预充电电阻&，对电容C1的充电电流进行了限制，当充电结束后（如Ci充电到80%Udi时），闭合接触

11、器 Kc来短接RC，以避免工作时 RC有过大的电压 降。Boost电路由电感L、IGBT管TB、续流二极管 D和滤波电容C21和C 22组成，TB的斩 波频率为10kHz15kHz，电容C21和C 22相串联是为了提高电解电容的耐压值，R21、&2为IGBT模块IGBT 1IGBT 3组成三相桥式两只串联电解电容的均压电阻。三相逆变器由三只逆变电路，将中间直流 Ud2逆变成三相对称、平衡的 SPWM波，IGBT元件的开关频率为 4kHz，将SPWM波经过三相正弦波滤波器（Sin Filter）滤除高次谐波后变成满足技术条件的“准正弦波”，经三相空调机组供电。三相空调机组由压缩机（ Mj ）、室

12、外风机（M2）La二极管D1实现了输入交 流与直流电压的隔离，为电 力机车空调电源实现自动过 分相提供了可能，在机车过图8-33三相正弦波滤波器和室内风机（M3）组成，总额定功率为 3.3kW。分相段时，交流供电自然切换到了直流供电。Boost电路中的储能电感 L,使用非晶态铁芯，高频特性好，损耗低，避免铁芯发热。线圈绕制采用多股细漆包线绕制，避免高频电流的趋肤效应而使线圈发热。C2、C3、C4、C5、C6为高频无感电容，起滤除或吸收尖峰过电压的作用。Sin Filter为三相正弦波滤波器，具体电路形式如图8-33所示，是一种典型的三相低通滤波器，LaLb Lc, Ca Cb Cc它们的取值与

13、输入电压 uab Wbc、u ac）的脉冲频率，谐波含量及电流iA（iB、iC）有关。心、K2、Kc为单相触接器，K3、K4、K5为三相接触器。LVj、LV2、LV3、LV4是LEM型电压传感器，L LI 2为LEM型电流传感器，LI3、LI4、LI 5为6只电流互感器（无源型）。主电路中元器件名细如表 8-1所示。2.空调电源控制电路如图8-34是机车空调电源控制电路原理框图。机车空调电源收到来自操纵盒的控制指令（包括起动、通风、制冷、制热、停机指令）,先控制SG1525 IC发出PWM升压斩波信号，通过其驱动电路M57692L （三菱公司生产的专用IGBT驱动集成IC）驱动斩波升压IGBT

14、管Tb ,建立稳定的U d2 （ DC540V ）电压。U d2 的稳压需要检测反馈值，用PI调节器实现无差调节；us1、us2的检测可以实现过、欠压保护，识别电力机车过分相；id1的检测实现输入过流保护。中间电压U d2建立后，由16位单片微机 80C196KC 控制专用SPWM 发生IC SA8282/4828，输出 6路 SPWM 脉冲PWM1-PWM6，经6路驱动电路 M57959L来驱动6只逆变器IGBT管T1 : T6，输出三相对称的SPWM波形，再经LC正弦波滤波器滤除高次谐波后得到准正弦波，驱动空调负载电机的运行。反馈检测 U d2为实现中间直流的过压保护；id2实现直流过流保

15、护；iR、iT实现、驱动电负载电机的过载保护。控制电源为控制电路（包括斩波控制电路和逆变控制电路）路（包括一片 M57962L和6片M57959L ）和检测电路（包括 4只LEM型电压传感器和 2只LEM型电流传感器以及接触器驱动与状态检测）提供电源，有+24V、15V、+5V 电源各一只,T以及 5路+15V、-10V电源。6机车空调电源控制电路原理框图图 8-34控制电路采用6块4U尺寸的四层PCB电路板，置于电子机箱中，如图8-35所示。包括驱动电路板、驱动电源板、控制电源板、微机控制板、信号采样板、斩波控制及接触器驱动板。6块电路板组成为6只电子插件置于电子箱中。驱驱控微动动制机电电电

16、控路源源制斩波 控制 及接 触器 驱动这样的控制电路模块化清晰、便于调试和维修、也提高了控制系统的电磁兼容性。这一控制电路非常可靠地实现了对空调电源的控制运行。主电路中元器件名细如表8-1所示。3.结构设计图8-35电子箱中控制电路各电路插件（板）布置图机车空调电源为箱体结构， 适宜卧式和壁挂式安装,防护等级为IP54，密封性能好。IGBT及电力二极管安装于铝散热器的平板面上，散热器的齿槽面向外，置于机箱的后侧面,用两只三相轴流分扇吹风散热,电源持续工作，温升不超过20K。控制电路集成6块扌千件板置于4U的电子箱中，电子箱置于机箱内，电子箱上方有DC110V的风扇两只，对电子箱吹风散热。IGB

17、T驱动信号引线较短（小于 20cm），机箱内的布线充分考虑了电磁兼容的措施，传输线分类布置，强弱电导线分离，检测、控制、驱动导线分离等。电源对外有三个航空插件（头） ，通过插件对外连接导线，分别为主电路输入 线、驱动机组输出线和保护线、操纵控制盒输入线。在电源的顶面上装有发光二极管的指示 面板。对电源的运行和多种故障信号给出了明确的显示。 详细情况请参阅相关的产品说明书。 表8-1 主电路元器件名细符号名称主要参数特点作用备注DZ单桥整流器100A/600V普通单桥四整流输入交流50Hz管模块Kl,K2接触器100A, 2P单相交流输入开关K2无流分断，接触器K1可有流分断Kc接触器100A,

18、 2P交流短接充电无流分断接触器电阻Rc电阻16Q, 200W专用预充电两只8Q /100W电阻串水泥电阻联，瞬时功率（2s内）达1kWDi二极管100A, 600V普通电力二输入电压内燃电源输入用，电力极管隔离电源过分相用Ci电解电容器4700 pF/450V整流滤波，互直流电压电解电容，流稳压支撑体积较大L高频电感0.6mH, 100A非晶态U型升压储能=0.25mm漆包线，铁芯，多股漆250根并绕包线并绕TbIGBT器件300A, 1200V开关频率升压斩波开关频率取12kHz10kHz以上D二极管100A, 1200V高频快恢复斩波续流工作频率为12kHz二极管C2高频电容0.15 mF, 1200V高频无感缓冲吸收对IGBT的关断尖峰过电压吸收C