機車空調電源系統的結構研究與設計

董賓

【摘 要】機車空調電源系統結構的設計直接影響著機車空調系統的運行效果，機車空調電源系統的專業設計人員必須具備扎實的專業技能才能設計出合理、完善的空調電源系統，從而進一步提高機車空調的運行效率。論文主要探索了機車空調電源系統的結構，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.

【關鍵詞】機車；空調電源系統；結構；設計

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

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

1 引言

為了使機車司機的工作環境得到改善，在機車中一般都裝有空調設施，一般而言，空調電源作為保證整個機車空調設備運行的供電系統，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部分。本文主要對機車空調電源系統的結構設計進行了分析，以期可以設計出性能更好的空調電源系統，提高機車空調的運行效率。

2 機車空調電源結構

2.1 交直交的電路結構

在機車空調電源電路結構中，交直交形式的本質就是在普通空調電源基礎上增添了一個二極管整流的部分。空調電源主要是通過進行升壓斬波、整流，對輸入電源的220V單相交流電源進行處理，從而獲得電壓為600V的，較為穩定的直流電源。交直交電路結的機車空調電源具有較好的通用性，不僅可以滿足內燃機車的應用，還能夠滿足電力基礎的需求。此外，交直交的電路結構中，還包括脈沖整流器的空調（輔助）電源結構，其實現由單向交流電到直流電的轉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也可以是變壓器的漏電感應。這種電路的特點主要包括以下幾點：

第一，節省了DC/DC的中間環節，可以直接獲得具有極高穩定性的電壓在600V左右的直流電，同時其也能夠適應范圍較大的電壓變化；

第二，在輸入交流電時，其側功率因數大約為1，因此其產生的諧波相對而言較少，但是這種電路結構使得全控開關數量增多，這就會在一定程度上增加空調電源的成本；

第三，在經過無電區時，機車內的空調不能正常使用。

2.2 直交的電路結構

在機車空調（輔助）電源中，雖然可以應用交直交型的電路結構的電源，但是這種電源結構具有明顯的缺點：

第一，電路必須要進行整流，如此一來不僅使電路以及控制系統更加復雜，而且整流器產生的高次諧波（針對脈沖整流器）或低次諧波（針對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生損耗發熱；

第二，在途經無電區域時，機車內的空調將無法正常使用，或采取停機措施，或改由蓄電池進行供電，如此一來必將會對空調的穩定運行產生影響。

因此，在機車空調系統中，應用最為廣泛的空調（輔助）電源結構便是直交型電源結構。直交型空調（輔助）電源對電流的獲得主要是通過中間直流環節，因此，這種電源結構需要安裝逆變器，確保直流電可以有效轉換成三相交流電。由于機車空調電源要求的輸入電壓較高，為了保證空調設施的穩定運行，設計人員通常會安裝降壓設施，其方式主要包括以下幾種：第一種方式，先對直流電進行逆變處理，然后再通過三相降壓變壓器使電壓降低到所需等級；第二種方式，首先運用Buck降壓電路，實現直流電壓等級的降低，然后再進行逆變處理[1]。

3 機車空調電源系統的結構設計研究

3.1 升壓斬波控制電路結構設計

3.1.1 UC2842結構及特點

本次設計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脈寬進行調節的芯片，可以直接進行功率型半導體器件（MOSFET、雙極型晶體管、IGBT等）的驅動，具有外圍線路簡單、性能優良、管腳數量少以及安裝調試簡單的優點，是最為常用的一種集成電路。

3.1.2 控制電路設計

在機車空調電源結構中的升壓斬波控制電路，其外圍由電容、電阻以及穩壓二極管組成，內部的核心則為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，對電容C2進行充電，當UC2842的7腳端的電壓達到導通門限之后，芯片開始進行工作。在經過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，基準電壓與反饋電壓在經過誤差放大器的比較之后，對芯片的輸出脈沖寬度進行調整，從而獲得穩定的輸出電壓。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過3腳之后，流入到芯片的電流取樣比較器的輸入端，并會與另一端的誤差電壓相比較，若是該電壓等于誤差電壓時，芯片將會自動中斷其輸出脈沖，從而進行限流保護。該電路中的R9主要具有對峰值驅動電流進行限制的作用；RT、CT對振蕩頻率以及時間進行確定；C6、R4共同組成誤差放大器的補償網絡[2]。

3.2 反饋回路設計

一般來說，UC2842芯片是一種電流控制型的脈沖寬度調制控制器，其具有雙環結構，可以有效控制電流以及電壓，其中內環控制電流，外環控制電壓。內環中具有霍爾電流傳感器，可以有效感應電感峰值的變化情況，并對其進行采樣與傳輸；外環則是通過安裝分壓電阻，感應輸出電壓情況，進而進行采樣以及傳輸。由于電流以及電壓的變化會使得脈沖寬度調制（PWM）的輸出脈沖改變其占空比，因此，可以通過PWM的有效控制，增加系統的瞬態響應時間，進而增強電源系統電壓以及電流的穩定性。為了使DC600V在輸出時具有較高的穩定性，設計人員可以在電源電路結構中適當地添加一些反饋回路。此外，設計人員在設計機車空調電源結構時，應保證電源在較為復雜的環境下能夠穩定運行，因此，可以選擇應用PI調節器。電壓反饋回路的電路如圖2所示。

4 結語

綜上所述，我國在機車空調電源結構設計中還與發達國家具有一定的差距。隨著我國軌道交通行業科學技術的不斷發展，各種應用設施將會逐步完善，我國機車空調電源結構必將實現優化與統一，為機車司機營造更好的工作環境。

【參考文獻】

【1】白錫彬，張全柱，王磊，等.機車新型空調電源系統的設計[J].內燃機車，2007（10）：9-12+16+52.

【2】張勝云.機車空調電源系統的研究與設計[D].長沙：中南大學，2010.