CN201349138Y - 电力机车充电器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电力机车充电器，包括至少一组可并联的充电电路模块，该充电器的输入端接由网压经逆变后生成的交流电压，输出端向机车上的设备输出直流电压，所述充电电路模块由输入滤波电路、AC/DC转换器、DC/DC变换器、输出滤波电路所组成，其中，AC/DC转换器由整流桥及升压式PFC控制电路组成。该充电器，体积小，重量轻，搬运和维修都比较方便，有很好防尘措施，能适应大秦铁路线的粉尘污染，采用多路开关电源并联输出的方式，负载能力更强，输出精度更高。由于采用了升压式PFC控制电路，使得充电器可以在全输入电压范围内正常工作，并且保护输出电压稳定可靠，还可提高充电器的功率因数，抑制谐波电流。

Description

电力机车充电器

技术领域

本实用新型涉及一种充电器，特别涉及一种用于电力机车的充电和向负载提供直流电源的装置。

背景技术

目前电力机车越来越多的取代了内燃机车，做为电力机车的主要动力设备，机车充电器的工作情况决定着电力机车是否可以正常、安全的运行，而机车运行路线的环境对充电器有着非常重大的影响，因此设计一款适应机车运行特定环境的充电器就显得尤为重要。

如现实中的使用实例，DJ1电力机车是我国铁路的重载货运机车，已成为我国万吨牵引煤炭运输的主型机车，但由于机车运行线路环境恶劣，粉尘污染和电源污染造成了充电器的大面积损坏，故障率高，维修周期长，严重影响了机车的正常运营。

现有机车充电器易出现频繁故障的主要原因有：充电器输入电压变化范围小，不能适应运行线路的网压变化，导致保护频繁，并且保护后不能自动恢复，造成蓄电池亏电，影响机车运营，运行线路粉尘污染严重，导致充电器电路板大面积损坏，而且维修周期长，价格昂贵。另外，现有充电机的缺点和不足之处还在于：现有电力机车的充电器大多采用线性开关电源，电路中需要加入体积庞大的工频变压器，充电器比较重，维修、搬运不便，线性开关电源输入范围小，不能适应网压的变化范围，输出精度低。

现有技术中也有采用高频开关电源装置的，例如，专利公告号CN2719639公开的“用于电力机车的直流110V高频开关电源装置”，其线路系统包括滤波器及整流电路，全桥式DC/DC变换器电路，输出滤波电路，控制电路及MVS网卡等五个部分。该电源装置可以将输入的交流396V电压转换为110的直流电压输出，既可为电力机车提供控制电源，又能为机车蓄电池充电。它具有体积小、精度高、可靠性好的特点，但同时也具有以下几点不足，一是输入电压的范围过窄，它只包括降压电路，当输入电压偏低时，该装置无升压功能。

发明内容

本实用新型主要目的在于解决上述问题，提供一种输入电压范围广，重量轻，输出电压稳定，精度高，并可为电力机车提供直流控制电源的电力机车充电器。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种电力机车充电器，包括至少一组可并联的充电电路模块，该充电器的输入端接由网压经逆变后生成的交流电压，输出端向机车上的设备输出直流电压，所述充电电路模块由输入滤波电路、AC/DC转换器、DC/DC变换器、输出滤波电路所组成，其中，AC/DC转换器由整流桥及升压式PFC控制电路组成。

所述输入滤波电路由一级差模滤波电路与二级共模滤波电路串联组成；所述输入滤波电路的输入端接一主控接触器用于控制主电路的通断。

所述升压式PFC控制电路由控制器、驱动板、MOSFET开关、升压电感L及输出电容C所组成，其中控制器采用的是双闭环控制电路，含有电流反馈环及电压反馈环，通过检测输出电压及输入电压的差值及相应计算，输出PWM脉冲信号，该PWM脉冲信号经所述驱动板放大后，驱动所述MOSFET开关的通断，由升压电感L进行储能，并由输出电容C再次储能后向外输出稳定的直流电压。

所述DC/DC变换器采用高频开关电源模式，其主电路采用半桥式拓扑，V1，V2，C3，C4和主变压器T组成半桥式DC/DC变换电路；CT为初级电流检测用的电流互感器；C5为防止变压器偏磁的隔直电容；变压器的副边采用全波整流加上两级滤波以满足低输出纹波的要求；R1，C1，R2，C2，R5，C6和R6，C7为吸收电路。

所述输出滤波电路包括防反向二极管、滤波电感及滤波电容，旨在输出稳定的直流电压。在所述输出滤波电路的输出端串接有一分流器，分流器上设置有电流互感器，用以检测输出电流并反馈到所述DC/DC变换器，调节输出电压，实现串联恒流输出直流电压。

当所述充电电路模块为两组以上并联时，其输出端串联成一路向外输出直流电压。所述的充电电路模块内置CPU处理器，所述CPU处理器中包括系统自动保护模块及系统自动恢复模块。所述的充电器具有数码显示屏，用于显示充电器的工作状态及故障代码；所述充电器与机车控制台之间信号连接，旨在方便工作人员查看充电器的工作状态。所述的充电电路模块中所有的电路板的正反两面均涂有一层三防胶。

综上内容，本实用新型所提供的电力机车充电器，体积小，重量轻，搬运和维修都比较方便，价格低，有很好防尘措施，能适应大秦铁路线的粉尘污染，同时采用多路开关电源并联输出的方式，负载能力更强，输出精度更高。该充电器在输入端及输出端都设置有滤波电路，可以有效减小高频电源与电网之间的相互干扰。由于采用了升压式PFC控制电路，使得充电器可以在全输入电压范围内正常工作，并且保护输出电压稳定可靠，还可提高充电器的功率因数，抑制谐波电流。

在输出滤波电路的输出端串接分流器，用以检测输出电流并反馈到DC/DC变换器，调节输出电压，当输出电流大时，可适当降低输出电压实现串联恒流充电，避免蓄电池亏匮电时充电电流过大，保护充电器及蓄电池。

该充电器智能化程度高，通过内置CPU处理器处理异常情况下的保护，在紧急情况下可自动保护，并且在故障原因消失后能自动恢复，大大减小本身故障率。另外，该充电器还可以和机车进行通讯，使充电器的工作信息实时传递给机车操作台。

附图说明

图1本实用新型充电器电路结构框图；

图2本实用新型主回路图；

图3本实用新型控制回路图；

图4本实用新型PFC部分电路图；

图5本实用新型DC/DC部分电路图。

如图1至图5所示，输入滤波电路1，AC/DC转换器2，DC/DC变换器3，输出滤波电路4，整流桥5，主控接触器6，控制器7，驱动板8，MOSFET开关9，防反向二极管10，分流器11，保险丝12，主控制板13。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

如图1至图5所示，本实施例所述的电力机车充电器，其技术要求如下：输入电压为AC140V-276V/50Hz；输出电压为DC110±1V；最大输出功率为11KW；安装处最大体积为440X420X480mm。为了减小充电器的整体重量，便于拆卸和维护，该充电器采用高频开关电源形式。

如图1和图2所示，本实施例所述的充电器的电路结构，包括至少一组可并联的充电电路模块，其输入端接由网压经逆变后生成的交流电压，经滤波、整流、稳压后，由其输出端向机车上的设备输出平滑的110V直流电压。本实施例中所示的充电器，在其输入端分成并联的两路，分别经滤波、整流、稳压后，在输出端合并成一路向外输出直流电压，不但可以大幅度提高输出功率，负载能力更强，提高输出精度，同时也可以避免多路并联时分流不均的现象，使多路并联电源负载均衡，可避免分流不均时负载电源大的一组因过载而损坏。

每组充电电路模块由输入滤波电路1、AC/DC转换器2、DC/DC变换器3、输出滤波电路4所组成，在充电电路模块输入端的电路中串接有保险丝12。

其中，输入滤波电路1由一级差模滤波电路与二级共模滤波电路串联组成，它能有效减小高频电源向外辐身而对电网产生干扰，同时也能抑制电网对高频电源的干扰，保证机车设备的正常使用。

如图2所示，输入滤波电路1的输入端接一主控接触器6用于控制主电路的通断，当电路出现过流时，主控接触器6会自动断开，充电器停止工作；或当电网电压出现异常超出设计范围时，主控接触器6也会自动断开，充电器停止工作，这些动作都通过充电器内置的CPU统一控制，最后通过CPU内设置的自动恢复模块在故障原因消失后自动恢复工作。

为了使充电器能够在全输入电压范围内正常工作，并且保证输出电压稳定可靠，提高功率因素，抑制谐波电流，在AC/DC变换器2的设计上采用升压式(BOOST)PFC控制电路。如图4所示，AC/DC变换器2由整流桥5及PFC控制电路组成，整流桥5用于将由网压逆变后生成的交流电压转换成单相脉动的直流电压，PFC控制电路用于提高功率因数，同时，当其输入电压较低时，还可以提高输出电压，保证输出电压稳定在设定值上。

该充电器PFC控制电路采用工作于电感电流连续模式(CCM)下的Boost PFC控制电路，而且采用的是Unitrode公司的专用PFC芯片UC3854，UC3854是一种工作于平均电流的的升压型(boost)PFC电路，它的峰值开关电流近似等于输入电流，对瞬态噪声的响应极小，是目前使用最广泛的PFC电路。UC3854芯片的核心是一个模拟乘法/除法器，其输出电流Imo的幅值由电压环输出决定，而波形由输入电压的采样Iac决定，在电路稳定时，有ImoRmo正比于IiRs。因为Imo是与输入电压同相的正弦波，所以Ii也是正弦波，这样也就实现了PFC。通过采用Boost PFC电路不仅使变化的交流电压变成了稳定的直流电压，给DC/DC变换器3提供了可靠的工作条件，而且还能提高充电器的功率因数，在整个交流输入电压变化范围内能保护很高的功率因数，抑制谐波电流。升压式(boost)PFC电路为简单电流型控制，PF值高，总谐波失真(THD)小，效率高，输出电压高于输入电压，应用广泛。

如图4所示，所述升压式PFC控制电路由控制器7、驱动板8、MOSFET开关9、升压电感L及输出电容C所组成。其中控制器7采用的是双闭环控制电路，含有电流反馈环及电压反馈环，电压反馈环的输出电压信号与PFC电路的输入电压信号进行比较，通过对输出电压及输入电压的差值的相应计算，调节输出脉冲的占空比，并向外输出PWM脉冲信号，该PWM脉冲信号经驱动板8放大后，驱动MOSFET开关9的通断，进而调节输出电压稳定在设定值上。当MOSFET开关9接通闭合时，整流桥5的输出端与升压电感L之间形成回路，此时，升压电感L开始储能，持续一定时间后，MOSFET开关9断开，此时升压电感L开始向外放电，通过输出电容C再次储能，当输出电压达到设定值时，再向外输出稳定的直流电压。当控制器7检测到输出电压偏低时，通过控制器7调节输出脉冲的占空比，增加MOSFET开关9的闭合时间，MOSFET开关9闭合时间越长，升压电感L的储能时间长，相应的输出电压就会升高。电路中的电感L适用于电流型控制，升压电感L能阻止快速的电压、电流瞬变，提高了电路工作可靠性。由于升压型PFC的预调整作用在输出电容C上保持高电压，所以电容器C体积小、储能大。由于该电路输入电流连续，并且在PFC开关瞬间输入电流小，易于输入滤波电路1滤波。

如图5所示，所述DC/DC变换器3采用高频开关电源模式，采用电流型控制PWM集成电路UC2846作为开关控制器的核心。其内部结构包括电流感应放大器、误差放大器、振荡器、脉宽调制器、交替输出开关晶体管对等。具有双路推拉式输出，重脉冲抑制，电流反馈等诸多优点。采用高频开关电源技术，不但输入侧交流电压的范围更广，在输入电压波动时也能保持输出电压不变，保护后还可以及时恢复，同时，去掉了体积庞大的工频变压器，重量轻，搬运、维修比较方便。

由于该DC/DC变换器3的输入电压较高，主电路选取半桥式拓扑，如图5所示，V1，V2，C3，C4和主变压器T组成半桥式DC/DC变换电路，CT为初级电流检测用的电流互感器，C5为防止变压器偏磁的隔直电容，变压器的副边采用全波整流加上两级滤波以满足低输出纹波的要求，R1，C1，R2，C2，R5，C6和R6，C7为吸收电路，R3和R4起到保证电容C3及C4分压均匀的作用，电阻R7和R8为输出电压的采样电阻。

所述输出滤波电路4包括防反向二极管10、滤波电感及滤波电容，旨在输出稳定的直流电压，它能有效减小高频电源与电网之间的相互干扰，其中滤波电感及滤波电容未在附图中示出，它们都集成在DC/DC变换器3中。

如图2和图3所示，在输出滤波电路4的输出端串接有一分流器11，分流器11上设置有电流互感器，检测输出电流并反馈到DC/DC变换器3，调节输出电压，当输出电流大时，可适当降低输出电压实现串联恒流充电，实现恒流输出，多路并联电源在分流器上实现串联均流输出直流电压，避免蓄电池亏匮电时充电电流过大，保护充电器及蓄电池。

充电电路模块内置CPU处理器，内置CPU处理器中包括系统自动保护模块及系统自动恢复模块，通过内置的CPU处理器处理异常情况下的保护，在紧急情况下可自动保护，并且在故障原因消失后能自动恢复，大大减小本身故障率。保护系统在自我保护后可以自动恢复运行，避免造成蓄电池亏电，影响机车正常运行。

为了便于维护并且能够直观的了解充电器的工作状态，充电器具有一数码显示屏，该充电器还通过单片机TMP86FH09NG检测电压、电流等信号，并直观的用数码管显示充电机的输入电压、输出电压、输出总电流、蓄电池充电电流等工作状态参数和故障代码，并且充电器与机车控制台之间信号连接，可将故障信号输出给机车控制台上的显示屏，乘务员和检修人员能方便直观的查看充电器的工作状态和故障状态。

如图2和图3所示，充电电路模块中的各部件均由主控制板13集中控制，主控制板13向各部件提供稳定的电源，同时提供控制信号，控制各部件正常工作，上述的CPU处理器、数码显示装置等均设置在该主控制板13上，充电器通过该主控制板13向机车控制台发出故障信号等。

为了确保电控器件稳定可靠的工作，电路板在生产时都进行了防尘处理，充电电路模块中所有的电路板正反两面均涂有一层三防胶，三防胶可以保证电路板防潮、防尘、防漏电，保证电力机车能在如大秦铁路线等粉尘严重污染的环境中安全运行，避免充电器的大面积损坏，降低故障率，延长维修周期，降低机车运行成本及维修成本。

另外，为了功率器件的散热，充电器在安装时还设计了两个独立的风道，每个风道都安装两个风扇，并且在进风处安装了防尘滤网，既可有效散热又能防尘。

如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1、一种电力机车充电器，其特征在于：包括至少一组可并联的充电电路模块，该充电器的输入端接由网压经逆变后生成的交流电压，输出端向机车上的设备输出直流电压，所述充电电路模块由输入滤波电路(1)、AC/DC转换器(2)、DC/DC变换器(3)、输出滤波电路(4)所组成，其中AC/DC转换器(2)由整流桥(5)及升压式PFC控制电路组成。

2、根据权利要求1所述的电力机车充电器，其特征在于：所述输入滤波电路(1)由一级差模滤波电路与二级共模滤波电路串联组成；所述输入滤波电路(1)的输入端接一主控接触器(6)用于控制主电路的通断。

3、根据权利要求1所述的电力机车充电器，其特征在于：所述升压式PFC控制电路由控制器(7)、驱动板(8)、MOSFET开关(9)、升压电感L及输出电容C所组成，其中控制器(7)采用的是双闭环控制电路，含有电流反馈环及电压反馈环，通过检测输出电压及输入电压的差值及相应计算，输出PWM脉冲信号，该PWM脉冲信号经所述驱动板(8)放大后，驱动所述MOSFET开关(9)的通断，由升压电感L进行储能，并由输出电容C再次储能后向外输出稳定的直流电压。

4、根据权利要求1所述的电力机车充电器，其特征在于：所述DC/DC变换器(3)采用高频开关电源模式，其主电路采用半桥式拓扑，V1，V2，C3，C4和主变压器T组成半桥式DC/DC变换电路；CT为初级电流检测用的电流互感器；C5为防止变压器偏磁的隔直电容；变压器的副边采用全波整流加上两级滤波以满足低输出纹波的要求；R1，C1，R2，C2，R5，C6和R6，C7为吸收电路。

5、根据权利要求1所述的电力机车充电器，其特征在于：所述输出滤波电路(4)包括防反向二极管(10)、滤波电感及滤波电容，旨在输出稳定的直流电压。

6、根据权利要求5所述的电力机车充电器，其特征在于：在所述输出滤波电路(4)的输出端串接有一分流器(11)，分流器(11)上设置有电流互感器，用以检测输出电流并反馈到所述DC/DC变换器(3)，调节输出电压，实现串联恒流输出直流电压。

7、根据权利要求1所述的电力机车充电器，其特征在于：当所述充电电路模块为两组以上并联时，其输出端串联成一路向外输出直流电压。

8、根据权利要求1至7任一项所述的电力机车充电器，其特征在于：所述的充电电路模块中所有的电路板的正反两面均涂有一层三防胶。

9、根据权利要求1至7任一项所述的电力机车充电器，其特征在于：所述的充电电路模块内置CPU处理器，所述CPU处理器中包括系统自动保护模块及系统自动恢复模块。

10、根据权利要求1至7任一项所述的电力机车充电器，其特征在于：所述的充电器具有数码显示器，用于显示充电器的工作状态及故障代码；所述充电器与机车控制台之间信号连接，旨在方便工作人员查看充电器的工作状态。

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