電力機車輔助變流系統相控電路的研究設計①

趙立永 張全柱 鄧永紅

(華北科技學院電子信息工程學院，北京東燕郊 101601)

電力機車輔助變流系統相控電路的研究設計①

趙立永②張全柱 鄧永紅

(華北科技學院電子信息工程學院，北京東燕郊 101601)

本文以電力機車輔助變流系統的相控系統為研究對象，設計了相控系統的觸發脈沖形成電路、觸發脈沖調制電路和閉環控制電路。并對各部分電路進行了設計分析和實驗測試數據，得出所設計的相控整流系統能夠很好的滿足電力機車對系統的運行要求。

輔助變流系統;相控整流;觸發脈沖

0 引言

由于鐵路技術的不斷發展，電力機車對輔助變流系統的要求也在不斷的提高(電力機車輔助變流系統由電力機車上的各類輔助電機和輔助變流器構成)。相控整流電路作為電力機車輔助變流系統的重要組成部分，運行的穩定與否直接決定著電力機車是否能夠運行。目前在系統穩定和快速響應方面已不能滿足電力機車的運行要求。因此，對電力機車輔助變流系統相控整流電路進行重新設計是非常必要的。

1 相控電路的硬件設計

1.1 觸發脈沖形成電路

本文在設計觸發脈沖形成電路時采用的芯片為KJ009。KJ009是雙列直插式晶閘相管移觸發集成電路，內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脈沖的前沿陡度，脈沖的寬度有較大的調節范圍。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，其輸出兩路相位相差180°的移相脈沖可以方便地構成全控橋式觸發線路。該集成電路具有輸出負載能力大，鋸齒波線性好、正負半周脈沖相位均衡度好、移相范圍寬、同步電壓要求低、有脈沖列調制輸入等功能與特點。觸發脈沖的形成電路如圖1所示:

圖1 觸發脈沖形成電路

圖2 觸發脈沖調制電路

相控整流電路的交流輸入電源經變壓器變壓后再經過電阻R2送到8管腳作為觸發脈沖的同步信號.R2的阻值可按R2=(同步電壓/2～3)×103(Ω)計算，經計算，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脈沖的寬度。典型值為R8+R9=30K。管腳1和管腳15為調制后的觸發脈沖輸出端，輸出的觸發脈沖經脈沖放大電路送到晶閘管上，從而控制晶閘管的導通和關斷。管腳9由三個輸入型號疊加而成，三個輸入信號為鋸齒波、負偏移電壓和PI調節器的輸出信號。在9管腳端的電壓的大小決定了觸發脈沖的控制角。管腳13輸出的為待調制的觸發脈沖，管腳14為經過KJ042調制后的觸發脈沖輸入端。

1.2 觸發脈沖調制電路

KJ009形成的觸發脈沖不能直接送到脈沖變壓器，每一個觸發脈沖需要經過調制形成一定頻率的脈沖序列，本文以KJ042為核心設計了觸發脈沖調制電路。KJ042脈沖列調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制源。該芯片具有脈沖占空比可調性好、頻率調節范圍寬、觸發脈沖上升沿可與同步調制信號同步等優點。觸發脈沖調制電路其構成如圖2所示。

圖3 閉環控制電路

待調制的觸發脈沖經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1K電阻直接接地)。調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為導通半周和截止半周的時間。由上式可知，選取合適C12和R16、R17就可以得到滿意的觸發脈沖調制序列。本文所設計的觸發脈沖序列為10kHz左右。調制后的觸發脈沖經KJ042的8管腳送入KJ009的14管腳。

1.3 閉環控制電路

為了使相控電路的輸入電壓在AC794 V(+24%-32%)范圍內變化時，相控電路的輸出電壓穩定精度小于+5%-10%，我們設計了閉環控制電路。閉環控制電路由輸出電壓的檢測、檢測信號的調理以及PI調節器構成。本文在設計輸出電壓的檢測電路時采用了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為2.5倍，再經檢測電阻3R1傳輸到運算放大器U2A，U2A是一個反相比例運算放大器，將可調電阻調試到合適位置。于是，U2A的輸出電壓時事的體現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及其電阻和電容構成PI調節器。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調節器的反饋輸出電壓(負值)，兩個電壓的差值經過比例積分運算，其輸出經U1A反號器輸入到KJ009的9管腳。當給定電壓UG不變，而相控的輸出電壓隨著輸入電壓變化時，就會引起PI調節器的輸出電壓發生變化，從而使KJ009的9管腳的電壓發生變化。KJ009的9管腳變化的電壓使相控的控制角發生變化，從而阻止相控的輸出電壓發生變化。這樣，當相控的輸入電壓發生變化時，閉環控制電路可以有效的使相控的輸出電壓穩定在一個由UG確定的值上。

2 系統實驗測試

我們對所設計的相控電路進行了實驗測試，表1為相控系統閉環控制時不同輸入電壓時的輸出電壓，圖4至圖6是相控系統在測試運行時的各種輸出波形(輸出端沒有加支撐電容)。

表1 相控系統閉環控制時不同輸入電壓時的輸出電壓

圖4 同步信號和觸發脈沖的輸出波形

圖5 輸入電壓為AC129V時的輸出波形

圖6 輸入電壓為AC129V時的輸出波形

3 結論

本文以電力機車輔助變流系統的相控系統為研究對象，設計了相控系統的觸發脈沖形成電路、觸發脈沖調制電路和閉環控制電路。通過實驗測試數據和波形我們可以得出，本文所設計的相控整流系統能夠很好的滿足電力機車的運行要求，有好的應用價值。

［1］ 王兆安，黃俊.電力電子技術［M］.北京:機械工業出版社，2009

［2］ 張占松.開關電源的原理與設計［M］.北京:電子工業出版社，1998

［3］ 陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］，機械工業出版社，2003

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

［5］ 張明勛.電力電子設備設計和應用手冊.北京:機械工業出版社，1992

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。