專利名稱：直流變換式電車控制和照明用電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
直流變換式電車控制和照明用電源屬于一種電車用的輔助電源設(shè)備。
作為城市重要交通工具之一的電車，其主電動機是額定功率為60千瓦的直流電機，直接由三相整流直流電源供電。其動力電網(wǎng)即整流站的輸出為720伏，線路末端為350～400伏，主電動機的額定電壓為600伏。作為輔助電源的電車控制和照明用電源一般為低壓126伏直流電源，主電動機通過同軸皮帶帶動一個發(fā)電機向其供電。因而，在電車行走時，這個發(fā)電機就向一個車載堿性蓄電池充電并同時供給控制和照明等負載用電，當電車停止及低速時便由這個蓄電池來供給負載用電。在冬季日照時間短，車燈開的時間長，負載用電就多，蓄電池便常處于欠壓狀態(tài)。當電壓低到一定程度時，電車就邏輯失控，變成一輛“死車”，無法繼續(xù)運行。
為了解決電車控制和照明用電源的穩(wěn)壓和供電問題，本實用新型提出了一種直流變換式電車控制和照明用電源。
如果采用一個直流變換式電車控制和照明用電源來代替一個發(fā)電機組以便在電車行駛或停止時都能同時向堿性蓄電池和控制及照明用負載供電，以便在絕大部份時間內(nèi)使充電量大于放電量，便要解決以下技術(shù)關(guān)鍵問題(1)由于電車起動頻繁，要求功率器件的開關(guān)速度要高，損耗要小，溫升要低。雖然商品雙極型晶體管可耐壓2200伏，但其開關(guān)速度低，損耗大，溫升高，故必須采用可以符合上述要求的金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管(以下簡稱MOSFET管)；(2)由于動力電網(wǎng)中并接了許多繼電器及用于對主電動機進行無級調(diào)速的可控硅元件，這些大功率貯能元件在工作時會給電網(wǎng)輸出的脈動直流高壓疊加上很多高頻高能尖峰電勢，而商品級MOSFET管的耐壓極限只有1200伏，因而在主、輔電源的輸入端必須加入可防止不同等級高頻尖峰電勢的多級低通濾波器；(3)作為負載之一的堿性蓄電池可等效于一個超大容量且內(nèi)阻很小的電容器，接入后電路環(huán)路的Q值較好，易于引起振蕩及大電流沖擊，因而必須加入一系列反饋保護電路，(4)電感一電容式濾波器必須對輸出端脈沖變壓器的整流輸出予以濾波。
基于上述理由，本實用新型就具有以下特征它是一種直流／直流變換式的脈寬調(diào)制型開關(guān)穩(wěn)壓電源，它包括主電源、輔助電源和它們的共用電路三個部份，主電源是一個由脈寬調(diào)制電路、橋臂驅(qū)動電路、以本身附有阻尼二極管的金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管為功率器件的半橋式功率轉(zhuǎn)換電路、輸出濾波電路以及保護電路依次聯(lián)接構(gòu)成的一個閉環(huán)系統(tǒng)，在脈寬調(diào)制電路和橋臂驅(qū)動電路、功率轉(zhuǎn)換電路和輸出濾波電路之間各有一個隔直脈沖變壓器，電壓欠壓或過壓以及電流過流或限流的保護信號都通過相應(yīng)的采樣元件自輸出端隔直脈沖變壓器的原邊取出，電壓和電流過流保護信號都經(jīng)過一個大時間常數(shù)的單穩(wěn)延時電路產(chǎn)生一個禁止信號送往脈寬調(diào)制電路，以使電路進入保護狀態(tài)停止工作。在禁止信號消失后一定時間內(nèi)(如10秒內(nèi))電路才在脈寬調(diào)制電路控制下進入軟起動過程。如果此時沒有禁止信號進來便使電路進入運行過程。否則就要再次回到停止工作的狀態(tài)。當電流限流信號超過閥值時，由光電耦合器件輸出的主電源輸出電壓保護信號就要和它一起求和后再送往脈寬調(diào)制電路，去控制其中的脈寬調(diào)制器，輸出相應(yīng)的脈寬調(diào)制電壓，經(jīng)過隔直脈沖變壓器后通過橋臂驅(qū)動電路輸入到功率轉(zhuǎn)換電路中去，經(jīng)過功率轉(zhuǎn)換后的方波電壓便通過高頻變壓器向負載供電，由于電壓方波平均值的下降從而起到了限流的作用。每一臂的功率轉(zhuǎn)換器件上都串聯(lián)了一個可抑制其換向沖擊電流的扼流圈，相應(yīng)地便要在各扼流圈上并聯(lián)一個放電二極管，在每臂的功率轉(zhuǎn)換器件和相串的扼流圈上還各要并聯(lián)一個可以泄放輸出端隔直脈沖變壓器付邊電流隨原邊電流換向時產(chǎn)生的高壓高能尖峰電勢的阻尼二極管，電流互感器是作為電流采樣元件而串接在輸出端隔直脈沖變壓器原邊的。輔助電源是一個有三路輸出的電流控制型開關(guān)穩(wěn)壓電源，其第一路輸出供保護電路及脈寬調(diào)制電路使用，其它兩路輸出向二個橋臂驅(qū)動電路供電。主、輔電源的共用電路依次由用于防止動力電網(wǎng)輸出負載反接的二個正串二極管、三級低通濾波器和可中點分壓輸出的二級阻容濾波器串聯(lián)而成，上述低通濾波器每級都由一個共模電感和并聯(lián)有一個壓敏電阻的電容組成，壓敏電阻的擊穿電壓值是分級遞減的，來自動力網(wǎng)網(wǎng)的未經(jīng)濾波的整流高壓自二個正串二極管處加入，由末級低通濾波器輸出向橋式功率轉(zhuǎn)換電路供電，它還要再經(jīng)過阻容濾波器后向輔助電源供電，其方框圖請見

圖1。
使用證明本實用新型的輸出電壓及電流、輸入電壓調(diào)整率及主電源內(nèi)阻等指標都達到或超過使用要求。
為了在下面結(jié)合實施例對本實用新型作更詳盡的描述，現(xiàn)把本申請文件所使用的附圖及其編號簡述如下圖1－直流變換式電車控制和照明用電源的方框圖；圖2－主電源和輔助電源的共用電路；圖3－橋臂驅(qū)動電路線路圖；圖4－脈寬調(diào)制電路聯(lián)接圖；圖5－直流變換式電車控制和照明用電源主要部分線路圖；圖6－圖5的波形圖。
實施例
請見圖1。動力電網(wǎng)輸出的脈動直流高壓1依次經(jīng)過防止電網(wǎng)負載反接電路2、三級低通濾波器3送往半橋式功率轉(zhuǎn)換電路4，3的輸出還經(jīng)過二級阻容濾波器5送往電流控制型開關(guān)穩(wěn)壓電源6，5前級的中間分壓點送往輸出端隔直脈沖變壓器7，7的另一個輸入來自功率轉(zhuǎn)換電路4，7的付邊通過一個輸出濾波電路8向負載9(堿性蓄電池和電車控制和照明等負荷)供電。4通過電壓采樣元件10發(fā)出電壓保護信號，其電壓欠壓和過壓信號分別通過其保護電路11和12送往單穩(wěn)延時電路13。13的輸出送往脈寬調(diào)制電路14并維持一定時間。7的原邊電流通過電流采樣元件15發(fā)出過流或限流信號，過流信號通過其過流保護電路16也送往13，經(jīng)過13再送往14。其限流信號若超過閥值時，它便通過一個限流閥值電路17和來自主電源輸出端并由輸出電壓采樣電路18發(fā)出的電壓反饋信號在求和點19求和后再送往脈寬調(diào)制電路14，14的輸出經(jīng)過一個隔直脈沖變壓器20送往二個橋臂驅(qū)動電路21和22，通過它們?nèi)ヲ?qū)動功率轉(zhuǎn)換電路4。6的第一路輸出是向各控制及保護電路10～17供電的，其它兩路是分別別向21和22供電的。
請接看見圖2。D1、D2是防止電網(wǎng)負載反接的二極管，C1用于濾掉高于濾波電容電壓的高頻電壓分量的，R1是限流電阻，L1～L3是共模電感，C2～C4是濾波電容，RZ1～RZ3是三個擊穿電壓值分別為950伏、850伏和750伏左右的壓敏電阻，它們組成三級低通濾波器，R4和C5～C8組成了一個二級阻容濾波器，R2、R3、R5和R6是均壓電阻，N1、N2是電網(wǎng)脈動直流高壓輸出的加入端，N3～N5是第一級阻容濾波器的輸出端，N4是其中間分壓點，N5、N6是第二級阻容濾波器向6的供電輸出端。N3和N5也是末級低通濾波器向4的供電輸出端。
再看圖3，它是二個橋臂驅(qū)動電路21和22。它的有效輸入是電壓方波，來自隔直脈沖變壓器20的付邊，它的輸出8是經(jīng)過功率放大后的方波電壓通過a，b，c三點輸往半橋式功率轉(zhuǎn)換電路4。R7～R18是電阻，C9～C16是電容，D3～D6是二極管。T1～T8是三極管。
輔助電源6用的是美國硅通(SG)公司生產(chǎn)的芯片SG3842。它的第一路輸出是VC1、VE1，其它二路分別是VC2、VE2和VC3、VE3，“C”符號代表高壓端，“E”表示低端。
單穩(wěn)延時電路13用的是LM555時基電路，它由VC1、VE1供電。
脈寬調(diào)制電路14用的也是美國硅通公司生產(chǎn)的芯片SC3525。其聯(lián)接方式請見圖4。符號“G”代表光電耦器件。d端來自限流閥值電路17的輸出，在d端電流限流信號和主電路輸出電壓保護信號相求和。e端來自單穩(wěn)延時電路的輸出。14的輸出送往隔直脈沖變壓器20的原邊。14的芯片管腳接線方式用符號(1)～(16)表示。當電壓保護信號或電流過流保護信號由13輸出并通過芯片管腳(10)進入14后，就使14中的鎖存器輸出由高電位變?yōu)榈碗娢?，使主電源停止工作，一旦保護信號消失，通過R29、R30、T9、C32使主電源進入軟起動狀態(tài)，當電流限流保護信號出現(xiàn)時，它便和主電源輸出電壓反饋信號求和后通過(1)使14中的誤差放大器輸出值改變，其輸出便通過一個比較器使鎖存器輸出處于低電位狀態(tài)，從而使限流得以實現(xiàn)。
下面請看圖5。R33～R54是電阻，C29～C36是電容，D7～D12是二極管，其中，D1～D10是全波整流二極管，D13～D18是阻尼二極管，T11～T13，T21～T23是MOSFET管。B是電流互感器。L4、C36組成輸出濾波電路。F是可調(diào)穩(wěn)壓管，用于輸出電壓反饋采樣用的是美國德克薩斯公司的TL431。J1、J2是向負載供電的主電源輸出端。G是主電源輸出電壓的隔直反饋元件，它是一種光電耦合器件。f是電壓保護采樣信號輸出端，它通過一個電壓跟隨器帶動了二個由運算放大電路構(gòu)成的欠壓和過壓保護電路，它們的輸出就是電壓保護信號，被直接送往單穩(wěn)延時電路13。g是一個電流過流保護采樣信號輸出端，它也是通過一個由運算放大電路構(gòu)成的電流過流保護電路形成電流過流保護信號后被送往單穩(wěn)延時電路13。h是電流限流保護采樣信號輸出端，它也通過門限電路形成電流限流保護信號后由d端輸出。橋臂驅(qū)動電路21和22的輸出由a、b和c點加入被送到功率輸換電路4中。當負載變化率較大時為防止沖擊電流過大，在半橋的每一側(cè)都各串了一個扼流圈L4和L5，相應(yīng)地在其旁并聯(lián)了一個放電二極管D19和D20，而在每一個功率轉(zhuǎn)換器件輸入端上也各并聯(lián)了一個穩(wěn)壓二極管，D13～D18共有六個。為了泄放輸出端隔直脈沖變壓器原邊電流換向時產(chǎn)生的高壓尖峰電勢，在每臂的功率轉(zhuǎn)換器件和與其相串的扼流圈上還各要聯(lián)聯(lián)一個阻尼二極管D21和D22。根據(jù)其極性不同，可以通過D21向N3點泄放，也可通過D22對地泄放。這部分電路的波形圖請見圖6。t1是最大導通通寬度，t2是最小導通寬度，t3是某時刻導通寬度，t0是死區(qū)時間。H是橋臂高壓點。M是其中點，L是其接地點，VH、VM及VL是其相應(yīng)的電壓值，VL＝0伏。V1、V2是半橋式功率轉(zhuǎn)換電路4的輸入電壓，V3是輸出電隔直脈沖變壓器的初級電壓。
實驗結(jié)果，本實用新型的技術(shù)數(shù)據(jù)如下額定輸入脈動直流電壓600伏；輸入電壓范圍350～720伏；額定輸出電流25安(在500～720伏時)；額定輸出電壓16.2～16.5伏；輸出電流范圍5～25安；電瓶電勢低于3伏時可達50安；輸入電壓調(diào)整率≤1％主電源輸出內(nèi)阻額定時小于或等于0.009歐；超過額定時為0.3～1歐。
效率85％輸入電壓600V，輸出電壓16.2V輸出電流25／時。
權(quán)利要求1.直流變換式電車控制和照明用電源，其特征在于，它是一種直流/直流變換式的脈寬調(diào)制型開關(guān)穩(wěn)壓電源，它包括主電源、輔助電源和它們的共用電路三個部份，主電源是一個由脈寬調(diào)制電路、橋臂驅(qū)動電路、以本身附有阻尼二極管的金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管為功率器件的橋式功率轉(zhuǎn)換電路、輸出濾波電路以及保護電路依次聯(lián)接構(gòu)成的一個閉環(huán)系統(tǒng)，在脈寬調(diào)制電路和橋臂驅(qū)動電路、功率轉(zhuǎn)換電路和輸出濾波電路之間各有一個隔直脈沖變壓器，電壓過壓或欠壓以及電流過流或限流的保護信號都通過相應(yīng)的采樣元件自輸出端隔直脈沖變壓器的原邊取出，電壓和電流過流保護信號都經(jīng)過一個大時間常數(shù)單穩(wěn)延時電路產(chǎn)生一個禁止信號送往脈寬調(diào)制電路，當電流限流信號超過閥值時由光電耦合器件輸出的主電源輸出電壓保護信號就要和它一起求和后再送往脈寬調(diào)制電路，每一臂的功率轉(zhuǎn)換器件上都串聯(lián)了一個可抑制其換向沖擊電流的扼流圈，相應(yīng)地便在各扼流圈上并聯(lián)了一個放電二極管，在每臂的功率轉(zhuǎn)換器件和與其相串的扼流圈上還各要并聯(lián)一個可以泄放輸出端隔直脈沖變壓器的電流換向時產(chǎn)生的高壓尖峰電勢的阻尼二極管，上述電流互感器是作為電流采樣元件串接在輸出端隔直脈沖變壓器的原邊的，輔助電源是一個有三路輸出的電流控制型開關(guān)穩(wěn)壓電源，其第一路輸出供保護電路及脈寬調(diào)制電路使用，其他兩路輸出向二個橋臂驅(qū)動電路供電，主、輔電源的共用電路依次由用于防止動力電網(wǎng)接入負載反接的二個正串二極管、三級低通濾波器和可中點分壓輸出的二級阻容濾波器串聯(lián)構(gòu)成，上述低通濾波器每級都由共模電感和并聯(lián)有壓敏電阻的電容組成，壓敏電阻的擊穿電壓值是分級遞減的，來自動力電網(wǎng)的脈動直流高壓自防止負載反接電路處加入，由末級低通濾波器輸出，向橋式功率轉(zhuǎn)換電路供電，再經(jīng)過阻容濾波器后向輔助電源供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的直流變換式電車控制和照明用電源，其特征在于，功率轉(zhuǎn)換電路是半橋臂式的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的直流變換式電車控制和照明電源，其特征在于，所述的主電路輸入電壓采樣元件是一個自第一級阻容濾波器高壓端引出且又與電流互感器一端相連的分壓電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的直流變換式電車控制和照明用電源，其特征在于，所述的輸出濾波電路是一個電感一電容式濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的直流變換式電車控制和照明電源，其特征在于，在所述的主電源輸出端還在作為電壓采樣元件的光電耦合器件上串聯(lián)了一個可調(diào)穩(wěn)壓源。
專利摘要直流變換式電車用控制和照明電源是一種脈寬調(diào)制型開關(guān)穩(wěn)壓電源。它依次由脈寬調(diào)制電路、脈沖變壓器、橋臂驅(qū)動電路、半橋式功率轉(zhuǎn)換電路、脈沖變壓器、輸出濾波電路、輸出電壓和電流保護電路以及單穩(wěn)延時電路閉環(huán)聯(lián)接構(gòu)成。整流站輸給的脈動直流高壓還要經(jīng)過一個帶有壓敏電阻的電感電容式低通濾波器以消除電網(wǎng)中大量貯能元件動作時帶來的高壓高能的尖峰電勢后才能供給功率轉(zhuǎn)換電路使用。它可以代替發(fā)電機組作車載輔助電源使用。
文檔編號H02M3/04GK2094151SQ9120836
公開日1992年1月22日 申請日期1991年5月24日 優(yōu)先權(quán)日1991年5月24日
發(fā)明者徐航, 王國慶, 陳平, 王靖, 尹稀賓 申請人:北京市海淀區(qū)海玉控制與儀器技術(shù)開發(fā)部