機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)

董賓

【摘 要】機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接影響著機(jī)車空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效果，機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)的專業(yè)設(shè)計(jì)人員必須具備扎實(shí)的專業(yè)技能才能設(shè)計(jì)出合理、完善的空調(diào)電源系統(tǒng)，從而進(jìn)一步提高機(jī)車空調(diào)的運(yùn)行效率。論文主要探索了機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，僅供參考。

【Abstract】The design of air conditioning power supply system directly affects the operation effect of the locomotive air conditioning system. The professional designers of the locomotive air conditioning power supply system must have solid professional skills to design reasonable and perfect air conditioning power supply system， so as to further improve the operation efficiency of the locomotive air conditioner. The thesis mainly explores the structure of the locomotive air conditioning power supply system， which is for reference only.

【關(guān)鍵詞】機(jī)車；空調(diào)電源系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

【Keywords】locomotive； air conditioning power supply system； structure； design

【中圖分類號(hào)】U264.5+6 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）06-0148-02

1 引言

為了使機(jī)車司機(jī)的工作環(huán)境得到改善，在機(jī)車中一般都裝有空調(diào)設(shè)施，一般而言，空調(diào)電源作為保證整個(gè)機(jī)車空調(diào)設(shè)備運(yùn)行的供電系統(tǒng)，其采取的是三相交流電路，其主要包括控制器與主電路兩個(gè)部分。本文主要對(duì)機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，以期可以設(shè)計(jì)出性能更好的空調(diào)電源系統(tǒng)，提高機(jī)車空調(diào)的運(yùn)行效率。

2 機(jī)車空調(diào)電源結(jié)構(gòu)

2.1 交直交的電路結(jié)構(gòu)

在機(jī)車空調(diào)電源電路結(jié)構(gòu)中，交直交形式的本質(zhì)就是在普通空調(diào)電源基礎(chǔ)上增添了一個(gè)二極管整流的部分?？照{(diào)電源主要是通過進(jìn)行升壓斬波、整流，對(duì)輸入電源的220V單相交流電源進(jìn)行處理，從而獲得電壓為600V的，較為穩(wěn)定的直流電源。交直交電路結(jié)的機(jī)車空調(diào)電源具有較好的通用性，不僅可以滿足內(nèi)燃機(jī)車的應(yīng)用，還能夠滿足電力基礎(chǔ)的需求。此外，交直交的電路結(jié)構(gòu)中，還包括脈沖整流器的空調(diào)（輔助）電源結(jié)構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)由單向交流電到直流電的轉(zhuǎn)換主要是通過四象限整流原理，其中，四象限整流濾波器中的電流感應(yīng)也可以是變壓器的漏電感應(yīng)。這種電路的特點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn)：

第一，節(jié)省了DC/DC的中間環(huán)節(jié)，可以直接獲得具有極高穩(wěn)定性的電壓在600V左右的直流電，同時(shí)其也能夠適應(yīng)范圍較大的電壓變化；

第二，在輸入交流電時(shí)，其側(cè)功率因數(shù)大約為1，因此其產(chǎn)生的諧波相對(duì)而言較少，但是這種電路結(jié)構(gòu)使得全控開關(guān)數(shù)量增多，這就會(huì)在一定程度上增加空調(diào)電源的成本；

第三，在經(jīng)過無(wú)電區(qū)時(shí)，機(jī)車內(nèi)的空調(diào)不能正常使用。

2.2 直交的電路結(jié)構(gòu)

在機(jī)車空調(diào)（輔助）電源中，雖然可以應(yīng)用交直交型的電路結(jié)構(gòu)的電源，但是這種電源結(jié)構(gòu)具有明顯的缺點(diǎn)：

第一，電路必須要進(jìn)行整流，如此一來(lái)不僅使電路以及控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，而且整流器產(chǎn)生的高次諧波（針對(duì)脈沖整流器）或低次諧波（針對(duì)不相控或相控整流器），能夠與牽引變壓器直接耦合，以至于牽引變壓器其他繞組電壓波形變差以及鐵心發(fā)生損耗發(fā)熱；

第二，在途經(jīng)無(wú)電區(qū)域時(shí)，機(jī)車內(nèi)的空調(diào)將無(wú)法正常使用，或采取停機(jī)措施，或改由蓄電池進(jìn)行供電，如此一來(lái)必將會(huì)對(duì)空調(diào)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。

因此，在機(jī)車空調(diào)系統(tǒng)中，應(yīng)用最為廣泛的空調(diào)（輔助）電源結(jié)構(gòu)便是直交型電源結(jié)構(gòu)。直交型空調(diào)（輔助）電源對(duì)電流的獲得主要是通過中間直流環(huán)節(jié)，因此，這種電源結(jié)構(gòu)需要安裝逆變器，確保直流電可以有效轉(zhuǎn)換成三相交流電。由于機(jī)車空調(diào)電源要求的輸入電壓較高，為了保證空調(diào)設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)安裝降壓設(shè)施，其方式主要包括以下幾種：第一種方式，先對(duì)直流電進(jìn)行逆變處理，然后再通過三相降壓變壓器使電壓降低到所需等級(jí)；第二種方式，首先運(yùn)用Buck降壓電路，實(shí)現(xiàn)直流電壓等級(jí)的降低，然后再進(jìn)行逆變處理[1]。

3 機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

3.1 升壓斬波控制電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 UC2842結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

本次設(shè)計(jì)中選擇的控制電路核心芯片是TI公司的UC2842芯片。UC2842芯片作為一種性能較高的、輸出方式為單端的一種對(duì)脈寬進(jìn)行調(diào)節(jié)的芯片，可以直接進(jìn)行功率型半導(dǎo)體器件（MOSFET、雙極型晶體管、IGBT等）的驅(qū)動(dòng)，具有外圍線路簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、管腳數(shù)量少以及安裝調(diào)試簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，是最為常用的一種集成電路。

3.1.2 控制電路設(shè)計(jì)

在機(jī)車空調(diào)電源結(jié)構(gòu)中的升壓斬波控制電路，其外圍由電容、電阻以及穩(wěn)壓二極管組成，內(nèi)部的核心則為UC2842芯片。其電路圖如圖1所示。

該電路的基本工作流程為：輸入110V直流電壓，對(duì)電容C2進(jìn)行充電，當(dāng)UC2842的7腳端的電壓達(dá)到導(dǎo)通門限之后，芯片開始進(jìn)行工作。在經(jīng)過R6、R7分壓之后，斬波反饋電壓從2腳被送入芯片中的誤差放大器中，基準(zhǔn)電壓與反饋電壓在經(jīng)過誤差放大器的比較之后，對(duì)芯片的輸出脈沖寬度進(jìn)行調(diào)整，從而獲得穩(wěn)定的輸出電壓。電流取樣電阻R12、電流互感器以及濾波電容C9等元器件共同組成電流反饋回路。R12兩端的取樣電壓在經(jīng)過3腳之后，流入到芯片的電流取樣比較器的輸入端，并會(huì)與另一端的誤差電壓相比較，若是該電壓等于誤差電壓時(shí)，芯片將會(huì)自動(dòng)中斷其輸出脈沖，從而進(jìn)行限流保護(hù)。該電路中的R9主要具有對(duì)峰值驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行限制的作用；RT、CT對(duì)振蕩頻率以及時(shí)間進(jìn)行確定；C6、R4共同組成誤差放大器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)[2]。

3.2 反饋回路設(shè)計(jì)

一般來(lái)說，UC2842芯片是一種電流控制型的脈沖寬度調(diào)制控制器，其具有雙環(huán)結(jié)構(gòu)，可以有效控制電流以及電壓，其中內(nèi)環(huán)控制電流，外環(huán)控制電壓。內(nèi)環(huán)中具有霍爾電流傳感器，可以有效感應(yīng)電感峰值的變化情況，并對(duì)其進(jìn)行采樣與傳輸；外環(huán)則是通過安裝分壓電阻，感應(yīng)輸出電壓情況，進(jìn)而進(jìn)行采樣以及傳輸。由于電流以及電壓的變化會(huì)使得脈沖寬度調(diào)制（PWM）的輸出脈沖改變其占空比，因此，可以通過PWM的有效控制，增加系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而增強(qiáng)電源系統(tǒng)電壓以及電流的穩(wěn)定性。為了使DC600V在輸出時(shí)具有較高的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)人員可以在電源電路結(jié)構(gòu)中適當(dāng)?shù)靥砑右恍┓答伝芈?。此外，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)機(jī)車空調(diào)電源結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)保證電源在較為復(fù)雜的環(huán)境下能夠穩(wěn)定運(yùn)行，因此，可以選擇應(yīng)用PI調(diào)節(jié)器。電壓反饋回路的電路如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)在機(jī)車空調(diào)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還與發(fā)達(dá)國(guó)家具有一定的差距。隨著我國(guó)軌道交通行業(yè)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種應(yīng)用設(shè)施將會(huì)逐步完善，我國(guó)機(jī)車空調(diào)電源結(jié)構(gòu)必將實(shí)現(xiàn)優(yōu)化與統(tǒng)一，為機(jī)車司機(jī)營(yíng)造更好的工作環(huán)境。

【參考文獻(xiàn)】

【1】白錫彬，張全柱，王磊，等.機(jī)車新型空調(diào)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)車，2007（10）：9-12+16+52.

【2】張勝云.機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010.