CN2103477U

CN2103477U - 工矿电机车辅助电源装置

Info

Publication number: CN2103477U
Application number: CN 91220292
Authority: CN
Inventors: 孙树朴; 李明; 胡平; 伍小杰
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 1991-09-03
Filing date: 1991-09-03
Publication date: 1992-05-06

Abstract

一种用于工矿电机车辅助电源的开关电源。是由阻波器、自起动电路、三端稳压器、脉宽调制器、功率推动级、逆变器、输出回路、过流保护回路等构成，它在牵引电网电压于375～750V范围内变化时，输出+24V稳定直流电压，供电机车照明、载波电话、电子设备等使用。该装置采用新型电力电子器件 VDMOS构成的PWM逆变器，具有频率高、调压精度高、可靠性高等优点；采用上电自起动电路，无需附加蓄电池作为起动电源。

Description

本实用新型属电力电子技术在开关电源上的应用。

现有的用于工矿电机车辅助电源的各种开关电源，以其工作方式和电路结构来看，都存在着一些问题。如：1、由晶闸管斩波器构成的直流变压器，存在着斩波频率低，对载波电话影响大，斩波器工作状态不合理等问题。2、由GTR自激振荡器、中频变压器、整流器构成的开关电源，有单管和双管自激振荡器两种电路，由于自激振荡器GTR承受反压为电源电压的两倍，对GTR电压参数要求较高，使其产品不易满足要求。此外，电源电压变化范围大、电流峰值大，使GTR易破坏。3、由GTR半桥式逆变器、中频变压器、整流器构成的开关电源，这种开关电源的起初工作是采用电池，GTR需要较大的推动功率，GTR采用双管并联结构，控制电路复杂。此外，电源电压变化大，通过GTR的峰值电流大，容易因二次击穿而损坏，并且GTR的频率不易过高，上述三类产品均存在使用寿命短这一主要缺点。

本实用新型的目的就是提供一种新型的，用于工矿电机车辅助电源的开关电源装置，它可成功地解决上述各类现有产品所存在的问题。

本实用新型是由阻波器、自起动电路、三端稳压器、脉宽调制器、功率推动级、逆变器、输出回路、过流保护回路等构成。牵引电网电压375～750V经阻波器后，输入到本装置的输入端，阻波器的设置是用于防止电机车运行中瞬间脱弓，在本装置输入端出现的浪涌电压，防止发生一次击穿。当电机车的弓子接通电压后，自起动电路马上工作，给三端稳压器提供一输入电压，经三端稳压器稳压，得到＋15V的整机工作电压。整机工作正常后，输出回路输出稳定的＋24V直流电压，并将此电压作为三端稳压器的输入电压，同时使自起动电路停止工作。采用集成芯片SG3524及辅助电路构成的脉宽调制器，是本装置的主要控制器件，其输出的二路脉宽调制信号经功率推动级，产生与之相对应的触发脉冲，此脉冲分别触发逆变器中的两个MOS管，两个MOS管分别工作，将直流电压在高频变压器上产生一个交变的高频脉冲电压，高频变压器的副边输出经快速二极管的双半波整流后，再经输出回路的滤波，得到＋24V稳定的直流电压，此电压可供电机车的前后大灯照明及音响使用。将该电压再滤波，可得到纹波更小的＋24V直流电压输出，供电机车上载波电话等电子设备使用。为防止整机出现过流现象，使MOS管损坏，本装置还设置了过流保护回路，它是在高频变压器原边回路中串入一电流互感器，并取出电压信号经整流、滤波后，与一给定值进行比较，其输出封锁功率推动级的触发脉冲，从而保护两个MOS管。

本实用新型采用新型电力电子器件VDMOS构成PWM逆变器，其频率为16～20KHZ，变压器体积小，变流效率高，调压精度高。VDMOS器件具有过载能力高，工作可靠性高、驱动功率小等特点。采用上电自起动电路，无需附加蓄电池作为起动电源。采用脉宽调制实现调压，起稳压作用。采用交流互感器作为电流检测传感器，过流保护性能好。此外，整机电路参数设计合理，可靠性高，在牵引电网电压375V～750V范围内变化时，可输出＋24V稳定电压，供照明、音响和通讯设备的稳压电源使用。

附图为本实用新型的电气工作原理结构图。

本实用新型的实施例根据附图作进一步说明。

工矿电机车辅助电源装置是由阻波器、自起动电路、三端稳压器、脉宽调制器、功率推动级、逆变器、输出回路、过流保护回路等构成。牵引电网电压（375～750V）经阻波器中的R₁、XL₁、D₁后分别送至a点和b点。

由电阻R₂～R₁₁、电容C₆、二极管D₂～D₆、三极管T₁～T₃、场效应管MOS3、稳压管W₁、W₂、运放IC₁（LM324）构成的自起动电路，将a点分别经R₃接MOS3的源极，经R₂接MOS3的栅极，经R₅接T₃的集电极，MOS3的栅极接T₂的集电极，T₃的集电极分别经电容C₆接地，经D₅、D₆接T₂的基极，T₃的基极经电阻R₇后分别接IC₁的14端，经R₆、D₄接T₂的基极，T₂、T₃的发射极接地。MOS3的漏极接T₁的集电极，T₁的集电极分别经W₁接T₂的集电极，经C₂接T₁的发射极（接地），经W₂接T₁的基极，经D₂后接D₁的负极。D₁正极接V₁（＋24V），和经R₁后接三端稳压器IC₂的1端。V₁经电阻R₁₀后分别接IC₁的12端，经R₁₁接地。＋15V经R₈后分别接IC₁的13端、和经R₉接地。

三端稳压器IC₂的2端接地，3端输出＋15V，在2端和3端之间接电容C₅，在2端和1端之间接电容C₄。

自起动电路工作方式是：当电机车的弓子接通高压后，稳压管W₁稳压，为场效应管MOS3提供栅极电压，使MOS3饱和导通。高压经R₃、MOS3，并由稳压管W₂和T₁稳压、电阻R₄限流后输入7815。三端稳压器稳压输出，为整机提供＋15V电源。当整机正常工作后，＋24V（V₁）直流输出电压经二极管D₃为7815提供输入电压，同时，＋24V（V₁）直流输出电压经R₁₀、R₁₁分压后，使IC₁（LM324）的12端电平高于13端，14端输出高电位，经R₆和D₄使T₂饱和导通，MOS3的栅极为低电位，MOS3截止，自起动电路停止工作。

由集成芯片（SG3524脉宽调制器）IC₃、电阻R₁₂～R₁₇、电容C₇～C₉、C₁₁组成的脉宽调制器，是将V₁经R_x、R₁₅后接IC₃的1端。IC₃的4、5端接地，1端经并接的R₁₆、C₇接地，2端经并接的R₁₃、C₈接地，经R₁₂接其16端，15端接＋15V，3端、10端悬空，12、13端接＋15V，11端接功率开关管IC₄（8751）的1端，14端接功率开关管（8751）IC₅的1端，IC₃的6端经R₁₄接地，7端经C₉接地，9端接软启动电路，和经并接的R₁₇、C₁₁接地。

由稳压管W₃、二极管D₇、D₈、电阻R₁₈、电容C₁₀、C₁₁组成的软启动电路，是将＋15V经W₃后分别经R₁₈接地，经D₈后再分别经C₁₀接地，经D₇接IC₃的9端。此电路的作用是为防止电源开机瞬间，高频变压器B因瞬间大电流而使功率开关器件MOS1、MOS2损坏。

脉宽调制器及辅助电路是本机的主要控制器件部分，IC₃的内部包括5V稳压器、反相误差运算放大器、电流限制运算放大器、振荡器、触发器、电压比较器、两个输出推动三极管等电路。5V稳压器输出端16端经R₁₂、R₁₃分压后，为正相误差运放IN_＋（2端）提供给定信号，＋24V（V₁）经R_x、R₁₅、R₁₆分压后反馈到反相误差运放IN_－（1端），R₁₇和C₁₁为该运放的负载。通过该运放的调节，使输出电压稳定在＋24V，R₁₄、C₉为振荡器外接元件，其数值决定了脉宽调制器的工作频率以及死区时间。误差运放的输出决定负载所需的脉冲宽度。

由功率开关管（8751）IC₄、IC₅、准推挽脉冲变压器PT₁、PT₂、电阻R₁₉～R₂₆、二极管D₉～D₁₂构成的功率推动级，是将＋15V经R₂₁接IC₄的3端，＋15V经R₂₂接IC₅的3端，IC₃的11端输出接IC₄的1端，R₂₀接地；IC₃的14端输出接IC₅的1端，和经R₁₉接地。IC₄、IC₅的各自2端均经电阻R₄₁接IC₇（运放）的1端。IC₄的4端输出接PT₁的原边，IC₅的4端输出接PT₂的原边。＋15V加至PT₁、PT₂原边，PT₁的副边输出经R₂₃、R₂₄的分压接场效应管MOS1的栅极，D₁₁并接在R₂₄旁。PT₂的副边输出经R₂₅、R₂₆的分压接场效应管MOS2的栅极，D₁₂并接在R₂₆旁，PT₁的原边一端经D₉接地，PT₂的原边一端经D₁₀接地。

由IC₃的11、14两端输出的二路脉宽调制信号，经功率开关管（8751）IC₄、IC₅后产生与之相对应的触发脉冲，并通过二个准推挽脉冲变压器PT₁，PT₂，输出脉冲分别触发MOS1、MOS2。

由场效应管MOS1、MOS2、高频变压器B、二极管D₁₃、D₁₄、电容C₁、C₂、C₁₂～C₁₄、电阻R₂₇～R₂₉、快速二极管D₁₆、D₁₇构成的逆变器，是将b点信号分别经D₁₃、C点、D₁₄接地，经C₁、C₂接地，和直接加至MOS1的源极，MOS1的漏极接C点，C点接MOS2的源极，和接高频变压器B的原边。MOS2的漏极接地。在B的原边上并接R₂₇、C₁₄，在B的副边分别经R₂₈、C₁₃接L₂，经D₁₆接L₂，经D₁₇接L₂，经R₂₉、C₁₂接L₂。电容C₁、C₂的中间连接点接至B的原边回路上。

MOS1、MOS2分别工作，并将直流电压在高频变压器上产生一个交变的高频脉冲电压，由高频变压器B的副边输出，经快速二极管D₁₆、D₁₇双半波整流，送至输出回路的L₂上。

由电感L₂、L₃、电容C₁₅～C₁₈、指示灯L₁、电阻R₃₀组成的输出回路，是将L₂分别经C₁₆接地，经C₁₅接地，经R₃₀接地，经L₁接地、直接接L₃、和作为＋24V的直流电压输出V₁。L₃的另一端分别经C₁₇、C₁₈接地，和直接作为稳定的＋24直流电压输出V₂。

双半波整流信号经电感L₂、电容C₁₅、C₁₆续流滤波后，输出＋24V直流电压V₁，此电压供电机车的前后大灯等照明使用。＋24V电压V₁再经L₃、C₁₇、C₁₈滤波产生纹波较小的＋24V直流电压V₂，供电机车上载波电话等电子设备使用。R₂₇、C₁₄、R₂₈、C₁₃、R₂₉、C₁₂为吸收回路。

由电流互感器CT、桥式整流器D₁₅、运放IC₆、IC₇、电阻R₃₁～R₄₁、电容C₁₉、C₂₀构成的过流保护回路，是将电流互感器CT串接在高频变压器B的原边，并取其并接电阻R₃₁上的电压信号送至桥式整流器D₁₅，D₁₅的输出一端接地，另一端分别经C₁₉接地，经R₃₄接地，经R₃₃接IC₆的6端。＋15V经电阻R₃₅后分别经C₂₀接地，经R₃₆接地，经R₃₂接IC₆的5端。IC₆的7端经电阻R₃₇接其5端，IC₆的7端再经R₃₈接IC₇的2端，＋R₃₆接地，经R₃₂接IC₆的5端。IC₆的7的2端。＋15V经R₄₆后接IC₇的3端，和经R₃₉接地。IC₇的1端输出经R₄₁分别接IC₄、IC₅的2端。IC₁、IC₆、IC₇为一片运放集成电路LM324，LM324的11端接地，4端接＋15V。

取自并接在电流互感器CT上R₃₁的电压信号，经D₁₅桥式整流、C₁₉滤波，输入到IC₆的负端，IC₆的正端由＋15V经R₃₅、R₃₆分压给出一个给定值。当整机电路发生短路后，电流互感器在R₃₁上的电压较大，IC₆的6端高于5端，7端输出高电平，IC₇的1端输出低电平，送至（8751）IC₄、IC₅的2端，封锁触发脉冲，从而保护MOS1、MOS2管。

Claims

1、一种新型的工矿电机车辅助电源，是由阻波器、自起动电路、三端稳压器、脉宽调制器、功率推动级、逆变器、输出回路、过流保护回路等构成，其特征在于：

a.牵引电网电压375～750V经阻波器中的R₁、XL₁、D₁后分别送至a点和b点；

b.由电阻R₂～R₁₁电容C₆、二极管D₂～D₆、三极管T₁～T₃、场效应管MOS3、稳压管W₁、W₂、运救IC₁、构成的自起动电路，是将a点分别经R₃接MOS3的源极，经R₂接MOS3的栅极，经R₅接T₃的集电极，MOS3的栅极接T₂的集电极，T₃的集电极分别经电容C₆接地，经D₅、D₆接T₂的基极，T₃的基极经电阻R₇后分别接IC₁的14端；经R₆、D₄接T₂的基极，T₂、T₃的发射极接地；MOS3的漏极接T₁的集电极，T₁的集电极分别经W₁接T₂的集电极，经C₂接T₁的发射极(接地)，经W₂接T₁的基极，经D₂后接D₁的负极；D₁的正极接V₁(+24V)，和经R₁后接三端稳压器IC₂的1端；V₁经电阻R₁₀后分别接IC₁的12端，经R₁₁接地；+15V经R₈后分别接IC₁的13端，和经R₉接地；

c.三端稳压器IC₂的2端接地，3端输出+15V，在2端和3端之间接电容C₅，在2端和1端之间接电容C₄；

d.由集成芯片(SG3524)IC₃、电阻R₁₂～R₁₇、电容C₇～C₉、C₁₁组成的脉宽调制器，是将V₁经R_x、R₅后接IC₃的1端，IC₃的4、5端接地，1端经并接的R₁₆、C₇接地，2端经并接的R₁₃、C₈接地，经R₁₂接其16端，15端接+15V，3端、10端悬空，12、13端接+15V，11端接功率开关管IC₄的1端，14端接功率开关管IC₅的1端，IC₃的6端经R₁₄接地，7端经C₉接，9端接软启动电路和经并接的R₁₇、C₁₁接地；

e.由功率开关管IC₄、IC₅、准推挽脉冲变压器PT₁、PT₂、电阻R₁₉～R₂₆、三极管D₉～D₁₂构成的功率推动级，是将+15V经R₂₁接IC₄的3端，+15V经R₂₂接IC₅的3端，IC₃的11端输出接IC₄的1端，和经R₂₀接地，IC₃的14端输出接IC₅的1端，和经R₁₉接地；IC₄、IC₅的各自2端均经电阻R₄₁接IC₇(运放)的1端；IC₄的4端输出接PT₁的原边，IC₅的4端输出接PT₂的原边，+15V加至PT₁、PT₂的原边，PT₁的副边输出经R₂₃、R₂₄的分压接场效应管MOS₁的栅极，D₁₁并接在R₂₄旁，PT₂的副边输出经R₂₅、R₂₆的分压接场效应管MOS₂的栅极，D₁₂并接在R₂₆旁；PT₁的原边一端经D₉接地，PT₂的原边一端经D₁₀接地；

f.由场效应管MOS1、MOS2、高频变压器B、二极管D₁₃、D₁₄、电容C₁、C₂、C₁₂～C₁₄、电阻R₂₇～R₂₉、快速二极管D₁₆、D₁₇构成的逆变器，是将b点信号分别经D₁₃、C点、D₁₄接地，经C₁、C₂接地，和直接加至MOS1的源极，MOS1的漏极接点c点，c点接MOS2的源极，和接高频变压器B的原边；MOS2的漏极接地；在B的原边上并接R₂₇、C₁₄，在B的副边输出分别经R₂₈、C₁₃接L₂，经D₁₆接L₂，经D₁₇接L₂，经R₂₉、C₁₄接L₂；电容C₁、C₂的中间连接点接至B的原边回路上；

g.由电感L₂、L₃、电容C₁₅～C₁₈、指示灯L₁、电阻R₃₀组成的输出回路，是将L₂分别经C₁₆接地，经C₁₅接地，经R₃₀接地，经L₁接地，和直接接L₃，以及作为+24V的直流电压输出V₁；L₃的另一端分别经C₁₇、C₁₈接地，和直接作为稳定的+24V直流电压输出V₂。

2、根据权利要求1所述的辅助电源，其特征在于：由电流互感器CT、桥式整流器D₁₅、运放IC₆、IC₇、电阻R₃₁～R₄₁、电容C₁₉、C₂₀构成的过流保护回路，是将电流互感器CT串接在高频变压器B的原边，并取其并接电阻R₃₁上的电压信号送至桥式整流器D₁₅，D₁₅的输出一端接地，另一端分别经C₁₉接地，经R₃₄接地，经R₃₃接IC₆的6端。＋15V经电阻R₃₅后分别经C₂₀接地，经R₃₆接地，经R₃₂接IC₆的5端；IC₆的7端输出经电阻R₃₇接其5端，和经R₃₈接IC₇的2端，＋15V经R₄₆后接IC₇的3端，和经R₃₉接地；IC₇的1端输出经R₄₁分别接IC₄、IC₅的2端。

3、根据权利要求1或2所述的辅助电源，其特征在于：由稳压管W₃、二极管D₇、D₈、电阻R₁₈、电容C₁₀、C₁₁组成的软启动电路，是将＋15V经W₃后分别经R₁₈接地，经D₈后再分别经C₁₀接地，经D₇接IC₃的9端。

4、根据权利要求1或2所述的辅助电源，其特征在于：IC₁、IC₆、IC₇为一片四运放集成电路LM324，其11端接地，4端接＋15V；功率开关管IC₄、IC₅为两片集成电路8751。