HXDC 型交流傳動電力機(jī)車控制電源柜

1、 HXD1C 型交流傳動電力機(jī)車控制電源柜摘 要： 闡述 HXD1C 型交流傳動電力機(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)計思路， 通過并聯(lián)設(shè)計實現(xiàn)冗余功能來保證裝置的高可靠性； 通過全模塊化設(shè)計實現(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)置和實時觀察裝置的各項數(shù)據(jù)?？刂齐娫垂裼蓹C(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； 電源柜的另外一個功能是針對機(jī)車電氣設(shè)備負(fù)載對 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，每

4、個模塊都采用了標(biāo)準(zhǔn)熱插拔連接器，可以單獨(dú)形成一套相對獨(dú)立的電氣系統(tǒng)而工作，維護(hù)極為簡單；3）采用了靈活的充電控制方式，通過監(jiān)控模塊對總輸出電流、 電池的充電電流進(jìn)行監(jiān)測，通過對輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式實現(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)，并可通過鍵盤在顯示屏設(shè)置界面中對相關(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)可以按其實現(xiàn)的兩個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 AC/DC 模

5、塊、1 個 24 V DC/DC模塊和 1 個監(jiān)控單元組成。1）110 V AC/DC 充電模塊。 每個 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 個相對獨(dú)立的AC/DC 模塊并聯(lián)輸出， 采用最大電流法自動均流方式，其原理框圖見圖 2。 將單元電流最大值與每個單元電源模塊電流相比較， 并根據(jù)電流的不平衡度來調(diào)節(jié)參考電壓值的大小以實現(xiàn)自動均

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了平均故障間隔時間， 部分模塊的損壞不會導(dǎo)致整個充電機(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)適時性好，動態(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。 通過主控板，模塊內(nèi)部可實現(xiàn)以下保護(hù)功能：交流輸入過/欠壓保護(hù)（可恢復(fù)）；DC 120 V 輸出過壓（可恢復(fù)）；短路（可恢復(fù)）；22.5 A 限流過流保護(hù)（可恢復(fù)）；85模塊過溫保護(hù)（可恢

7、復(fù)）。2）24 V DC/DC 模塊。 單個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)過高頻開關(guān)穩(wěn)壓方式輸出 DC 24 V，內(nèi)部有兩個相對獨(dú)立的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)同樣是并聯(lián)輸出，兩個轉(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)適時性好 ，動態(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。 通過主控板保護(hù)電路，模塊內(nèi)部可實現(xiàn)下保護(hù)功能： 輸入欠壓保護(hù)，30 V 直流輸出過壓保護(hù)（可恢復(fù)），短路保護(hù)（可恢復(fù)），過流保護(hù)；模塊 85 過溫保護(hù)（可恢復(fù)）。3）監(jiān)控單元 ，主要負(fù)責(zé)對 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 AC/DC 模塊輸出電流；調(diào)節(jié)輸出電壓： 通過 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，輸出過流，88 V 欠壓，77 V 欠壓；充電方式管理：可實現(xiàn)均充方式和浮充方式轉(zhuǎn)換，并且限定充電電流；故障報警和記錄：可以記錄 256 條，包括故障發(fā)生和消失的時間；狀態(tài)指示： 通過綠色的運(yùn)行燈指示運(yùn)行正常和紅色的報警燈指示故障情況；狀態(tài)信息顯示：包括輸出電壓、輸出電流、充電電流、每個 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 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)車啟動后， 監(jiān)控模塊檢測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， 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， 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， 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，在下列情況下需對蓄電池組采用庫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）電池擱置停用時間超出 3 個月。 均衡充電主要是針對蓄電池組里部分蓄電池單節(jié)質(zhì)量沒有問題，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， 均衡充電一般以 2.35 V/只充電24 h。5 結(jié)束語TGY03 型控制電源柜采用模塊化、 并聯(lián)設(shè)計大大提高了機(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. 電力牽引交流傳動與控制M