客車DC600V供電電源主電路的設計

摘要：為了提高客車DC600 V供電電源的功率因數(shù)，減小輸出電壓的波動，對主電路提出了基于“二極管不控整流+IGBT降壓斬波”的設計、通過對主電路的PSIM仿真，表明該電路能夠大幅提高DC600 V電源的功率因數(shù)，而且使輸出電壓穩(wěn)定在600 V左右，達到了設計目的，能滿足對客車供電的質量需求，保證用電設備的正常工作。
關鍵詞：DC600 V供電電源；主電路；功率因數(shù)；電壓波動

目前，在電氣化區(qū)段，列車供電系統(tǒng)，由裝在機車(拖車)內的客車供電裝置將接觸網、受電弓送來的的25 kV單相交流電，經降壓整流，濾波成600 V直流電壓，提供DC600 V電樂等級的列車供電母線。各空調客車通過配電柜供電選擇開關將其中一路600 V直流送入空調逆變電源裝置(簡稱逆變器)及直流110 V電源裝置(簡稱充電器)，分別向空調、電開水爐、冰箱等三相交流電器負載、電視機等單相220 V插座供電，并在給蓄電池充電的同時向照明、供電控制等直流負載供電。由于現(xiàn)有的客車DC600 V供電電源裝置的主電路采用是晶閘管單相半控整流電路，功率因數(shù)低，輸出電壓經常在500～700 V間振蕩，電壓波動不穩(wěn)，極易導致客車上的逆變器、充電器發(fā)生保護停機或損壞。
本文針對以上問題，對客車DC600V供電電源的主電路提出了“二極管整流+ICBT降壓斬波”的技術方案，對主電路進行設計，并用PSIM軟件進行仿真分析。

1 客車DC600 V供電電源主電路的設計思路
1．1 技術參數(shù)要求
根據(jù)客車用電的實際要求，客車DC600 V供電電源應滿足以下技術要求。
電源裝置的額定輸出電壓： DC600 V
輸出電壓波動范圍： ±10 V
額定輸出功率： 2×40HD kW
額定輸出電流： 2×670 A
輸出過載電流： 2×≯750 A
1．2 設計思路
現(xiàn)有的客車DC600 V供電電源采用的是單相橋式晶閘管半控整流電路，使得網側總功率因數(shù)波動范圍為0．5～0．85，當接觸網網壓高網壓時，網側總功率因數(shù)低至0．5；網側基波功率因數(shù)波動范圍為0．65～1，高網壓時低至0．65；而且輸出電壓經常在500～700 V間振蕩，電壓波動不穩(wěn)。
在所有的單相整流電路中，二極管不控整流電路的的功率因數(shù)恒定為0．9，網側基波功率因數(shù)接近1，相對較高，而且波紋系數(shù)小，整流電壓為0．9Ud；所以，主電路采用二極管整流橋可有效提高客車DC600 V供電電源n的功率因數(shù)。裝置的額定輸入電壓為交流860 V，經過二極管整流后輸出的直流電壓為774 V，高于客車所需要的600 V，所以還需要降壓環(huán)節(jié)。
另外，該電源的輸入電壓會隨著接觸網的網壓隨時在波動，降壓環(huán)節(jié)的降壓比也應該隨著變化，因此，采用IGBT斬波電路，通過斬波電路的開通占空比，調節(jié)輸出電壓穩(wěn)定在600V左右，減小輸出電壓的波動。所以，對主電路設計了“二極管整流+IGBT降壓斬波”的技術方案。

2 客車DC600V供電電源主電路的設計
該DC2600 V供電電源的額定輸出功率為2×400 kW，由兩組相同的電路構成，每組輸出功率為400 kW。兩組的電路結構都是一樣的，包括預充電電路、二極管整流電路、斬波降壓電路、放電電路、接地保護電路、控制單元(包括功率板、控制板、通訊板)、顯示和計量電路等構成。下面以其中一組電路為例說明如圖1所示。

2．1 預充電電路
為了防止當控制單元獲得DC110 V電源，且外部供電申請信號有效時，直接閉合主接觸器KM1，交流電源不經過整流電路而通過濾波整流電路造成短路現(xiàn)象，設置了預充電電路。預充電電路輸入側通過輸入端子與機車主變壓器的單相860 V電源相連。由KM2、F0、D0及R0組成，當控制單元獲得DC110 V電源，且外部供電申請信號有效時，先閉合預充電電路的接觸器KM2，給電容C1、C2充電，充電完成后閉合主接觸器KM1。