專利名稱:架線電機車直流高壓大功率逆變電源的制作方法
本實用新型屬于晶體管開關(guān)穩(wěn)壓電源。
本實用新型是一種在直流高壓下逆變的它激式脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源。其控制電路采用SG1524／3524集成電路，驅(qū)動電路為高效率的比例電流驅(qū)動電路，功率轉(zhuǎn)換電路為抗不平衡能力強的半橋式電路。據(jù)查在原理上最接近的現(xiàn)有技術(shù)是采用MC3520構(gòu)成的PWM型穩(wěn)壓電源。(其線路可見徐德高編“脈寬調(diào)制變換器型穩(wěn)壓電源”一書中圖6－61)與本實用新型一樣都具有控制電路，驅(qū)動電路、功率轉(zhuǎn)換電路、輔助電源、軟啟動電路、過流保護電路和輸出電流限制電路等組成。但現(xiàn)有技術(shù)主要是計算機用穩(wěn)壓電源，而本實用新型是用于礦用架線電機車上，故尚需一些特殊電路如輸入過壓保護電路，延時保護電路、短路保護電路、24V電池電路等，而且與現(xiàn)有技術(shù)作用相同部分的電路由于其使用的特殊性電路的具體結(jié)構(gòu)也有實質(zhì)區(qū)別。
架線電機車是我國煤礦、冶金、化工等礦山井下運輸生產(chǎn)的主要工具。目前大多架線電機車照明的情況是國產(chǎn)機車以220V或127V白熾燈與電阻串聯(lián)降壓供電為主，進口機車(以東德為例)采用發(fā)電機及蓄電池組供電，由于井下運輸距離長，軌道連接差，電網(wǎng)電壓變化范圍很大。一般直流250V供電網(wǎng)絡(luò)，電壓變化范圍達170V～340V；550V直流供電網(wǎng)絡(luò)，電壓變化范圍達400V～850V或500V～900V，采用電阻降壓照明的機車，不僅浪費電能，而且常因機車啟動，加速，道結(jié)連接不良或機車處在電網(wǎng)末端時，燈泡照度昏暗不穩(wěn)，給機車行進造成困難，給行車安全帶來威脅，以致經(jīng)常造成運輸事故。對于進口機車的發(fā)電機，蓄電池組照明設(shè)備，由于使用中故障點多，維修不便，經(jīng)常影響機車運行。為了解決這一問題，近年來，國內(nèi)研制和生產(chǎn)了晶體管自激式逆變電源及可控硅直變器?？煽毓柚弊兤鞔嬖诳煽啃圆?，體積大，噪聲大，紋波系數(shù)大，功率小，功能少，效率低等缺點，很難推廣使用。而自激式晶體管逆變電源，由于其在功率轉(zhuǎn)換變壓器中存在直流磁化，變壓器體積大，漏感大，當輸出功率增大時，由于分布電容及漏感的增大，使工作頻率受到了限止，而當負荷變化時會影響自激振蕩器的工作狀態(tài)，使其振蕩頻率及輸出電壓均會發(fā)生變化，因此，該電源不易做到大功率輸出及在較高直流電壓下工作，可靠性差，負載變化率大時穩(wěn)壓性能差，整機效率低等缺點。根據(jù)現(xiàn)場要求，急需一種適應井下架線電機車所需的通用大功率、多功能、高可靠性穩(wěn)壓電源，以確保運輸安全，提高運輸速度，能適應于直流電壓在170V～340V或400V～850V大范圍變化的供電網(wǎng)絡(luò)，其功能應滿足電機車前后燈、車頭信號燈照明，照射距離應大于40米，電喇叭電源，供給司控道岔發(fā)信機，載波電話，電機車脈沖調(diào)速電路等機車內(nèi)儀器設(shè)備需要的各種穩(wěn)定電源，此即為本實用新型之目的。
附圖1為本實用新型之方框圖，圖中A為輸入過壓保護電路，B為電子開關(guān)輔助電源，C為24V電池電路，D為降壓軟啟動電路，E為驅(qū)動電路，F(xiàn)為控制電路，G為過壓過流短路綜合保護電路，H為功率轉(zhuǎn)換電路，I為延時保護電路，J為軟啟動電路，K為24V輸出電路，L為6V集成穩(wěn)壓電路，M為24V集成穩(wěn)壓電路，W為車燈輸出端，X為電喇叭輸出端，Y為司控道岔發(fā)信機用電源輸出端，Z為載波機用電源輸出端。
附圖2為輸入電壓400至850V，功率1～250W實施例線路圖。
現(xiàn)以圖2實施例線路圖為例闡述本實用新型各組成電路的構(gòu)成和功能。
架線電機車在運行中頻繁瞬間脫弓而形成強火花，電網(wǎng)由于負載的突變及電機反電勢的作用，使本機輸入端經(jīng)常出現(xiàn)高達1－24伏的浪涌電壓。為了防止該浪涌電壓擊穿功率轉(zhuǎn)換電路中的高壓開關(guān)管，本機設(shè)計了電網(wǎng)輸入過壓保護電路；(圖2a)由阻流圈L1，壓敏式電阻R2，二極管D1，電阻R2，電容C2，C3等組成。壓敏電阻R3門限電壓為900V，所以超過900V以上的脈沖高壓會被R3吸收，低于900V的脈沖電壓經(jīng)D1整流，R2、C2、C3濾波而形成與正常電網(wǎng)電壓相同的直流電壓。尚可防止本機工作與電網(wǎng)之間的干擾。
降壓軟啟動電路(圖2a)該電路由SCR1、D2、R4、R5、R6、C4、C5和B1的9、10端繞組組成，其作用是功率轉(zhuǎn)換電路在低壓下啟動時可以防止開機瞬間高頻變壓器產(chǎn)生磁飽和而損壞高壓開關(guān)管并限制開機瞬間對C2、C3充電的過大浪涌電流。當功率轉(zhuǎn)換電路正常工作后，高頻變壓器B1的9、10端繞組輸出方波電壓經(jīng)D2整流。C4、C5、R5、R6波濾延時后觸發(fā)SCR1，將R4短路，從而避免本機正常工作時，在R4上產(chǎn)生過大的功率損耗。
功率轉(zhuǎn)換電路(圖2a、圖2b)，由高壓開關(guān)管BG3、BG4和BG5、BG6高頻變壓器B1、C2、C3等組成半橋式功率轉(zhuǎn)換電路。半橋式功率轉(zhuǎn)換電路可以在較高電源電壓下逆變，有較好的抗不平衡能力，簡化電路設(shè)計和提高可靠性。
整流濾波輸出電路有兩組，第一組由高頻變壓器B1次級繞組3～4～5端，降壓輸出，由D5、D6全波整流，經(jīng)阻流圈L2高頻電解電容C9濾波后，輸出＋24V電壓，經(jīng)前后燈開關(guān)K2、K3到輸出插座，CZ1的3，4，CZ2的4，供機車車燈、信號燈、電喇叭使用。第二組由B1次級繞組6～7～8端輸出，D3、D4全波整流經(jīng)L3高頻電解電容C6、高頻阻流圈B7濾波后，形成28V左、右的直流電壓，再經(jīng)集成穩(wěn)壓電路IC1、高頻電解電容C20、插座CZ2的3，做為載波機等電子儀器設(shè)備用精密24V穩(wěn)壓源。同時IC1輸出的24V電壓經(jīng)穩(wěn)壓集成電路IC2輸出6V電壓送至插座CZ2的1做為司控道岔發(fā)信機穩(wěn)壓電源。
電池電路(圖2c)，由20節(jié)隔鎳蓄電池成的24V電池組做為電網(wǎng)斷電時供給載波電話，使用的維持輔助電源，經(jīng)開關(guān)K4、電容C20加至插座CZ2的3輸出。為了防止斷電時，本機電路對蓄電池能量的無謂損耗，設(shè)計了由穩(wěn)壓管D9、R38三極管BG14，R37組成的開關(guān)電路。在電網(wǎng)供電狀態(tài)，IC1輸出的24V電壓對蓄電池充電，當電網(wǎng)停電時蓄電池對載波機供電，開關(guān)電路關(guān)斷，避免蓄電池的電能損耗。當電網(wǎng)有電，本機打開開關(guān)的瞬間，蓄電池可以做為控制電路，驅(qū)動電路的啟動輔助電源，通過D26、D25及BG14分別對控制，驅(qū)動兩級供電。
驅(qū)動級電路(圖2b)，本機由變壓器B3、B4電流互感器B5、B6、三極管BG7－12，二極管D12－19等組成。其工作原理是，當控制電路SG3524的11、14腳交替輸出方波脈沖，分別加至BG11、BG12基極。經(jīng)放大后，在變壓器B3、B4的次級感應出相應脈沖方波電壓，經(jīng)BG9、10發(fā)射極及R20－21、R24－25、R30－31、R26－27分別加至兩組高壓開關(guān)管基極，使之相應交替導通和截止。該驅(qū)動電路為電流比例驅(qū)動電路，其突出的優(yōu)點是，當負載輕時，驅(qū)動電流小，驅(qū)動電流的大小隨整機負載輕重而變化，從而避免了因開關(guān)管驅(qū)動電流過大造成過度飽和而使開關(guān)管產(chǎn)生較大的關(guān)斷延遲損耗。
控制電路(圖2c)本控制級系用雙極型模似，數(shù)字混合集成電路SG3524(或SG1524)。電路的振蕩頻率由電阻R44、電容C18決定。本電路具有死區(qū)時間控制，脈寬調(diào)制穩(wěn)壓，過流限制保護等功能。
輔助電源(圖2c)由高反壓晶體管BG1－2，電阻R7－12，三極管BG15，二極管D24、25組成開關(guān)式輔助電源，由于本機輸入直流電壓太高(850V)而控制級，驅(qū)動級所需電壓又太低(20－30V)所以在電源開機時，如何解決好控制，驅(qū)動兩級的低壓電源是關(guān)鍵，該輔助電源即為此而設(shè)。
窄脈沖軟啟動電路，(圖2c)由D21、D22、R40、C16組成，其作用是在剛開機時負電源經(jīng)C16、D21加至SG3524內(nèi)部比較器，使此比較器與振蕩器輸出斜波電壓比較后，在較長時間內(nèi)輸出高電平，或非門輸出低電平，從而使輸出管截止時間加長，控制電路輸出脈沖寬度變窄結(jié)果使功率轉(zhuǎn)換級在窄脈沖下啟動，防止高頻變壓器在瞬間開機時某種原因產(chǎn)生磁飽和而損壞開關(guān)管，隨著＋20V電壓經(jīng)R40向C16充電電壓的升高，控制器輸出脈沖逐漸變寬，當C16上壓降大于振蕩器斜波電壓后，該窄脈沖軟啟動電路便不起任何作用，控制電路便轉(zhuǎn)于正常工作。
延時保護電路(圖2b)，集成電路SG3524要求工作電壓在8V－40V，如果在剛開機時其工作電壓低于5V，該集成電路便不能正常工作，而產(chǎn)生單只輸出功率管飽和導通，另一只輸出功率管截止的固定不變現(xiàn)象，其結(jié)果導致驅(qū)動級一只管子飽和導通，從輔助電源吸收過大電流0.2A，由于R7上流過電流增大，則產(chǎn)生壓降更大，從而控制電路獲得的電壓更低，使功率轉(zhuǎn)換級因沒有激勵脈沖而不工作，且輔助電源因沒有反饋電壓而不能截止，時間稍長，便會將輔助電源燒壞。本延時保護電路的功能是，在開機瞬間，BG13截止，驅(qū)動級不從輔助電源吸收電流，由于控制電路本身電流較小(小于20mA)，因此輔助電源在瞬間便輸出較高電壓(大于30V)供給SG3524使之正常工作，同時該電壓擊穿20V的穩(wěn)壓二極管D20使BG13導通飽和，驅(qū)動級正常工作，功率轉(zhuǎn)換級輸出反饋電壓關(guān)斷輔助電源，一切轉(zhuǎn)于正常。
過壓、過流、短路綜合保護電路(圖2a)，本回路由二極管D10D11、C23、R50；B2、D7、D8、SCR2、D23、R36等組成。
二極管D10、D11組成限反峰電壓電路，在高壓開關(guān)管截止瞬間，變壓器漏感會產(chǎn)生高反峰電壓，當反峰電壓超過輸入電源電壓時，設(shè)二極管導通，反峰電壓被電源電壓吸收而限幅，從而保護開關(guān)管，使之截止時承受的反向電壓不超過輸入電源電壓。C23、R50，對開關(guān)管導通電流濾波、取樣，加至控制集成電路內(nèi)電流限制放大器，當開關(guān)管瞬間產(chǎn)生過電流時，電流限制放大器使控制電路輸出窄脈沖，或無輸出，從而使開關(guān)管導通脈寬變窄或完全截止，保護了開關(guān)管不會因過流而損壞。電流互感器B2，二極管D7，D8，可控硅SCR2等元件組成過流檢測保護電路。B1的3、4、5繞組大電流輸出，繞組負載短路或負載過重時，電流互感器感應過電壓經(jīng)D7、8整流，C12、R18、C13濾波后觸發(fā)SCR2導通，從而電源輸入電壓經(jīng)R13、R14、R15，降壓后一路通過SCR2，R47加至SG3524內(nèi)部，關(guān)閉三極管基極，使控制電路關(guān)閉不工作，另一路通過SCR2、D23加至BG15使輔助電源同時關(guān)閉，從而保護了整機不會因過載、短路而損壞。高頻變壓器B1的6、7、8繞組輸出經(jīng)集成穩(wěn)壓電路IC1，IC2輸出，因該集成電路有短路過流自保特性，所以僅對B1的3、4、5繞組輸出檢測便可起到對整機保護作用。
本電源與現(xiàn)有的幾種電源比較情況同可控硅直變器相比，具有體積小、重量輕、功率大、效率高、無噪聲、功能多、抗干擾、紋波電壓小、穩(wěn)壓范圍大、可靠性高等顯著優(yōu)點。
同晶體管自激式逆變電源相比，具有功率大、效率高、體積小、功能多、穩(wěn)壓性能高、負載能力強，能在較高直流輸入電壓下工作，自激式工作在700V高壓下，而本電源可在900V下工作，且可靠性高，允許輸入電壓、輸出負載大范圍變化下工作等優(yōu)點。
同發(fā)電機蓄電池組供電方式相比，具有故障率低、維修量小、提高機車使用效率、造價低等優(yōu)點。
通過實驗證明，本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具備如下優(yōu)點，可承受900V直流高壓(現(xiàn)有技術(shù)為120V)。適應電壓變化范圍寬，可從170V至900V之間變化，現(xiàn)有技術(shù)只許可從108V到144V之間變化；輸出承受負載變化范圍寬，可以從1瓦到250瓦之間變化而現(xiàn)有技術(shù)輸出功率只有50W，其負載調(diào)整率為25％，另外還可在礦井下的惡劣環(huán)境中可靠工作。故此為礦用架線電機車的照明、信號、通訊提供了較理想的電源，對機車的安全行車提供了可靠保證。
權(quán)利要求
1.一種架線電機車它激式脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源，是由控制電路，驅(qū)動電路，功率轉(zhuǎn)換電路，輔助電源，軟啟動電路和過流保護電路所組成，本實用新型的特征是還有輸入過壓保護電路，短路保護電路和24V電池電路。
2.如權(quán)利要求
1所述穩(wěn)壓電源的控制電路，其特征在于采用SG3524(或SG1524)集成電路。
3.如權(quán)利要求
1所述穩(wěn)壓電源的輔助電源，其特征是采用電子開關(guān)式輔助電源。
專利摘要
架線電機車直流高壓大功率逆變電源，屬于晶體管開關(guān)穩(wěn)壓電源。是一種在直流高壓下逆變的它激式脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源，系由控制電路F，驅(qū)動電路E，功率轉(zhuǎn)換電路H，軟啟動電路D、J，保護電路A、G、I，輔助電源B、C等組成。能適應輸入電壓變化范圍為170V到900V，輸出承受負載變化范圍為1瓦到250瓦。主要為礦用架線電機車的照明、信號、通訊提供理想的電源。
文檔編號H02M3/315GK85201386SQ85201386
公開日1986年2月12日 申請日期1985年4月23日
發(fā)明者張作慶, 鞏玉新 申請人:泰安無線電總廠導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan