HXDC 型交流传动电力机车控制电源柜

1、 HXD1C 型交流传动电力机车控制电源柜摘 要： 阐述 HXD1C 型交流传动电力机车采用的 TGY03 型控制电源柜的主要技术特点、电气系统组成及各部分的功能，并说明了电源柜匹配蓄电池特性的充电模式及曲线。关键词： HXD1C 型机车； 控制电源柜； 技术特点； 蓄电池1 概述HXD1C 型交流传动电力机车中为车载控制电气设备和低压直流电气设备供电的是 TGY03 型控制电源柜。该型控制电源柜是在集中式充电机的技术基础上，吸取了通讯电源的设计思路， 通过并联设计实现冗余功能来保证装置的高可靠性； 通过全模块化设计实现装置的高维护性；与蓄电池组的充电特性匹配，具有灵活的充电控制方式； 友好的

2、人机界面方便维护人员进行参数设置和实时观察装置的各项数据。控制电源柜由机车主变压器的次边绕组提供单相AC 220 V 电源，主要有两个部分的功能 ：一是为机车内 部 电 器 提 供 控 制 电 压 ， 即 AC/DC 模 块 将 单 相AC 220 V 电源变为 DC 110 V 电源，为机车提供电源，并为蓄电池组充电，同时电源柜上的 DC/DC 模块将机车上的 DC 110 V 电源变为 DC 24 V 电源， 为应急灯、仪表等设备提供电源； 电源柜的另外一个功能是针对机车电气设备负载对 110 V 输出和 24 V 输出进行低压配电。2 控制电源柜的技术参数及特点2.1 主要技术参数额定输

3、入电压 AC（220±11）V，50 Hz额定输出电压快速充电电压/ V DC 115.2±1.152浮充电压/V DC 108.0±1.08 直流 24/V DC 24±0.48最大持续输出电流/A 90（DC 110 V） 12.5×2（DC 24 V）蓄电池最大充电电流/A DC 352.2 技术特点TGY03 型控制电源柜的技术特点表现在 4 个方面：1） AC/DC 充电模块采用了并联输出的模式， 克服了以往集中式充电机不具备冗余性的缺点；2）电源柜的充电变换装置、24 V 输出装置、 监控装置均采取了模块化、抽屉式、插拔式的设计，每

4、个模块都采用了标准热插拔连接器，可以单独形成一套相对独立的电气系统而工作，维护极为简单；3）采用了灵活的充电控制方式，通过监控模块对总输出电流、 电池的充电电流进行监测，通过对输出电压进行调节的方式实现限流、均充浮充状态转变等功能；4）具有良好的人机交互界面，电源柜所有监控模块均自带可以显示汉字的液晶显示屏、操作键盘和通讯接口， 方便司乘人员观察电源柜的运行状态，并可通过键盘在显示屏设置界面中对相关参数进行设置。3 控制电源柜的电气系统控制电源柜的电气系统可以按其实现的两个部分功能划分为充电机部分和低压配电部分。 电气系统原理框图见图 1。3.1 充电机部分充电机部分由 4 个 AC/DC 模

5、块、1 个 24 V DC/DC模块和 1 个监控单元组成。1）110 V AC/DC 充电模块。 每个 AC/DC 模块容量为 DC 110 V/22.5 A，即电源柜的总容量为 DC 110V/90 A，其技术指标见表 1。AC/DC 模 块 采 用 高 频 开 关 稳 压 方 式 ， 将 单 相AC 220 V 输入电压变换成隔离的 DC 110 V 输出电压以满足蓄电池充电、设备使用等要求。 4 个相对独立的AC/DC 模块并联输出， 采用最大电流法自动均流方式，其原理框图见图 2。 将单元电流最大值与每个单元电源模块电流相比较， 并根据电流的不平衡度来调节参考电压值的大小以实现自动均

6、流， 使得该电源柜完全不同于传统的集中式电源柜： 模块式组合电源柜大大延长了平均故障间隔时间， 部分模块的损坏不会导致整个充电机瘫痪，提高了充电系统的可靠性；模块式组合电源柜可缩短平均修复时间，维修方便，只需更换故障模块。AC/DC 模块的核心部件是主控板， 采用最先进的并联单端正激双管式逆变技术，使电源系统稳定性高，系统质量轻；控制系统适时性好，动态响应快，输出精度高，转换效率高。 主控板原理框图见图 3。 通过主控板，模块内部可实现以下保护功能：交流输入过/欠压保护（可恢复）；DC 120 V 输出过压（可恢复）；短路（可恢复）；22.5 A 限流过流保护（可恢复）；85模块过温保护（可恢

7、复）。2）24 V DC/DC 模块。 单个24 V DC/DC 模块的功率为 350 W，其技术指标见表2。DC/DC 模块将输入的 110 V 经过高频开关稳压方式输出 DC 24 V，内部有两个相对独立的转换系统，这两个系统同样是并联输出，两个转换系统互为热备份，提高了工作的可靠性。 在关键的主控板上采用单端正 激 双 管 式 逆 变 技 术 ； 主 控 芯 片 采 用 高 性 能 的UC2844BD，控制系统适时性好 ，动态响应快 ，输出精度高，转换效率高。 DC/DC 模块主控板的原理框图与图 3 的区别仅在于输入电压为 DC 110 V，而 AC/DC 模块输入电压为 AC 220

8、 V。 通过主控板保护电路，模块内部可实现下保护功能： 输入欠压保护，30 V 直流输出过压保护（可恢复），短路保护（可恢复），过流保护；模块 85 过温保护（可恢复）。3）监控单元 ，主要负责对 AC/DC 模块 、DC/DC 模块进行管理，提供状态显示、故障记录、故障查询、充电管理等功能。 具体如下：采集模拟量， 包括 AC 220 V 输入电压、 DC 110 V输出电压(蓄电池电压）、总输出电流、蓄电池电流(正值表示充电，负值表示放电）和每个 AC/DC 模块输出电流；调节输出电压： 通过 TRIM 端口调节 AC/DC 模块的输出电压；故障指示：可以指示 AC/DC 模块故障，DC/

9、DC 模块故障，输出过流，88 V 欠压，77 V 欠压；充电方式管理：可实现均充方式和浮充方式转换，并且限定充电电流；故障报警和记录：可以记录 256 条，包括故障发生和消失的时间；状态指示： 通过绿色的运行灯指示运行正常和红色的报警灯指示故障情况；状态信息显示：包括输出电压、输出电流、充电电流、每个 AC/DC 模块的输出电流、交流输入电压、环境温度、限流状态和充电状态。3.2 低压配电部分电源柜的低压配电部分， 提供库内充电转换、110 V输出电压配电、24 V 输出电压配电等功能。 包括安装在柜门上的对外输出断路器、 安装在柜内电器装配组件。 在电源柜的最下方还有专供外部大线接线所用的

10、接线端子，以及输入单相 AC 220 V 控制开关等。4 控制电源柜充电模式每台 HXD1C 型机车上装有 48 节 DM-170 型阀控式免维护铅酸蓄电池。 每节蓄电池标称电压 2V， 标称容量为 170 Ah， 48 节蓄电池的串联标称电压 96 V。 电源柜按照蓄电池的充电特性制定充电模式曲线， 对蓄电池进行充电管理。 电源柜充电机部分的充电方式分为恒流限压充电， 恒压限流充电和浮充电三种模式。当机车启动后， 监控模块检测蓄电池电压并按两种情况 进 行 充 电 。 第 一 种 情 况 是 蓄 电 池 电 压 到 低 于100.8 V 时， 电源柜将工作在快速充电状态， 并且限制充电电流为

11、 35 A； 随着充电过程的持续， 充电电压升高， 最大输出电压将稳定在 115.2 V， 继续充电直至充电电流小于 3.5 A 时， 转为浮充电状态， 输出电压为 108 V， 上述充电情况见图 4 所示。 第二种情况是蓄电池电压到高于100.8 V 时， 电源柜将工作在浮充电状态， 如图 5 所示。电源柜具备限流功能，充电电流限流点为 35 A，总输出电流限流点为 150 A。 电源柜还具备高温限流保护功能，当机械间工作环境从55 开始至 70 ，总输出电流限流点由 150 A（100 ）线性降至 60 A（40 ）。此外，在下列情况下需对蓄电池组采用库用充电插座或移出车外用地面充电机进行

12、均衡充电：1） 电池系统安装完毕，对电池组进行补充充电；2）有两只浮充电压低于 2.18 V；3）电池搁置停用时间超出 3 个月。 均衡充电主要是针对蓄电池组里部分蓄电池单节质量没有问题，但受其它原因影响整体容量降低，为保证全部单体电池中活性物质完全转化的进一步充电。在温度范围为 2030 时， 均衡充电一般以 2.35 V/只充电24 h。5 结束语TGY03 型控制电源柜采用模块化、 并联设计大大提高了机车控制设备电源的冗余性， 智能化的保护设计为电源柜本身提供了更加完善的保护措施， 进一步提高了机车的运行可靠性。抽屉式、插拔式设计有利于检修人员进行快速维护，降低了机车的维修成本。随着HXD1C 型机车的批量交付用户运用， 该型电源柜运行稳定、可靠，能够完全满足机车运用所需的控制电源需求。参考文献：1 黄济荣. 电力牵引交流传动与控制M