CN103095203A - 内燃机车电压调整器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内燃机车用电自动稳压装置技术领域，尤其是一种内燃机车电压调整器。它包括电压调节电路和印制板，所述电压调节电路包括U1模块和插头JP1，还包括模块U2和模块U3，本发明采用的电压调整器采用PWM控制芯片，定频调宽方式控制，斩波频率是恒定的，脉宽是随发电机的转速和负载变化而变化。本发明是通过不断地改变辅助发电机励磁绕组的励磁电流，以获得辅助发电机所发出的电压稳定在DC110±2V范围内。本发明的电压调整器同时具有辅助发电过压保护，空压机软启动等功能。本发明将电压调整、空压机软启动，过压保护集成在一块电路板上，可根据机车的需要随时增减，灵活性强。

Description

内燃机车电压调整器

技术领域

本发明涉及内燃机车用电自动稳压装置技术领域，尤其是一种内燃机车电压调整器。

背景技术

目前内燃机车上应用的电压调整器都是普遍采用LM124，FX158等运算放大器，将运放在开环状态下作为比较器使用，通过比较输入发电机输出电压与基准电压差值，由运算放大器的电平翻转来控制功率管交替导通和截止来实现电压调整。其斩波频率和宽度都不是稳定的，且随发电机的转速和负载变化而变化，占空比在0-1之间。目前普遍使用的电压调整器相比有如下缺陷：

1、现有的电压调整器，如株洲田龙普遍采用LM124，FX158等运算放大器，将运放在开环状态下作为比较器使用，通过比较输入发电机输出电压与基准电压差值，由运算放大器的电平翻转来控制功率管交替导通和截止来实现电压调整，其斩波频率和宽度都不是稳定的，且随发电机的转速和负载变化而变化，占空比在0-1之间。

2、现在电压调整装置无此功能，重复再启动时，如果时间过短往往会发生瞬时过压，引起过压保护动作。

3、现有的电压调整装置无此功能，在主电源供电不足的情况下，功率管常常因导通不充分，发热严重而损坏。

4、现有的电压调整装置采用单管驱动输出，散热和负载驱动性能有所限制，需要较大的散热器。

5、现有的电压调整器通过电阻串联一只稳压二极管为主电源供电，带负载能力小，适用电压范围窄。

6、现有电压调整器主要依靠在机车主电柜中安装大功率管型电阻Rdt限流，以保护电压调整器装置不损坏。

7、现在通用的电压调整器只备其中一种或两种功能，不具备以上三种功能。

发明内容

为了克服现有的电压调整器的不足，本发明提供了一种内燃机车电压调整器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种内燃机车电压调整器，包括电压调节电路和印制板，所述电压调节电路包括U1模块和插头JP1，所述U1模块为芯片UC1525A，电压调整器控制的输入、输出端都通过插头JP1引入，插头JP1的4脚和6脚分别为110V电源的正端和负端，外部的辅助发电机励磁绕组接在插头JP1的4端和5端，从插头JP1的4脚输入的源通过二极管V8，电容C18滤波后供给DC模块，U3模块将110V电源转换为低压12V电源，12V电源经电感L1，电容C17，电容C16组成的г形滤波后供整个控制电路使用；插头JP1的1脚为反馈电压输入端，电阻R1，电位器RP1，电阻R16组成反馈取样电路，取样电压通过电位器RP1中心抽头输入到芯片UC1525A的反相输入端1脚，电容C10与反馈取样电路的电位器RP1、电阻R16并联连接；芯片UC1525A的16脚为基准电压5.1V输出端，通过电阻R25和电阻R21分压后输出3.8V的基准电压至芯片UC1525A的2脚正向输入端，与1脚输入的电压比较控制PWM脉冲输出；芯片UC1525A的5脚为振荡器定时电容C13的接入端，6脚为振荡器定时电阻R24接入端，定时电容C13一端连接电阻R24，另一端连接电阻R17，芯片UC1525A的7脚和5脚连接电阻R17；芯片UC1525A的9脚和反相输入端1脚接入电阻R4、电阻R5和电容C1构成闭环反馈系统；芯片UC1525A的11脚通过电阻R27连接VMOS管Q5，芯片UC1525A的的14脚通过电阻R26连接VMOS管Q6，并联连接的二极管V1和二极管V2一端分别连接VMOS管Q5和VMOS管Q6，另一端连接由电阻R7、电容C8以及电阻R32、二极管V5、电容C9组成回路的阻容保护网络；芯片UC1525A的8脚连接电容C3，芯片UC1525A的10脚分别通过电阻R23、电容C11接地；插头JP1分别通过电阻R2、R3连接模块U2，电阻R3、R11、R34构成分压电路，连接电容C15，电容C15两端分别连接电阻R12、LM193的反相输入端2脚和正相输入端3脚，LM193的1脚依次连接MOS管Q2和继电器K2，电阻R2分别连接U1的10脚和电阻R22，电阻R22连接三极管Q3的基极，三极管Q3连接电容C12，插头JP1分别通过电阻R14、R33连接模块U2的正相输入端5脚，LM193的反相输入端6脚连接电阻R8和稳压管V14，LM193的7脚分别依次连接MOS管Q1、继电器K1和二极管V3和电阻R9，LM193的7脚还连接二极管V9和电阻R20，然后分别连接U1的10脚和三极管Q3的基极。

本发明的有益效果是，本发明的电压调整器与目前普遍使用的电压调整器相比有如下优点：

1、新型电压调整器采用PWM控制芯片，定频调宽方式控制，斩波频率是恒定的，脉宽是随发电机的转速和负载变化而变化。

2、新型电压调整器具有重复再启动软启动功能，避免启动时冲击或造成瞬时过压。

3、新型电压调整器具有欠压保护，锁定输出。欠压保护避了免功率输出管因导通不充分过热损坏。

4、新型电压调整器采用IGBT功率管推挽，轮流输出，能带更大的负载，双功率管增加了与散热器接触面积，提高了散热性能，降低热阻功耗，新型电压调整器散热器比现有的电压调器要小，只有株洲田龙的1/3。

5、新电压调整器主电源采用DC-DC模块供电，带负载能力强，电压稳定且适用电压范围宽。

6、脉宽限制过流保护。新型电压调整器将占空比限制在一定范围内(0-0.8)，双管输出最大电流不超过8.5A,单管不超过5A，避免现有电压调整器装置在柴油机停机过程中，随着占空比逐渐增大到1，功率输出管长时间处于导通状态，将会因过流严重发热而损坏。

7、新型电压调整器将电压调整、空压机软启动，过压保护集成在一块电路板上，可根据机车的需要随时增减，灵活性强。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的电路原理图。

具体实施方式

本发明专利主要涉及到应用在采用直流发电（DC110V）驱动作为主要动力电源的内燃机车上。在柴油机启动以后，通过传动机构带动辅助发电机发电，由于辅助发电机通过变速箱被柴油机拖动，其转速与柴油机转速有关，而柴油机转速是随工况而不断变化的，转速范围为400-1000r/min，若辅助发电机励磁保持恒定，而不采取措施，辅助发电机所发出的电压将变化很大，这将带来很大的问题：1、不利于调整柴油机恒功率工况。2、机车上如空压机、燃油泵、通风机、空调及其他用电设备将不能稳定工作。故要求辅助发电机所发出的电压保持稳定。本发明采用电压调整器就能达到这个目的，电压调整器是通过不断地改变辅助发电机励磁绕组的励磁电流，以获得辅助发电机所发出的电压稳定在DC110±2V范围内。本发明的电压调整器同时具有辅助发电过压保护，空压机软启动等功能。

本发明整体电路设计：

本装置和现有装置不同的是采用定频调宽技术，并和其它采用简单的定频调宽在技术上有所突破，电路设计采用了德州仪器公司生产的工业级UC1525A 芯片，其开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。UC1525A 内置了5.1V 精密基准电源，精度1%。

电压调整器控制的输入、输出端都通过JP1插头引入，JP1的4脚和6脚分别为110V电源的正端和负端（公共端），外部的辅助发电机励磁绕组接在JP1的4端和5端。从JP1的4脚输入的源通过V8二极管，C18滤波后供给DC模块，U3将110V电源转换为低压12V电源。V8作用起隔离和防反接两种作用，避免110V电源波动对后级造成干扰。12V电源经L1，C16，C14组成的г形滤波后供整个控制电路使用。

JP1的1脚为反馈电压输入端，R1，RP1，R16组成反馈取样电路，取样电压通过RP1中心抽头输入到UC1525A的反相输入端1脚，C10（0.22Uf）滤除高频杂波干扰。UC1525A的16脚为基准电压5.1V输出端，通过R25和R21分压后输出3.8V的基准电压至UC1525A的2脚正向输入端，与1脚输入的电压比较控制PWM脉冲输出。输出电压的采样电压加在UC1525A 误差放大器(Error Amp)的反相端，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM 比较器输出为正的时间变长，PWM 琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态，反之亦然。

U1（UC1525A）的CT(引脚5)为振荡器定时电容C13（0.1Uf）接入端，RT（引脚6）为振荡器定时电阻R24(120k)接入端。振荡频率由C13，R24及R17阻值决定，f=1/(C13*(0.7*R24+3*R17))*1000。本电路振荡频率为105Hz，为了保持UC1525A误差放大器相对稳定，采用闭环反馈系统，在U1的9脚和反相输入端1脚接入合适的电阻和比例积分网络，R4、R5、C1取值至关重要，通过选取合适R4（220K），C1（0 .1Uf）、R5（56K）达到了理想的效果，C2（2200PF）接在U1（UC1525A）的9脚（COMP）与地之间起抗干扰作用。

U1的7脚与5脚接电阻R17（3K），用于限制脉宽最大值，即使在辅助发电机转速为0情况下，流过励磁绕组的电流也不会超过8.5A.

U1的13脚为输出级供电电源接入端，接入R6（100Ω）限流，引脚11和引脚14是PWM脉冲两路互补输出端，时间差T/2（相位差180），轮流通过R26，R27电阻控制VMOS管输出。R26，R27阻值选取1K，合适的阻值既保证波形稳定不发生畸变，又能保证VMOS能充分导通。V1（6A6）、V2（6A6）并联起续流作用，在Q5（IRFP460）、Q6（IRFP460）截止时，励磁绕组的电流通过V1、V2续流使励磁电流不中断。R7（100Ω）、C8（0.22J160）及R32（150Ω）、V5（1N4007）、C9（0.22J160）共同组成回路的阻容保护网络。

UC1525A 的软启动接入端（引脚8）上C3（4.7uF）的软启动电容。在电路上电过程中，由于C3电容两端的电压不能突变，只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8 处于高电平时，UC1525A 才开始工作。

UC1525A引脚10为PWM脉冲关闭端，当shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM将关闭输出，琐存器将立即动作，禁止UC1525A 的输出，同时软启动电容C3将开始放电，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。C3的容量取值既不能太大也不能太小，C3容量大通过UC1525A内部5K电阻放电时间太长，PWM脉冲关闭延时，电压不能及时降为0，C3容量太小，软启动效果不明显，本装置取4.7uF比较合适。UC1525A的10脚（SD ）引脚通过R23(5K)电阻值接地和C11（0.22Uf）接地，以防止外部干扰信号耦合而影响UC1525A 的正常工作。欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在UC1525A 的输出被关断同时，软启动电容C3将开始放电。

空压机软启动：当空压机启动时，空压机启动指令信号110V电压从JP1的3脚引入，其中一路通过R3（100K）输入到U2，110V电压信号经R3、R11分压后，在R34左侧得到10V电压，该电压经R34对C15（47Uf）充电。另一路经电阻R2（82K）加U1（UC1525A）的10脚上，C3迅速放电，关闭PWM脉冲输出。同时空压机启动信号电压通过R22（3.6K）加到Q3（8050）的基极上，Q3饱和导通，C12（47uF/50V）通过Q3迅速放电，U1（UC1525A）2脚反相端电压降为0V，也迫使辅助发电输出电压迅速降低。上述两者共同作用，使PWM脉冲迅速关闭，由于辅助发电励磁绕组的电感作用，关闭励磁后，发电压机实际降为0时间须2.5s左右。LM193的反相输入端2脚通过R35（10K）、R12（15K）电阻分压得到7.2V电压，与LM193正相输入端3脚电压比较。3脚充电超过7.2V时间t=R34*C15 约2.5s时间，U1发生翻转，1脚输出高电平，MOS管Q2导通，继电器K2吸合，K2的常开触头闭合，110V电源输出到JP1的2脚，进一步去控制空压机接触器闭合，空压机开始启动。U1（UC1525A）1脚高电位后，通过R31（3.6K）反馈给Q4（8050）基极，使Q4饱和导通，U1（UC1525A）1脚变成低电位，U1开放PWM脉冲，同时Q3（8050）因基极低电位而截止，C12（47Uf/50V）通过R25（68K）电阻充电，经过t=R25*C12 约3.2s上升至满电压的2/3，随着基准电压的上升，辅助发电电压也随之上升，经过5s辅助发电电压基本达到稳定110V，从而达到空压机软启动的目的。当空压机泵风压力达到额定值后，从JP1的3脚输入的空压机启动信号电压消失，C15（47uF/50V）通过V6（1N4007），R11（10K）迅速放电，U2A（LM193）翻转为低电平，K2断电，为下一次启动作好准备。U1（UC1525）的10脚（SD）通过R23（5K）接地为低电位，继续保持PWM通道开启。

发电过压保护：若某种原因导致发电电压过高，超过125±1V，过压保护动作。辅助发电的反馈电压通过JP1的1脚引入，经R14（100K）与R33（0-5K可调）分压后输入到U2（LM193）的同相端1脚，与U2（LM193）的6脚通过R8（10K），V14（2.7V）取得基准电压2.7V进行比较，当反馈电压高于125±1V时，U2翻转为高电平，驱动Q1（IRF840）导通，K1线圈得电，K1常闭触点断开，由于K2常闭触点串接在JP1的5脚控制端，Q5（IRFP460），Q6（IRFP460）无电源，辅助发电机的励磁绕组失电，无辅助发电输出。当U2翻转后，U2的7脚高电位通过V3（1N4007），R9（1K）反馈至U2的同相端5脚，使U2翻转实现稳定自锁，保持7脚高电位，即使辅助发电电位下降至125V 以下，继电器K1仍吸合。在U2的7脚翻转为高电位后，另一方面通过V9（1N4007），R20（2K）输入到U1（UC1525）的10脚和Q3（8050）的基极上，使PWM迅速关断。V3（1N4007）、V9（1N4007）起反向阻断作用，在正常情况下，两管处于截止状态。C14为过压延时电容，防止辅助发电机因偶而因素瞬时过压，保护电路误动作。C4（4.7Uf/50V）用于在开机瞬间维持U2B的7脚低电位，防止因干扰引起的误动作。

一般特性：

工作电压：96-110V

斩波电流：0-8A (限流)

占空比调节范围：0-0.8（限制）

开关频率：105Hz

负载效应：0-100%负载，Vo1±0.5V

动态响应：负载阶跃，Vo1±3V

转换效率：92%

工作环境温度：-25℃-+55℃

散热器最大温升：≤85℃

最小无故障间隔时间MTBF：20万小时

相对湿度：10%-90%

辅助发电机恒定转速下稳压精度：Vo1±0.1V

柴油机最小转速400r/min至最大转速1000r/min稳压精度：Vo1+0.3V

电路欠压保护：低压侧输入侧电源电压低8V

辅助发电过压保护：125±1V

辅助发电瞬时过压延迟：0.5s

空压机合闸延时时间：2.5±0.5s.

空压机软启动恢复时间：5±0.5s

输入特性：

宽电源输入电压： 72-144V。

欠压保护：高压输入侧电源电压低于65V

低压侧工作电源电压及功耗： 12V，≤1W

低压侧软启动延迟时间：0-3s。

Claims (1)

1.一种内燃机车电压调整器，其特征是，它包括电压调节电路和印制板，所述电压调节电路包括U1模块和插头JP1，所述U1模块为芯片UC1525A，电压调整器控制的输入、输出端都通过插头JP1引入，插头JP1的4脚和6脚分别为110V电源的正端和负端，外部的辅助发电机励磁绕组接在插头JP1的4端和5端，从插头JP1的4脚输入的源通过二极管V8，电容C18滤波后供给DC模块，U3模块将110V电源转换为低压12V电源，12V电源经电感L1，电容C17，电容C16组成的г形滤波后供整个控制电路使用；插头JP1的1脚为反馈电压输入端，电阻R1，电位器RP1，电阻R16组成反馈取样电路，取样电压通过电位器RP1中心抽头输入到芯片UC1525A的反相输入端1脚，电容C10与反馈取样电路的电位器RP1、电阻R16并联连接；芯片UC1525A的16脚为基准电压5.1V输出端，通过电阻R25和电阻R21分压后输出3.8V的基准电压至芯片UC1525A的2脚正向输入端，与1脚输入的电压比较控制PWM脉冲输出；芯片UC1525A的5脚为振荡器定时电容C13的接入端，6脚为振荡器定时电阻R24接入端，定时电容C13一端连接电阻R24，另一端连接电阻R17，芯片UC1525A的7脚和5脚连接电阻R17；芯片UC1525A的9脚和反相输入端1脚接入电阻R4、电阻R5和电容C1构成闭环反馈系统；芯片UC1525A的11脚通过电阻R27连接VMOS管Q5，芯片UC1525A的的14脚通过电阻R26连接VMOS管Q6，并联连接的二极管V1和二极管V2一端分别连接VMOS管Q5和VMOS管Q6，另一端连接由电阻R7、电容C8以及电阻R32、二极管V5、电容C9组成回路的阻容保护网络；芯片UC1525A的8脚连接电容C3，芯片UC1525A的10脚分别通过电阻R23、电容C11接地；插头JP1分别通过电阻R2、R3连接模块U2，电阻R3、R11、R34构成分压电路，连接电容C15，电容C15两端分别连接电阻R12、LM193的反相输入端2脚和正相输入端3脚，LM193的1脚依次连接MOS管Q2和继电器K2，电阻R2分别连接U1的10脚和电阻R22，电阻R22连接三极管Q3的基极，三极管Q3连接电容C12，插头JP1分别通过电阻R14、R33连接模块U2的正相输入端5脚，LM193的反相输入端6脚连接电阻R8和稳压管V14，LM193的7脚分别依次连接MOS管Q1、继电器K1和二极管V3和电阻R9，LM193的7脚还连接二极管V9和电阻R20，然后分别连接U1的10脚和三极管Q3的基极。

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