電力機(jī)車輔助變流系統(tǒng)相控電路的研究設(shè)計(jì)①

趙立永 張全柱 鄧永紅

(華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

電力機(jī)車輔助變流系統(tǒng)相控電路的研究設(shè)計(jì)①

趙立永②張全柱 鄧永紅

(華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

本文以電力機(jī)車輔助變流系統(tǒng)的相控系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計(jì)了相控系統(tǒng)的觸發(fā)脈沖形成電路、觸發(fā)脈沖調(diào)制電路和閉環(huán)控制電路。并對各部分電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析和實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，得出所設(shè)計(jì)的相控整流系統(tǒng)能夠很好的滿足電力機(jī)車對系統(tǒng)的運(yùn)行要求。

輔助變流系統(tǒng);相控整流;觸發(fā)脈沖

0 引言

由于鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，電力機(jī)車對輔助變流系統(tǒng)的要求也在不斷的提高(電力機(jī)車輔助變流系統(tǒng)由電力機(jī)車上的各類輔助電機(jī)和輔助變流器構(gòu)成)。相控整流電路作為電力機(jī)車輔助變流系統(tǒng)的重要組成部分，運(yùn)行的穩(wěn)定與否直接決定著電力機(jī)車是否能夠運(yùn)行。目前在系統(tǒng)穩(wěn)定和快速響應(yīng)方面已不能滿足電力機(jī)車的運(yùn)行要求。因此，對電力機(jī)車輔助變流系統(tǒng)相控整流電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)是非常必要的。

1 相控電路的硬件設(shè)計(jì)

1.1 觸發(fā)脈沖形成電路

本文在設(shè)計(jì)觸發(fā)脈沖形成電路時(shí)采用的芯片為KJ009。KJ009是雙列直插式晶閘相管移觸發(fā)集成電路，內(nèi)部采用了反向阻斷四極硅晶閘管作脈沖記憶，提高了抗干擾能力和觸發(fā)脈沖的前沿陡度，脈沖的寬度有較大的調(diào)節(jié)范圍。該芯片適用于單相、三相全控橋式供電裝置中用晶閘管雙路脈沖移相觸發(fā)，其輸出兩路相位相差180°的移相脈沖可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)線路。該集成電路具有輸出負(fù)載能力大，鋸齒波線性好、正負(fù)半周脈沖相位均衡度好、移相范圍寬、同步電壓要求低、有脈沖列調(diào)制輸入等功能與特點(diǎn)。觸發(fā)脈沖的形成電路如圖1所示:

圖1 觸發(fā)脈沖形成電路

圖2 觸發(fā)脈沖調(diào)制電路

相控整流電路的交流輸入電源經(jīng)變壓器變壓后再經(jīng)過電阻R2送到8管腳作為觸發(fā)脈沖的同步信號.R2的阻值可按R2=(同步電壓/2～3)×103(Ω)計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，R2=15 K。與管腳3和管腳4的電阻和電容形成鋸齒波(鋸齒波決定著觸發(fā)脈沖的形成)，其值的大小決定鋸齒波的陡度。與管腳11和管腳12的電阻值和電容值的大小決定了觸發(fā)脈沖的寬度。典型值為R8+R9=30K。管腳1和管腳15為調(diào)制后的觸發(fā)脈沖輸出端，輸出的觸發(fā)脈沖經(jīng)脈沖放大電路送到晶閘管上，從而控制晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷。管腳9由三個(gè)輸入型號疊加而成，三個(gè)輸入信號為鋸齒波、負(fù)偏移電壓和PI調(diào)節(jié)器的輸出信號。在9管腳端的電壓的大小決定了觸發(fā)脈沖的控制角。管腳13輸出的為待調(diào)制的觸發(fā)脈沖，管腳14為經(jīng)過KJ042調(diào)制后的觸發(fā)脈沖輸入端。

1.2 觸發(fā)脈沖調(diào)制電路

KJ009形成的觸發(fā)脈沖不能直接送到脈沖變壓器，每一個(gè)觸發(fā)脈沖需要經(jīng)過調(diào)制形成一定頻率的脈沖序列，本文以KJ042為核心設(shè)計(jì)了觸發(fā)脈沖調(diào)制電路。KJ042脈沖列調(diào)制形成器主要適用于作晶閘管三相橋式全控整流電路的脈沖列調(diào)制源，同樣也適用于三相半控、單相半控、單相全控線路中作脈沖列調(diào)制源。該芯片具有脈沖占空比可調(diào)性好、頻率調(diào)節(jié)范圍寬、觸發(fā)脈沖上升沿可與同步調(diào)制信號同步等優(yōu)點(diǎn)。觸發(fā)脈沖調(diào)制電路其構(gòu)成如圖2所示。

圖3 閉環(huán)控制電路

待調(diào)制的觸發(fā)脈沖經(jīng)KJ009的13管腳輸出接到KJ042的管腳2(由于是單相整流，管腳4和管腳12不用，所以經(jīng)1K電阻直接接地)。調(diào)制脈沖的頻率由管腳6、管腳10和管腳11之間接的電容C12和R16、R17決定，其計(jì)算頻率的公式為f=1/(T1+T2)，其中T1=0.693×R16×C12，T2=0.693×C2×［R16×R17/(R16+R17)］式中T1、T2為導(dǎo)通半周和截止半周的時(shí)間。由上式可知，選取合適C12和R16、R17就可以得到滿意的觸發(fā)脈沖調(diào)制序列。本文所設(shè)計(jì)的觸發(fā)脈沖序列為10kHz左右。調(diào)制后的觸發(fā)脈沖經(jīng)KJ042的8管腳送入KJ009的14管腳。

1.3 閉環(huán)控制電路

為了使相控電路的輸入電壓在AC794 V(+24%-32%)范圍內(nèi)變化時(shí)，相控電路的輸出電壓穩(wěn)定精度小于+5%-10%，我們設(shè)計(jì)了閉環(huán)控制電路。閉環(huán)控制電路由輸出電壓的檢測、檢測信號的調(diào)理以及PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成。本文在設(shè)計(jì)輸出電壓的檢測電路時(shí)采用了TBV10/25A霍爾(LEM型)電壓傳感器，TBV10/25A系列電壓傳感器的初、次級之間是電氣隔離的，可用于測量直流、交流及脈沖電壓。

將相控的輸出電壓經(jīng)電阻入到電壓傳感器的輸入的“+、-”兩端，由電壓傳感器的原副線圈匝數(shù)比為2500:1000，可得從電壓傳感器的O/P端輸出的電流放大倍數(shù)為2.5倍，再經(jīng)檢測電阻3R1傳輸?shù)竭\(yùn)算放大器U2A，U2A是一個(gè)反相比例運(yùn)算放大器，將可調(diào)電阻調(diào)試到合適位置。于是，U2A的輸出電壓時(shí)事的體現(xiàn)了相控輸出電壓的大小。從電壓測量端口處就可以得到電壓檢測值。U1B及其電阻和電容構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器。UG為給定電壓(正值)，其值的大小決定了相控輸出電壓的大小。U2A的輸出電壓為PI調(diào)節(jié)器的反饋輸出電壓(負(fù)值)，兩個(gè)電壓的差值經(jīng)過比例積分運(yùn)算，其輸出經(jīng)U1A反號器輸入到KJ009的9管腳。當(dāng)給定電壓UG不變，而相控的輸出電壓隨著輸入電壓變化時(shí)，就會引起PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓發(fā)生變化，從而使KJ009的9管腳的電壓發(fā)生變化。KJ009的9管腳變化的電壓使相控的控制角發(fā)生變化，從而阻止相控的輸出電壓發(fā)生變化。這樣，當(dāng)相控的輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，閉環(huán)控制電路可以有效的使相控的輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)由UG確定的值上。

2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試

我們對所設(shè)計(jì)的相控電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，表1為相控系統(tǒng)閉環(huán)控制時(shí)不同輸入電壓時(shí)的輸出電壓，圖4至圖6是相控系統(tǒng)在測試運(yùn)行時(shí)的各種輸出波形(輸出端沒有加支撐電容)。

表1 相控系統(tǒng)閉環(huán)控制時(shí)不同輸入電壓時(shí)的輸出電壓

圖4 同步信號和觸發(fā)脈沖的輸出波形

圖5 輸入電壓為AC129V時(shí)的輸出波形

圖6 輸入電壓為AC129V時(shí)的輸出波形

3 結(jié)論

本文以電力機(jī)車輔助變流系統(tǒng)的相控系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計(jì)了相控系統(tǒng)的觸發(fā)脈沖形成電路、觸發(fā)脈沖調(diào)制電路和閉環(huán)控制電路。通過實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)和波形我們可以得出，本文所設(shè)計(jì)的相控整流系統(tǒng)能夠很好的滿足電力機(jī)車的運(yùn)行要求，有好的應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009

［2］ 張占松.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1998

［3］ 陳伯時(shí).電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］，機(jī)械工業(yè)出版社，2003

［4］ (美)鮑斯BK.電力電子學(xué)與交流傳動［M］.朱仁初譯.西安:西安交通大學(xué)出版社，1991

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Design of electric locomotive auxiliary power supply system phased circuit

ZHAO Liyong，ZHANG Quanzhu，DENG Yonghong

(North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601)

In this paper，the electric locomotive auxiliary power supply system phased circuit as the research object，the phased system design of the trigger pulse form circuit，triggering pulse modulation circuit and closed-loop control circuit.It also part of the circuit design analysis.Finally，through the test data and waveform，we conclude that the design of phased system can meet the operation of the system of electric locomotive requirements.

auxiliary power supply system;phased rectifier;triggering pulse

U264.91

A

1672-7169(2012)-0067-03

2012-01-06

趙立永(1978-)，男，河北唐山人，碩士，華北科技學(xué)院電信系講師，研究方向:電力電子與電力傳動，傳感器與檢測技術(shù)。