电力机车辅助变流系统相控电路的研究设计①

赵立永 张全柱 邓永红

(华北科技学院电子信息工程学院，北京东燕郊 101601)

电力机车辅助变流系统相控电路的研究设计①

赵立永②张全柱 邓永红

(华北科技学院电子信息工程学院，北京东燕郊 101601)

本文以电力机车辅助变流系统的相控系统为研究对象，设计了相控系统的触发脉冲形成电路、触发脉冲调制电路和闭环控制电路。并对各部分电路进行了设计分析和实验测试数据，得出所设计的相控整流系统能够很好的满足电力机车对系统的运行要求。

辅助变流系统;相控整流;触发脉冲

0 引言

由于铁路技术的不断发展，电力机车对辅助变流系统的要求也在不断的提高(电力机车辅助变流系统由电力机车上的各类辅助电机和辅助变流器构成)。相控整流电路作为电力机车辅助变流系统的重要组成部分，运行的稳定与否直接决定着电力机车是否能够运行。目前在系统稳定和快速响应方面已不能满足电力机车的运行要求。因此，对电力机车辅助变流系统相控整流电路进行重新设计是非常必要的。

1 相控电路的硬件设计

1.1 触发脉冲形成电路

本文在设计触发脉冲形成电路时采用的芯片为KJ009。KJ009是双列直插式晶闸相管移触发集成电路，内部采用了反向阻断四极硅晶闸管作脉冲记忆，提高了抗干扰能力和触发脉冲的前沿陡度，脉冲的宽度有较大的调节范围。该芯片适用于单相、三相全控桥式供电装置中用晶闸管双路脉冲移相触发，其输出两路相位相差180°的移相脉冲可以方便地构成全控桥式触发线路。该集成电路具有输出负载能力大，锯齿波线性好、正负半周脉冲相位均衡度好、移相范围宽、同步电压要求低、有脉冲列调制输入等功能与特点。触发脉冲的形成电路如图1所示:

图1 触发脉冲形成电路

图2 触发脉冲调制电路

相控整流电路的交流输入电源经变压器变压后再经过电阻R2送到8管脚作为触发脉冲的同步信号.R2的阻值可按R2=(同步电压/2～3)×103(Ω)计算，经计算，R2=15 K。与管脚3和管脚4的电阻和电容形成锯齿波(锯齿波决定着触发脉冲的形成)，其值的大小决定锯齿波的陡度。与管脚11和管脚12的电阻值和电容值的大小决定了触发脉冲的宽度。典型值为R8+R9=30K。管脚1和管脚15为调制后的触发脉冲输出端，输出的触发脉冲经脉冲放大电路送到晶闸管上，从而控制晶闸管的导通和关断。管脚9由三个输入型号叠加而成，三个输入信号为锯齿波、负偏移电压和PI调节器的输出信号。在9管脚端的电压的大小决定了触发脉冲的控制角。管脚13输出的为待调制的触发脉冲，管脚14为经过KJ042调制后的触发脉冲输入端。

1.2 触发脉冲调制电路

KJ009形成的触发脉冲不能直接送到脉冲变压器，每一个触发脉冲需要经过调制形成一定频率的脉冲序列，本文以KJ042为核心设计了触发脉冲调制电路。KJ042脉冲列调制形成器主要适用于作晶闸管三相桥式全控整流电路的脉冲列调制源，同样也适用于三相半控、单相半控、单相全控线路中作脉冲列调制源。该芯片具有脉冲占空比可调性好、频率调节范围宽、触发脉冲上升沿可与同步调制信号同步等优点。触发脉冲调制电路其构成如图2所示。

图3 闭环控制电路

待调制的触发脉冲经KJ009的13管脚输出接到KJ042的管脚2(由于是单相整流，管脚4和管脚12不用，所以经1K电阻直接接地)。调制脉冲的频率由管脚6、管脚10和管脚11之间接的电容C12和R16、R17决定，其计算频率的公式为f=1/(T1+T2)，其中T1=0.693×R16×C12，T2=0.693×C2×［R16×R17/(R16+R17)］式中T1、T2为导通半周和截止半周的时间。由上式可知，选取合适C12和R16、R17就可以得到满意的触发脉冲调制序列。本文所设计的触发脉冲序列为10kHz左右。调制后的触发脉冲经KJ042的8管脚送入KJ009的14管脚。

1.3 闭环控制电路

为了使相控电路的输入电压在AC794 V(+24%-32%)范围内变化时，相控电路的输出电压稳定精度小于+5%-10%，我们设计了闭环控制电路。闭环控制电路由输出电压的检测、检测信号的调理以及PI调节器构成。本文在设计输出电压的检测电路时采用了TBV10/25A霍尔(LEM型)电压传感器，TBV10/25A系列电压传感器的初、次级之间是电气隔离的，可用于测量直流、交流及脉冲电压。

将相控的输出电压经电阻入到电压传感器的输入的“+、-”两端，由电压传感器的原副线圈匝数比为2500:1000，可得从电压传感器的O/P端输出的电流放大倍数为2.5倍，再经检测电阻3R1传输到运算放大器U2A，U2A是一个反相比例运算放大器，将可调电阻调试到合适位置。于是，U2A的输出电压时事的体现了相控输出电压的大小。从电压测量端口处就可以得到电压检测值。U1B及其电阻和电容构成PI调节器。UG为给定电压(正值)，其值的大小决定了相控输出电压的大小。U2A的输出电压为PI调节器的反馈输出电压(负值)，两个电压的差值经过比例积分运算，其输出经U1A反号器输入到KJ009的9管脚。当给定电压UG不变，而相控的输出电压随着输入电压变化时，就会引起PI调节器的输出电压发生变化，从而使KJ009的9管脚的电压发生变化。KJ009的9管脚变化的电压使相控的控制角发生变化，从而阻止相控的输出电压发生变化。这样，当相控的输入电压发生变化时，闭环控制电路可以有效的使相控的输出电压稳定在一个由UG确定的值上。

2 系统实验测试

我们对所设计的相控电路进行了实验测试，表1为相控系统闭环控制时不同输入电压时的输出电压，图4至图6是相控系统在测试运行时的各种输出波形(输出端没有加支撑电容)。

表1 相控系统闭环控制时不同输入电压时的输出电压

图4 同步信号和触发脉冲的输出波形

图5 输入电压为AC129V时的输出波形

图6 输入电压为AC129V时的输出波形

3 结论

本文以电力机车辅助变流系统的相控系统为研究对象，设计了相控系统的触发脉冲形成电路、触发脉冲调制电路和闭环控制电路。通过实验测试数据和波形我们可以得出，本文所设计的相控整流系统能够很好的满足电力机车的运行要求，有好的应用价值。

［1］ 王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.北京:机械工业出版社，2009

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［3］ 陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］，机械工业出版社，2003

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［5］ 张明勋.电力电子设备设计和应用手册.北京:机械工业出版社，1992

Design of electric locomotive auxiliary power supply system phased circuit

ZHAO Liyong，ZHANG Quanzhu，DENG Yonghong

(North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601)

In this paper，the electric locomotive auxiliary power supply system phased circuit as the research object，the phased system design of the trigger pulse form circuit，triggering pulse modulation circuit and closed-loop control circuit.It also part of the circuit design analysis.Finally，through the test data and waveform，we conclude that the design of phased system can meet the operation of the system of electric locomotive requirements.

auxiliary power supply system;phased rectifier;triggering pulse

U264.91

A

1672-7169(2012)-0067-03

2012-01-06

赵立永(1978-)，男，河北唐山人，硕士，华北科技学院电信系讲师，研究方向:电力电子与电力传动，传感器与检测技术。