鐵路機(jī)車空調(diào)電源設(shè)計(jì)

0 引言
中國(guó)鐵路現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)車一萬多臺(tái)，隨著科技的日新月異和生活條件的改善，乘務(wù)人員對(duì)工作環(huán)境舒適性要求不斷提高，為此近年新造和大修的機(jī)車司機(jī)室都增設(shè)了空調(diào)裝置。但因機(jī)車本身不具備工頻電源，必須配置一臺(tái)逆變電源，將蓄電池組或起動(dòng)發(fā)電機(jī)提供的DC llO V直流電變換為AC380V交流電作為空調(diào)機(jī)組的動(dòng)力。
由于司機(jī)窒空間狹小，又經(jīng)常處于高速運(yùn)行中，室內(nèi)溫度變化快，因此，要保證18℃～23℃可調(diào)，頂棚與地板面溫差不超過10℃，供給每個(gè)乘務(wù)員的新鮮空氣量不少于30 m3/h，空調(diào)機(jī)組起停頻繁。同時(shí)司機(jī)室內(nèi)電氣控制設(shè)備和信號(hào)設(shè)備密集，容易受到空調(diào)電源通斷引起的電磁干擾，直接影響行車安全。反過來，列車牽引設(shè)備時(shí)刻變化的強(qiáng)大電流磁場(chǎng)，又影響空調(diào)電源正常運(yùn)行。因此對(duì)于鐵路機(jī)車空調(diào)電源在體積大小、抗電磁干擾和產(chǎn)生干擾性能方面都有特殊要求。不同結(jié)構(gòu)的鐵路機(jī)車空調(diào)電源在發(fā)展過程中，都出現(xiàn)過這樣或那樣的問題，本文介紹的是一種經(jīng)裝車運(yùn)行證明性能可靠的設(shè)計(jì)。

l 基本參數(shù)
使用條件 海拔高度≤l 200m，環(huán)境溫度-25℃～40℃，相對(duì)濕度≤95％；
額定容量 5 kVA；
輸出功率 3.3 kW；
輸入電壓 DC 110V，主電路由起動(dòng)發(fā)電機(jī)供電，允許波動(dòng)范圍為DC40～200V；控制電路由蓄電池組供電，允許波動(dòng)范圍為DC77~143V。
輸出電壓 三相AC 3809V，500.5 Hz；
輸出波形 正弦波，失真度≤5%；
起動(dòng)性能 變頻軟起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)間≤15 s；
散熱器溫升 ≤20℃；
轉(zhuǎn)換效率 ≥85%；
主電路過壓保護(hù) DC 21010V；
運(yùn)行噪聲 聲壓級(jí)≤65dV。
本設(shè)計(jì)的主要參數(shù)與鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求相比，一些主要指標(biāo)更利于用戶。比如鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制范圍為：輸入電壓，輸出電壓對(duì)重要技術(shù)指標(biāo)如輸出頻率、波形、起動(dòng)時(shí)間等都沒有明確規(guī)定。可見本設(shè)計(jì)對(duì)使用場(chǎng)所客觀條件要求相當(dāng)寬松，而向顧客提供的輸出品質(zhì)卻較為完備和嚴(yán)格，能更好滿足用戶需求和增強(qiáng)運(yùn)用可靠性。

2 總體結(jié)構(gòu)
本產(chǎn)品的外形如圖1所示，箱體尺寸500mm376 mmxl90mm，印刷電路板(包括電源板、逆變板、控制板)和電子器件置于箱內(nèi)的安裝支架上，對(duì)外接口是位于箱體底面的三個(gè)接點(diǎn)數(shù)量不同的航空插座，型號(hào)為TY48J20ZY、TY32J12ZY-02和TY148J4ZY。通過專用電纜與直流電源和交流空調(diào)機(jī)組、司機(jī)操縱臺(tái)連接，各部位的相互關(guān)系如圖2所示。

3 電氣原理
本設(shè)計(jì)的電氣原理如圖3所示。粗線部分表示主電路，由起動(dòng)發(fā)電機(jī)G(兼做輔助發(fā)電機(jī))供電，DC l1OV升壓斬波變?yōu)镈C 540V，再經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)變成三相AC380V、50Hz正弦波交流電，驅(qū)動(dòng)空調(diào)機(jī)組運(yùn)行(停車時(shí)可由蓄電池組短暫供電)；細(xì)線部分表示控制電路，由蓄電池供電。采自輔助發(fā)電機(jī)電路和交流輸出電路的電流、電壓信息，輸入邏輯控制系統(tǒng)，分析比較作出判斷，對(duì)主電路升壓?jiǎn)卧湍孀儐卧倪\(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。其核心部分是全數(shù)字高智能調(diào)制波形發(fā)生器SPWM集成電路模塊SA866AE和CPLD邏輯控制系統(tǒng)，利用軟件編程控制通風(fēng)、制冷、制熱、停機(jī)及欠壓、過壓、過流、過熱和短路保護(hù)，可靠性高，運(yùn)行效果好，電路簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低。

4 試驗(yàn)效果
本產(chǎn)品的兩臺(tái)樣機(jī)按規(guī)定，曾于2001年4月送鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，按當(dāng)時(shí)的鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面的性能檢查，主要項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果簡(jiǎn)述如下。
(1)絕緣性能 電路對(duì)地絕緣電阻用500V兆歐表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為50MΩ，施加工頻l 500V試驗(yàn)電壓持續(xù)1 min無擊穿和閃絡(luò)現(xiàn)象。
(2)工作性能 輸入DC 77～132V，空載輸出電壓Ac381.2～389.2V、頻率50.6～50.7Hz，額定負(fù)載輸出電壓AC 378.7～381.4V、頻率50.6Hz，功率3099~3144W、效率87.1％～9I.6％。
(3)低溫性能 -40℃/16h，輸入DC77～132V，空載輸出電壓AC 380.0～385.4 V、頻率50.0～50.6 Hz，恢復(fù)至室溫輸入DC 77～132V，負(fù)載輸出電壓AC381.1～384.0V，頻率50.0~50.7Hz，功率3 140～3 213 W、效率88.7％～94.4％。
(4)高溫性能 70℃/6h，輸入DC 77～132 V，空載輸出電壓AC380.1～387.9V、順率50.5～50.6Hz、負(fù)載輸出電壓AC380.0～384.6V、頻率50.6～50.7Hz、功率3174～3225W、效率90.9％~94.9％。
(5)保護(hù)試驗(yàn) 欠電壓、過電壓、過電流、過熱保護(hù)指示燈及繼電器按規(guī)定值顯示及動(dòng)作。
(6)耐振性能 垂向、縱向、橫向 1～50 Hz無共振，10Hz、10m/s2振動(dòng)2h無機(jī)械損傷及連接松動(dòng)。
(7)耐濕熱性 能按鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件，實(shí)測(cè)絕緣電阻值50 MΩ～53 MΩ，工頻I 500V/1 min電壓耐受試驗(yàn)無擊穿和閃絡(luò)現(xiàn)象。
(8)溫升測(cè)試 輸入DC 110V額定電壓，輸出電壓AC 378.3～382.7V，頻率50.6Hz，保持額定輸出功率，散熱器最高溫度62.2℃，溫升17.2℃。
(9)浪涌試驗(yàn) 輸入端施加(13％)1.5 kV、(120％)1/50μs無損傷。
檢驗(yàn)結(jié)論：送檢樣機(jī)“符合鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T1394-93《鐵道機(jī)車動(dòng)車電予裝置》和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求”。上述數(shù)據(jù)表明絕緣指標(biāo)、電壓耐受試驗(yàn)、高低溫性能、效率和溫升都比較理想。
輸出電壓波形(濾波前和濾波后)分別如圖4和圖5所示。

5 實(shí)際運(yùn)用
隨著時(shí)間推移，鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化，實(shí)行與國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)接軌，因而TB/l394-93被廢止，從2001年12月1日起實(shí)施與同類國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60571基本相同的TB/T3021-2001《鐵道機(jī)車車輛電子裝置》，本電源的結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)亦隨之改進(jìn)完善形成系列，實(shí)際質(zhì)量指標(biāo)已比上列試驗(yàn)結(jié)果有明顯提高，先后應(yīng)用于東風(fēng)7C、東風(fēng)7D、東風(fēng)7G型鐵路干線機(jī)車和GKlE型工礦機(jī)車及出口古巴DF7G-C型、剛果CK6E型，受到乘務(wù)人員歡迎，可以滿足機(jī)車司機(jī)室通風(fēng)換氣、夏季降溫、冬季采暖的需求。

6 結(jié)語(yǔ)
本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與應(yīng)用已取得階段性成果，最新產(chǎn)品療案與初始設(shè)計(jì)相比,外形尺寸顯著縮小，體積降為初始產(chǎn)品的一半左右，重量減少三分之一以上，從50kg降至33 kg，結(jié)構(gòu)形式和電路設(shè)計(jì)更為合理。2005年11月北京機(jī)段對(duì)本設(shè)計(jì)最新療案的運(yùn)用報(bào)告結(jié)論為：“DF-J38C型空調(diào)電源運(yùn)行良好，無故障發(fā)生，性能穩(wěn)定、可靠、噪聲小。由于體積大為減小，安裝維護(hù)更為方便，建議在更多的內(nèi)燃機(jī)車上推廣使用。”得到用戶的認(rèn)可和積極評(píng)價(jià)。
不過本設(shè)計(jì)在取得成功的同時(shí)，也并非完美無缺，技術(shù)參數(shù)、制造工藝、質(zhì)量指標(biāo)、運(yùn)用可靠性和使用壽命都還存在進(jìn)一步提升的空間，而日針對(duì)鐵路機(jī)車空調(diào)電源的專用鐵道行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)已審查通過報(bào)批，預(yù)計(jì)在不久的將來本設(shè)計(jì)的技術(shù)水平還會(huì)跨上一個(gè)新臺(tái)階，適應(yīng)更廣泛領(lǐng)域和不同型號(hào)鐵路機(jī)車市場(chǎng)的需求。