礦用架線電機(jī)車用直流電源變換器研究

耿杰龍

(西山煤電 官地礦，山西 太原 030022)

0 引言

1970年以來(lái)，我國(guó)礦用電機(jī)車直流用電設(shè)備主要采用SCR直流電源變換器進(jìn)行直流電壓變換，隨著電力電子技術(shù)的迭代更新，SCR變換器的經(jīng)濟(jì)性與安全性已不符合實(shí)際應(yīng)用要求。相比傳統(tǒng)的SCR直流電源變換器，以MOSFET或IGBT為控制器件的開(kāi)關(guān)電源具有使用壽命長(zhǎng)、性能較好且損耗小等優(yōu)勢(shì)。為進(jìn)一步提高國(guó)內(nèi)礦用電源的可靠性與性能，需研發(fā)出采用MOSFET或IGBT的礦用直流電源變換器產(chǎn)品。

礦用電機(jī)車用電源變換器主要應(yīng)用于煤礦電機(jī)車機(jī)車頭的喇叭、大燈照明和其他機(jī)車必備設(shè)備中。目前在車載設(shè)備的使用過(guò)程中主要存在兩個(gè)問(wèn)題：首先是產(chǎn)品故障率高，在礦用直流架線電機(jī)車的工作人員中配置有專業(yè)維修人員，專門(mén)進(jìn)行變換器的維護(hù)保修工作以維持礦場(chǎng)的正常生產(chǎn)運(yùn)行，如何提高變換器的可靠性，減少維修人力成本是亟待解決的問(wèn)題；其次是供電電壓波動(dòng)較大，機(jī)車的供電電壓通常為直流250 V或550 V，而車載用電設(shè)備的用電電壓一般為24 V，所以直流電源變換器是礦用電機(jī)車的必備設(shè)備，而傳統(tǒng)電源變換器的性能較差，經(jīng)變換器后輸出電壓波動(dòng)較大，不能穩(wěn)定在24 V，導(dǎo)致用電設(shè)備使用質(zhì)量較差且易發(fā)生故障。因此，研發(fā)出一種可解決以上問(wèn)題的新型電源變換器具有重大意義。

1 基于MOSFET或IGBT的直流電源變換器

1.1 直流電源變換器工作原理

直流電源變換器的功率開(kāi)關(guān)器件主要是MOSFET或IGBT，其中供電電壓為250 V時(shí)一般使用MOSFET管，550 V時(shí)則采用IGBT管。直流電源變換器的原理圖如圖1所示，變換器通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(PWM)將輸入直流電壓(250 V或550 V)轉(zhuǎn)換為24 V的輸出電壓，維持用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

圖1 直流電源變換器原理圖

脈沖寬度調(diào)制的原理是將三角載波與調(diào)制波進(jìn)行比較產(chǎn)生脈沖信號(hào)，從而控制MOSFET或IGBT的通斷。經(jīng)脈沖寬度調(diào)制后，輸入的直流電壓被轉(zhuǎn)化為頻率較高的方波電壓，再經(jīng)濾波后得到輸出電壓。采用脈寬調(diào)制方式的變換器占空比D可定義為：

(1)

其中：ts為控制周期；ton和toff分別為一個(gè)采樣周期內(nèi)的開(kāi)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間。根據(jù)伏秒平衡原理，輸出電壓等于輸入電壓與占空比D的乘積，故在輸入電壓變化不穩(wěn)定時(shí)，可通過(guò)對(duì)占空比的調(diào)節(jié)維持恒定的輸出電壓。

變換器的輸出電壓通過(guò)SG3525A集成芯片實(shí)現(xiàn)反饋控制：當(dāng)實(shí)際輸出電壓大于額定工作電壓24 V時(shí)，開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)間ton縮短，即占空比D減小，從而降低輸出電壓；當(dāng)實(shí)際輸出電壓低于24 V時(shí)，開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)間ton增加，占空比D增大，輸出電壓隨之上升。經(jīng)反復(fù)調(diào)節(jié)可使變換器的輸出電壓維持在24 V不變，此時(shí)照明大燈與喇叭等用電設(shè)備可維持穩(wěn)定良好的工作狀態(tài)，用電設(shè)備的可靠性與壽命得到大幅提高。

1.2 直流變換器主電路

由圖1可見(jiàn)，直流變換器的主電路是由兩個(gè)MOSFET管組成的半橋結(jié)構(gòu)，半橋結(jié)構(gòu)電路的主要優(yōu)勢(shì)是在完整的控制周期內(nèi)變壓器原邊繞組一直有電流流通, 故磁芯利用率較高。與推挽式電路相比，半橋式變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：①相同情況下半橋結(jié)構(gòu)中MOSFET管的最大承受電壓低于推挽電路，因此可選擇耐壓要求較低的MOSFET管，經(jīng)濟(jì)成本較低且更安全；②MOSFET的飽和壓降大大減小, 幾乎可忽略其影響；③濾波電容的工作電壓也相對(duì)較低。半橋式電路的變壓器電壓只有輸入電壓的一半，要傳輸與推挽式電路同樣大小的功率, 半橋式電路的MOSFET管上流過(guò)的電流為推挽式電路的兩倍。

1.3 直流變換器的控制

新型電源變換器采用如圖1所示SG3525A芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。芯片的主要功能如下：

(1)軟啟動(dòng)：照明設(shè)備在未運(yùn)行時(shí)電阻值很小, 為避免電路啟動(dòng)時(shí)電流過(guò)沖損壞燈泡與電源變換器，芯片應(yīng)具備軟啟動(dòng)功能。圖1中芯片引腳8外接電容CS，芯片內(nèi)部有恒定電流給電容充電，從而實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。

(2)輸出電流限制：SG3525A芯片通過(guò)關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的限制，對(duì)電流的限制主要是指控制輸出電流與抑制脈沖電流，其主要原理是將過(guò)流信號(hào)反饋到芯片的引腳10，當(dāng)檢測(cè)到引腳10電壓超過(guò)0.7 V時(shí)，芯片開(kāi)啟限流動(dòng)作；若電壓上升至1.4 V，芯片直接關(guān)斷脈沖信號(hào)，下個(gè)計(jì)時(shí)周期再次恢復(fù)正常輸出。得益于SG3525A芯片的良好性能，這種限流方式反應(yīng)較快，可靠性較高。

(3)振蕩器與死區(qū)調(diào)節(jié)：芯片中振蕩器的電容CT通過(guò)接電阻RD至第7引腳形成放電回路，電阻的大小決定了電容的放電時(shí)長(zhǎng)與死區(qū)時(shí)間。

(4)輸出電路：芯片的MOSFET開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，即將芯片驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的引腳11和引腳14與變壓器原邊連接，變壓器副邊與兩個(gè)開(kāi)關(guān)管相連接，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能。這種變壓器原邊不需配備中心抽頭，可實(shí)現(xiàn)副邊的電平位移并具有與主電路電氣隔離的功能。

2 直流變換器的保護(hù)

直流變換器的保護(hù)功能主要包括短路保護(hù)、過(guò)壓和避雷保護(hù)、浪涌電流保護(hù)和濾波電路保護(hù)。

2.1 短路保護(hù)

因在電力系統(tǒng)中無(wú)法有效抑制短路電流，短路故障被認(rèn)為是最危險(xiǎn)的故障，但在礦用直流變換器中，可通過(guò)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)限制短路電流的大小。本文提出了一種新的過(guò)流與短路保護(hù)方法：當(dāng)檢測(cè)到電路發(fā)生短路故障時(shí)，在短路電流到達(dá)MOSFET與整流管之前將其關(guān)斷，此時(shí)二次回路的電解電容提供了輸出回路短路電流所需的能量。這種保護(hù)方法避免了短路電流對(duì)開(kāi)關(guān)管的沖擊，使得直流變換器的可靠性得到進(jìn)一步提高。

2.2 過(guò)壓和避雷保護(hù)

牽引電網(wǎng)中直流電壓通常最高為額定電壓的1.5倍左右，但在車上有串激電機(jī)等感性元件或在暴風(fēng)雨等惡劣天氣存在雷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生高壓尖峰。盡管高壓尖峰持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，但其巨大的能量足以損壞變換器電路的MOSFET管與濾波器。

本文采用瞬態(tài)電壓抑制器TVS保護(hù)電路的元器件，在TVS受到尖峰電壓沖擊時(shí)，它可在極短時(shí)間內(nèi)將其兩端的高阻抗轉(zhuǎn)為低阻抗，吸收尖峰電壓帶來(lái)的數(shù)千瓦功率，從而使兩端電壓箝位于設(shè)定值。TVS具有響應(yīng)速度快、瞬間吸收功率大、無(wú)損壞極限和輕便等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 浪涌電流保護(hù)

變換器電路在充電時(shí)會(huì)有浪涌電流出現(xiàn)，而直流變換器的電源引入裝置特點(diǎn)決定了變換器需要經(jīng)常充電，因此浪涌電流的產(chǎn)生無(wú)法避免。在無(wú)保護(hù)設(shè)施的情況下，浪涌電流可高達(dá)100 A以上。本文在輸入端引入限流設(shè)施控制浪涌電流，NTC材料具有與溫度負(fù)相關(guān)的電阻特性，因此本文將NTC熱敏電阻接入輸入端作為浪涌保護(hù)設(shè)施，將浪涌電流的峰值限制在安全范圍內(nèi)。

2.4 濾波電路保護(hù)

濾波電路由額定頻率較高的電感與電容器組成，其中選用的電容器應(yīng)具有較高的耐壓值和極小的漏電流。此外，電容應(yīng)串聯(lián)一個(gè)限流電阻限制放電電流以延長(zhǎng)電容器的使用壽命。

3 仿真分析

本文將新型直流電源變換器與傳統(tǒng)SCR直流電源變換器進(jìn)行仿真對(duì)比，以佐證新型變換器的使用效果。表1為新型電源變換器不同負(fù)載情況下的輸入輸出仿真數(shù)據(jù)表，其中負(fù)載1為車前大燈，負(fù)載2為機(jī)車?yán)取?/p>

表1 新型變換器輸入輸出仿真數(shù)據(jù)表

對(duì)兩種變換器進(jìn)行仿真得到輸出電壓曲線圖分別如圖2與圖3所示。由圖可見(jiàn)新型變換器的穩(wěn)壓效果好，輸出電壓呈現(xiàn)為接近直線的水平線；而傳統(tǒng)變換器的輸出電壓諧波成分高且有下降趨勢(shì)。仿真進(jìn)一步驗(yàn)證了新型直流電源變換器的可靠性與控制效果。

圖2 新型直流電源變換器輸出電壓

圖3 傳統(tǒng)SCR直流電源變換器輸出電壓

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種新型礦用架線電機(jī)車用直流電源變換器，該變換器可靠性高且輸出效果好，相比傳統(tǒng)SCR直流電源變換器優(yōu)勢(shì)明顯，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與廣闊的應(yīng)用前景。