CN101860070B - 机车空调高频软开关不间断电源及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机车空调高频软开关不间断电源，主要由接触网接入端及三相逆变电路组成，其特征在于：该接触网接入端所引入的输入电压经多重滤波网络后依次与一级整流滤波电路、高频逆变电路、高频升压变压器、二级整流滤波电路、PWM斩波电路及三相逆变电路后形成输出电压，同时，在PWM斩波电路与三相逆变电路之间还并联有蓄电池电路。本发明还公开了一种机车空调高频软开关不间断电源的实现方法。本发明不仅能对接触网脉冲峰值电压进行抑制，而且其PWM斩波电路采用单相桥式逆变升压电路，用模拟电路的方法进行控制，因此还具有动态品质好、抗干扰能力强等特点。

Description

机车空调高频软开关不间断电源及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种机车空调用电源，具体是指一种机车空调高频软开关不间断电源及其实现方法。

背景技术

随着我国铁路建设的发展，全国机车车头的数量已经接近一万辆。由于机车头内大功率电源及其拖动装置等设备引起机车车内温度高达50℃～70℃，如果在这样的温度下没有机车空调装置，则将大大的影响设备运行安全和司机运行人员的身心健康，极易造成操作失误和事故。

目前，我国机车空调组有20多个生产单位，但其所生产的机车空调组故障频率极高，其维修费用也极为昂贵，从而成为近年来铁路部门普遍所存在的难题，至今没有得到很好的解决。经过长时间的研究和分析，人们才找到导致空调机组频繁出现问题的真正原因不是空调机组本身，95％以上的故障都是由给空调机组供电的电力电子变流电源所造成的。由于机车都是通过牵引电源接触网获得电能的，而接触网电能却存在以下几种弊端：1、输出电压波形严重畸变，谐波分量大于15％；2、电压输出波幅变化可达±40％；3、瞬间还会产生6～10倍的针形峰值干扰电压等。因此，传统的电力电子变流空调电源很难抵制接触网差值电源的影响，从而导致空调机组设备故障频发。

发明内容

本发明的目的在于克服目前电力电子变流电源容易受接触网电源质量恶劣品质等的影响，使得空调机组设备故障频发的缺陷，提供一种能有效降低针形峰值干扰电压等的影响，从而显著减少空调机组设备故障频繁产生的机车空调高频软开关不间断电源。

本发明的另一目的是提供该机车空调高频软开关不间断电源的实现方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：机车空调高频软开关不间断电源，主要由接触网接入端所引入的输入电压经多重滤波网络后依次经过一级整流滤波电路、高频逆变电路、高频升压变压器、二级整流滤波电路、PWM斩波电路及三相逆变电路后形成输出电压，同时，在PWM斩波电路与三相逆变电路之间还并联有蓄电池电路形成对空调机组负载的不间断供电。

为了更好的实现本发明，所述的高频逆变电路为由四个IGBT管所组成的桥式高频开关电路(由模拟电子技术控制)；所述的一级整流滤波电路为普通工频桥式整流滤波电路、二级整流滤波电路为高频桥式整流滤波电路；所述的三相逆变电路为由智能功率模块IPM所构成的输出逆变电路(由DSP单片微机硬件电路及其实时控制软件控制)；所述的斩波电路为由IGBT管、续流二极管D及电感L组成；所述的多重滤波网络为由一个以上的LC多级滤波回路依次串联而成。

机车空调高频软开关不间断电源的实现方法，主要包括以下步骤：

(a)由接触网接入端将接触网的高压27.5KV单相交流电源变换成220V或396V的交流主电路电源；

(b)交流主电路电源经多重滤波网络进行削峰后再经一级整流滤波电路进行桥式整流滤波，得到一个随接触网电网波动的直流电压；

(c)该直流电压经高频逆变电路及高频升压变压器后得到高频交流调制波电压(采用模拟电路及自动控制闭环反馈电路)；

(d)该高频交流调制波电压经二级整流滤波电路和PWM斩波电路后得到稳定的540V的中间直流变换电压；

(e)该中间直流变换电压经三相逆变电路后生成稳定的380V的交流输出电压。

同时，在执行步骤(e)的同时还由中间直流变换电压对蓄电池电路进行充电。

为了避免机车在通过分相段时断电，本发明蓄电池电路的输出直流电压与中间直流变换电压通过电子合并同时向三相逆变电路供电形成不间断供电。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

(1)本发明在将接触网电压引入一级整流滤波电路之前预先进行了削峰处理，从而有效的抑制了接触网脉冲峰值电压的干扰。

(2)传统的斩波升压电路是单片微机控制技术的单管IGBT管的升压控制电路，其升压原理是采用电感蓄能，由于电感是一个大惯性环节，再加上微机控制技术的控制动态快速跟随性相对于模拟控制技术的动态品质差，面对接触网电压瞬间大波幅变化时非常容易失步(特别是面对接触网由低电压突跳到高电压时)产生过电压，从而击穿该IGBT管等元件。而本发明则采用高频逆变电路和高频升压变压器所组成的模拟控制电路，因此不仅其控制的响应速度非常快，而且其动态品质非常好，从而增加了输出电压的安全性能。

(3)本发明的高频逆变电路还可以采用软开关技术(传统的单管是不可能采用此技术)，对抑制IGBT开关管所承受的du/dt，di/dt以及对IGBT管的开关损耗所引起的发热有明显的作用，提高了IGBT管的运行安全可靠性。

(4)本发明设置了独立的蓄电池组及其控制电路，而传统的空调电源则是利用机车本身的蓄电池供电，因此避免和防止了机车本身设置的蓄电池的损坏而导致机车控制电源失调等缺陷，提高了安全等级。

(5)无论本发明的电源还是传统的电源的高频升压电路都是电源的核心部分，由于面对恶劣的接触网供电品质，本发明的电源的升压控制电路部分采用了模拟控制电路技术，因此其抗干扰能力比传统电源强得多，从而进一步提高了运行的稳定和可靠性。

附图说明

图1为现有机车空调机组变流电源的整体流程示意图。

图2为本发明的机车空调机组变流电源的整体流程示意图。

图3为图2所示的具体电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，现有的机车空调机组的变流电源均是先将接触网电源27.5KV的高电压经过降压变压器27.5KV/220VAC或者27.5KV/396VAC后降成220V或296V的单相交流电源，然后进行不控整流滤波后生成随电网电压波动的直流电压。

该直流电压通过微机控制的IGBT管升压斩波电路后变成稳定的540V直流电压，然后该直流电压在通过微机控制的IGBT三相逆变器变成频率、电压可变的三相正弦脉宽调制波电压输出去控制三相空调机组。

在过分相段时通过升压斩波器将机车蓄电池组110V升压后，通过三相逆变器变为频率电压可变的三相交流电压作为驱动空调机之用。为限制蓄电池组的输出电流，在过分相段时，三相逆变器的输出频率降至32HZ，空调机降功使用。因设置了自备的蓄电池电源输出频率也可以不降，但分相电路时间大于15S以上可视为机车停滞故障，蓄电池电源将自动断开。

如图2、3所示，为了抑制机车过分相段时所产生的针形峰值干扰电压，本发明在由将27.5KV的接触网电压进行降压处理后所得到的220V或396V的交流电压输入一级整流滤波电路之前预先通过多重滤波网络进行了多重削峰处理，然后再将进行削峰处理后的交流电压输入到一级整流滤波电路进行桥式整流、滤波，得到一个随接触网(外电网)波动的直流电压。

随后，该直流电压经高频逆变电路和高频升压变压器升压后得到一个高频交流调制波电压。该高频交流调制波电压再经二级整流滤波电路和PWM斩波电路后得到一个稳定的540VDC中间直流变换电压，以供给由IPM(智能功率模块)构成的三相逆变电路，从而得到稳定的380VAC输出电压。而该380V的交流输出电压则可以直接供给机车空调组使用。

在由PWM斩波电路将540VDC中间直流变换电压供给三相逆变电路的同时对蓄电池电路进行充电。即，通过控制PWM斩波电路中的IGBT管的合理通断，给蓄电池电路中的蓄电池组进行恒流恒压合理充电，以避免蓄电池过充电。相应的，蓄电池组再由放电控制电路，通过合理的控制其放电电流及放电时间，避免蓄电池过放电。

蓄电池放电电路输出直流电压与540VDC中间直流电压通过电子合并同时向三相逆变电路供电，从而达到在接触网停电时蓄电池能不间断的零时间切换到蓄电池向三相逆变电路供电的目的。

该多重滤波网络的结构如图3所示，即该多重滤波网络由一个以上的LC滤波回路依次串联而成，其一端为该多重滤波网络的输入端，另一端为其输出端。一级整流滤波电路为由四个二极管D、两个电解电容E、两个电容C、两个电阻R及一个电感L组成普通工频桥式整流电路，其输入端与多重滤波网络的输出端相连接。27.5KV的接触网电压经降压处理后所得到的220V或396V的交流电压作为本发明的主电路电源，并与多重滤波网络的输入端相连。

高频逆变电路由四只IGBT管构成高频单相桥式开关模拟电路，其输入端与一级整流滤波电路的输出端相连接，其输出端则与高频升压变压器的原边相连接。同时，该高频逆变电路中的每个IGBT管均还分别并联有一个续流二极管D。

二级整流滤波电路为由四个二极管D、两个电解电容E、两个电容C、两个电阻R及一个电感L所组成的高频桥式整流滤波电路，高频升压变压器的副边则与该二级整流滤波电路的输入端相连接，而二级整流滤波电路的输出端则与PWM斩波电路的输入端相连接。

所述的PWM斩波电路则由一只IGBT管、两只二极管D、一只电感L、两只电解电容E和两只电容C所组成的单相桥式逆变升压模拟电路。其中，一只二极管D与IGBT管相并联，作为其续流二极管。两只电解电容E和两只电容C组成一个桥式结构后，其一端经电感L与IGBT管相连接，同时，另一只二极管D则连接在电感L与IGBT管的连接点以及由电容所组成的桥式结构后的另一端。

该PWM斩波电路的输出端分别与三相逆变电路及蓄电池电路相连接，其中，三相逆变电路由六只智能功率模块IPM组成桥式电路结构，其输入端与PWM斩波电路的输出端相连接，输出端则直接输出380V的三相交流电压。其中，该智能功率模块IPM是由DSP单片微机硬件电路及其实时控制软件控制。

本发明的蓄电池电路属于独立的系统，是直接从PWM斩波电路中取电源，而不是从机车的供电系统中取电源。该蓄电池电路由蓄电池充电电路和蓄电池放电电路两部分组成，其中，蓄电池充电电路由一只IGBT管、并联在该IGBT管两端的续流二极管D，由两只电解电容E和两只电容C组成的桥式结构、大电感L及二极管D组成，而蓄电池放电电路则由固体继电器及二极管D组成。

如上所述，便可以很好的实现本发明。

Claims (7)

1.机车空调高频软开关不间断电源，主要由接触网接入端及三相逆变电路组成，其特征在于：该接触网接入端所引入的输入电压经多重滤波网络后依次与一级整流滤波电路、高频逆变电路、高频升压变压器、二级整流滤波电路、PWM斩波电路及三相逆变电路后形成输出电压，同时，在PWM斩波电路与三相逆变电路之间还并联有蓄电池电路；由PWM斩波电路将540VDC中间直流变换电压供给三相逆变电路的同时对蓄电池电路进行充电；所述的高频逆变电路为由四个IGBT管所组成的单相桥式高频开关模拟电路；所述的PWM斩波电路为由IGBT管、续流二极管D及电感L所组成的单相桥式逆变升压模拟电路。

2.根据权利要求1所述的机车空调高频软开关不间断电源，其特征在于：所述的一级整流滤波电路为普通工频桥式整流滤波电路，所述的二级整流滤波电路为高频桥式整流滤波电路。

3.根据权利要求1～2任一项所述的机车空调高频软开关不间断电源，其特征在于：所述的三相逆变电路为由智能功率模块IPM所构成的输出逆变电路。

4.根据权利要求3所述的机车空调高频软开关不间断电源，其特征在于：所述的多重滤波网络为由一个以上的LC多级滤波回路依次串联而成。

5.如权利要求1-4所述的机车空调高频软开关不间断电源的实现方法，主要包括以下步骤：

(a)由接触网接入端将接触网的高压27.5KV单相交流电源转换成220V或396V的交流主电路电源；

(b)交流主电路电源经多重滤波网络进行削峰后再经一级整流滤波电路进行桥式整流滤波，得到一个随接触网电网波动的直流电压；

(c)该直流电压经高频逆变电路及高频升压变压器后得到高频交流调制波电压；

(d)该高频交流调制波电压经二级整流滤波电路及PWM斩波电路后得到稳定的540V的中间直流变换电压；

(e)该中间直流变换电压经三相逆变电路后生成稳定的380V的交流输出电压。

6.根据权利要求5所述的机车空调高频软开关不间断电源的实现方法，其特征在于：在执行步骤(e)的同时还由中间直流变换电压对蓄电池电路进行充电。

7.根据权利要求6所述的机车空调高频软开关不间断电源的实现方法，其特征在于：蓄电池电路的输出直流电压与中间直流变换电压通过电子合并同时向三相逆变电路供电。

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