CN2572663Y - 一体化机车空调电源 - Google Patents

Abstract

一种一体化机车空调电源，外部交流电源经交流－直流变换模块1整流滤波输出一个直流电压至直流变换模块2，控制模块4接收输入电压传感器5检测到的输入交流电压信号以及直流变换模块2中的电压信号和电流信号；控制模块4控制脉冲信号的占空比，从而使直流变换模块2输出直流电压为恒定值，该直流电压由直流－交流变换模块3在控制模块4输出的脉冲控制信号控制下变换为三相交流电压。系统输入电压范围宽，具有较高的的可靠性、使用的安全性以及优良的电磁兼容性。

Description

一体化机车空调电源

技术领域

本实用新型属于电力电子设备领域，特别是一种一体化机车空调电源。

技术背景

随着列车的不断提速、机车连续运行时间的不断延长及机车司机室的密封性能要求的不断提高。在机车司机室内安装空调装置，有利于改善司乘人员工作环境，消除疲劳，减少安全隐患，为列车运行的安全、准点提供了有力的保障。由于机车上没有合适的电源作为机车司机室空调装置的输入，所以要专门为其研究开发供电电源。目前，国内很多科研单位和企业都进行了研究开发，相关的成果报道也有不少。其中多数为单相输出，装置容量较小且未进入实用阶段。目前已进入实用阶段的电源装置均为分体式机车空调电源装置。这种分体式的空调电源装置由于系统过于分散，系统可靠性不是很高，电磁兼容性较差，给实际应用造成一定困难。因此，可靠性更高、性能更为优异的空调电源装置的研究开发变得日益迫切。

技术内容

本实用新型的目的旨在提供一种有三相正弦波输出的机车空调电源，其控制电源输入为DC110V，主电源输入有AC220V、DC600V、DC110V三利可选，可适用于目前国内各型电力机车、内燃机车和电动车组。

该电源装置是一个交-直-交电源系统，它将机车司机室的空调系统中的供电电源、空调机组的电气控制及保护装置、系统的状态显示装置、系统自诊断装置集中在一起进行了一体化的设计。

它包括交流-直流变换模块1、直流变换模块2、直流-交流变换模块3、控制模块4、输入电压传感器5和空调机组电气控制及保护模块7，外部交流电源经交流-直流变换模块1整流滤波输出直流电压至直流变换模块2，与输入交流电源线路并联的输入电压传感器5将检测到的输入交流电压信号送至控制模块4；

所述直流变换模块2包括一个储能电感器L2、电流传感器TA1、功率单元V3，电压传感器TV2和RC网络，交流-直流变换模块1的正输出端与L2相连，交流-直流变换模块1的负输出端与L2的另一端之间并联有功率单元V3，交流-直流变换模块1的负输出端穿过电流传感器TA1与V3相连，该TA1检测到的电流信号送至控制模块4，电压传感器TV2和RC网络并联在V3的两端，V3的触发控制端与控制模块4的脉冲信号输出端相连；TV2检测到的电压信号送至控制模块4；

所述功率单元V3包括一个IGBT(Isolated Gate Biplor Transistor绝缘栅双极型晶体管)和一个二极管器件；

直流变换模块2的直流输出电压送至直流-交流变换模块3，该直流-交流变换模块3包括一个IPM(Intelligent Power Module智能功率模块)和一个输出滤波器网络6；IPM内含有6个IGBT模块及相应的驱动、保护单元，其中每2个IGBT模块构成正弦波调制逆变器的一个桥臂；IPM的P、N两点是三个桥臂两端的公共点，通过复合铜排与直流变换模块2的输出的正负极相连；其U、V、W三点分别是三个桥臂的中点，与输出滤波器网络6相连；控制模块4有控制信号与IPM相连，通过控制信号来调节三相输出电压；

当控制模块4对V3的控制脉冲信号为高电平时，V3导通，储能电感器L2有电流通过进行储能；当控制模块4对V3的控制脉冲信号为低电平时，V3截止，电路对RC网络充电；控制模块4根据TA1、TV2的检测到的电流、电压信号选择控制脉冲信号的占空比，从而使C1B、C2B串联电容器支路两端的输出直流电压为恒定值，并根据TA1、TV2及IGBT上反馈的电流、电压信号产生相应的保护逻辑，控制其执行。

所述控制模块4的控制信号分别控制各个桥臂的导通、关闭顺序及时间，从而将直流电压信号调制成正弦波交流电压信号，并送至输出滤波器6。

所述空调机组电气控制及保护模块7与输出滤波器6的输出端相连，该空调机组电气控制及保护模块7包括两组并联且由控制模块4控制互锁的接触器，其中一组接触器包括与压缩机及室外风机相连的接触器KM3、与室内风机相连的接触器KM4和与电加热器相连的接触器KM5；另外一组接触器包括与压缩机及室外风机相连的接触器KM6、与室内风机相连的接触器KM7和与电加热器相连的接触器KM8。

附图说明

图1为本实用新型电路原理框图；

图2为本实用新型电路原理图。

具体实施方式

如图1、2所示，包括交流-直流变换模块1、直流变换模块2、直流-交流变换模块3、控制模块4、输入电压传感器5和空调机组电气控制及保护模块7，外部交流电源经交流-直流变换模块1整流滤波输出直流电压至直流变换模块2，与输入交流电源线路并联的输入电压传感器5将检测到的输入交流电压信号送至控制模块4；

所述直流变换模块2包括一个储能电感器L2、电流传感器TA1、功率单元V3，电压传感器TV2和RC网络，交流-直流变换模块1的正输出端与储能电感器L2相连，交流-直流变换模块1的负输出端与L2的另一端之间并联有功率单元V3，交流-直流变换模块1的负输出端穿过电流传感器TA1与V3相连，该TA1检测到的电流信号送至控制模块4，电压传感器TV2和RC网络并联在V3的两端，V3的触发控制端与控制模块4的脉冲信号输出端相连；TV2检测到的电压信号送至控制模块4；所述RC网络由串联的电容器C1B、C2B支路和串联的电阻器R2B、R3B支路组成，两个串联支路并联，且两个支路的中间接点相连；当控制模块4对V3的控制脉冲信号为高电平时，V3导通，L2有电流通过进行储能；当控制模块4对V3的控制脉冲信号为低电平时，V3截止，电路对RC网络充电，控制模块4根据TA1、TA2的检测到的电流、电压信号选择控制脉冲信号的占空比，从而使C1B、C2B串联电容器支路两端的输出直流电压为恒定值，并根据TA1、TV2及IGBT上反馈的电流、电压信号产生相应的保护逻辑，控制其执行；

所述功率单元V3包括一个IGBT(Isolated Gate Biplor Transistor绝缘栅双极型晶体管)和一个二极管器件；

直流变换模块2的直流输出电压送至直流-交流变换模块3，该直流-交流变换模块3包括一个IPM(Intelligent Power Module智能功率模块)和一个输出滤波器网络6；IPM内含有6个IGBT模块及相应的驱动、保护单元，其中每2个IGBT模块构成正弦波调制逆变器的一个桥臂；IPM的P、N两点是三个桥臂两端的公共点，通过复合铜排与直流变换模块2的输出的正负极相连；其U、V、W三点分别是三个桥臂的中点，与输出滤波器网络6相连；

所述控制模块4的控制信号分别控制各个桥臂的导通、关闭顺序及时间，从而将直流电压信号调制成三相正弦波交流电压信号，并送至输出滤波器6。

所述空调机组电气控制及保护模块7与输出滤波器6的输出端相连，该空调机组电气控制及保护模块7包括两组并联且由控制模块4控制互锁的接触器，其中一组接触器包括与压缩机及室外风机相连的接触器KM3、与室内风机相连的接触器KM4和与电加热器相连的接触器KM5；另外一组接触器包括与压缩机及室外风机相连的接触器KM6、与室内风机相连的接触器KM7和与电加热器相连的接触器KM8。

电源装置采用了全密封全屏蔽的结构。所述交流-直流变换模块1、直流变换模块2、直流-交流变换模块3、控制模块4、输入电压传感器5和空调机组电气控制及保护模块7均安装在一个全密封全屏蔽的结构中。

机车司机室的空调系统共有停止、通风、制冷、制热四种状态，该电源装置只需要外部通过一个多档位开关给其开机指令和工作状态指令，就可以自动实现整个机车司机室的空调系统的逻辑控制，包括整个系统的自检、故障诊断、各电机的顺序起停及保护、系统的状态显示。当输入电源电压为DC110V时，交流-直流变换模块1(AC/DC模块)可省略。当输入电源电压为DC600V时，直流变换模块2(DC/DC模块)也可同时省略。当电源装置接到开机指令后，先闭合接触器KM1进行预充电，然后闭合接触器KM2，DC/DC模块开始工作，将直流环节电压升至目标电压550V，然后逆变器开始工作，系统的中央控制单元根据工作状态指令和其他系统状态输入，控制逆变器的输出状态、闭合相应的输出接触器、实现相应的保扩，即实现系统的逻辑控制。

本电源具有以下性能：

超宽的输入电压范围。交流220V输入电压范围宽达-50％～+24％，频率范围宽达50Hz～400Hz。直流110V主电源输入电压范围宽达-30％～+81.8％。直流110V控制电源输入电压范围宽达-30％～+30％。直流600V控制电源输入电压范围也宽达-16.7％～+10％。只有这种超宽的输入电压范围，才能有效的适应机车上负载投切频繁，供电电网电压波动幅度大且频繁的恶劣环境。

高精度、高稳定的三相正弦交流输出。当输入交流电压在AC110V～AC154V范围内时，允许按V/f等于常数的规律降压降频运行，但最低频率不得低于40Hz。在其他输入电压情况下，在0～5KVA整个负载范围和-25℃～70℃的工作温度范围内，输出电压保持在额定值±5％的范围内，频率精度保持在额定值±1％。

良好的电机适应性。输出电压的正弦波输出，为该电源装置提供了良好的电机适应性，它消除了常见的变频器SPWM波输出时引起的转矩脉动以及电机谐振，消除了电机的额外发热。且产生的共模电压极低，在输出电缆较长的情况下，可以大大减小电机承受到的高压dV/dT应力，因此无需特殊高等级绝缘电机，可使用标准感应电机或同步电机。

全密封全屏蔽的结构。电源装置采用了全密封全屏蔽的结构，外壳防护等级为IP54。消除了因积灰、油污、潮湿等引发故障的几率。大大提高了系统的可靠性和使用的安全性。

优良的电磁兼容性。正弦波输出和全屏蔽的结构有效的降低电源装置对外的电磁辐射，同时也有效的提高了电源装置对外部电磁干扰的抗干扰能力。此外，电源在输入输出线路上采取了其他的一些措施，使整个系统具有优良的电磁兼容性。达到或超过IEC60571：1998、EN50121-3-2、TB/T3021-2001标准中对产品电磁兼容性的要求。

完善、快速而精确的保护。电源装置具有输入过压、欠压保护、浪涌吸收、输入过流自分断保护，自身内部过流、短路、过压、欠压保护，空调机组的过流、短路、缺相、接地保护等。系统保护的信号采样均通过隔离变送传感器送入控制部分，由微机处理、判断、执行。这种全数字化的保护方式，较传统的熔断器和继电器保护，具有更高的准确度和更快的响应速度，所有保护动作在毫秒内完成。

使用维护方便。

总之，该电源采用一体化的设计，将机车司机室的空调系统中的供电电源、空调机组的电气控制及保护装置、系统的状态显示装置、系统自诊断装置集中在一起进行了综合设计在一起，使其具有更小的体积和更轻的重量，节省了机车上宝贵的空间，同时避免了因系统过于分散而带来的其他弊端。系统具有更高的稳定性和可靠性。

Claims (6)

1、一种一体化机车空调电源，包括交流-直流变换模块(1)、直流变换模块(2)、直流-交流变换模块(3)、控制模块(4)、输入电压传感器(5)和空调机组电气控制及保护模块(7)，其特征在于：

A：外部交流电经交流-直流变换模块(1)整流滤波输出一个直流电压至直流变换模块(2)，与输入交流电线路并联的输入电压传感器(5)将检测到的输入交流电压信号送至控制模块(4)；

B：所述直流变换模块(2)包括一个储能电感器L2、电流传感器TA1、功率单元V3，电压传感器TV2和RC网络，交流-直流变换模块(1)的正输出端与储能电感器L2相连，交流-直流变换模块(1)的负输出端与L2的另一端之间并联有功率单元V3，交流-直流变换模块(1)的负输出端穿过电流传感器TA1与V3相连，该TA1检测到的电流信号送至控制模块(4)，电压传感器TV2和RC网络并联在V3的两端，该V3的触发控制端与控制模块(4)的脉冲信号输出端相连；TV2检测到的电压信号送至控制模块(4)；

C：所述直流变换模块(2)的直流输出电压送至直流-交流变换模块( 3)，该直流-交流变换模块(3)包括一个IPM(Intelligent Power Module智能功率模块)和一个输出滤波器网络(6)；IPM内含有6个IGBT模块及相应的驱动、保护电路，其中每2个IGBT模块构成正弦波调制逆变器的一个桥臂，且各桥臂中的IGBT的控制端均分别与控制模块(4)的一个控制信号端相连：每个桥臂的中间接点与输出滤波器网络(6)相连；

D：所述空调机组电气控制及保护模块(7)与输出滤波器(6)的输出端相连，该空调机组电气控制及保护模块(7)包括两组并联且由控制模块(4)控制互锁的接触器。

2、如权利要求1的一种一体化机车空调电源，其特征在于所述直流-交流变换模块(3)包括一个IPM(Intelligent Power Module智能功率模块)和一个输出滤波器网络(6)；IPM内含有6个IGBT模块及相应的驱动、保护电路，其中每2个IGBT模块构成正弦波调制逆变器的一个桥臂；IPM的P、N两点是三个桥臂两端的公共点，通过复合铜排与直流变换模块2的输出的正负极相连；其U、V、W三点分别是三个桥臂的中点，与输出滤波器网络6相连；控制模块4有控制信号与IPM相连，通过控制信号来调节三相输出电压。

3、如权利要求1的一种一体化机车空调电源，其特征在于所述V3包括一个绝缘栅双极型晶体管即IGBT(Isolated Gate Biplor Transistor)和一个二极管器件。

4、如权利要求1的一种一体化机车空调电源，其特征在于所述交流-直流变换模块(1)、直流变换模块(2)、直流-交流变换模块(3)、控制模块(4)、输入电压传感器(5)和空调机组电气控制及保护模块(7)均安装在一个全密封全屏蔽的结构中。

5、如权利要求1的一种一体化机车空调电源，其特征在于所述空调机组电气控制及保护模块(7)包括两组并联且由控制模块(4)控制互锁的接触器，其中一组接触器包括与压缩机及室外风机相连的接触器KM3、与室内风机相连的接触器KM4和与电加热器相连的接触器KM5；另外一组接触器包括与压缩机及室外风机相连的接触器KM6、与室内风机相连的接触器KM7和与电加热器相连的接触器KM8。

6、如权利要求1的一种一体化机车空调电源，其特征在于所述直流变换模块(2)的RC网络由串联的电容器C1B、C2B支路和串联的电阻器R2B、R3B支路组成，两个串联支路并联，且两个支路的中间接点相连。

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