（電氣工程專業(yè)論文）hxd2機(jī)車充電機(jī)的研究.pdf

學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解北京交通大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特 授權(quán)北京交通大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索， 并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國 家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位敝作者簽名：孛舟。 簽字日期：- 2 , , o l e 年石月v f 日 名：海乞 導(dǎo)師簽名：妒正歸色 簽字日期：- 沙l o 年f 月j 日 碩士學(xué)位論文 h x d 2 機(jī)車充電機(jī)的研究 r e s e a r c ho f r e c h a r g e rf o rh x d 2 l o c o m o t i v e 作者姓名：李康 導(dǎo)師姓名：游小杰 學(xué)位類別：工學(xué) 學(xué)號(hào)：0 8 1 2 2 0 7 3 職稱：教授 學(xué)位級(jí)別：碩士 學(xué)科專業(yè)：電氣工程研究方向：電力電子變換技術(shù) 北京交通大學(xué) 2 0 1 0 年6 月 ， 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中，黃老師教會(huì)了我很多寶貴的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。從論文的選題、系統(tǒng)方案的 設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)問題的解決等方面都凝聚著游老師和黃老師的心血，在此向兩位老師 表示最衷心的謝意。 在實(shí)驗(yàn)室工作及撰寫論文期間，得到了鄭瓊林教授，郝瑞祥副教授、張立偉 副教授、孫湖老師、李虹老師、賀明智老師、王琛琛老師的指導(dǎo)及熱情幫助，為 論文的完成提供了很多寶貴的意見，在此向他們表示誠摯的謝意。 同時(shí)我還曾得到了高吉磊博士、趙佳博士、郭超勇博士、賈鵬宇博士、戴雋 文、胡庚、郭宗志、劉玉潔、李志軍等同學(xué)在生活學(xué)習(xí)工作方面的鼎力相助，在 此向他們表達(dá)謝意。 最后也感謝我的父母和家人，他們的理解和支持使我能夠在學(xué)校專心完成我 的學(xué)業(yè)。 黃，i嚴(yán) 氣 l 一 中文摘要 中文摘要 摘要：h x d 2 電力機(jī)車充電機(jī)模塊是機(jī)車輔助變流系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成模塊單 元。它除了給機(jī)車上的蓄電池充電之外，還給機(jī)車提供穩(wěn)定的1 1 0 v 輔助電源，為 控制系統(tǒng)以及信號(hào)發(fā)生電路供電。h x d 2 機(jī)車在實(shí)際運(yùn)行中，充電機(jī)出現(xiàn)了不少問 題，這對(duì)出了保修期后的維修工作是個(gè)很大的考驗(yàn)。為解決這一隱患，掌握充電 機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，是最有效的解決方法。因此，研制一個(gè) 結(jié)構(gòu)合理、工作穩(wěn)定、輸出性能良好的充電機(jī)對(duì)h x d 2 電力機(jī)車良好運(yùn)行以及將 來充電機(jī)技術(shù)改進(jìn)具有重要意義。 本文設(shè)計(jì)了充電機(jī)的主電路，并設(shè)計(jì)了不同充電方式下的控制方法，同時(shí)針 對(duì)不同控制方式進(jìn)行了試驗(yàn)分析?；诔潆姍C(jī)安全性能，功率等級(jí)以及應(yīng)用場(chǎng)合 的考慮，主電路拓?fù)溥x用的是帶隔離的半橋逆變電路。同時(shí)完成了對(duì)主電路中的 功率開關(guān)管i g b t 的選型工作，并對(duì)隔離變壓器進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，此外還對(duì)輸出濾 波電感和電容進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 分析了恒壓充電、恒流一恒壓充電、變電流間歇充電，變電壓間歇充電等充電 方法原理，考慮到充電機(jī)在機(jī)車上的運(yùn)行環(huán)境以及運(yùn)行穩(wěn)定性問題，不宜采用太 復(fù)雜的充電控制方法。因此主要針對(duì)常用的恒壓充電和恒流一恒壓充電方式進(jìn)行了 控制方法設(shè)計(jì)。本文基于定頻p w m 控制器s g 3 5 2 5 ，設(shè)計(jì)了恒壓充電控制電路。 通過電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了輸出恒定1 1 0 v 直流電壓的功能。由于蓄電池隨著充電 的進(jìn)行，內(nèi)阻是不斷增加的。恒壓充電前期，充電電流比較大，蓄電池會(huì)有發(fā)熱 的問題。因此為使機(jī)車蓄電池得到更好的充電效果，節(jié)約充電電能，并延長蓄電 池使用壽命，本文在恒壓充電的基礎(chǔ)上，研究了恒流一恒壓充電方式，設(shè)計(jì)了恒流 一恒壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路，采用電壓和電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)恒流充電自動(dòng)轉(zhuǎn)換到 恒壓充電功能。 本文還對(duì)充電機(jī)上使用的功率開關(guān)管的熱損耗進(jìn)行了分析，并使用i c e p a k 熱分析軟件對(duì)其散熱器進(jìn)行了建模分析，優(yōu)化了散熱器結(jié)構(gòu)。 最后，研制了一臺(tái)充電機(jī)樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了充電機(jī)功能，即：在恒壓 控制方式下，輸出1 1 0 v 恒定電壓，最大脈動(dòng)電壓在要求范圍內(nèi)；在恒流一恒壓控 制方式下，電路實(shí)現(xiàn)從恒流工作自動(dòng)轉(zhuǎn)換到恒壓工作的功能，從而驗(yàn)證了充電機(jī) 主電路設(shè)計(jì)和控制電路設(shè)計(jì)的正確性。 關(guān)鍵詞：充電機(jī)；恒壓充電；恒流恒壓充電：s g 3 5 2 5 分類號(hào)：t m 4 6 1 5 ， a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：r e c h a r g e ri sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n tu n i ti n l o c o m o t i v eh x d 2 b e s i d e st h es t o r a g eb a t t e r yc h a r g i n g ，i tw o r k s 緞as t a b l ell0 v a u x i l i a r yp o w e rs u p p l yw h i c hp r o v i d e se l e c t r i ce n e r g yt ot h ec o n t r o ls y s t e ma n ds i g n a l p r o d u c e dc i r c u i t d u r i n gt h ea c t u a lo p e r a t i o no fh x d 2l o c o m o t i v e ，m a n yp r o b l e m s a p p e a r e do nt h er e c h a r g e r t h i sw i l lb eag r e a tt e s tf o rt h em a i n t e n a n c eb e y o n dt h e w a r r a n t yp e r i o d i no r d e rt os o l v et h eh i d d e nt r o u b l e ，i ti st h em o s te f f e c t i v em e t h o dt h a t r e a l i z e sl o c a l i z a t i o nb a s e do ng r a s p i n gt h ek e yt e c h n o l o g yo fr e c h a r g e r i tw i l lh a v e i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et h a td e v e l o p i n gar e c h a r g e rw i t hr e a s o n a b l es t r u c t u r e ，s t a b l e w o r k i n g a n dg o o dp e r f o r m a n c eo f o u t p u tf o rg o o do p e r a t i o no fh x d 2e l e c t r i c l o c o m o t i v ea n di m p r o v e m e n to fr e c h a r g e rt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e t h i sp a p e rd e s i g n st h em a i nc i r c u i to ft h e r e c h a r g e r , c o n t r o lm e t h o d su n d e r d i f f e r e n tc h a r g i n gw a y s ，a n dd o e se x p e r i m e n t a la n a l y s i sf o rd i f f e r e n tc o n t r o lm o d e s i n c o n s i d e r a t i o no fs a f e t yp e r f o r m a n c e ，p o w e rr a t i n ga n da p p l i c a t i o n so ft h er e c h a r g e r ，t h e i s o l a t e dh a l f - b r i d g ec o n v e r t e rc i r c u i ti sa d o p t e di nt h em a i nc i r c u i tt o p o l o g y m e a n w h i l e ， t h ep o w e rt r a n s i s t o ri g b ti sc a r e f u l l ys e l e c t e da n di s o l a t e dt r a n s f o r m e ri sd e s i g n e da n d s t u d i e d m o r e o v e r , t h eo u t p u tf i l t e ri n d u c t o ra n dc a p a c i t a n c ea l ea l s od e s i g n e d i nt h i sp a p e r ，t h ep r i n c i p l e so ft h ec o n s t a n tv o l t a g ec h a r g i n g ，c o n s t a n tc u r r e n t c o n s t a n t v o l t a g ec h a r g i n g ，v a r i a b l ec u r r e n ti n t e r m i t t e n tc h a r g i n g ，v a r i a b l ev o l t a g e i n t e r m i t t e n tc h a r g i n g ，e t ca r ea n a l y z e d c o n s i d e r i n gt h eo p e r a t i o ne n v i r o n m e n ta n d s t a b i l i t yp r o b l e mo ft h er e c h a r g e ri nt h el o c o m o t i v e ，t o oc o m p l e xc o n t r o l l i n gm e t h o d s f o rc h a r g i n ga r en o ts u i t a b l e t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rm a i n l ya i m sa tt h ec o n t r o l l i n g m e t h o dd e s i g no fu s u a lc o n s t a n tv o l t a g ec h a r g i n ga n dc o n s t a n tc u r r e n t - c o n s t a n tv o l t a g e c h a r g i n g b a s e do nt h ef i x e df r e q u e n c yp w m c o n t r o l l e rs g 3 5 2 5 ，t h ec o n t r o l l i n gc i r c u i t f o rc o n s t a n tv o l t a g ec h a r g i n gi sd e s i g n e d b ya d j u s t i n gu n d e rv o l t a g er e g u l a t i o nl o o p ，i t a c h i e v e st h ef u n c t i o no fp r o v i d i n gs t a b l ell0 vd c o u t p u t a st h eb a t t e r yi sc h a r g i n g ， t h ei n t e r n a lr e s i s t a n c ei si n c r e a s i n g b e f o r ec o n s t a n tv o l t a g ec h a r g i n g ，a st h ec h a r g i n g e l e c t r i cc u r r e n ti sl a r g e r ，t h eb a t t e r yw i l lh a v ea no v e r h e a t i n gp r o b l e m c o n s i d e r i n gt h e c h a r g i n gq u a l i t y , e n e r g ys a v i n ga n db a t t e r yl o n g e v i t y , t h ec o n s t a n tc u r r e n t - c o n s t a n t v o l t a g ec o n t r o lm e t h o di sr e s e a r c h e da n dt h ec o n s t a n tc u r r e n t - c o n s t a n tv o l t a g e a u t o m a t i cc o n v e r s i o nc i r c u i ti sd e s i g n e di nt h i sp a p e r b ya d j u s t i n gu n d e rv o l t a g ea n d c u r r e n tr e g u l a t i o nl o o p ，t h ef u n c t i o no ft h ea u t os w i t c hf r o mc o n s t a n tc u r r e n tm o d et o v 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 t h ec o n s t a n tv o l t a g em o d ei sr e a l i z e d f u r t h e rm o r e ，t h eh e a tl o s so ft h ep o w e rt r a n s i s t o ri nt h er e c h a r g e ri sa l s oa n a l y z e d i nt h i sp a p e r w i t ht h eh e a ts i n km o d e l i n ga n di t sa n a l y s i si ni c e p a k , t h es t r u c t u r eo fh e a t s i n ki so p t i m i z e d f i n a l l y , ar e c h a r g e rm a c h i n ei sd e s i g n e da n db u i l t b yd o i n gt h ee x p e r i m e n t s ，t h e f u n c t i o no ft h er e c h a r g e r , i n c l u d i n gll0 vs t a b l ed co u t p u tw i t h i nt h em a x i m u m f l u c t u a t eu n d e rt h ec o n s t a n tv o l t a g ec o n t r o la n dt h ea u t os w i t c hf r o mc o n s t a n tc u r r e n t m o d et oc o n s t a n tv o l t a g em o d ea r ea c h i e v e d t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t e t h ev a l i d i t yo fd e s i g ni n c l u d i n gt h em a i nc i r c u i ta n dt h ec o n t r o lc i r c u i t k e y w o r d s ：r e c h a r g e r ；c o n s t a n tv o l t a g ec o n t r o l ；c o n s t a n tc u r r e n t - c o n s t a n t v o l t a g ec o n t r o l ；s g 3 5 2 5 c l a s s n o ：硼m 4 6 1 5 、 2 1 主電路拓?fù)溥x擇：5 2 1 1非隔離式的d c d c 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析5 2 1 2隔離式的d c d c 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析6 2 1 3變換器對(duì)比分析與選擇7 2 1 4主電路原理分析8 2 2 高頻變壓器的設(shè)計(jì)1 l 2 2 1變壓器設(shè)計(jì)要求1 l 2 2 2變壓器設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題1 1 2 2 3變壓器參數(shù)計(jì)算1 2 2 3 功率開關(guān)管的選擇。1 3 2 3 1全控型開關(guān)管比較選擇1 3 2 3 2開關(guān)管參數(shù)選型1 4 2 4 輸出電感設(shè)計(jì)1 4 2 5 輸出穩(wěn)壓電容設(shè)計(jì)。15 2 6 副邊整流二極管的選擇1 6 2 7 隔直電容的設(shè)計(jì)1 7 2 8 主電路仿真分析1 7 2 9 本章小結(jié)1 9 3 充電機(jī)充電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 1 3 1d c d c 變換器一般控制策略2 1 3 2 脈寬調(diào)制芯片s g 3 5 2 5 介紹。2 1 3 3 蓄電池充電方法研究2 4 3 3 1充電基礎(chǔ)2 4 3 3 2常規(guī)充電方法：2 4 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 3 3快速充電方法2 6 3 4 恒壓充電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2 9 3 4 1工作原理框圖2 9 3 4 2脈沖發(fā)生電路3 0 3 4 3補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)3 0 3 4 4 過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)31 3 4 5恒壓閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真3 2 3 5 恒流恒壓充電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3 5 3 5 1工作原理分析3 5 3 5 2恒流恒壓自動(dòng)切換電路設(shè)計(jì)3 7 3 5 3脈沖發(fā)生電路。3 8 3 5 4限幅電路3 9 3 5 5采樣電路設(shè)計(jì)j 4 0 3 5 6 恒流恒壓控制系統(tǒng)仿真4 1 3 6 驅(qū)動(dòng)板的設(shè)計(jì)4 3 3 6 1驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要求。4 3 3 6 2驅(qū)動(dòng)電路原理4 4 3 6 3驅(qū)動(dòng)板過流保護(hù)功能測(cè)試4 7 3 7 本章小結(jié)4 8 4 充電機(jī)散熱分析。 4 9 4 1 功率開關(guān)管熱分析4 9 4 1 1功率開關(guān)管損耗分析4 9 4 1 2i g b t 模塊溫升計(jì)算5 l 4 2 散熱器的設(shè)計(jì)5 2 4 2 1散熱器建模分析5 2 4 2 2散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)5 3 4 2 3散熱器最大散熱量計(jì)算5 6 4 3 本章小結(jié)。5 7 5 實(shí)驗(yàn)5 9 5 1 恒壓控制方式下充電機(jī)試驗(yàn)。5 9 5 1 1 試驗(yàn)參數(shù)要求5 9 5 1 2試驗(yàn)結(jié)果分析。5 9 5 1 3滿功率下不同i g b t 工作散熱對(duì)比分析。6 l 5 2 恒流恒壓控制方式下充電機(jī)試驗(yàn)。6 2 目錄 5 2 1 試驗(yàn)參數(shù)要求6 2 5 2 2試驗(yàn)結(jié)果分析6 3 5 3 本章小結(jié)6 5 6 結(jié)論與展望 6 7 6 1 結(jié)論。6 7 6 2 有待完善的工作6 7 參考文獻(xiàn) 作者簡歷 獨(dú)創(chuàng)性聲明 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集 6 9 7 1 7 3 緒論 1 1選題背景及意義 1 緒論 隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國的鐵路事業(yè)也迎來了快速發(fā)展的機(jī)遇。鐵路 是國家的重要基礎(chǔ)設(shè)施，國家的大動(dòng)脈，大眾化交通工具，在綜合交通體系中處 于骨干地位，而且中國人口眾多，資源分布及工業(yè)布局不平衡，鐵路運(yùn)輸在各種 運(yùn)輸方式中占有更明顯的優(yōu)勢(shì)，在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有重要的地位與作用。 但在一段時(shí)間里，我國鐵路的運(yùn)輸能力不足，主要技術(shù)裝備總體水平不高， 運(yùn)能與運(yùn)量不相適應(yīng)的矛盾十分突出，中國鐵路為了提高技術(shù)裝備水平，提高運(yùn) 輸能力，瞄準(zhǔn)世界鐵路科技發(fā)展前沿，學(xué)習(xí)和借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)中國鐵路運(yùn)營 特點(diǎn)與實(shí)際需要，在貨物運(yùn)輸方面以發(fā)展重載運(yùn)輸作為主攻方向，以研究和采取 開行不同類型的重載列車運(yùn)輸方式作為鐵路擴(kuò)大運(yùn)輸能力，提高運(yùn)輸效率的重要 手段【1 1 。 2 0 0 3 年以來，中國鐵路全面推進(jìn)裝備現(xiàn)代化，通過技術(shù)引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新， 最終達(dá)到國產(chǎn)化的方式引進(jìn)了很多國外先進(jìn)的技術(shù)。h x d 2 型電力機(jī)車也是按這種 思路引進(jìn)的。h x d 2 型電力機(jī)車是中國北車集團(tuán)大同電力機(jī)車有限責(zé)任公司與法國 阿爾斯通共同研發(fā)中的交流傳動(dòng)干線貨運(yùn)電力機(jī)車。它是為中國大秦鐵路牽引2 萬 噸重載貨運(yùn)列車而設(shè)計(jì)的一種新型重載貨運(yùn)交流傳動(dòng)機(jī)車。該車設(shè)計(jì)遵循模塊化， 系列化，標(biāo)準(zhǔn)化和信息化的原則【2 】。其中，充電機(jī)模塊是機(jī)車輔助變流系統(tǒng)中一個(gè) 非常重要的組成模塊單元。它除了給機(jī)車上的蓄電池充電之外，還給機(jī)車提供穩(wěn) 定的1 1 0 v 輔助電源，主要用作為控制系統(tǒng)，信號(hào)發(fā)生電路供電。但h x d 2 型電力機(jī) 車在適應(yīng)運(yùn)行中，充電機(jī)出現(xiàn)了不少問題，這對(duì)出了保修期后的維修工作是個(gè)很 大的考驗(yàn)，而且維修成本較高。因此研制結(jié)構(gòu)合理、安全可靠、性能優(yōu)良的國產(chǎn) 化充電機(jī)，對(duì)機(jī)車良好運(yùn)行，節(jié)約維修成本，以及為以后充電機(jī)技術(shù)改進(jìn)具有重 要的應(yīng)用價(jià)值。 1 2 開關(guān)電源研究現(xiàn)狀 本充電機(jī)采用的是開關(guān)電源技術(shù)，通常將高頻整流器稱為一次電源而將直流 ( d c d c ) 變換器稱為二次電源，目前開關(guān)電源技術(shù)在充電電源中已得到了廣泛應(yīng) 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 用。自1 9 5 7 年第一只可控硅誕生以來，可控硅取代了體積笨重而且效率低下的硒 或氧化亞銅整流器件，在隨后的2 0 年內(nèi)，由于半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，可控硅的電壓、 電流額定值以及其它特性參數(shù)得到了不斷提高和改進(jìn)，雖然可控硅整流器工作穩(wěn) 定，但它是相控電源，工作于工頻，有龐大笨重的電源變壓器、電感線圈、濾波 電容，噪聲大，效率低，功率因數(shù)低，穩(wěn)壓精度也較低i j 4 j 。因此，自1 9 4 7 年肖克 萊發(fā)明晶體管以來，并在隨后幾年對(duì)晶體管性能不斷完善提高后，人們就著力研 究利用晶體管進(jìn)行高頻變換的方案。1 9 6 4 年，美國科學(xué)家提出了取消工頻變壓器 的串聯(lián)開關(guān)電源的設(shè)想，并在n e c 雜志上發(fā)表了“脈寬調(diào)制應(yīng)用于電源小型化”等 文章，為實(shí)現(xiàn)電源體積小型化和重量變輕的目標(biāo)奠定了良好的基礎(chǔ)。隨著大功率 硅晶體管的耐壓提高和二極管反向恢復(fù)時(shí)間的縮短等元器件性能的改善，1 9 6 9 年 終于做成了2 5 k h z 的開關(guān)電源。電源界把開關(guān)電源的頻率提高到2 0 z 以上稱為電 源技術(shù)的“2 0 k h z 革命 l a , 6 j 。經(jīng)過幾年的發(fā)展，開關(guān)電源的電路拓?fù)湫褪胶驮?件的性能都取得了較大的研究進(jìn)展。在電路拓?fù)湫褪缴祥_發(fā)出了單端正激式電路、 單端式反激電路、雙正激電路、雙反激電路、推挽電路、半橋電路、全橋電路， 以適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合、不同功率檔次的需要；在元器件方面，功率晶體管和整流 二極管的性能也有了較大的提高。在隨后的幾年中，大功率晶體管( g t r ) 和功率場(chǎng) 效應(yīng)管( m o s f e ，d 相繼被研制出來【，j ，其電壓、電流額定值大為提高，工作頻率也 提高較多，可靠性也顯著增加。隨著微電子學(xué)的發(fā)展和元器件生產(chǎn)技術(shù)的提高， 相繼開發(fā)出了耐壓高( 4 0 0 5 0 0 v ) 的功率場(chǎng)效應(yīng)管( v m o s ) 和高電壓、大電流的絕緣 柵雙極性晶體管( i g b t ) ，具有軟恢復(fù)特性的大功率高頻整流管，各種用途的集成 脈寬調(diào)制控制器和高性能的鐵氧體磁芯，高頻用的電解電容器，低功耗的聚丙烯 電容等。主要元器件技術(shù)性能的提高，為高頻開關(guān)電源向大功率、高效率、高可 靠性方向發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。 1 3論文的主要工作 本文在開關(guān)電源技術(shù)的基礎(chǔ)上，為了使h x d 2 電力機(jī)車充電機(jī)能在機(jī)車上穩(wěn) 定運(yùn)行，對(duì)充電機(jī)的主電路拓?fù)涞倪x取、參數(shù)設(shè)計(jì)、控制方式以及試驗(yàn)進(jìn)行了深 入研究。論文的主要工作及內(nèi)容如下： 第一章介紹了提出研究h x d 2 電力機(jī)車充電機(jī)的背景以及研制該充電機(jī)的意 義，闡述了開關(guān)電源的研究現(xiàn)狀。 第二章介紹了充電機(jī)主電路的設(shè)計(jì)，包括主電路拓?fù)溥x擇，高頻變壓器的設(shè) 計(jì)，功率開關(guān)管的選型，輸出電容，電感的設(shè)計(jì)等，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)的主電路進(jìn)行了 2 緒論 m a t l a b 仿真。 第三章分析對(duì)比了常規(guī)充電方式和快速充電方式特點(diǎn)?？紤]到充電機(jī)在機(jī)車 上的運(yùn)行環(huán)境和穩(wěn)定性，針對(duì)恒壓充電和恒流一恒壓充電方法，基于集成p w m 脈 沖芯片s g 3 5 2 5 強(qiáng)大功能，設(shè)計(jì)了恒壓充電控制方式和恒流一恒壓充電控制方式。 恒壓充電控制方式采用電壓閉環(huán)控制。恒流一恒壓采用的電壓，電流雙閉環(huán)控制， 通過設(shè)計(jì)取最小值電路，使電壓和電流閉環(huán)自動(dòng)切換工作，以實(shí)現(xiàn)電路從恒流工 作階段自動(dòng)切換到恒壓工作階段。此外，還對(duì)i g b t 驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 第四章主要分析了開關(guān)管i g b t 的損耗，計(jì)算了i g b t 溫升大小，同時(shí)使用熱 分析軟件對(duì)i g b t 的散熱器進(jìn)行了建模分析，優(yōu)化了散熱器的結(jié)構(gòu)，分析了i g b t 工作時(shí)在散熱器上的溫度分布情況，最后計(jì)算了散熱器的最大散熱量，驗(yàn)證了散 熱器可散出i g b t 的損耗量。 第五章是實(shí)驗(yàn)部分，研制了一臺(tái)充電機(jī)樣機(jī)，針對(duì)恒壓控制方式和恒流恒壓 控制方式分別進(jìn)行了試驗(yàn)，恒壓方式下輸出電壓波形良好，最大電壓波動(dòng)在要求 范圍內(nèi)，工作性能穩(wěn)定。恒流恒壓方式下，實(shí)現(xiàn)了電路先恒流工作，后自動(dòng)切換 到恒壓工作的性能，充電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。 3 充電機(jī)主電路設(shè)計(jì) 2 充電機(jī)主電路設(shè)計(jì) 充電機(jī)主要由主電路和控制電路兩部分組成。主電路部分實(shí)現(xiàn)功率的轉(zhuǎn)換和 隔離?？刂齐娐穭t是對(duì)主電路能量的傳遞進(jìn)行控制，以得到需要的輸出結(jié)果。主 電路的拓?fù)浜吞匦灾苯佑绊懙匠潆姍C(jī)整體性能，同時(shí)也決定了控制電路的復(fù)雜程 度。 2 1 主電路拓?fù)溥x擇 充電機(jī)要求輸入直流電壓5 4 5 v ，輸出1 1 0 v 直流電壓，額定功率1 4 k w ，開關(guān) 頻率1 0 k h z 。充電機(jī)實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)d c d c 變換過程。目前常用的d c d c 變換電 路包括兩大類，一類是非隔離式的，一類是隔離式的。 2 1 一非隔離式的d c d c 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析 常用的非隔離式的d c d c 變換電路主要有升壓變換電路，降壓變換電路， 升降壓變換電路和丘克變換電路四種【剮，其電路原理圖如圖2 1 所示。 l dsl ( a ) 升壓變換電路 ( c ) 升一降壓變換電路 + 一一 d j = 川 ( b ) 降壓變換電路 + l 一廠 j ? r s7 0 以 ! ( d ) 丘克變換電路 一 砜 + 圖2 - 1 非隔離式d c d c 變換電路 f i g 2 - 1n o n - i s o l a t e dd c 一1 3 2c o n v e r t e r 升壓型( b o o s t ) 電路輸入和輸出為同極性，當(dāng)開關(guān)s 導(dǎo)通時(shí)，電感儲(chǔ)存能量， 當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，輸入電壓和電感上儲(chǔ)存的能量一起傳遞到輸出電壓，使輸出電壓 5 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 高于輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)升壓效果。輸出電壓的大小與電感上儲(chǔ)存的能量大小有 關(guān)，所以可以控制開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間也即控制脈沖的占空比來對(duì)輸出電壓實(shí)現(xiàn)控制。 b o o s t 電路輸入電流脈動(dòng)比較小，輸出電流脈動(dòng)比較大。 降壓型( b u c k ) 電路輸入和輸出為同極性，當(dāng)開關(guān)s 導(dǎo)通，輸入電壓通過電感 向輸出傳遞能量，同時(shí)電感上也會(huì)儲(chǔ)存一定能量，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電感向負(fù)載提 供能量，通過控制開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間來控制輸出電壓大小。b u c k 電路輸出電流脈動(dòng) 比較小，輸入電流脈動(dòng)比較大。 升降壓型( b u c k b o o s t ) 電路輸入和輸出極性相反，其輸出大小完全由儲(chǔ)存在電 感上的能量決定，輸出電壓可以大于輸入電壓，也可以小于輸入電壓。該電路輸 入輸出電流脈動(dòng)都很大。 丘克變換電路( c u k ) 輸出與輸入極性相反，該電路能降壓也能升壓，輸入輸出 電流脈動(dòng)都比較小，但不能空載運(yùn)行，而且電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。c u k 電路一般用于對(duì) 輸入輸出紋波要求較高的反相型開關(guān)穩(wěn)壓器。 2 1 2隔離式的d c d c 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析 隔離式變換器是在非隔離式變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加入變壓器。隔離變 壓器有兩個(gè)重要作用，一是起電氣隔離作用，它將輸出與輸入隔離開來。另一個(gè) 就是改變輸入與輸出電壓比，調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。常用的隔離式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括： 正激式、反激式、推挽式、半橋式、全橋式等【9 】，其電路如圖2 2 所示。 4 l y i j 。荔 ， ， 2 ( a ) 正激變換電路 + “ ( b ) 反激變換電路 ( c ) 推挽式變換電路 6 ( d ) 半橋變換電路 + 充電機(jī)主電路設(shè)計(jì) d l l ( e ) 全橋變換電路 圖2 - 2 隔離式d c d c 變換電路 f i g 2 - 2i s o l a t e dd c d cc o n v e r t e r 以上各種電路特點(diǎn)為： ( a ) 正激式電路簡單可靠，常用于數(shù)百瓦至數(shù)千瓦的中小功率開關(guān)電源中。但正 激電路變壓器的工作點(diǎn)僅處于磁化曲線平面的第一象限，變壓器的利用率不高， 而且在同樣的功率條件下，其變壓器體積、重量和損耗比較大。因此，在應(yīng)用環(huán) 境比較惡劣，比如干擾很強(qiáng)的環(huán)境下而且對(duì)電源的體積和效率要求不高的場(chǎng)合， 采用正激電路比較適合。 ( b ) 反激式電路使用元器件比較少，成本較低，使用在數(shù)瓦至數(shù)十瓦的小功率開 關(guān)電源中較多。由于該電路變壓器的工作點(diǎn)與正激電路類似，也僅處于磁化曲線 平面的第一象限，變壓器利用率不高，而且開關(guān)器件承受的電流峰值很大，所以 不適合用于較大功率的場(chǎng)合。 ( c ) 推挽式電路的變壓器為雙向激磁，開關(guān)通態(tài)損耗較小，電路驅(qū)動(dòng)比較簡單， 適用于低電壓，大電流的場(chǎng)合。 ( d ) 半橋式電路中變壓器也為雙向激磁，利用率比較高，且沒有偏磁問題，在數(shù) 百瓦至數(shù)千瓦的開關(guān)電源中應(yīng)用很多。與全橋型電路相比，半橋型電路開關(guān)器件 數(shù)量少，電流等級(jí)要大一些，開關(guān)關(guān)斷承受電壓為輸入電壓，在相同功率條件下 成本比全橋的低。 ( e ) 全橋式電路中變壓器也是雙向激磁，適合于中大功率場(chǎng)合，相同電壓和電流 容量的開關(guān)器件時(shí)，全橋電路輸出功率最大，但其使用開關(guān)管較多，電路結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，成本比較高，可靠性相對(duì)較低。 2 1 3變換器對(duì)比分析與選擇 綜合上述對(duì)各種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合本次設(shè)計(jì)的實(shí)際需要，選擇適 用于本次設(shè)計(jì)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 本次設(shè)計(jì)的充電機(jī)滿功率時(shí)，輸出電流比較大，出于安全的考慮，需將輸入 7 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 輸出電氣隔離開來，非隔離式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因其不能將輸入與輸出隔離，在本次 設(shè)計(jì)中是不可取的。 在上一節(jié)所介紹的各個(gè)隔離式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，正激式和反激式均屬于單端輸入 式變換器。其輸出功率較小，適用小功率場(chǎng)合，而且變壓器磁芯磁通密度曲線僅 工作于第一象限，磁芯容易飽和，導(dǎo)致變壓器激磁電流激增，開關(guān)管容易被損壞。 推挽式變換器輸出功率較大，但電路中每個(gè)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)都要承受兩倍輸入 電壓，從而使得其對(duì)開關(guān)管要有較高的耐壓能力，而且，變壓器繞組利用率比較 低，容易出現(xiàn)偏磁現(xiàn)象。所以推挽適合運(yùn)用在輸入電壓低的開關(guān)電源中。 半橋電路輸入由兩個(gè)串聯(lián)的電容并上兩個(gè)串聯(lián)的開關(guān)管組成，兩個(gè)電容容量 和耐壓都相同，起到均壓的作用，通過控制兩個(gè)開關(guān)管交替開通和關(guān)斷，在變壓 器原邊產(chǎn)生電壓大小為輸入電壓一半的高壓開關(guān)脈沖，再經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn) 功率輸出。與全橋電路相比，半橋電路開關(guān)器件數(shù)量少一半，實(shí)現(xiàn)同等功率的成 本相對(duì)較低，而且它有良好的抗不平衡能力，能有效防止偏磁現(xiàn)象。 全橋電路與半橋原理相似，主電路采用了四個(gè)開關(guān)管，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本 高，可靠性比半橋型電路要低一些。 經(jīng)過上述分析，結(jié)合充電機(jī)設(shè)計(jì)需要及其實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要在半 橋和全橋電路中間選擇。兩者都具有輸出功率大，且每個(gè)開關(guān)管最大只承受輸入 電壓等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于半橋式變換器，高頻變壓器輸入端電壓幅度只有輸入電壓的一 半，而且半橋電路只有兩個(gè)開關(guān)管，控制復(fù)雜程度比全橋的低，尤其在機(jī)車上， 半橋電路更可靠。而且半橋電路的兩個(gè)開關(guān)管較全橋的四個(gè)開關(guān)管成本更低。 此外，與全橋電路相比，半橋電路還具有良好的抗不平衡能力，能有效防止 偏磁現(xiàn)象。因此，結(jié)合本次設(shè)計(jì)的功率要求，同時(shí)考慮成本、可靠性等因素，在 此采用半橋電路作為充電機(jī)的主電路拓?fù)洹?2 1 4主電路原理分析 經(jīng)以上內(nèi)容分析，主電路選擇了隔離式的半橋逆變電路，如圖2 3 所示。圖 2 - 4 為半橋逆變器半個(gè)周期內(nèi)s 1 導(dǎo)通和截止開關(guān)狀態(tài)的等效電路，另外半周期s 2 導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)與s l 的相同，下面只分析s l 導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)情況【1 們。 8 充電機(jī)主電路設(shè)計(jì) 當(dāng)c 。 + 巴 c l2 s 1 = 吆 弓= ： , 野v d z s 2 - - 惚 l 哐nzvd圈, y 叫c 樹 1：u 圖2 - 3 充電機(jī)主電路 f i g 2 3m a i nc i r c u i to f t h er e c h a r g e r 惕 l 嗎 l ( a ) 半周期內(nèi)s l 導(dǎo)通等效電路( b ) 半周期內(nèi)s 1 關(guān)斷等效電路 圖2 - 4 半周期內(nèi)開關(guān)s 1 導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)等效電路 f i g 2 - 4e q u i v a l e n tc i r c u i tw h e ns 1o no ro f f d u r i n gah a l f p e r i e d 具體工作過程如下： ( 1 ) t = t o 時(shí)，s l 上加正觸發(fā)脈沖導(dǎo)通，變壓器原邊繞組n l 上加上1 2 v m 電源電 壓，v d 3 正偏導(dǎo)通，v d 4 反偏截止，副邊電流流過電感l(wèi) 儲(chǔ)能，并對(duì)輸出電容c 4 充電，同時(shí)為負(fù)載r 提供電流。電感l(wèi) 中電流在方波電壓作用下線性增長，在t - = - w o n 時(shí)，電感l(wèi) 中的電流達(dá)到最大值i 岫，因此在t - t o n 這段時(shí)間內(nèi)電感電流的增長量 屯( + ) 為： ：翌1 n f 2 _ v , ( 2 1 ) ( 2 ) 當(dāng)t = t o n 時(shí)，s 1 關(guān)斷，起工作等效電路如圖2 - 4 ( b ) 圖所示。電感l(wèi) 中的 電流不能突變繼續(xù)按原方向流動(dòng)，原邊電流通過d 2 續(xù)流，a ，b 兩點(diǎn)電壓由正變 負(fù)，變壓器副邊二極管v d 4 也導(dǎo)通，將副邊電壓鉗位在零。因此，在t o n 1 2 t s 期間，二極管v d 3 ，v d 4 各流過一半負(fù)載電流，電感l(wèi) 中的電流逐漸減小，i l v 肌。在這段期間，電感電流的減少量岔，- 、為： 礦 7 1 屯( 一) = 摯( 等一7 葫) ( 2 - 2 ) l二 半個(gè)周期內(nèi)，電感電流的增加量與減少量相同，即屯( + ) = 屯( 一) ，可得： 9 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 雨r o r s 吲：半 由此可算出電流連續(xù)條件下的輸出電壓v o 為： 毛籌圪。 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 3 ) 在仁三冬時(shí)，開關(guān)管s 2 導(dǎo)通，以下過程與t = = t 0 ，仁t 嘰相似，只是變壓器 原邊電流，原邊電壓副邊電壓跟前半周期的反相，數(shù)值關(guān)系不變。 z 吼 吒 k 。p 七= = j 一 一 l 弋，+ j l ， - 一 怫 卜 一一 圖2 - 5 半橋電路主要波形 f i g 2 - 5m a i nw a v e f o r m so fh a l f - b r i d g ec i r c u i t 1 0 f f f f f f f f 充電機(jī)主電路設(shè)計(jì) 2 2高頻變壓器的設(shè)計(jì) 2 2 1 變壓器設(shè)計(jì)要求 在選擇高頻變壓器時(shí)，應(yīng)滿足以下要求： ( 1 ) 當(dāng)輸入電壓最高，占空比又最大時(shí)，磁芯不會(huì)飽和。 這是由于當(dāng)磁芯進(jìn)入飽和區(qū)工作時(shí)會(huì)使傳遞波形失真，變壓器的飽和程度與 磁芯的最大工作磁通密度有關(guān)。所以要使磁芯不飽和，就必須使磁芯最大工作磁 通密度b m 小于b 。砒( b s a l 為磁芯由線性區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)的臨界磁感應(yīng)強(qiáng)度) 。確定了 b m 后，就可以決定原邊線圈的匝數(shù)，對(duì)于多開關(guān)電路有： “2 皆2 bs ( 2 - 5 )j 一 、， 式中s 為磁芯截面面積，v i 舢觚為最大輸入電壓值，t 0 衄瞰為最大導(dǎo)通時(shí)間，設(shè)計(jì) 時(shí)應(yīng)使實(shí)際原邊匝數(shù)大于n d 。 ( 2 ) 使原、副邊線圈之間的漏電感盡量小。漏電感越小，波形傳遞的失真度就越小。 為了達(dá)到這一要求，可以采用原邊線圈和副邊線圈分層交替繞制法，使副邊線圈 繞的位置平均一些。 ( 3 ) 當(dāng)變壓器在額定功率下運(yùn)行時(shí)，溫升不應(yīng)很大，應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。 ( 4 ) 盡量使變壓器原邊和副邊的損耗相同，確保銅耗和鐵耗相同，銅耗代表可變損 耗，鐵耗代表不變損耗，當(dāng)可變損耗和不變損耗相同時(shí)，可使變壓器的效率達(dá)到 最高【1 1 , 1 2 。 2 2 2變壓器設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題 變壓器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意瞬間飽和的問題，變壓器飽和將意味著變壓器的勵(lì)磁電 流急劇增加，這將有可能導(dǎo)致與之連接的功率開關(guān)管將承受極大的電流和電壓， 嚴(yán)重時(shí)將直接損壞。尤其在變壓器接通電源時(shí)，變壓器要經(jīng)歷一個(gè)合閘過程才會(huì) 進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，合閘第一個(gè)周期磁通密度的幅值將隨合閘瞬間的相位以及剩磁密度b r 的方向不同而異，其最大值將是工作磁通密度幅值b m 的2 倍與剩磁密度b r 之和， 即：b m 娃- 2 b m 十b r 。工作磁通密度太大將有可能導(dǎo)致變壓器瞬間飽和。欲解該問 題，可以有以下兩種思路i l 川： a )降低啟動(dòng)時(shí)的工作磁通密度。具體可以通過選擇較低的工作磁通密度，使 b l 3 b s ?；蛘咄ㄟ^降壓啟動(dòng)，即在合閘瞬間設(shè)法降低輸入電壓。還可以通過窄脈 沖啟動(dòng)，在同樣的輸入電壓條件下，磁芯的磁通與施加方波電壓半周期持續(xù)的時(shí) 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 間成正比，合閘時(shí)設(shè)法減小功率開關(guān)管的導(dǎo)通寬度，亦能防止變壓器飽和。 b )增大最大工作磁通密度大小，即增大使變壓器飽和電流的極限值。該方法 可以通過增加鐵芯的氣隙來實(shí)現(xiàn)。由圖2 - 6 可以看出，由于增加了氣隙，空氣導(dǎo)磁 率小于硅鋼片導(dǎo)磁率，同樣磁路長度下，磁阻大為增加，磁化曲線發(fā)生改變，達(dá) 到最大磁通密度而發(fā)生飽和的電流值加大，氣隙越大，磁飽和所需要的電流越大。 根據(jù)電流大小即可以確定氣隙長度。 2 2 3變壓器參數(shù)計(jì)算 圖2 - 6b h 曲線圖 f i g 2 - 6b - hc u r v e s ( 1 ) 磁芯的選擇 變壓器的輸出功率為p o 為1 4 0 0 0 w 。視在功率為： 弓= 露咭+ 2 ) = 1 4 0 0 0 ( 志+ 2 ) 。3 4 5 3 2 w ，7u 咒i 可以算出功率容量a d 的大小。 4 = 氟p r x1 0 4 聲- = ( 3 4 5 3 2 胍x 1 0 叭4 必, = 3 4 翻n 4 式中：硒為窗口利用系數(shù)；k f ，x 為磁芯結(jié)構(gòu)系數(shù)；k i 電流密度系數(shù)； 磁感應(yīng)強(qiáng)度。 根據(jù)公式： ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) b w 為工作 a p = & w ( 2 8 ) ( a e 為磁芯有效截面積；為磁芯