轨道客车3kW充电机技术方案概述-专业论文-自动化应用案例

轨道客车3kW充电机技术方案概述

发布日期：2021-07-13 来源：《变频器世界》21-03期作者：张伟孙成林刘贺郭达杨文娇浏览次数：13123

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【摘　要】：论文对一种轨道客车3kW充电机做出了简要介绍，从电气原理、机械结构两方面对此充电机的技术方案作出了概述，列出了部分技术参数。提出了应用于轨道客车上的一种充电机的技术方案。

关键词：3kW充电机；电气原理；轨道客车

Abstract: The paper briefly introduces a 3kW charger for rail passenger cars. The technical scheme of this charger is summarized from the aspects of electrical principle; mechanical structure and some technical parameters. A technical scheme for a charger applied to rail passenger cars is proposed.

Key words: 3kW charger; Electric program; Rail passenger car

1 引言

近年来城市人口不断增加，城市轨道交通处于优先发展地位，特别是以电力驱动的城市地铁与轻轨。其中充电机是轨道客车辅助供电系统的重要组成部分，是维护列车诸多电气系统功能的关键设备，本文介绍了一种轨道客车使用的3kW充电机的技术方案。

该技术方案介绍了充电机的基本工作原理，提出了基本的设计思路，以便工程人员能够充分了解充电机的设计方向和目的，并能据此完成具体的设计图纸。该方案采用了较先进及可靠的电气结构，实体化可以重新考虑布局和模块化组件构成，以便具有最小可维护单元，方便维修和更换。

2 3kW电机的标准与要求

2.1 3kW充电机简介及基本参数

该设计总体电路结构与软开关型（移相型ZVS或ZAS）充电机类型相同，采用了全桥逆变电路拓扑结构，以实现隔离式AC/DC的电压转换过程，其工作效率、输出纹波系数、谐波系数（THD）和负载能力等基本电气性能没有差异。设计所操作的电压为380V AC输入，最大输出功率为3kW.

电气特性：

输入电压：3PH 380V AC（±10%）范围：342-418V AC

控制电压：DC 110V（±10%）

额定输出电压：110V DC

输出功率：3kW

输出电流：28A

输出纹波：＜5%P-P

效率：> 90%

2.2 3kW充电机电气原理

该方案综合了现代电力电子开关器件的应用、现代功率转换非晶材料的应用、模拟和数字电子技术、PWM技术、开关电源技术和DSP控制技术的应用，采用功率开关器件IGBT，首先将50/60Hz的输入电源转换成高频方波，然后再降压整流，并通过上述应用最终获得具有一定保护特性的大功率直流稳压电源。主电路分为输入单元、冷却单元、功率模块单元、控制单元和输出单元，其中功率单元将作为电路的核心部分、最小可维修单元模块化设计，并置于低压电源柜的一个平面安装。

电气原理图如图1所示。

图1 电气原理图

3 3kW充电机的功能单元

如图2所示，本方案包括以下功能单元：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。

图2 功能单元

3.1 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。
3.2 不可控三相桥式整流

3PH 380V AC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。
3.3 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。

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。
3.4 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。
3.5 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3PH 380V AC±10%时能正常工作，主变的匝比初步设计为34/11.
3.6 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。
3.7 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：

（1）模拟输入调节：电压、电流信号的监测；

（2）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；

（3）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；

（4）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。

控制系统的保护实施：

（1）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)；

（2）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)；

（3）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；

（4）短路：在输出短路的情况下，逆变器启动短路保护；

（5）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；

（6）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；

（7）过温：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；

（8）IGBT故障保护：电源在IGBT故障时能进行保护，停止工作。

3.8 冷却系统

根据输入要求的总体尺寸和温升需求设计散热器。

4 主要器件及选型说明

构成充电机的主要器件有：整流桥电路、IGBT模块、滤波电感L1、滤波电感L2、滤波电容C1、滤波电容C2、以及快恢复二极管。其中功率开关管是充电机的关键部件，IGBT制造技术水平的提高使其应用范围也越来越广泛。对其有如下基本要求：耐电压值高；开关损耗低；动态特性好，开关速度快，耐冲击电流大，可靠工作范围大；热稳定性好。在选择IGBT时主要考虑耐压等级与标称电流值。通常要选择直流侧电压的2-3倍为IGBT的耐压值。

由上述分析得出系统主要器件及选型如附表所示。

附表 3kW充电机器件选型