一種新型架線電機車逆變電源裝置

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1、一種新型架線電機車逆變電源裝置 我國煤礦井下架線電機車通常采用550V或250V電壓等級的直流電壓通過牽引電網(wǎng)供電，由于目前市面上尚無與550V或250V電壓相對應的燈炮，因此，不論是廠家或是在生產(chǎn)現(xiàn)場，一般是通過以下兩種方式對牽引電網(wǎng)的電壓進行變換，從而形成兩種類型的照明信號裝置。一種是通過大功率電阻降壓后接127V或220V普通白幟燈；一種是采用逆變電源（直流變換器）將550V（250V）直流電壓轉(zhuǎn)換成24V（12V）穩(wěn)定的直流低壓，配用抗震、光學性能良好的汽車或拖拉機的前大燈。 1 采用大功率電阻降壓式電源存在的問題 （1）效率低，降壓電阻要消

2、耗掉大量電能。 （2）普通白幟燈的使用電壓較高，燈絲細長而其機械強度低，耐震性能差，損壞率很高，同時也不利于現(xiàn)場管理。 （3）白熾燈泡形體結(jié)構的設計分聚光型和散射型兩種，前者燈絲結(jié)構緊湊，位置要求嚴格，適合安裝在相應規(guī)格的聚光罩中，由于燈罩設計成拋物線形狀可將燈光反射到前方，在一定范圍內(nèi)得到良好的照明效果。如：車用前大燈、放映燈泡及探照燈等。而后者的設計只適合燈泡自身發(fā)散射到周圍，其燈絲的結(jié)構及安裝位置也不同于聚光型，如普通照明用的白幟燈泡等。目前機車用的前大燈都是后者，這顯然是不合理的。 （4）由于受煤礦井下環(huán)境條件差、運輸巷道長、軌道連接不好

3、、網(wǎng)絡泄漏電流嚴重等不利因素影響，導致不同區(qū)域的供電電壓隨機車運行負荷的輕重，以及距牽引交流所距離的遠近不同而波動，其波動范圍為 - 15% ~ +20%，無穩(wěn)定裝置的白熾燈泡在電壓高時經(jīng)常出現(xiàn)燒壞燈泡現(xiàn)象；在電壓低時光照度又低，容易誘發(fā)行車事故。 2 采用逆變電源照明方式的優(yōu)缺點。 （1）移植汽車的前大燈總成，具有良好的聚光特性和耐震性，能夠滿足煤礦井下電機車的使用要求。 （2）逆變電源轉(zhuǎn)換效率較高，一般在80%以上，節(jié)能效果可觀。 （3）逆變電源輸入端接入的電解電容不合理。由于網(wǎng)絡電壓高（最高達700V），加上運行時集電弓與架

4、線的接觸又始終處于接觸不穩(wěn)定狀態(tài)，而引起頻繁的充放電，使輸入熔絲燒斷或輸入電路部分損壞。 （4）逆變電源的關鍵器件--開關變壓器通常采用兩只，每只變壓器流過的電流是單方向的。從磁化曲線上可以看出它們工作在第一象限內(nèi)，即只利用了磁芯容量的一半。因而磁芯利用率低，并且由于磁材質(zhì)量不好，頻率難以做高，磁芯損耗往往很大。上述因素決定了在逆變電源中變壓器的數(shù)量多、體積大、重量增加。由于體積及重量因素的存在，防震性能往往很差，這也是故障率高的原因之一。 （5）逆變電源的穩(wěn)壓原理是靠控制開關管的R、C參數(shù)、導通周期而達到穩(wěn)壓的目的。因此，這種電路在工作時頻率是不斷變化的，正常

5、時為20kHz，空載時達1600kHz以上，易導致開關管內(nèi)部損耗過大造成擊穿而損壞。 （6）逆變電源的關鍵器件--開關管的質(zhì)量問題。據(jù)調(diào)查，市售高反壓開關管存在著同一型號在形態(tài)、管殼材料、顏色、性能參數(shù)等都有較明顯差異的情況有的售價僅幾元錢，這樣的開關管用于逆變電源上肯定是不行的。 （7）結(jié)構方面。逆變電源裝在機車上，由于軌道的鋪設質(zhì)量及機車行駛速度，使內(nèi)部電子元件脫焊，損壞印制板焊盤，導致電源損壞，也是其損壞原因之一。 3 新型JND - 550（250）型逆變電源裝置 3.1 新型逆變電源裝置技術性能指標 額定

6、輸入電壓：直流550V或直流250V；允許波動范圍： 直流440V ~ 660V（550V時） 直流210V ~ 300V（250V時） 輸出電壓：直流241V或直流121V 3.2 逆變電源裝置采用的主要技術措施 （1）采用高質(zhì)量的金屬化紙介無極性電容器，替代輸入端的電解電容器。開關的沖擊狀態(tài)明顯降低，可選用更小的熔絲，從而提高整機工作的安全性。另外，這種電容器容量穩(wěn)定，熱穩(wěn)定也好，無電感特征，使用壽命長，并有安裝固定腳，其耐震性明顯優(yōu)于電解電容器。 （2）采用1只開關變壓器，由兩個開關管輪流導通

7、，在原邊分別流過不同的勵磁電流，這樣副邊感應出不同極性的電壓，然后整流輸出。這樣就充分提高了磁芯的利用率，減小了體積，使電路更為合理、緊湊。 （3）選用新型高頻開關變壓器的磁性材料。在給定的工作頻率下，選擇具有較小的鐵芯損耗及較高的飽和磁感應強度和電阻率的磁性材料。體積小，成本低，是選擇的關鍵。故我們選用日本TDK公司最新推出的第三代鐵氧體作為逆變電源的開關變壓器磁芯，其性價比較為理想。 （4）自激式直流逆變電源經(jīng)過一定的技術處理，其本身是能達到自動穩(wěn)壓的，但這種工作方式的穩(wěn)壓特點使變換器開關工作頻率隨輸入電壓和輸出電流的變化而變化。即在輸出電壓或輸出電流減小時

8、其工作頻率會增高，尤其在直流變換器空載情況下（如車燈損壞、斷線、前后車燈轉(zhuǎn)換瞬間等），其工作頻率是正常工作電壓和滿載情況下的8倍以上，極易造成晶體管擊穿而損壞。為此，我們采取了后置式穩(wěn)壓電路，即將架線網(wǎng)絡的輸入電壓，經(jīng)DC - DC變換電路變?yōu)橄鄳牡蛪弘娐?，然后在低壓電路部分再另設穩(wěn)壓電路。這樣做就能將DC - DC變換電路的工作頻率設計在最佳狀態(tài)上，可以長期空載而不損壞電路。 （5）在結(jié)構方面也進行了優(yōu)化設計，其特點是：①增加印制板的機械強度，并增大焊盤面積；②對體積較大的元器件采用膠墊、膠封固定以增加耐震強度；③整機殼體置于帶有防震裝置的固定架中，即使在劇烈的顛簸中，電源

9、裝置也能工作穩(wěn)定，狀態(tài)良好；④盡可能使設備小型化，以保證其具有較堅固的結(jié)構和較高的固有頻率，減小慣性力，提高抗震動和沖擊能力；⑤做好元器件的密封防潮處理。 以上措施保證了逆變電源裝置在煤礦井下潮濕、多塵環(huán)境及電機車劇烈顛簸情況下都能可靠地運行。不僅可為電機車的道路照明、紅尾燈提供穩(wěn)定的低壓電源，還可為警號電笛、載波通訊等用途提供能量。經(jīng)過3個多月的工業(yè)性試驗，除個別元件因焊接質(zhì)量不好造成脫焊故障之外，該逆變電源裝置全部運行正常，性能穩(wěn)定，效果較為滿意。同時現(xiàn)場使用人員一致反映，該逆變電源裝置設計結(jié)構合理，安裝維修及使用方便，操作靈活，工作安全可靠，適應煤礦井下潮濕、多塵、頻繁強烈的沖擊震動及電網(wǎng)電壓大幅度波動等惡劣環(huán)境，解決了長期以來架線電機車照明裝置性能質(zhì)量與井下生產(chǎn)條件不相適應的難題，對提高井下電機車的運輸效率、減少電機車運輸事故、保障人身安全等具有十分重要的積極作用。 （安宜高）