礦用架線電機車用直流電源變換器研究

耿杰龍

(西山煤電 官地礦，山西 太原 030022)

0 引言

1970年以來，我國礦用電機車直流用電設備主要采用SCR直流電源變換器進行直流電壓變換，隨著電力電子技術的迭代更新，SCR變換器的經濟性與安全性已不符合實際應用要求。相比傳統的SCR直流電源變換器，以MOSFET或IGBT為控制器件的開關電源具有使用壽命長、性能較好且損耗小等優勢。為進一步提高國內礦用電源的可靠性與性能，需研發出采用MOSFET或IGBT的礦用直流電源變換器產品。

礦用電機車用電源變換器主要應用于煤礦電機車機車頭的喇叭、大燈照明和其他機車必備設備中。目前在車載設備的使用過程中主要存在兩個問題：首先是產品故障率高，在礦用直流架線電機車的工作人員中配置有專業維修人員，專門進行變換器的維護保修工作以維持礦場的正常生產運行，如何提高變換器的可靠性，減少維修人力成本是亟待解決的問題；其次是供電電壓波動較大，機車的供電電壓通常為直流250 V或550 V，而車載用電設備的用電電壓一般為24 V，所以直流電源變換器是礦用電機車的必備設備，而傳統電源變換器的性能較差，經變換器后輸出電壓波動較大，不能穩定在24 V，導致用電設備使用質量較差且易發生故障。因此，研發出一種可解決以上問題的新型電源變換器具有重大意義。

1 基于MOSFET或IGBT的直流電源變換器

1.1 直流電源變換器工作原理

直流電源變換器的功率開關器件主要是MOSFET或IGBT，其中供電電壓為250 V時一般使用MOSFET管，550 V時則采用IGBT管。直流電源變換器的原理圖如圖1所示，變換器通過脈沖寬度調制(PWM)將輸入直流電壓(250 V或550 V)轉換為24 V的輸出電壓，維持用電設備的正常運行。

圖1 直流電源變換器原理圖

脈沖寬度調制的原理是將三角載波與調制波進行比較產生脈沖信號，從而控制MOSFET或IGBT的通斷。經脈沖寬度調制后，輸入的直流電壓被轉化為頻率較高的方波電壓，再經濾波后得到輸出電壓。采用脈寬調制方式的變換器占空比D可定義為：

(1)

其中：ts為控制周期；ton和toff分別為一個采樣周期內的開通時間與關斷時間。根據伏秒平衡原理，輸出電壓等于輸入電壓與占空比D的乘積，故在輸入電壓變化不穩定時，可通過對占空比的調節維持恒定的輸出電壓。

變換器的輸出電壓通過SG3525A集成芯片實現反饋控制：當實際輸出電壓大于額定工作電壓24 V時，開關器件導通時間ton縮短，即占空比D減小，從而降低輸出電壓；當實際輸出電壓低于24 V時，開關器件導通時間ton增加，占空比D增大，輸出電壓隨之上升。經反復調節可使變換器的輸出電壓維持在24 V不變，此時照明大燈與喇叭等用電設備可維持穩定良好的工作狀態，用電設備的可靠性與壽命得到大幅提高。

1.2 直流變換器主電路

由圖1可見，直流變換器的主電路是由兩個MOSFET管組成的半橋結構，半橋結構電路的主要優勢是在完整的控制周期內變壓器原邊繞組一直有電流流通, 故磁芯利用率較高。與推挽式電路相比，半橋式變換器具有以下優點：①相同情況下半橋結構中MOSFET管的最大承受電壓低于推挽電路，因此可選擇耐壓要求較低的MOSFET管，經濟成本較低且更安全；②MOSFET的飽和壓降大大減小, 幾乎可忽略其影響；③濾波電容的工作電壓也相對較低。半橋式電路的變壓器電壓只有輸入電壓的一半，要傳輸與推挽式電路同樣大小的功率, 半橋式電路的MOSFET管上流過的電流為推挽式電路的兩倍。

1.3 直流變換器的控制

新型電源變換器采用如圖1所示SG3525A芯片實現對輸出電壓的穩定調節。芯片的主要功能如下：

(1)軟啟動：照明設備在未運行時電阻值很小, 為避免電路啟動時電流過沖損壞燈泡與電源變換器，芯片應具備軟啟動功能。圖1中芯片引腳8外接電容CS，芯片內部有恒定電流給電容充電，從而實現軟啟動功能。

(2)輸出電流限制：SG3525A芯片通過關斷開關器件實現對電流的限制，對電流的限制主要是指控制輸出電流與抑制脈沖電流，其主要原理是將過流信號反饋到芯片的引腳10，當檢測到引腳10電壓超過0.7 V時，芯片開啟限流動作；若電壓上升至1.4 V，芯片直接關斷脈沖信號，下個計時周期再次恢復正常輸出。得益于SG3525A芯片的良好性能，這種限流方式反應較快，可靠性較高。

(3)振蕩器與死區調節：芯片中振蕩器的電容CT通過接電阻RD至第7引腳形成放電回路，電阻的大小決定了電容的放電時長與死區時間。

(4)輸出電路：芯片的MOSFET開關管驅動電路結構并不復雜，即將芯片驅動開關管的引腳11和引腳14與變壓器原邊連接，變壓器副邊與兩個開關管相連接，從而實現驅動功能。這種變壓器原邊不需配備中心抽頭，可實現副邊的電平位移并具有與主電路電氣隔離的功能。

2 直流變換器的保護

直流變換器的保護功能主要包括短路保護、過壓和避雷保護、浪涌電流保護和濾波電路保護。

2.1 短路保護

因在電力系統中無法有效抑制短路電流，短路故障被認為是最危險的故障，但在礦用直流變換器中，可通過保護電路的設計限制短路電流的大小。本文提出了一種新的過流與短路保護方法：當檢測到電路發生短路故障時，在短路電流到達MOSFET與整流管之前將其關斷，此時二次回路的電解電容提供了輸出回路短路電流所需的能量。這種保護方法避免了短路電流對開關管的沖擊，使得直流變換器的可靠性得到進一步提高。

2.2 過壓和避雷保護

牽引電網中直流電壓通常最高為額定電壓的1.5倍左右，但在車上有串激電機等感性元件或在暴風雨等惡劣天氣存在雷電時會產生高壓尖峰。盡管高壓尖峰持續時間不長，但其巨大的能量足以損壞變換器電路的MOSFET管與濾波器。

本文采用瞬態電壓抑制器TVS保護電路的元器件，在TVS受到尖峰電壓沖擊時，它可在極短時間內將其兩端的高阻抗轉為低阻抗，吸收尖峰電壓帶來的數千瓦功率，從而使兩端電壓箝位于設定值。TVS具有響應速度快、瞬間吸收功率大、無損壞極限和輕便等優點。

2.3 浪涌電流保護

變換器電路在充電時會有浪涌電流出現，而直流變換器的電源引入裝置特點決定了變換器需要經常充電，因此浪涌電流的產生無法避免。在無保護設施的情況下，浪涌電流可高達100 A以上。本文在輸入端引入限流設施控制浪涌電流，NTC材料具有與溫度負相關的電阻特性，因此本文將NTC熱敏電阻接入輸入端作為浪涌保護設施，將浪涌電流的峰值限制在安全范圍內。

2.4 濾波電路保護

濾波電路由額定頻率較高的電感與電容器組成，其中選用的電容器應具有較高的耐壓值和極小的漏電流。此外，電容應串聯一個限流電阻限制放電電流以延長電容器的使用壽命。

3 仿真分析

本文將新型直流電源變換器與傳統SCR直流電源變換器進行仿真對比，以佐證新型變換器的使用效果。表1為新型電源變換器不同負載情況下的輸入輸出仿真數據表，其中負載1為車前大燈，負載2為機車喇叭。

表1 新型變換器輸入輸出仿真數據表

對兩種變換器進行仿真得到輸出電壓曲線圖分別如圖2與圖3所示。由圖可見新型變換器的穩壓效果好，輸出電壓呈現為接近直線的水平線；而傳統變換器的輸出電壓諧波成分高且有下降趨勢。仿真進一步驗證了新型直流電源變換器的可靠性與控制效果。

圖2 新型直流電源變換器輸出電壓

圖3 傳統SCR直流電源變換器輸出電壓

4 結束語

本文介紹了一種新型礦用架線電機車用直流電源變換器，該變換器可靠性高且輸出效果好，相比傳統SCR直流電源變換器優勢明顯，具有較高的經濟價值與廣闊的應用前景。