電力機(jī)車車載控制電源的新設(shè)計(jì)方案

宮治國

摘 要：閥控式鉛酸蓄電池以其特殊優(yōu)點(diǎn)成為目前國內(nèi)電力機(jī)車行業(yè)的首選電池。但是該電池對(duì)充電電壓、充電電流也有著較苛刻的要求，只有當(dāng)充電過程中的電壓、電流按照特定的要求不斷調(diào)整時(shí)才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)壽命，否則蓄電池組壽命將大幅降低。這就要求蓄電池充電電壓不斷變化。而機(jī)車電氣設(shè)備在標(biāo)稱控制電壓下工作時(shí)才能實(shí)現(xiàn)功能、效率、壽命的最優(yōu)化，即要求恒壓。為有效解決兩者對(duì)電源特性要求不同的矛盾，本文提出一種新的機(jī)車控制電源設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：電力機(jī)車；控制電源設(shè)計(jì)；車載閥控式鉛酸蓄電池

蓄電池組是鐵路機(jī)車系統(tǒng)的重要組成部件，對(duì)電力機(jī)車來說更是尤為重要。蓄電池組與電力機(jī)車控制電源柜構(gòu)成互補(bǔ)電源，在控制電源柜不工作時(shí)蓄電池組作為電源向機(jī)車供電。而在控制電源柜工作時(shí)，蓄電池組則成為控制系統(tǒng)中的一個(gè)特殊負(fù)載存在，成為電能的消耗者。因此保證其性能正常對(duì)機(jī)車安全運(yùn)行尤為重要。閥控式鉛酸蓄電池以其容量大、電壓穩(wěn)定、瞬間輸出電流大、無泄漏、且使用中不用補(bǔ)水等特點(diǎn)，獲得鐵路系統(tǒng)青睞。但受其自身特性的影響，一旦使用不當(dāng)，壽命將大大縮短。影響蓄電池壽命的因素有許多，充電控制是其中非常重要的一項(xiàng)。只有當(dāng)充電過程中的電壓、電流按照特定的曲線不斷調(diào)整，同時(shí)兼顧溫度補(bǔ)償時(shí)才能達(dá)到設(shè)計(jì)壽命、保證蓄電池狀態(tài)正常。

而傳統(tǒng)機(jī)車電源缺乏蓄電池充電管理，或者在少量考慮蓄電池充電特性的同時(shí)損失了機(jī)車用電系統(tǒng)的特性需求。本研究針對(duì)閥控式鉛酸蓄電池在電力機(jī)車行業(yè)這一特殊使用環(huán)境，提出了一種新的機(jī)車控制電源設(shè)計(jì)方案，即針對(duì)鉛酸蓄電池充電方式要求的變壓、變流、溫度補(bǔ)償?shù)葏?shù)進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，又符合機(jī)車電源應(yīng)用特性要求，兼顧機(jī)車用電的高可靠性。

1傳統(tǒng)機(jī)車電源結(jié)構(gòu)

根據(jù)機(jī)車運(yùn)用的特殊性，控制電線路結(jié)構(gòu)有如下兩點(diǎn)要求：

1.1 蓄電池組直接接在控制電母線上，保證機(jī)車設(shè)備任何時(shí)候都有控制電供給。

1.2 控制電源采用n+1沉余設(shè)計(jì)。即控制電源除有N（N最小為1）組工作外，至少保留有1組電源作為后備電源，以防有電源損壞時(shí)機(jī)車運(yùn)行受影響。

傳統(tǒng)機(jī)車控制系統(tǒng)電路如下圖1。

這里以HXD3型電力機(jī)車的控制電路系統(tǒng)為例（其他電力機(jī)車電路結(jié)構(gòu)大體都與此相同）。HXD3型機(jī)車控制電源由2組電源組成，1組供電，另1組作為備份。當(dāng)工作電源1故障時(shí)備用電源2投入使用，向機(jī)車供電。

當(dāng)電源工作時(shí)，蓄電池處于浮充電狀態(tài)。有此電路圖我們不難看出：蓄電池的端電壓（充電電壓）與機(jī)車控制系統(tǒng)電壓相同。為滿足蓄電池充電的要求，在變化充電電壓時(shí)，機(jī)車控制電壓也跟著變化。使用電設(shè)備不能在最理想的控制電壓下工作，對(duì)效率，性能等都造成一些影響，而且影響設(shè)備壽命。

2 新型電源設(shè)計(jì)方案

為解決傳統(tǒng)電源出現(xiàn)的矛盾。我們采用圖2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

通過電路改進(jìn)，形成一種線路上的半隔離電源，將充電線路與控制系統(tǒng)線路分離開，實(shí)現(xiàn)一路穩(wěn)壓輸出，另一路變壓輸出的設(shè)計(jì)。解決機(jī)車控制系統(tǒng)與車載蓄電池組對(duì)用電電源特性要求不同這一矛盾。

（1）正常情況下電源1與電源2同時(shí)工作，通過逆流二級(jí)管將電源輸出隔離。電源1以恒定電壓向負(fù)載供電。電源2以電壓、電流按充電曲線要求向蓄電池進(jìn)行充電。（2）當(dāng)電源沒有工作時(shí)，蓄電池通過二極管D1向機(jī)車控制系統(tǒng)供電。（3）當(dāng)電源1故障時(shí)，電源2通過二極管D1向機(jī)車控制系統(tǒng)供電。同時(shí)為蓄電池充電。（4）當(dāng)電源2故障時(shí)，系統(tǒng)控制接觸器K1吸合。由電源1向機(jī)車控制系統(tǒng)供電。同時(shí)為蓄電池充電。

正常工作外的其他情況中，電路結(jié)構(gòu)均與圖1中的機(jī)車傳統(tǒng)電源電路相同。保證機(jī)車控制系統(tǒng)的用電安全，未降低系統(tǒng)可靠性。

3 可行性說明

這種隔離是利用二極管D1的單向?qū)щ娦蕴匦詫?shí)現(xiàn)的半隔離。我們只要保證電源2輸出電壓小于電源1輸出電壓即可實(shí)現(xiàn)隔離。而且實(shí)際上，電力機(jī)車的控制電源電壓額定為DC110V。電池組額定電壓98V。標(biāo)準(zhǔn)情況下浮充電曲線的最大值為DC109V。即電源2輸出電壓小于電源1輸出。實(shí)際應(yīng)用中建議減少1或2節(jié)蓄電池降低蓄電池組總電壓，這樣可增大充電電壓波動(dòng)的幅度，增加充電管理的靈活性。

4 結(jié)束語

本電源設(shè)計(jì)可以針對(duì)蓄電池進(jìn)行專門的充電管理，有效延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，保證車載蓄電池組長(zhǎng)期處于高效狀態(tài)。同時(shí)滿足機(jī)車控制電源用電系統(tǒng)使用要求，是設(shè)備長(zhǎng)期工作于理想狀態(tài)。有效解決兩者對(duì)電特性要求不同的矛盾。由此大幅提高機(jī)車控制電供電系統(tǒng)的可靠性。