客车DC600V供电电源主电路的设计

摘要：为了提高客车DC600 V供电电源的功率因数，减小输出电压的波动，对主电路提出了基于“二极管不控整流+IGBT降压斩波”的设计、通过对主电路的PSIM仿真，表明该电路能够大幅提高DC600 V电源的功率因数，而且使输出电压稳定在600 V左右，达到了设计目的，能满足对客车供电的质量需求，保证用电设备的正常工作。
关键词：DC600 V供电电源；主电路；功率因数；电压波动

目前，在电气化区段，列车供电系统，由装在机车(拖车)内的客车供电装置将接触网、受电弓送来的的25 kV单相交流电，经降压整流，滤波成600 V直流电压，提供DC600 V电乐等级的列车供电母线。各空调客车通过配电柜供电选择开关将其中一路600 V直流送入空调逆变电源装置(简称逆变器)及直流110 V电源装置(简称充电器)，分别向空调、电开水炉、冰箱等三相交流电器负载、电视机等单相220 V插座供电，并在给蓄电池充电的同时向照明、供电控制等直流负载供电。由于现有的客车DC600 V供电电源装置的主电路采用是晶闸管单相半控整流电路，功率因数低，输出电压经常在500～700 V间振荡，电压波动不稳，极易导致客车上的逆变器、充电器发生保护停机或损坏。
本文针对以上问题，对客车DC600V供电电源的主电路提出了“二极管整流+ICBT降压斩波”的技术方案，对主电路进行设计，并用PSIM软件进行仿真分析。

1 客车DC600 V供电电源主电路的设计思路
1．1 技术参数要求
根据客车用电的实际要求，客车DC600 V供电电源应满足以下技术要求。
电源装置的额定输出电压： DC600 V
输出电压波动范围： ±10 V
额定输出功率： 2×40HD kW
额定输出电流： 2×670 A
输出过载电流： 2×≯750 A
1．2 设计思路
现有的客车DC600 V供电电源采用的是单相桥式晶闸管半控整流电路，使得网侧总功率因数波动范围为0．5～0．85，当接触网网压高网压时，网侧总功率因数低至0．5；网侧基波功率因数波动范围为0．65～1，高网压时低至0．65；而且输出电压经常在500～700 V间振荡，电压波动不稳。
在所有的单相整流电路中，二极管不控整流电路的的功率因数恒定为0．9，网侧基波功率因数接近1，相对较高，而且波纹系数小，整流电压为0．9Ud；所以，主电路采用二极管整流桥可有效提高客车DC600 V供电电源n的功率因数。装置的额定输入电压为交流860 V，经过二极管整流后输出的直流电压为774 V，高于客车所需要的600 V，所以还需要降压环节。
另外，该电源的输入电压会随着接触网的网压随时在波动，降压环节的降压比也应该随着变化，因此，采用IGBT斩波电路，通过斩波电路的开通占空比，调节输出电压稳定在600V左右，减小输出电压的波动。所以，对主电路设计了“二极管整流+IGBT降压斩波”的技术方案。

2 客车DC600V供电电源主电路的设计
该DC2600 V供电电源的额定输出功率为2×400 kW，由两组相同的电路构成，每组输出功率为400 kW。两组的电路结构都是一样的，包括预充电电路、二极管整流电路、斩波降压电路、放电电路、接地保护电路、控制单元(包括功率板、控制板、通讯板)、显示和计量电路等构成。下面以其中一组电路为例说明如图1所示。

2．1 预充电电路
为了防止当控制单元获得DC110 V电源，且外部供电申请信号有效时，直接闭合主接触器KM1，交流电源不经过整流电路而通过滤波整流电路造成短路现象，设置了预充电电路。预充电电路输入侧通过输入端子与机车主变压器的单相860 V电源相连。由KM2、F0、D0及R0组成，当控制单元获得DC110 V电源，且外部供电申请信号有效时，先闭合预充电电路的接触器KM2，给电容C1、C2充电，充电完成后闭合主接触器KM1。