客車DC600V供電電源主電路的設(shè)計

摘要：為了提高客車DC600 V供電電源的功率因數(shù)，減小輸出電壓的波動，對主電路提出了基于“二極管不控整流+IGBT降壓斬波”的設(shè)計、通過對主電路的PSIM仿真，表明該電路能夠大幅提高DC600 V電源的功率因數(shù)，而且使輸出電壓穩(wěn)定在600 V左右，達到了設(shè)計目的，能滿足對客車供電的質(zhì)量需求，保證用電設(shè)備的正常工作。
關(guān)鍵詞：DC600 V供電電源；主電路；功率因數(shù)；電壓波動

    目前，在電氣化區(qū)段，列車供電系統(tǒng)，由裝在機車(拖車)內(nèi)的客車供電裝置將接觸網(wǎng)、受電弓送來的的25 kV單相交流電，經(jīng)降壓整流，濾波成600 V直流電壓，提供DC600 V電樂等級的列車供電母線。各空調(diào)客車通過配電柜供電選擇開關(guān)將其中一路600 V直流送入空調(diào)逆變電源裝置(簡稱逆變器)及直流110 V電源裝置(簡稱充電器)，分別向空調(diào)、電開水爐、冰箱等三相交流電器負載、電視機等單相220 V插座供電，并在給蓄電池充電的同時向照明、供電控制等直流負載供電。由于現(xiàn)有的客車DC600 V供電電源裝置的主電路采用是晶閘管單相半控整流電路，功率因數(shù)低，輸出電壓經(jīng)常在500～700 V間振蕩，電壓波動不穩(wěn)，極易導(dǎo)致客車上的逆變器、充電器發(fā)生保護停機或損壞。
    本文針對以上問題，對客車DC600V供電電源的主電路提出了“二極管整流+ICBT降壓斬波”的技術(shù)方案，對主電路進行設(shè)計，并用PSIM軟件進行仿真分析。

1 客車DC600 V供電電源主電路的設(shè)計思路
1．1 技術(shù)參數(shù)要求
    根據(jù)客車用電的實際要求，客車DC600 V供電電源應(yīng)滿足以下技術(shù)要求。
    電源裝置的額定輸出電壓： DC600 V
    輸出電壓波動范圍：        ±10 V
    額定輸出功率：         2×40HD kW
    額定輸出電流：          2×670 A
    輸出過載電流：        2×≯750 A
1．2 設(shè)計思路
    現(xiàn)有的客車DC600 V供電電源采用的是單相橋式晶閘管半控整流電路，使得網(wǎng)側(cè)總功率因數(shù)波動范圍為0．5～0．85，當(dāng)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓高網(wǎng)壓時，網(wǎng)側(cè)總功率因數(shù)低至0．5；網(wǎng)側(cè)基波功率因數(shù)波動范圍為0．65～1，高網(wǎng)壓時低至0．65；而且輸出電壓經(jīng)常在500～700 V間振蕩，電壓波動不穩(wěn)。
    在所有的單相整流電路中，二極管不控整流電路的的功率因數(shù)恒定為0．9，網(wǎng)側(cè)基波功率因數(shù)接近1，相對較高，而且波紋系數(shù)小，整流電壓為0．9Ud；所以，主電路采用二極管整流橋可有效提高客車DC600 V供電電源n的功率因數(shù)。裝置的額定輸入電壓為交流860 V，經(jīng)過二極管整流后輸出的直流電壓為774 V，高于客車所需要的600 V，所以還需要降壓環(huán)節(jié)。
     另外，該電源的輸入電壓會隨著接觸網(wǎng)的網(wǎng)壓隨時在波動，降壓環(huán)節(jié)的降壓比也應(yīng)該隨著變化，因此，采用IGBT斬波電路，通過斬波電路的開通占空比，調(diào)節(jié)輸出電壓穩(wěn)定在600V左右，減小輸出電壓的波動。所以，對主電路設(shè)計了“二極管整流+IGBT降壓斬波”的技術(shù)方案。

2 客車DC600V供電電源主電路的設(shè)計
    該DC2600 V供電電源的額定輸出功率為2×400 kW，由兩組相同的電路構(gòu)成，每組輸出功率為400 kW。兩組的電路結(jié)構(gòu)都是一樣的，包括預(yù)充電電路、二極管整流電路、斬波降壓電路、放電電路、接地保護電路、控制單元(包括功率板、控制板、通訊板)、顯示和計量電路等構(gòu)成。下面以其中一組電路為例說明如圖1所示。

2．1 預(yù)充電電路
    為了防止當(dāng)控制單元獲得DC110 V電源，且外部供電申請信號有效時，直接閉合主接觸器KM1，交流電源不經(jīng)過整流電路而通過濾波整流電路造成短路現(xiàn)象，設(shè)置了預(yù)充電電路。預(yù)充電電路輸入側(cè)通過輸入端子與機車主變壓器的單相860 V電源相連。由KM2、F0、D0及R0組成，當(dāng)控制單元獲得DC110 V電源，且外部供電申請信號有效時，先閉合預(yù)充電電路的接觸器KM2，給電容C1、C2充電，充電完成后閉合主接觸器KM1。[!--empirenews.page--]
2．2 二極管整流電路
    主接觸器KM1閉合后，輸入的AC860 V經(jīng)過熔斷器F1后，通過二極管V1-V4構(gòu)成的單相全波整流電路將交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?，同時濾波電感L1與電容C1、C2構(gòu)成整流濾波電路，給后續(xù)的IGBT斬波降壓電路提供直流電源。由于整流電路采用的是二極管整流電路，且濾波電感L1足夠大，使得在整個輸入電壓范圍內(nèi)，網(wǎng)側(cè)基波功率因數(shù)接近1。
2．3 IGBT斬波降壓電路
    接觸網(wǎng)的網(wǎng)壓在不斷波動，使二極管整流電路的輸出電壓大于標準的直流600 V。為了使電源裝置的最終輸出電壓將為600 V，整流后的直流電壓由IGBT斬波降壓電路來實現(xiàn)調(diào)壓。降壓電路由大功率IGBT V5～V8、電感L2～L7、電容C5共同組成。IGBT中V5和V6、V7和V8采用交替開關(guān)控制方式，其中V5上管和V7下管、V6上管和V8下管同步開關(guān)控制。電感L2～L5為換流電感，L6～L7為儲能濾波主電感，C5為輸出濾波電容。C3與C4主要是用來吸收IGBT的過電壓尖峰。
    IGBT V5上管和V7下管、V6上管和V8下管開通時，整流后的電壓通過電感向輸出電容C5充電。IGBT關(guān)斷時，電感電流通過IGBTV5下管和V7上管、V6下管和V8上管的反向并聯(lián)二極管續(xù)流。通過調(diào)整IGBT開通占空比，就可以調(diào)整輸出電壓?？刂齐娐分械闹餍酒捎肬C2825N，為雙列直插式的16Pin芯片，其供電電源為DC15 V，芯片有兩路脈沖輸出。通過控制板內(nèi)部電路精確而快速的控制，最終將輸出電壓穩(wěn)定輸出為DC600V。
    為保證電源柜效率的前提下盡可能提高IGBT的開關(guān)頻率，換流電感L2～L5使得IGBT開關(guān)損耗大為降低。這樣，輸出600 V直流電源的品質(zhì)也大為提高，電壓波動可控制在±10 V。
2．4 放電電路
    在確認與輸入的860 V電源斷開的情況下，外部又沒有供電申請信號時，設(shè)置了專門的放電電路。放電電路由R6和V9組成，外部又沒有供電申請信號時，經(jīng)過一定時間后，控制晶閘管V9導(dǎo)通使產(chǎn)品內(nèi)部電容的電壓在30 s內(nèi)降低至36V以下。
2．5 接地保護電路
    接地保護電路由R7、R8、R9及SV1等組成，當(dāng)系統(tǒng)直流側(cè)接地電阻小于800 Ω時，接地保護可靠動作(延時2 s)；交流側(cè)接地電阻小于2 KΩ歐時，接地保護可靠動作(延時2s)。

3 客車DC600V供電電源主電路的PSIM仿真
3．1 主電路的PSIM仿真電路模型的建立
    假設(shè)開關(guān)元件導(dǎo)通時的通態(tài)壓降為零，阻斷時電阻為無窮大，并認為IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷瞬時完成；而且接觸網(wǎng)電壓是理想的正弦波，所以將電源裝置的輸入用正弦交流電源來代替；主電路濾波參數(shù)為L=9 mH，C=2 814μF。根據(jù)以上假設(shè)，建立主電路的仿真模型如圖2所示。

3．2 主電路的PSIM仿真結(jié)果
    實際工作中，接觸網(wǎng)的網(wǎng)壓在不斷波動，從而使客車DC600V供電電源的輸入電壓在1075V～650 V之間不斷波動。所以，分別選取輸入電壓為1 075 V、860 V、650 V 3種情況進行仿真。
    1)額定電壓860 V時．額定負載，開通占空比D=0．775，波形如圖3所示。

[!--empirenews.page--]
    2)輸入電壓1 075 v時，額定負載時，開通占空比D=0．62，波形如圖4所示。

    3)輸入電壓650 V時，額定負載，斤通占空比D=1，波形如圖5所示。
3．2 主電路的PSIM仿真結(jié)果分析
    通過以上仿真波形可以看出，當(dāng)輸入電壓在650～1 075 V之間不斷變化，調(diào)節(jié)IGBT斬波電路的開通占空比在1～0．62之間，電路可以使輸出電壓在10 ms內(nèi)穩(wěn)定在在590～610 V之間，輸出電壓波動在預(yù)定的±10 V范圍內(nèi)。達到了預(yù)期的設(shè)計目標，能滿足客車用電的需求。

4 結(jié)束語
    文中設(shè)計的客車DC600 V供電電源的主電路，采用二極管不控整流電路和IGBT斬波降壓電路，濾波電感上的電流連續(xù)，并且設(shè)有有功率因數(shù)校正電路，功率因數(shù)大幅提高；通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通占空比，使不同輸入電壓的情況下，電源裝置的輸出始終穩(wěn)定在600 V左右，波動值不超過±10 V。很好地解決了現(xiàn)有客車DC600 V電源存在的主要問題，能更好地提高對客車供電質(zhì)量。