一种新型架线电机车逆变电源装置

一种新型架线电机车逆变电源装置 我国煤矿井下架线电机车通常采用550V或250V电压等级的直流电压通过牵引电网供电，由于目前市面上尚无与550V或250V电压相对应的灯炮，因此，不论是厂家或是在生产现场，一般是通过以下两种方式对牵引电网的电压进行变换，从而形成两种类型的照明信号装置。一种是通过大功率电阻降压后接127V或220V普通白帜灯；一种是采用逆变电源（直流变换器）将550V（250V）直流电压转换成24V（12V）稳定的直流低压，配用抗震、光学性能良好的汽车或拖拉机的前大灯。 1 采用大功率电阻降压式电源存在的问题 （1）效率低，降压电阻要消耗掉大量电能。 （2）普通白帜灯的使用电压较高，灯丝细长而其机械强度低，耐震性能差，损坏率很高，同时也不利于现场管理。 （3）白炽灯泡形体结构的设计分聚光型和散射型两种，前者灯丝结构紧凑，位置要求严格，适合安装在相应规格的聚光罩中，由于灯罩设计成抛物线形状可将灯光反射到前方，在一定范围内得到良好的照明效果。如：车用前大灯、放映灯泡及探照灯等。而后者的设计只适合灯泡自身发散射到周围，其灯丝的结构及安装位置也不同于聚光型，如普通照明用的白帜灯泡等。目前机车用的前大灯都是后者，这显然是不合理的。 （4）由于受煤矿井下环境条件差、运输巷道长、轨道连接不好、网络泄漏电流严重等不利因素影响，导致不同区域的供电电压随机车运行负荷的轻重，以及距牵引交流所距离的远近不同而波动，其波动范围为 - 15% +20%，无稳定装置的白炽灯泡在电压高时经常出现烧坏灯泡现象；在电压低时光照度又低，容易诱发行车事故。 2 采用逆变电源照明方式的优缺点。 （1）移植汽车的前大灯总成，具有良好的聚光特性和耐震性，能够满足煤矿井下电机车的使用要求。 （2）逆变电源转换效率较高，一般在80%以上，节能效果可观。 （3）逆变电源输入端接入的电解电容不合理。由于网络电压高（最高达700V），加上运行时集电弓与架线的接触又始终处于接触不稳定状态，而引起频繁的充放电，使输入熔丝烧断或输入电路部分损坏。 （4）逆变电源的关键器件-开关变压器通常采用两只，每只变压器流过的电流是单方向的。从磁化曲线上可以看出它们工作在第一象限内，即只利用了磁芯容量的一半。因而磁芯利用率低，并且由于磁材质量不好，频率难以做高，磁芯损耗往往很大。上述因素决定了在逆变电源中变压器的数量多、体积大、重量增加。由于体积及重量因素的存在，防震性能往往很差，这也是故障率高的原因之一。 （5）逆变电源的稳压原理是靠控制开关管的R、C参数、导通周期而达到稳压的目的。因此，这种电路在工作时频率是不断变化的，正常时为20kHz，空载时达1600kHz以上，易导致开关管内部损耗过大造成击穿而损坏。 （6）逆变电源的关键器件-开关管的质量问题。据调查，市售高反压开关管存在着同一型号在形态、管壳材料、颜色、性能参数等都有较明显差异的情况有的售价仅几元钱，这样的开关管用于逆变电源上肯定是不行的。 （7）结构方面。逆变电源装在机车上，由于轨道的铺设质量及机车行驶速度，使内部电子元件脱焊，损坏印制板焊盘，导致电源损坏，也是其损坏原因之一。 3 新型JND - 550（250）型逆变电源装置 3.1 新型逆变电源装置技术性能指标 额定输入电压：直流550V或直流250V；允许波动范围： 直流440V 660V（550V时） 直流210V 300V（250V时） 输出电压：直流241V或直流121V 3.2 逆变电源装置采用的主要技术措施 （1）采用高质量的金属化纸介无极性电容器，替代输入端的电解电容器。开关的冲击状态明显降低，可选用更小的熔丝，从而提高整机工作的安全性。另外，这种电容器容量稳定，热稳定也好，无电感特征，使用寿命长，并有安装固定脚，其耐震性明显优于电解电容器。 （2）采用1只开关变压器，由两个开关管轮流导通，在原边分别流过不同的励磁电流，这样副边感应出不同极性的电压，然后整流输出。这样就充分提高了磁芯的利用率，减小了体积，使电路更为合理、紧凑。 （3）选用新型高频开关变压器的磁性材料。在给定的工作频率下，选择具有较小的铁芯损耗及较高的饱和磁感应强度和电阻率的磁性材料。体积小，成本低，是选择的关键。故我们选用日本TDK公司最新推出的第三代铁氧体作为逆变电源的开关变压器磁芯，其性价比较为理想。 （4）自激式直流逆变电源经过一定的技术处理，其本身是能达到自动稳压的，但这种工作方式的稳压特点使变换器开关工作频率随输入电压和输出电流的变化而变化。即在输出电压或输出电流减小时其工作频率会增高，尤其在直流变换器空载情况下（如车灯损坏、断线、前后车灯转换瞬间等），其工作频率是正常工作电压和满载情况下的8倍以上，极易造成晶体管击穿而损坏。为此，我们采取了后置式稳压电路，即将架线网络的输入电压，经DC - DC变换电路变为相应的低压电路，然后在低压电路部分再另设稳压电路。这样做就能将DC - DC变换电路的工作频率设计在最佳状态上，可以长期空载而不损坏电路。 （5）在结构方面也进行了优化设计，其特点是：增加印制板的机械强度，并增大焊盘面积；对体积较大的元器件采用胶垫、胶封固定以增加耐震强度；整机壳体置于带有防震装置的固定架中，即使在剧烈的颠簸中，电源装置也能工作稳定，状态良好；尽可能使设备小型化，以保证其具有较坚固的结构和较高的固有频率，减小惯性力，提高抗震动和冲击能力；做好元器件的密封防潮处理。 以上措施保证了逆变电源装置在煤矿井下潮湿、多尘环境及电机车剧烈颠簸情况下都能可靠地运行。不仅可为电机车的道路照明、红尾灯提供稳定的低压电源，还可为警号电笛、载波通讯等用途提供能量。经过3个多月的工业性试验，除个别元件因焊接质量不好造成脱焊故障之外，该逆变电源装置全部运行正常，性能稳定，效果较为满意。同时现场使用人员一致反映，该逆变电源装置设计结构合理，安装维修及使用方便，操作灵活，工作安全可靠，适应煤矿井下潮湿、多尘、频繁强烈的冲击震动及电网电压大幅度波动等恶劣环境，解决了长期以来架线电机车照明装置性能质量与井下生产条件不相适应的难题，对提高井下电机车的运输效率、减少电机车运输事故、保障人身安全等具有十分重要的积极作用。 （安宜高）