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 3809V，500.5 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 21010V；
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500mm376 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(13％)1.5 kV、(120％)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。