【DC600V充电机的组成原理概述4600字】

DC600V充电机的组成原理概述1.1铁路客车DC600V电源充电系统的组成1.1.1充电机的应用关联关系如图1.1所示，充电机的关联对象主要为列车供电柜、蓄电池、电气综合控制柜、三相逆变器、分线盒与本车负载。图1.1客车充电机关联关系图如图1.1.1所示，充电机的关联对象主要为列车供电柜、蓄电池、电气综合控制柜、三相逆变器、分线盒与本车负载。（1）列车供电柜列车供电柜设置于机车内部，将单相AC860V转换成DC600V，为旅客列车车辆供电。列车供电柜的输出经电气综合控制柜分配后，为客车充电机提供输入电源。共15页第3页（2）蓄电池充电机一端输出与蓄电池并联为其进行充电。（3）三相逆变器三相逆变器与充电机共用一网关，网关安装于充电机箱内；充电机DC600V由三相逆变器输入母线提供。（4）电气综合控制柜电气综合控制柜设置于车辆上部，充电机的输出和网关通信需传入综合控制柜，综合柜负责本车充电机负载分配和管理功能，充电机的状态也可通过显示屏查看。（5）本车负载充电机的主要负载为照明电灯、塞拉门、控制电源等。（6）分线盒充电机一端输出接分线盒与其他车厢DC110V母线并联。1.1.2使用条件分析（1）工作温度-40℃～＋45℃。非常规要求，温度低至-40℃左右时，部分器件会失效，故器件需优选。（2）海拔高度≤2500m。常规要求，可以满足，无需特殊考虑。（3）相对湿度≤95％（在本月平均最低温度不低于25℃的条件下）。常规要求，可以满足，无需特殊考虑。（4）振动与冲击充电机布置在特定的箱体内随箱体进行振动、冲击试验考核。箱体试验类别为1类A级，按照GB/T21563-2008的第7、8、9、10条对箱体进行模拟长寿命试验、冲击试验和功能性试验。常规要求，可以满足，无需特殊考虑（5）污染机车运行过程中，应能承受风、雨雪、日晒等气候影响，正常工作。充电机柜安装在车体底部，防护等级为：IP54。常规要求，可以满足，无需特殊考虑。（6）防腐箱体内外表面处理及涂装均应符合TB/T2879.5-1998《客车和牵引动力车的防护和涂装技术条件》的规定。常规要求，可以满足，无需特殊考虑。1.2DC600V充电机各组成部分原理及特性分析充电机主要由预充电电路、滤波电路、高频逆变电路（包含高频变压器）、二次整流电路、输出滤波电路、传感器检测电路、隔离驱动单元和微机控制单元等组成，具体参见图1.1.1。图1.2总体结构图1.1.1内部电气接口:充电机主电路采用低感母排或复合母排进行连接，控制接口应与统图要求一致控制回路之间采用插头和接线排连接。(1)电源板电气接口定义输出的5V、±15V、24V电源接口采用一个12芯矩形插头（WAGO，5.08间距，直型焊针，波浪纹朝板子边缘方向安装，矩形插座231-342//001-000）（X01），电路板上安装公插座。端子定义如表1所示：表1端口信号备注端口信号备注15V5V电源2GND地线3+15V15V电源4+15V15V电源5AGND模拟地线6AGND模拟地线7-15V-15V电源8-15V-15V电源924V24V电源1024V24V电源11GND24V24V地线12GND24V24V地线X02连接器为231-334/001-000，信号定义表2所示：表2端口信号备注端口信号备注1+110V110V电源输出OUT2+110V110V电源输入IN3-110电源输出地线OUT4-110电源输入地线IN1.1.2CPU控制板电气接口注：本控制系统采用与三相逆变器相同的CPU板，涉及到充电机接口处表中备注括号特别指出。模拟信号接口XP1如表3所示：表3端口信号备注端口信号备注1+15VTV203U电源14A203TV203U的M有效值2+15VTV203V电源15AGNDTV203U地3AGNDTV203V地16A204TV203V的信号4TA充电机TA1预留17TB2充电机TB2预留5+15VTV202电源正15V（充电机TV302）18-15VTV202电源负15V（充电机TV302）6+15VTV201电源正15V（充电机TV301）19A202TV202信号（充电机TV302）7-15VTV201电源负15V（充电机TV301）20A201TV201信号（充电机TV301）8+15VTA203U电源正15V（充电机TV303）21A205TA203U电流信号（充电机TV303）9+15VTA203V电源正15V（充电机TA301）22-15VTA203U电源负15V（充电机TV303）10-15VTA203V电源负15V（充电机TA301）23A206TA203V电流信号（充电机TA301）11TB1充电机TB1预留24A207TA203W电流信号（充电机TA302）12-15VTA203W电源负15V25+15VTA203W电源正15V（充电机TA302）13CPU控制板数字信号接口XP2如表4所示：表4端口信号备注端口信号备注142扩展供电请求信号IN21201K201常开反馈信号(+110V有效)（IN）（充电机KM302）31202K202常开反馈信号IN（充电机KM301）41203K203反馈信号51204K204常开反馈信号（IN）6197扩展允许信号7201逆变器正常OUT2018301扩展供电请求信号92201K201合信号主接触器102202K202合信号预充电接触器OUT（充电机KM301）112204K204合信号输出接触器122209K209合信号扩展接触器CPU控制板通信接口XP3如表5所示：表5端口信号备注端口信号备注1GND地址COM66102地址线26101地址线（用于充电机地址信号）76103地址线3RP3R485A8RN3R485B46104地址线9GND地址COM56105地址线CPU控制板电源输入接口XP4如表6所示：表6端口信号备注端口信号备注1+5V5V电源2A2GND5V地线3+15V15V电源1A4AGND模拟地5-15V-15V电源1A6+24V24V电源7-24V24V地线843扩展供电请求信号9+110V110V电源输入10-110V电源地线CPU控制板脉冲控制接口XP5如表7所示：表7端口信号备注端口信号备注15301PWM信号1（充电机超前上管）25302PWM信号2（充电机超前下管）35201PWM信号3（充电机滞后上管）45202PWM信号4（充电机滞后下管）55101PWM信号565102PWM信号67GND地线8+5V5V电源95303W相故障（充电机超前故障）105203V相故障（充电机滞后故障）115103U相故障126101温度开关信号1.1.3驱动板电气接口驱动板接口规划表驱动板接口XT1、XT2、XT3如表8所示：表8端口接口信号信号类别关联部件功能描述驱动XT11619驱动信号IGBT超前桥臂上管集电极C3G11驱动信号IGBT超前桥臂上管门极G4E11驱动信号IGBT超前桥臂上管发射极E5U11驱动信号IGBT超前桥臂下管集电极C7G12驱动信号IGBT超前桥臂下管门极G8E12驱动信号IGBT超前桥臂下管发射极E驱动XT21+619驱动信号IGBT滞后桥臂上管集电极C3G21驱动信号IGBT滞后桥臂上管门极G4E21驱动信号IGBT滞后桥臂上管发射极E5V11驱动信号IGBT滞后桥臂下管集电极C端口接口信号信号类别关联部件功能描述驱动XT17G22驱动信号IGBT滞后桥臂下管门极G8E22驱动信号IGBT滞后桥臂下管发射极E驱动XT31+619驱动信号IGBT——3G31驱动信号IGBT——4E31驱动信号IGBT——5W11驱动信号IGBT——7G32驱动信号IGBT——8E32驱动信号IGBT——驱动板接口XT01如表9所示：表9端口信号备注端口信号备注15301——25302——35201滞后相上管PWM45202滞后相下管PWM55101超前相上管PWM65102超前相下管PWM7GND地线8+5V5V电源95303——105203滞后相故障115103超前相故障126101温度开关信号驱动板接口XT02如表10所示：表10端口信号备注端口信号备注17101温度开关（OUT）2+24V温度开关（IN）3+24V24V电源4-24V24V地线1.3关于DC600V充电机的（数学模型）1.3.1移相全桥ZVS移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一，它的特点是电路很简单（见图1.3),同硬开关全桥电路相比，并没有增加辅助开关等元件，而是仅仅增加了一个谐振电感，就使电路中四个开关器件都在零电压的条件下开通，这得益于其独特的控制方法（见图1.4).下面结合图1.3、图1.4进行分析。图1.4移相全桥零电压开关PWM电路图1.4移相全桥电路的理想化波形移相全桥电路的控制方式有几个特点：（1）在一个开关周期Ts内，每一个开关导通的时间都略小于Ts/2,而关断的时间都略大于（2）同一个半桥中上下两个开关不同时处于通态，每一个开关关断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间。

（3）比较互为对角的两对开关S1-S4和S2-S3的开关函数的波形，S1的波形比S4超前0~Ts/2时间，而S2的波形比S3超前0~Ts/2时间，因此称在分析过程中，假设开关器件都是理想的，并忽略电路中的损耗。t0~t1时段：在这一时段，S1与S4都导通，直到t1~t2时段：t1时刻开关S1关断后，电容Cs1、Cs2与电感Lr、L构成谐振回路，如图1.5所示。谐振开始时uA(t1)=Ui,在谐振过程中，uA不断下降，直到uA=0,VDs2导通，电流iLr,通过VDs2,续流。

t2~t3时段：t2时刻开关S1开通，由于此时其反并联二极管VDs2正处于导通状态，因此S2开通时电压为零，开通过程中不会产生开关损耗，S2开通后，电路状态也不会改变，继续保持到t图1.5zvs电路在t0~t1阶段的等效电路图1.6zvs电路在t0这时变压器二次侧整流二极管VD1和VD2同时导通，变压器一次和二次电压均为零，相当于短路，因此变压器一次侧CS3、CS4与Lr,构成谐振回路。谐振过程中谐振电感Lr的电流不断减小，B点电压不断上升，直到S3的反并联二极管VDS3导通。这种状态维持到t4时刻S3开通。S3开通前VDS3导通，因此S3是在零电压的条件下开通，开通损耗为零。

t4~t5时段：S3开通后，谐振电感Lr的电流继续减小。电感电流iLr下降到零后，便反向，不断增大，直到t5时刻iLr=IL/kT1.3.2DC/DC变换器的功能与特点图1.7是一种采用了高频绝缘方式的充电机的电路图，这种接线方式减小了充电机的体积，起到了防止高压窜入低压系统的作用。DC/DC充电器用于将DC600V的输入电压转换成适合蓄电池充电和直流负载使用的DC110V。当输入电压和负荷发生变化时，输出稳定，即达到稳压的功能。DC/DC充电器的输入保护和工作原理与逆变器相同。DC600V电压通过IGBT电桥转换成占空比可调的高频方波电压。占空比是指驱动IGBT的脉冲宽度与半波中整个半波周期的比值。为了调节输出电压，占空比是可变的，属于脉宽可调模式。在这种控制模式下，脉冲的振幅是恒定的。当负载变化时，通过改变脉冲宽度，使得输出电压稳定。如果输入电压发生变化，也可通过改变脉冲宽度，保持输出电压的稳定。经变压器隔离后，整流滤波至DC110V电压。AC380V电压经整流器变成DC540V，然后采用与DC600V相同的DC／DC转换。整流电路整流器由4个高频快速二极管组成，从VD1号到VD4。整流电路对变压器的二次输出进行整流，并用电抗器L和电容器C对其进行滤波。高频整流不仅需要很小的导通压降来降低导通损耗，而且需要快速的开关和关断能力来降低开关损耗，之所以如此是因为在高频下，二极管的导通和关断损耗占总损耗的比例很大。DC/DC变换器特点：采用电压电流双闭环控制变换器对蓄电池进行恒流恒压充电。采用软开关技术电路降低了IGBT的高频开关损耗，效率达到92％。采用先进的非晶态铁心制造变压器和电抗器，减少了充电器的体积。IGBT的开关频率在20kHz以上，避开了音频区，具有故障诊断和通信功能。控制柜触摸屏可显示充电器的运行参数和故障信息。图1.3.3DC/DC转换电路1.4解决方案DC110V充电机经典的实现方案主要有两种，一种以辅助逆变器的三相交流电压输出作为充电机的输入，经过整流滤波后，再通过DC-DC变换环节，得到D