关键词：双层轨道客车；3kW低压辅助电源；模块参数

Abstract: The paper gives a brief introduction to the 3kW low-voltage auxiliary power supply of American double-decker railway cars, giving the conceptual design of this power supply from the aspects of system hardware, electrical diagram, software control, system parameters and so on. According to the technical parameters and performance requirements of this low-voltage auxiliary power supply, It gives the design schemes of hardware interface, communication interface, and parameters of each system module. Provide reference suggestions for the design of low-voltage auxiliary power supply for such double-decker railway cars.

Key words: Double-decker railway cars; 3kW Low Voltage Power Supply; Module parameters

1  引言

目前全球铁路客车装备制造产业飞速发展，为结合城市深化，城市扩大、人口增加等硬性需求，双层电动轨道客车逐渐成为世界各国各大主机厂的主力产品。因此双层轨道客车系统设备也成为近几年主力开发的新型产品。特别是低压电源，它是列车运行过程中进行交直流电源转换的关键设备，它为列车用电设备持续稳定地供电以保证列车能够安全行驶。

本文对美国双层轨道客车3kW低压电源概念设计方案进行简要说明，确定各功能项以及该功能项的软件实现方式，描述各功能模块之间的输入输出关系以及接口的定义。为此类电源的设计提供参考建议。

2  3kW低压电源的原理简介

2.1  硬件框架描述

本电源项目主要是将三相AC 480V交流电变换成直流DC 74V。主回路前级通过三相不可控整流将交流电转换成直流，后级通过SPFB电路将直流电压调整为DC 74V直流电输出。该项目控制硬件采用HSEC099控制平台进行各功能的实现。其系统硬件框图如图1所示。

图1  3kW低压电源硬件框图

2.2  系统电气原理图

系统电气原理图如图2所示。

图2  3kW低压电源主回路电气原理图

该低压电源由三大部分组成。

第一部分：整流滤波电路，该电路部分是输入AC 480V整流成直流，经过滤波后得到平稳的直流电压。整流采用西门康的三相整流桥SKD82/16，滤波采用输入滤波电感和输入滤波板。

第二部分：移相全桥逆变电路，该电路作用是将整流滤波后的直流电压高频逆变后经过高频变压器后降压。在该部分采用了日本富士IGBT，自身内部具有IGBT短路过流，过热等完善的保护功能。

第三部分：输出整流滤波单元，其功能是将变压器输出的高频电压整流滤波得到平稳的直流输出。

2.3 控制软件功能设计概述

3kW低压电源的控制软件功能如表1所示。

表1  3kW低压电源的控制软件功能表

本控制软件主要是在HSEC099平台控制软件基础上，结合项目的实际需要进行软件设计。该控制软件完成电源的PWM模块的配置及控制、系统逻辑控制、故障检测与处理、上位机通信、AD通道配置等功能。

2.4 系统性能参数

(1)额定容量：3kW；

(2)电压输入(额定)：3相AC 480V；

(3)额定输出电压：DC 74V；

(4)最大输出电流：40A；

(5)输出纹波：≤5%；

(6)启动方式：软启<15s；

(7)效率：>90%：

(8)PWM开关频率：18 kHz

2.5软件性能要求分解

(1)额定输出电压：DC 74V±2V；

(2)输出限流电流：42A±2A；

(3) PWM开关频率：18kHz±18Hz；

(4) 启动方式：软启时间5s，总启动时间13s；

3  3kW低压电源基本原理及各工作流程

3.1 低压电源工作原理

3kW低压电源包含以下功能单元：辅助电源、不可控三相桥式整流、输入预充电回路、IGBT模块组成的H桥式逆变电路、高频降压变压器、输出整流滤波电路、控制系统、冷却系统。各单元功能如下：
① 辅助电源

产生控制系统所需的辅助电压，没有明确控制电压输入，需根据实际条件确定。如果没有控制电压输入，需增加一个电源模块，将输入的AC 380V转换为控制需要的电压。
② 不可控三相桥式整流

3PH380AC输入电源直接接入三相整流桥进行整流，后级电路为预充电电路，并与其组成输入单元。低压电源柜的输出功率为3kW，直流母线额定电流仅为6A左右，选择常用整流模块SKD82/16即可。
③ 输入预充电回路

它的功能是在电源线上发生能量瞬变时保护电源，并提供预充电电路以限制浪涌电流。其包括：滤波电感、预充电接触器、主接触器、预充电电阻、支撑电容。

最初，当输入施加电压时，交流380V三相整流后，经过滤波电感，输入电压传感器检测到这个电压正常后吸合预充电继电器，支撑电容通过预充电电阻充电。当母线电压传感器检测到电容电压到达时，吸合主接触器，断开预充电接触器，预充电继电器和主接触器均由内部控制板直接控制。
④ IGBT模块组成的H桥式逆变电路

H桥是一个直接连接到直流环节的DC/AC变换器。它将整流后直流电压（540V DC）转换成的高频方波，通过控制系统对其的PWM控制技术实现对输出电压的调节，它的输出连接为高频变压器。
⑤ 高频降压变压器

提供从输入到输出的电源隔离和能量传输。由于该充电机要求在3PH380V AC±10%时能正常工作，主变的匝比初步设计为34/11。
⑥ 输出整流滤波电路

整流是对变压器输出方波的整流；滤波器为LC滤波形式，是从整流输出电路中提取方波整流的直流分量。在滤波输出电路中串接有二极管，以防止人为错误导致的电池倒极性接入。
⑦ 控制系统

该设计的控制单元是一个在“HSEC099”平台上的全数字化控制系统，所有功率级的控制都由DSP实现。HSEC099核心板详细功能说明：

模拟输入调节：电压、电流信号的监测；

PWM输出：从DSP到IGBT驱动程序的PWM驱动信号的耦合差分收发器；

数字I/O：在这一部分管理2个预充电继电器的2个输入信号，4个IGBT数字驱动信号、2个IGBT故障警报、2个控制预充电继电器的数字输出和1个输出接触器的控制信号。

内部通信：RS-232和隔离RS-485方式。为了满足该低压电源柜将所有的异常充电器操作状态传递至车厢监控系统的功能、故障存储与远程传输功能，将另外设置附加电路。

3.2  工作流程

合上低压电源空开后，三相AC 480V电源经过三相整流桥，控制板得电启动，当检测到输入电压正常后，启动预充电接触器，开始对电容充电，检测到电容电压和输入电压压差低于50V时，吸合主接触器，预充电接触器断开。

低压电源高频逆变部分工作，整流滤波后的直流电压经过移相全桥逆变进入变压器降压。

低压电源输出整流滤波部分工作，变压器输出经整流二极管整流后，经过LC滤波输出稳定的直流74V。

在工作过程中，低压电源持续检测其工作状态当出现故障时停止输出，为了避免误操作故障，低压电源设置了自动重启功能。

低压电源的故障情况包括输入过欠压、IGBT故障、散热器过热、负载过载、负载短路等。在发生这些故障时，低压电源停止输出，可以自动重启。若故障消失，则可以重新工作，若故障次数超出故障循环检测次数后，此时低压电源处于锁死状态，除非人工停电复位。

3.3 系统保护

输入欠压：当输入电压低于342V AC（±10%）时关闭逆变器，当输入电压返回360V AC以上时，变换器自动启动(根据要求可调整)。

输入过压：当输入电压高于418V AC时100ms关闭逆变器，当输入电压低于400V AC时100ms自动启动变换器(根据要求可调整)。

过载保护：在28A-35A输出电流范围内过载情况下，根据标称输出电压保持恒定值1min，在此之后，输出负载电流将限制在28A。在电流值高于35A过载情况下，电源过载保护，停止输出。

短路保护：在输出短路的情况下，逆变器启动短路保护。

输出欠压：当输出电压低于最低输出电压时电压（88V DC根据需求可调整），充电机关闭；在10秒（可调整）后自动重新启动，如果此行的条件仍然不变，它试图在锁定前重新启动3次尝试。

输出过压：当输出电压高于最高输出电压时（137V DC根据需求可调整）为一个固定的时间（10秒），变流器将会关闭。

过温保护：当散热器温度超过85C°阈值时断开，在一个固定的时间（10秒）逆变器关闭。当散热器温度恢复闭合时，变换器自动重新启动。

IGBT故障保护：电源在IGBT故障时能进行保护，停止工作。

4  3kW低压电源接口设计

4.1 硬件接口

4.1.1 099核心板PWM输出端口

099核心板PWM输出端口功能及逻辑如表2所示。

表2  099核心板PWM输出端口功能及逻辑表                                                                                                  

4.1.2 099核心板输入端口

099核心板输入端口功能及逻辑如表3所示。

表3  099核心板输入端口功能及逻辑表                                                                                        

4.1.3 099核心板输出端口

099核心板输出端口功能及逻辑如表4所示。

表4  099核心板输出端口功能及逻辑表                                                                                      

4.1.4 核心板ADC采样通道

核心板ADC采样通道功能及逻辑如表5所示。

表5  核心板ADC采样通道功能及逻辑表                                                                                            

4.2.1 通信接口

SCIA：采用RS-232接口与系统监测设备通信，是内部通信接口，用来响应内部调测指令。

4.2.2 通信协议

采用MODBUS协议，作为从机。

 
5  功能块设计原则

主要对需求分析中需要的功能块进行设计。
5.1 AD数据模块参数对应关系

各路AD的对外接口及模数对应关系见表6。

表6  各路AD的对外接口及模数对应关系                                                                                              

①串口0完成对上位机ModBus协议的支持。

②作为从机响应上位机的查询和写入命令。
5.3 PWM模块

①采用SPFB通用控制算法，开关频率18kHz；

②闭环控制,输出额定电压DC 47V，限流42A；

③软启时间：5s。

 
5.4 系统告警保护模块

主要告警有：输入欠压、输入过压、预充电故障、接触器故障、输出欠压、输出过压、输出过载、输出过流、散热器过热、IGBT故障。

故障代码如表7所示。

表7  故障代码表                                                                                                       

5.5 系统逻辑控制

该功能块主要是控制整个辅助电源的启动、运行及该进程中的保护动作。

5.5.1 启动过程控制

设备上电后，系统等待输入母线电压后进行预充电，预充电结束后PWM发波，输出软启至正常。整个启动过程大概持续13s。

启动时序逻辑如图3所示。

图3  启动时序图

图3中：

T1：2s，系统母线正常后延时等待时间；

T2：5s，预充电时间；

T3：1s，延时等待时间；

T4：5s，PWM软启动时间。

5.5.2 运行保护控制时序

系统进入运行阶段，主要是一直监测系统各项指标是否运行正常，如果不正常就进行相应的保护动作。系统每次故障恢复重启时序逻辑图如图4所示。

图4  系统故障恢复时序图

图4中：

T1：17s，告警延时10、启动动作时间7；

T2：5s，PWM软启动时间。

 
6  编程原则

①程序代码编写必须依据《软件编程规范（试行）》中的要求进行设计编辑；

②采用现有HSEC099软件控制平台进行控制软件代码的整合。

7  结论

本文介绍了一种美国双层电动客车3kW低压辅助电源的概念设计方案，分别从系统硬件、电气原理、软件控制、系统参数等方面进行了原理分析与功能介绍。论文给出了部分硬件接口、通信接口设计方案，以及各系统模块参数，为此类双层电动客车的低压辅助电源设计方案提供参考建议。

参考文献：

[1] 马龙．地铁车辆辅助电源系统仿真与实验研究[D]．西南交通大学，2014．

[2] 王长永，张寅孩，张仲超．电流源有源滤波器中LC滤波器的特性及其设计[J]．通信电源技术，2000，04：12-14．

[3] 李津，李必陈，邹郓. 城市轨道车辆辅助逆变电源[J]. 铁道标准设计，2006,（6）:96-98.

[4] 霍建华. DC 750V地铁动车辅助电源系统的改进[ J]. 机车电传动，2004( 5). 

[5] 李红. 地铁车辆辅助逆变电源分析研究[J]. 中国铁道科学，2004( 1).

姓名：张伟

单位：长春客车轨道股份有限公司

部门：工程技术中心-工程技术部

职位：车辆电气工艺师

学位：硕士研究生

简历：1988年生 汉族