铁道客车全自动整流器的研制及应用

邹继行 孙海波 尚利军

摘要：针对25型双供电客车的电气功能缺失问题，研制了AC 220 V/DC 48 V全自动开关式整流器。该整流器采用了3+1冗余并联设计，自动均流，具有功率大、体积小、安全可靠、智能运行的特点。

关键词：铁道客车；全自动；整流器

1. 双供电客车电气功能缺失问题和应对方案

目前，在运用客车中有一批25B、25G型双供电的餐车或软卧车，其AC 380 V/220 V电源由悬挂的30kW柴油发电机组提供或由发电车集中提供，为空调机组供电：其DC48 V电源由悬挂的J5型5kW感应式发电机提供，为全车照明、直流电风扇等供电。该批车既可编挂到空调列车中，也可编挂到普通列车中，还可单独编挂（专运）。

该批车存在着严重的电气设计功能缺失问题：在单独编挂(专运)或编挂到空调列车(仅此一个母车)中时，一旦车速低、停车时间过长或J5型发电机故障时，会发生蓄电池放亏，全车灭灯，由于无整流电源装置，即使有交流电，也无法供直流照明。这种情况在实际运用中多次发生，影响了列车正常运行。

为了彻底解决该批车存在的交流电不能转换成直流电的问题，拟在此类客车的乘务间加装电源转换装置——全自动开关式整流器，输入AC 220 V，整流输出DC 48 V；其直流输出端并接于照明配电箱的L、D一端。当客车编挂到空调列车中或单独编挂（专运）时，正常情况下J5型发电机提供直流电源；一旦J5型发电机故障，全自动开关式整流器自动投入工作，将交流电转换成DC 48 V输出，以避免直流断电。由于大功率的客车全自动开关式整流器目前无定型产品，故需要立项研制。

2. 客车全自动整流器研制中面临的主要难题

双供电客车的最大负载直流电流可达到45 A（不含充电电流）。从负载、体积、散热、安全等几方面考虑，开关整流器的输出功率选定为2.5 kW比较合适。

研制中需要解决以下难题：

1. 高安全性与可靠性。由于整流器安装在客车上，尤其是安装于专运客车上，要求其能够长时间安全、可靠地运行。

2. 功率与体积、散热的矛盾。整流器功率大，其体积就大，发热也大，而客车乘务间空间不大且不通风，故要求研制的整流器既要满足大功率的要求，又要满足体积小、散热快的要求。

3. 输出电压不一致问题。车上装有DC 48 V蓄电池，而J5型发电机输出电压为DC 60 V，整流器输出为DC48 V。3个直流电源装置（蓄电池、J5型发电机、整流器）输出均并接于负载端，不能同时向负载供电。当J5型发电机工作时，整流器需可靠关断并处于热备用状态；只有当J5型发电机不发电且蓄电池电压低于设计值时，整流器才能工作，同时需防止“电压失控”及“电流倒灌”。

4. 临界点及蓄电池过放问题。在J5型发电机处于初始发电状态或不完全发电状态（即处于控制装置设计的临界值状态），或者在J5型发电机不发电且蓄电池电压低于DC 40 V时(此时蓄电池充电电流大且超载)，整流器如何工作是需要解决的难题。

5. J5型发电机状态判断问题。如何判断J5型发电机的工作状态（如J5型发电机发出交流电但其控制箱故障不输出直流电），通过何种参数来检测、判别J5型发电机的工作状态，这需要通过测试试验才能解决。

6. 电磁兼容及电流冲击问题。①整流器中有高频电路，需防止产生过高的高频辐射而干扰别的设备；②整流器应具备一定的抗干扰能力；③由于整流器完全自动运行，需要避免在送电瞬间设备满负载启动时造成大电流冲击。

7. 输入输出问题。30 kW柴油发电机启动时三相输出交流电压和频率有可能不稳定，因此要求整流器能够适应宽范围的输入电压、频率。

8. 结构设计问题。由于安装空间有限，要求整流器体积小、功率大、重量轻，且要方便检修。

9. 安装问题。由于要安装在软卧车、餐车上，因此要求整流器能适应不同车型的安装，安装后要与乘务间配电柜及其他设备形成整体，达到美观之目的。

3. 整流单元及控制单元设计

1. 整流单元电路设计

整流单元由前级电路、后级电路及辅助电路组成。前级电路主要由输入滤波器（EMI）、整流电路（AC/DC）、升压/功率因数补偿电路（PFC）组成；后级电路由单端正激拓扑结构电路、PWM控制器电路、输出滤波电路组成；辅助电路由输出过压、输出限流、输出短路、超温与极性防反等保护电路组成。

输入滤波器 EMID采用双x型低通滤波器，主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰；整流电路的作用是将AC 220 V整流滤波后得到不含谐波成分的直流；采用升压/功率因数补偿电路（PFC）是为了解决输入交流电压、频率不稳定的问题，以提高精度与功率因数。

单端正激拓扑结构电路电压低，输出电流大，电路简单，效率及可靠性高，是DC/DC功率变换的首选电路；PWM控制器电路采用专用集成块，通过取样、电压电流反馈环节来控制脉宽，从而控制开关器件的导通，保证输出电压稳定。

2. 控制单元电路设计

控制单元电路包含参数检测、显示与智能控制。检测电路自动检测电池电压、各整流单元输出电压及电流、系统输出总电流、各整流单元的运行状况等，通过微处理器检测J5型发电机的频率。

控制单元的设计原则是：通过检测电池电压和J5型发电机的频率、线电压、负载电流，来确定整流器的启动和停止。当J5型发电机输出频率低于38 Hz、电池电压低于DC47V或线电压低于15 V、电池电压低于DC47 V时，控制单元发出启动信号，启动1号~3号整流单元；当J5型发电机频率高于40 Hz或电池电压高于DC 50V时，控制单元发出关断信号，关断1号~3号整流单元，实现直流电源的自动转换；当检测的输出总电流大于30A或1号~3号整流单元中任一个发生故障时，启动4号整流单元^【1】。

输出过压保护电路的作用是当输出电压超过设计值时，把输出电压限定在安全值的范围内，防止损坏后级用电设备；输出限流保护电路的作用是在超载时降低输出电压，如果蓄电池电压太低，充电电流必然增大，超过限流值后，整流单元会自动降低输出电压；输出短路保护电路的作用是在输出端短路时自动关断开关电路，停止输出；超温保护电路的作用是在工作温度上升至75℃左右时，停止整流单元工作，以保护开关元件；极性保护电路的作用是防止外部电压高于输出值时造成“电流倒灌”现象。采用延时和软启动的技术，是为了解决大电流冲击问题。控制单元面板上安装数字电流表、电压表，显示输出总电流、输出电压。

3. 整流器结构设计

由于客车乘务间空间小，为减小整流器体积及方便接线、维修，经多次优化设计和组装，采用了积木结构、抽屉式设计。每个单元上安装导轨，各单元按抽屉方式进行排列组合，接线、更换单元时，只要将单元抽出来即可^【2】。

4. 整流器主要技术特点

1. 采用3+1冗余并联运行及智能备份的结构方式，开创了客车开关式整流电源的新技术，电源功率大、体积小、安全可靠性高；具有输出电压恒定、智能控制、自动转换的功能；具备输出过压保护、限流保护、短路保护、超温保护、极性保护的功能。

2. 整流单元设计成前（(AC/DC）、后级（DC/DC）串联的电路，而不是简单的AC/DC电路。通过前级预稳压来提高电磁兼容性，使整流器能在输入电压AC 100 V～260 V的宽范围内满载输出；后级采用单端正激拓扑结构，使得电路简单、高效。

3. 运用分散控制设计理念和积木结构方式，将装置分散设计制作，各自独立运行，使整流器具有很高的可靠性、安全性及很好的兼容性、实用性。采用独特的抽屉式结构设计，使安装调试和维护检修变得简单方便。

总结：研制开发的25型客车全自动开关式整流器通过了相关的技术鉴定，在不需要大改动且不影响原外观的情况下，巧妙地解决了双供电客车无DC48 V整流器的电气功能缺失问题。目前，客车全自动开关式整流器已在25型双供电客车上装车运用，至今运行稳定，安全可靠。客车全自动整流器也可作为直流电源和充电机，具有较高的推广价值和广泛的应用前景。

参考文献：

1. 王增福，等.软开关原理与应用[M].北京：电子工业出版，2007.

2. 陈道炼.DC-AC逆变技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，

2003.