CN202424280U - 直流充电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种直流充电机。包括：将作为输入电压的直流脉动电压逆变成高频方波电压的逆变器，逆变器是由开关管和电容组成的桥式逆变器；对高频方波电压进行降压的高频变压器，高频变压器的输入端与逆变器的输出端连接；对经过高频变压器降压后的方波电压进行整流和滤波处理，输出直流电压的整流滤波器，整流滤波器的输入端与高频变压器的输出端连接；第一电压传感器并联连接在逆变器的输入端；第二电压传感器并联连接在整流滤波器的输出端；根据输入电压和输出电压，控制逆变器中的开关管的占空比以维持输出电压在给定电压范围的控制电路。本实用新型提供的直流充电机结构简单，实现方便，可有效减少纹波电压的产生。
Description
技术领域
本实用新型涉及充电技术，尤其涉及一种机车车辆用直流充电机。
背景技术
直流110V充电机是电力机车和动车组车辆的重要组成部分，用于将电网电压转换为直流电压，为机车车辆和动车组车辆的控制系统提供控制电源、车厢照明电源，同时还可为旅客提供安全的低压服务电源，并可为备用电源充电。
目前，电力机车或动车组上的充电机的直流输入电压主要包括两种：一种为来自于机车上的四象限整流器输出的直流电压；一种为三相交流电压经过整流后得到的直流脉动电压。现有充电机技术中，以直流脉动电压作为输入电压的充电机中，通常在输入侧设置大容量的直流支撑电容，通过直流支撑电容来平滑直流输入电压，确保输出电压的稳定性，避免产生较大的纹波电压，其中，直流支撑电容为铝电解电容或膜电容。现有充电机中，充电机前端设置的支撑电容会占用较大的体积，会导致整个充电机体积庞大，不利于减少充电机的体积和提高功率密度；同时，电容功耗大，容易发热，导致充电机工作的可靠性较差。
综上，现有采用直流脉动电压作为输入电压的充电机中，充电机输入端设置的支撑电容会造成充电机体积过大，且采用电容会导致功耗大，充电机工作的可靠性较低，而去掉支撑电容后，直流脉动电压会给输出造成很大的电压纹波，导致充电机输出电压中具有较大纹波电压，输出电压不稳定，影响用电设备工作，甚至造成用电设备损坏。
实用新型内容
本实用新型提供一种直流充电机，可有效克服现有技术中通过在充电机前端设置支撑电容，来避免输出电压产生较大纹波电压带来的问题。
本实用新型提供一种直流充电机，包括：
将作为输入电压的直流脉动电压逆变成高频方波电压的逆变器，所述逆变器是由开关管和电容组成的桥式逆变器；
对所述高频方波电压进行降压的高频变压器，所述高频变压器的输入端与所述逆变器的输出端连接；
对经过所述高频变压器降压后的方波电压进行整流和滤波处理，输出直流电压的整流滤波器，所述整流滤波器的输入端与所述高频变压器的输出端连接；
采集输入电压的第一电压传感器，所述第一电压传感器并联连接在所述逆变器的输入端；
采集输出电压的第二电压传感器，所述第二电压传感器并联连接在所述整流滤波器的输出端；
根据所述输入电压和输出电压，控制所述逆变器中开关管的占空比以维持输出电压在给定电压范围的控制电路，所述控制电路与第一电压传感器、第二电压传感器和桥式逆变器中的开关管连接。
上述的直流充电机中，所述控制电路包括：
检测所述输入电压和输出电压，并根据所述输入电压和输出电压输出控制信号的控制器，所述控制器与所述第一电压传感器和第二电压传感器连接；
在所述控制信号控制下控制所述逆变器中的开关管通断的驱动电路，所述驱动电路与所述控制器和逆变器中的开关管连接。
上述的直流充电机中，所述逆变器的输入端还连接有输入电路；
所述输入电路包括串联连接的快速熔断器、接触器、输入电抗和防反向二极管。
上述的直流充电机中，所述桥式逆变器包括4个开关管，各开关管分别并联有谐振电容。
上述的直流充电机中，所述整流滤波器包括：
由二极管组成的桥式整流电路；
输出电感和滤波电容组成的滤波电路，所述滤波电路与所述桥式整流电路连接。
上述的直流充电机中，所述整流滤波器的输出端还连接有输出电路；
所述输出电路包括串联连接的快速熔断器和防反向二极管。
本实用新型提供的直流充电机，通过设置电压传感器和控制电路，可实时采集输入电压和输出电压，并可根据输入电压和输出电压来调整逆变器中开关管的占空比，从而可调整输出电压的大小，确保输出电压维持在给定的电压范围，可有效提高输出电压的稳定性；本实用新型提供的充电机，相对于现有充电机而言，去掉了支撑电容，可有效减少充电机的体积，提高充电机的功率密度，且输出电压稳定，充电机工作稳定、可靠。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的直流充电机的电路结构示意图；
图2为本实施例提供的直流充电机中不包括控制电路的具体实现电路结构示意图；
图3为本实用新型实施例中控制电路的结构示意图；
图4为本实用新型实施例中控制器根据输入电压和输出电压生成控制信号的电路实现原理示意图。
具体实施方式
图1为本实用新型实施例提供的直流充电机的电路结构示意图；图2为本实施例提供的直流充电机中不包括控制电路的具体实现电路结构示意图。本实施例直流充电机可作为机车车辆用直流110V充电机，可对输入的直流脉动电压进行处理，输出稳定可靠的直流电，具体地，如图1和图2所示，本实施例直流充电机可包括逆变器1、高频变压器2、整流滤波器3和控制电路4，其中，逆变器1是由开关管和电容组成的桥式逆变器，用于将作为输入电压的直流脉动电压逆变成高频方波电压；高频变压器2与逆变器1的输出端连接，用于对逆变器1输出的高频方波电压进行降压处理；整流滤波器3与高频变压器2的输出端连接，用于对经过高频变压器2降压后的方波电压进行整流和滤波处理，以输出直流电压；逆变器1的输入端并联连接有第一电压传感器71，用于采集输入电压，整流滤波器3的输出端并联连接有第二电压传感器72，用于采集输出电压；控制电路4与第一电压传感器71、第二电压传感器72和逆变器1中的开关管连接，用于接收电压传感器采集的输入电压和输出电压，并可根据输入电压和输出电压控制逆变器1中开关管的通断，即控制开关管的占空比，来调整输出电压的大小，使得输出电压可保持在给定电压范围，使得输出电压稳定，不会产生较大的纹波电压。
本实施例中，相对传统充电机需要在输入端设置支撑电容来确保输出电压的稳定性而言，本实施例通过设置电压传感器和控制电路，可有效对桥式逆变器中的开关管通断进行控制，以调整开关管的占空比，确保输出电压的稳定，可有效克服传统充电机因设置支撑电容造成的体积大，功耗大，充电机工作可靠性低的问题。
本实施例中，控制电路4与第一电压传感器71、第二电压传感器72和逆变器1中的开关管连接时，可通过电气隔离连接，以确保电路的电气性能。
本实施例中，如图1和图2所示，逆变器1的输入端还连接有输入电路5，该输入电路5可包括串联连接快速熔断器51和接触器52，以及输入电抗和防反向二极管(图中未示出)，可避免因输入的直流脉动电压过大而损坏充电机，提高充电机工作的稳定性和可靠性。此外，如图1和图2所示，整流滤波器3的输出端还连接有输出电路6，该输出电路6可包括串联连接的快速熔断器61和防反向二极管62，可确保连接用电负载时电路的安全性和可靠性。
本实施例中，如图2所示，逆变器1具体可由4个开关管VTA.、VTB、VTC和VTD组成，具体地，开关管为绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)，且各开关管分别并联有谐振电容Ca、Cb、Cc、Cd；此外，在逆变器1的输入端还可并联有多个吸收电容C1、C2、C3，同时，还可在逆变器1的输出端串联隔直电容C4。本领域技术人员可以理解，桥式逆变器是由开关管相互连接形成的桥式电路，具体电路结构和电子元件的连接方式与现有桥式逆变器电路相同或类似，在此不再赘述。
本实施例中，如图2所示，整流滤波器3可包括桥式整流电路和滤波电路，其中，桥式整流电路由整流二极管VD2、VD3、VD4和VD5组成；滤波电路由输出电感L2和输出滤波电容C6、C7组成，与桥式整流电路连接。本领域技术人员可以理解，整流二极管VD2、VD3、VD4和VD5可相互连接形成桥式整流电路，并通过L2和C6、C7进行滤波，从而可满足整流滤波需要，其具体电路实现与现有整流滤波电路相同或类似。
图3为本实用新型实施例中控制电路的结构示意图。本实施例控制电路4可接收第一电压传感器71采集的输入电压，以及第二电压传感器72采集的输出电压，并可根据输入电压和输出电压的大小，来调整逆变器1中开关管的通断，以调节开关管的占空比，确保输出电压稳定在预设电压范围，减少纹波电压的产生，可有效确保输出电压的稳定性和可靠性。具体地，如图3所示，本实施例控制电路4具体可包括控制器41和驱动电路42，其中，控制器41与如图2所示的第一电压传感器71和第二电压传感器72连接，可检测电压传感器采集的输入电压和输出电压，同时，可根据采集的输入电压和输出电压输出控制信号，以便驱动电路42可根据该控制信号，控制逆变器1中的开关管的通断，调整开关管的占空比，以确保输出电压可维持在设定的电压范围，确保输出电压的稳定性和可靠性。
本领域技术人员可以理解，为确保采集的输入电压和输出电压的准确性，控制器41与各电压传感器之间，还可设置有相应的信号处理电路，以对输入电压和输出电压进行处理，转换成控制器41所接受的信号；此外，控制器41与驱动电路42之间也可设置有相应的信号处理电路，以将控制信号转换为驱动电路42可接受的信号，其中，信号处理电路的具体实现与传统信号处理电路相同或类似，在此不再赘述。
本实施例中，上述的控制电路4具体可采用TI公司的TMS320F2812芯片，其主频为150MHz，处理速度高，可有效确保输出电压的稳定性，确保纹波电压调整的可靠性。下面对本实用新型实施例中控制器通过驱动电路对逆变器中的开关管进行控制的具体过程进行说明。
本实施例中，控制器41可实时从第一电压传感器71得到采集的输入电压，从第二电压传感器72得到采集的输出电压，其中，输入电压可体现出直流脉动电压的电压脉动值的大小，而输出电压则体现出纹波电压值的大小；控制器41可将采集的输出电压与设定的输出电压的比较结果，作为输出电压调节值，同时，将采集的输入电压与设定的输入电压的比较结果，作为输入电压调节值；综合输入电压调节值和输出电压调节值，就可生成相应的控制信号，通过驱动电路42来控制开关管的通断，调整开关管的占空比，进而可确保输出电压稳定在一定的电压范围。
图4为本实用新型实施例中控制器根据输入电压和输出电压生成控制信号的电路实现原理示意图。如图4所示，控制器41接收到输入电压后，就可以与设定的输入电压进行比较，得到输入电压调节值；同样地，控制器41接收到输出电压后，就可以与设定的输出电压进行比较，得到输出电压调节值；调节计算单元可根据该两个调节值的大小，就可以生成相应的控制信号，使得驱动电路可在该控制信号作用下调整逆变器中开关管的占空比，可确保输出电压维持在设定的电压范围。其中，所述的调节计算单元具体可以是通过逻辑计算电路实现，以输出控制信号，具体地，该控制信号可以是驱动脉冲的移相角度，使得驱动电路可在该驱动脉冲下控制逆变器中开关管的通断，使得逆变器中的开关管达到一定的占空比。
本领域技术人员可以理解，由于输出电压与经过逆变器1处理后输出的电压大小有关，因此，通过根据输出电压和输入电压的大小，来实时调整逆变器1中的开关管，以使得通过逆变器1处理后的输出电压可保持稳定，就可以得到一个稳定的电压输出。也就是说，当输入的脉动电压处于正弦波形的波峰处即脉动电压值最大，或者，输出电压值较大时，此时就可通过减小逆变器1中开关管的占空比，就可减少输出电压的大小，使得输出电压可维持在一个稳定的电压范围，确保输出电压的稳定性；相反的，当输入的脉动电压处于正弦波形的波谷或者输出电压较小时，就可增大逆变器1中开关管的占空比，提高输出电压的大小。可以看出，根据采集的输出电压和输入电压，通过实施例调整桥式逆变器中开关管的通断，也就是调整开关管的占空比，就可以调整充电机的输出电压，使得输出电压可维持在一定电压范围，即输出电压纹波限制在一个很小的范围，可有效保证充电机输出电压的稳定性，使得连接该充电机的用电设备使用的安全性和可靠性。
本领域技术人员可以理解，如图3所示，上述的控制电路4还可包括控制电源43，用于为控制器41和驱动电路42提供工作所需的电压，确保控制器41和驱动电路42稳定工作。
本实用新型实施例提供的充电机，可作为于机车车辆上的110V充电机，对输入的直流脉动电压进行处理，输出稳定可靠的直流电压，可为机车上的用电设备提供稳定、可靠的直流电源。
本实用新型实施例提供的直流充电机，通过设置电压传感器和控制电路，可实时采集输入电压和输出电压，并可根据输入电压和输出电压来调整逆变器中开关管的占空比，从而可调整输出电压的大小，确保输出电压维持在给定的电压范围，可有效提高输出电压的稳定性；本实用新型提供的充电机，相对于现有充电机而言，去掉了支撑电容，可有效减少充电机的体积，提高充电机的功率密度，且输出电压稳定，充电机工作稳定、可靠。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种直流充电机，其特征在于，包括：
将作为输入电压的直流脉动电压逆变成高频方波电压的逆变器，所述逆变器是由开关管和电容组成的桥式逆变器；
对所述高频方波电压进行降压的高频变压器，所述高频变压器的输入端与所述逆变器的输出端连接；
对经过所述高频变压器降压后的方波电压进行整流和滤波处理，输出直流电压的整流滤波器，所述整流滤波器的输入端与所述高频变压器的输出端连接；
采集输入电压的第一电压传感器，所述第一电压传感器并联连接在所述逆变器的输入端；
采集输出电压的第二电压传感器，所述第二电压传感器并联连接在所述整流滤波器的输出端；
用于根据所述输入电压和输出电压，控制所述逆变器中的开关管的占空比以维持输出电压在给定电压范围的控制电路，所述控制电路与第一电压传感器、第二电压传感器和桥式逆变器中的开关管连接。
2.根据权利要求1所述的直流充电机，其特征在于，所述控制电路包括：
检测所述输入电压和输出电压，并根据所述输入电压和输出电压输出控制信号的控制器，所述控制器与所述第一电压传感器和第二电压传感器连接；
在所述控制信号控制下控制所述逆变器中的开关管通断的驱动电路，所述驱动电路与所述控制器和逆变器中的开关管连接。
3.根据权利要求1所述的直流充电机，其特征在于，所述逆变器的输入端还连接有输入电路；
所述输入电路包括串联连接的快速熔断器、接触器、输入电抗和防反向二极管。
4.根据权利要求1所述的直流充电机，其特征在于，所述桥式逆变器包括4个开关管，各开关管分别并联有谐振电容。
5.根据权利要求1所述的直流充电机，其特征在于，所述整流滤波器包括：
由二极管组成的桥式整流电路；
输出电感和滤波电容组成的滤波电路，所述滤波电路与所述桥式整流电路连接。
6.根据权利要求1所述的直流充电机，其特征在于，所述整流滤波器的输出端还连接有输出电路；
所述输出电路包括串联连接的快速熔断器和防反向二极管。
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