HXDC 型交流傳動(dòng)電力機(jī)車控制電源柜

1、 HXD1C 型交流傳動(dòng)電力機(jī)車控制電源柜摘 要： 闡述 HXD1C 型交流傳動(dòng)電力機(jī)車采用的 TGY03 型控制電源柜的主要技術(shù)特點(diǎn)、電氣系統(tǒng)組成及各部分的功能，并說(shuō)明了電源柜匹配蓄電池特性的充電模式及曲線。關(guān)鍵詞： HXD1C 型機(jī)車； 控制電源柜； 技術(shù)特點(diǎn)； 蓄電池1 概述HXD1C 型交流傳動(dòng)電力機(jī)車中為車載控制電氣設(shè)備和低壓直流電氣設(shè)備供電的是 TGY03 型控制電源柜。該型控制電源柜是在集中式充電機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)上，吸取了通訊電源的設(shè)計(jì)思路， 通過(guò)并聯(lián)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)冗余功能來(lái)保證裝置的高可靠性； 通過(guò)全模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)裝置的高維護(hù)性；與蓄電池組的充電特性匹配，具有靈活的充電控制方式； 友好的

2、人機(jī)界面方便維護(hù)人員進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)觀察裝置的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。控制電源柜由機(jī)車主變壓器的次邊繞組提供單相AC 220 V 電源，主要有兩個(gè)部分的功能 ：一是為機(jī)車內(nèi) 部 電 器 提 供 控 制 電 壓 ， 即 AC/DC 模 塊 將 單 相AC 220 V 電源變?yōu)?DC 110 V 電源，為機(jī)車提供電源，并為蓄電池組充電，同時(shí)電源柜上的 DC/DC 模塊將機(jī)車上的 DC 110 V 電源變?yōu)?DC 24 V 電源， 為應(yīng)急燈、儀表等設(shè)備提供電源； 電源柜的另外一個(gè)功能是針對(duì)機(jī)車電氣設(shè)備負(fù)載對(duì) 110 V 輸出和 24 V 輸出進(jìn)行低壓配電。2 控制電源柜的技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)2.1 主要技術(shù)參數(shù)額定輸

3、入電壓 AC（220±11）V，50 Hz額定輸出電壓快速充電電壓/ V DC 115.2±1.152浮充電壓/V DC 108.0±1.08 直流 24/V DC 24±0.48最大持續(xù)輸出電流/A 90（DC 110 V） 12.5×2（DC 24 V）蓄電池最大充電電流/A DC 352.2 技術(shù)特點(diǎn)TGY03 型控制電源柜的技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)在 4 個(gè)方面：1） AC/DC 充電模塊采用了并聯(lián)輸出的模式， 克服了以往集中式充電機(jī)不具備冗余性的缺點(diǎn)；2）電源柜的充電變換裝置、24 V 輸出裝置、 監(jiān)控裝置均采取了模塊化、抽屜式、插拔式的設(shè)計(jì)，每

4、個(gè)模塊都采用了標(biāo)準(zhǔn)熱插拔連接器，可以單獨(dú)形成一套相對(duì)獨(dú)立的電氣系統(tǒng)而工作，維護(hù)極為簡(jiǎn)單；3）采用了靈活的充電控制方式，通過(guò)監(jiān)控模塊對(duì)總輸出電流、 電池的充電電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)限流、均充浮充狀態(tài)轉(zhuǎn)變等功能；4）具有良好的人機(jī)交互界面，電源柜所有監(jiān)控模塊均自帶可以顯示漢字的液晶顯示屏、操作鍵盤和通訊接口， 方便司乘人員觀察電源柜的運(yùn)行狀態(tài)，并可通過(guò)鍵盤在顯示屏設(shè)置界面中對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。3 控制電源柜的電氣系統(tǒng)控制電源柜的電氣系統(tǒng)可以按其實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)部分功能劃分為充電機(jī)部分和低壓配電部分。 電氣系統(tǒng)原理框圖見圖 1。3.1 充電機(jī)部分充電機(jī)部分由 4 個(gè) AC/DC 模

5、塊、1 個(gè) 24 V DC/DC模塊和 1 個(gè)監(jiān)控單元組成。1）110 V AC/DC 充電模塊。 每個(gè) AC/DC 模塊容量為 DC 110 V/22.5 A，即電源柜的總?cè)萘繛?DC 110V/90 A，其技術(shù)指標(biāo)見表 1。AC/DC 模 塊 采 用 高 頻 開 關(guān) 穩(wěn) 壓 方 式 ， 將 單 相AC 220 V 輸入電壓變換成隔離的 DC 110 V 輸出電壓以滿足蓄電池充電、設(shè)備使用等要求。 4 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的AC/DC 模塊并聯(lián)輸出， 采用最大電流法自動(dòng)均流方式，其原理框圖見圖 2。 將單元電流最大值與每個(gè)單元電源模塊電流相比較， 并根據(jù)電流的不平衡度來(lái)調(diào)節(jié)參考電壓值的大小以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均

6、流， 使得該電源柜完全不同于傳統(tǒng)的集中式電源柜： 模塊式組合電源柜大大延長(zhǎng)了平均故障間隔時(shí)間， 部分模塊的損壞不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)充電機(jī)癱瘓，提高了充電系統(tǒng)的可靠性；模塊式組合電源柜可縮短平均修復(fù)時(shí)間，維修方便，只需更換故障模塊。AC/DC 模塊的核心部件是主控板， 采用最先進(jìn)的并聯(lián)單端正激雙管式逆變技術(shù)，使電源系統(tǒng)穩(wěn)定性高，系統(tǒng)質(zhì)量輕；控制系統(tǒng)適時(shí)性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，輸出精度高，轉(zhuǎn)換效率高。 主控板原理框圖見圖 3。 通過(guò)主控板，模塊內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)以下保護(hù)功能：交流輸入過(guò)/欠壓保護(hù)（可恢復(fù)）；DC 120 V 輸出過(guò)壓（可恢復(fù)）；短路（可恢復(fù)）；22.5 A 限流過(guò)流保護(hù)（可恢復(fù)）；85模塊過(guò)溫保護(hù)（可恢

7、復(fù)）。2）24 V DC/DC 模塊。 單個(gè)24 V DC/DC 模塊的功率為 350 W，其技術(shù)指標(biāo)見表2。DC/DC 模塊將輸入的 110 V 經(jīng)過(guò)高頻開關(guān)穩(wěn)壓方式輸出 DC 24 V，內(nèi)部有兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，這兩個(gè)系統(tǒng)同樣是并聯(lián)輸出，兩個(gè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)互為熱備份，提高了工作的可靠性。 在關(guān)鍵的主控板上采用單端正 激 雙 管 式 逆 變 技 術(shù) ； 主 控 芯 片 采 用 高 性 能 的UC2844BD，控制系統(tǒng)適時(shí)性好 ，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 ，輸出精度高，轉(zhuǎn)換效率高。 DC/DC 模塊主控板的原理框圖與圖 3 的區(qū)別僅在于輸入電壓為 DC 110 V，而 AC/DC 模塊輸入電壓為 AC 220

8、 V。 通過(guò)主控板保護(hù)電路，模塊內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)下保護(hù)功能： 輸入欠壓保護(hù)，30 V 直流輸出過(guò)壓保護(hù)（可恢復(fù)），短路保護(hù)（可恢復(fù)），過(guò)流保護(hù)；模塊 85 過(guò)溫保護(hù)（可恢復(fù)）。3）監(jiān)控單元 ，主要負(fù)責(zé)對(duì) AC/DC 模塊 、DC/DC 模塊進(jìn)行管理，提供狀態(tài)顯示、故障記錄、故障查詢、充電管理等功能。 具體如下：采集模擬量， 包括 AC 220 V 輸入電壓、 DC 110 V輸出電壓(蓄電池電壓）、總輸出電流、蓄電池電流(正值表示充電，負(fù)值表示放電）和每個(gè) AC/DC 模塊輸出電流；調(diào)節(jié)輸出電壓： 通過(guò) TRIM 端口調(diào)節(jié) AC/DC 模塊的輸出電壓；故障指示：可以指示 AC/DC 模塊故障，DC/

9、DC 模塊故障，輸出過(guò)流，88 V 欠壓，77 V 欠壓；充電方式管理：可實(shí)現(xiàn)均充方式和浮充方式轉(zhuǎn)換，并且限定充電電流；故障報(bào)警和記錄：可以記錄 256 條，包括故障發(fā)生和消失的時(shí)間；狀態(tài)指示： 通過(guò)綠色的運(yùn)行燈指示運(yùn)行正常和紅色的報(bào)警燈指示故障情況；狀態(tài)信息顯示：包括輸出電壓、輸出電流、充電電流、每個(gè) AC/DC 模塊的輸出電流、交流輸入電壓、環(huán)境溫度、限流狀態(tài)和充電狀態(tài)。3.2 低壓配電部分電源柜的低壓配電部分， 提供庫(kù)內(nèi)充電轉(zhuǎn)換、110 V輸出電壓配電、24 V 輸出電壓配電等功能。 包括安裝在柜門上的對(duì)外輸出斷路器、 安裝在柜內(nèi)電器裝配組件。 在電源柜的最下方還有專供外部大線接線所用的

10、接線端子，以及輸入單相 AC 220 V 控制開關(guān)等。4 控制電源柜充電模式每臺(tái) HXD1C 型機(jī)車上裝有 48 節(jié) DM-170 型閥控式免維護(hù)鉛酸蓄電池。 每節(jié)蓄電池標(biāo)稱電壓 2V， 標(biāo)稱容量為 170 Ah， 48 節(jié)蓄電池的串聯(lián)標(biāo)稱電壓 96 V。 電源柜按照蓄電池的充電特性制定充電模式曲線， 對(duì)蓄電池進(jìn)行充電管理。 電源柜充電機(jī)部分的充電方式分為恒流限壓充電， 恒壓限流充電和浮充電三種模式。當(dāng)機(jī)車啟動(dòng)后， 監(jiān)控模塊檢測(cè)蓄電池電壓并按兩種情況 進(jìn) 行 充 電 。 第 一 種 情 況 是 蓄 電 池 電 壓 到 低 于100.8 V 時(shí)， 電源柜將工作在快速充電狀態(tài)， 并且限制充電電流為

11、 35 A； 隨著充電過(guò)程的持續(xù)， 充電電壓升高， 最大輸出電壓將穩(wěn)定在 115.2 V， 繼續(xù)充電直至充電電流小于 3.5 A 時(shí)， 轉(zhuǎn)為浮充電狀態(tài)， 輸出電壓為 108 V， 上述充電情況見圖 4 所示。 第二種情況是蓄電池電壓到高于100.8 V 時(shí)， 電源柜將工作在浮充電狀態(tài)， 如圖 5 所示。電源柜具備限流功能，充電電流限流點(diǎn)為 35 A，總輸出電流限流點(diǎn)為 150 A。 電源柜還具備高溫限流保護(hù)功能，當(dāng)機(jī)械間工作環(huán)境從55 開始至 70 ，總輸出電流限流點(diǎn)由 150 A（100 ）線性降至 60 A（40 ）。此外，在下列情況下需對(duì)蓄電池組采用庫(kù)用充電插座或移出車外用地面充電機(jī)進(jìn)行

12、均衡充電：1） 電池系統(tǒng)安裝完畢，對(duì)電池組進(jìn)行補(bǔ)充充電；2）有兩只浮充電壓低于 2.18 V；3）電池?cái)R置停用時(shí)間超出 3 個(gè)月。 均衡充電主要是針對(duì)蓄電池組里部分蓄電池單節(jié)質(zhì)量沒有問(wèn)題，但受其它原因影響整體容量降低，為保證全部單體電池中活性物質(zhì)完全轉(zhuǎn)化的進(jìn)一步充電。在溫度范圍為 2030 時(shí)， 均衡充電一般以 2.35 V/只充電24 h。5 結(jié)束語(yǔ)TGY03 型控制電源柜采用模塊化、 并聯(lián)設(shè)計(jì)大大提高了機(jī)車控制設(shè)備電源的冗余性， 智能化的保護(hù)設(shè)計(jì)為電源柜本身提供了更加完善的保護(hù)措施， 進(jìn)一步提高了機(jī)車的運(yùn)行可靠性。抽屜式、插拔式設(shè)計(jì)有利于檢修人員進(jìn)行快速維護(hù)，降低了機(jī)車的維修成本。隨著HXD1C 型機(jī)車的批量交付用戶運(yùn)用， 該型電源柜運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能夠完全滿足機(jī)車運(yùn)用所需的控制電源需求。參考文獻(xiàn)：1 黃濟(jì)榮. 電力牽引交流傳動(dòng)與控制M