铁路机车空调电源设计

 0 引言
    中国铁路现有内燃机车一万多台，随着科技的日新月异和生活条件的改善，乘务人员对工作环境舒适性要求不断提高，为此近年新造和大修的机车司机室都增设了空调装置。但因机车本身不具备工频电源，必须配置一台逆变电源，将蓄电池组或起动发电机提供的DC llO V直流电变换为AC380V交流电作为空调机组的动力。
    由于司机窒空间狭小，又经常处于高速运行中，室内温度变化快，因此，要保证18℃～23℃可调，顶棚与地板面温差不超过10℃，供给每个乘务员的新鲜空气量不少于30 m3/h，空调机组起停频繁。同时司机室内电气控制设备和信号设备密集，容易受到空调电源通断引起的电磁干扰，直接影响行车安全。反过来，列车牵引设备时刻变化的强大电流磁场，又影响空调电源正常运行。因此对于铁路机车空调电源在体积大小、抗电磁干扰和产生干扰性能方面都有特殊要求。不同结构的铁路机车空调电源在发展过程中，都出现过这样或那样的问题，本文介绍的是一种经装车运行证明性能可靠的设计。


l 基本参数
    使用条件 海拔高度≤l 200m，环境温度-25℃～40℃，相对湿度≤95％；
    额定容量 5 kVA；
    输出功率 3.3 kW；
    输入电压 DC 110V，主电路由起动发电机供电，允许波动范围为DC40～200V；控制电路由蓄电池组供电，允许波动范围为DC77~143V。
    输出电压 三相AC 380±9V，50±0.5 Hz；
    输出波形 正弦波，失真度≤5%；
    起动性能 变频软起动，起动时间≤15 s；
    散热器温升 ≤20℃；
    转换效率 ≥85%；
    主电路过压保护 DC 210±10V；
    运行噪声 声压级≤65dV。
本设计的主要参数与铁道行业标准的要求相比，一些主要指标更利于用户。比如铁道行业标准规定的限制范围为：输入电压，输出电压对重要技术指标如输出频率、波形、起动时间等都没有明确规定。可见本设计对使用场所客观条件要求相当宽松，而向顾客提供的输出品质却较为完备和严格，能更好满足用户需求和增强运用可靠性。


2 总体结构
    本产品的外形如图1所示，箱体尺寸500mm×376 mmxl90mm，印刷电路板(包括电源板、逆变板、控制板)和电子器件置于箱内的安装支架上，对外接口是位于箱体底面的三个接点数量不同的航空插座，型号为TY48J20ZY、TY32J12ZY-02和TY148J4ZY。通过专用电缆与直流电源和交流空调机组、司机操纵台连接，各部位的相互关系如图2所示。

3 电气原理
    本设计的电气原理如图3所示。粗线部分表示主电路，由起动发电机G(兼做辅助发电机)供电，DC l1OV升压斩波变为DC 540V，再经过逆变器转变成三相AC380V、50Hz正弦波交流电，驱动空调机组运行(停车时可由蓄电池组短暂供电)；细线部分表示控制电路，由蓄电池供电。采自辅助发电机电路和交流输出电路的电流、电压信息，输入逻辑控制系统，分析比较作出判断，对主电路升压单元和逆变单元的运行状态参数进行动态调节。其核心部分是全数字高智能调制波形发生器SPWM集成电路模块SA866AE和CPLD逻辑控制系统，利用软件编程控制通风、制冷、制热、停机及欠压、过压、过流、过热和短路保护，可靠性高，运行效果好，电路简单，成本相对较低。

4 试验效果
    本产品的两台样机按规定，曾于2001年4月送铁道部产品质量监督检验中心，按当时的铁道行业标准进行全面的性能检查，主要项目测试结果简述如下。
    (1)绝缘性能 电路对地绝缘电阻用500V兆欧表实测数据为50MΩ，施加工频l 500V试验电压持续1 min无击穿和闪络现象。
    (2)工作性能 输入DC 77～132V，空载输出电压Ac381.2～389.2V、频率50.6～50.7Hz，额定负载输出电压AC 378.7～381.4V、频率50.6Hz，功率3099~3144W、效率87.1％～9I.6％。
    (3)低温性能 -40℃/16h，输入DC77～132V，空载输出电压AC 380.0～385.4 V、频率50.0～50.6 Hz，恢复至室温输入DC 77～132V，负载输出电压AC381.1～384.0V，频率50.0~50.7Hz，功率3 140～3 213 W、效率88.7％～94.4％。
    (4)高温性能 70℃/6h，输入DC 77～132 V，空载输出电压AC380.1～387.9V、顺率50.5～50.6Hz、负载输出电压AC380.0～384.6V、频率50.6～50.7Hz、功率3174～3225W、效率90.9％~94.9％。
    (5)保护试验 欠电压、过电压、过电流、过热保护指示灯及继电器按规定值显示及动作。
    (6)耐振性能 垂向、纵向、横向 1～50 Hz无共振，10Hz、10m/s2振动2h无机械损伤及连接松动。
    (7)耐湿热性 能按铁道行业标准规定条件，实测绝缘电阻值50 MΩ～53 MΩ，工频I 500V/1 min电压耐受试验无击穿和闪络现象。
    (8)温升测试 输入DC 110V额定电压，输出电压AC 378.3～382.7V，频率50.6Hz，保持额定输出功率，散热器最高温度62.2℃，温升17.2℃。
    (9)浪涌试验 输入端施加(1±3％)1.5 kV、(1±20％)1/50μs无损伤。
    检验结论：送检样机“符合铁道行业标准TB/T1394-93《铁道机车动车电予装置》和企业标准的要求”。上述数据表明绝缘指标、电压耐受试验、高低温性能、效率和温升都比较理想。
    输出电压波形(滤波前和滤波后)分别如图4和图5所示

5 实际运用
    随着时间推移，铁道行业标准发生变化，实行与国际电工标准接轨，因而TB/l394-93被废止，从2001年12月1日起实施与同类国际标准IEC60571基本相同的TB/T3021-2001《铁道机车车辆电子装置》，本电源的结构和电路设计亦随之改进完善形成系列，实际质量指标已比上列试验结果有明显提高，先后应用于东风7C、东风7D、东风7G型铁路干线机车和GKlE型工矿机车及出口古巴DF7G-C型、刚果CK6E型，受到乘务人员欢迎，可以满足机车司机室通风换气、夏季降温、冬季采暖的需求。


6 结语
    本产品的设计与应用已取得阶段性成果，最新产品疗案与初始设计相比,外形尺寸显著缩小，体积降为初始产品的一半左右，重量减少三分之一以上，从50kg降至33 kg，结构形式和电路设计更为合理。2005年11月北京机段对本设计最新疗案的运用报告结论为：“DF-J38C型空调电源运行良好，无故障发生，性能稳定、可靠、噪声小。由于体积大为减小，安装维护更为方便，建议在更多的内燃机车上推广使用。”得到用户的认可和积极评价。
    不过本设计在取得成功的同时，也并非完美无缺，技术参数、制造工艺、质量指标、运用可靠性和使用寿命都还存在进一步提升的空间，而日针对铁路机车空调电源的专用铁道行业产品标准已审查通过报批，预计在不久的将来本设计的技术水平还会跨上一个新台阶，适应更广泛领域和不同型号铁路机车市场的需求

无击穿和闪络现象。
    (2)工作性能 输入DC 77～132V，空载输出电压Ac381.2～389.2V、频率50.6～50.7Hz，额定负载输出电压AC 378.7～381.4V、频率50.6Hz，功率3099~3144W、效率87.1％～9I.6％。
    (3)低温性能 -40℃/16h，输入DC77～132V，空载输出电压AC 380.0～385.4 V、频率50.0～50.6 Hz，恢复至室温输入DC 77～132V，负载输出电压AC381.1～384.0V，频率50.0~50.7Hz，功率3 140～3 213 W、效率88.7％～94.4％。
    (4)高温性能 70℃/6h，输入DC 77～132 V，空载输出电压AC380.1～387.9V、顺率50.5～50.6Hz、负载输出电压AC380.0～384.6V、频率50.6～50.7Hz、功率3174～3225W、效率90.9％~94.9％。
    (5)保护试验 欠电压、过电压、过电流、过热保护指示灯及继电器按规定值显示及动作。
    (6)耐振性能 垂向、纵向、横向 1～50 Hz无共振，10Hz、10m/s2振动2h无机械损伤及连接松动。
    (7)耐湿热性 能按铁道行业标准规定条件，实测绝缘电阻值50 MΩ～53 MΩ，工频I 500V/1 min电压耐受试验无击穿和闪络现象。
    (8)温升测试 输入DC 110V额定电压，输出电压AC 378.3～382.7V，频率50.6Hz，保持额定输出功率，散热器最高温度62.2℃，温升17.2℃。
    (9)浪涌试验 输入端施加(1±3％)1.5 kV、(1±20％)1/50μs无损伤。