一種新型架線電機車逆變電源裝置

我國煤礦井下架線電機車通常采用550V或250V電壓等級的直流電壓通過牽引電網供電，由於目前市麵上尚無與550V或250V電壓相對應的燈炮，因此，不論是廠家或是在生產現場，一般是通過以下兩種方式對牽引電網的電壓進行變換，從而形成兩種類型的照明信號裝置。一種是通過大功率電阻降壓後接127V或220V普通白幟燈；一種是采用逆變電源（直流變換器）將550V（250V）直流電壓轉換成24V（12V）穩定的直流低壓，配用抗震、光學性能良好的汽車或拖拉機的前大燈。

1 采用大功率電阻降壓式電源存在的問題

（1）效率低，降壓電阻要消耗掉大量電能。

（2）普通白幟燈的使用電壓較高，燈絲細長而其機械強度低，耐震性能差，損壞率很高，同時也不利於現場管理。

（3）白熾燈泡形體結構的設計分聚光型和散射型兩種，前者燈絲結構緊湊，位置要求嚴格，適合安裝在相應規格的聚光罩中，由於燈罩設計成拋物線形狀可將燈光反射到前方，在一定範圍內得到良好的照明效果。如：車用前大燈、放映燈泡及探照燈等。而後者的設計隻適合燈泡自身發散射到周圍，其燈絲的結構及安裝位置也不同於聚光型，如普通照明用的白幟燈泡等。目前機車用的前大燈都是後者，這顯然是不合理的。

（4）由於受煤礦井下環境條件差、運輸巷道長、軌道連接不好、網絡泄漏電流嚴重等不利因素影響，導致不同區域的供電電壓隨機車運行負荷的輕重，以及距牽引交流所距離的遠近不同而波動，其波動範圍為 - 15% ~ +20%，無穩定裝置的白熾燈泡在電壓高時經常出現燒壞燈泡現象；在電壓低時光照度又低，容易誘發行車02manbetx.com 。

2 采用逆變電源照明方式的優缺點。

（1）移植汽車的前大燈總成，具有良好的聚光特性和耐震性，能夠滿足煤礦井下電機車的使用要求。

（2）逆變電源轉換效率較高，一般在80%以上，節能效果可觀。

（3）逆變電源輸入端接入的電解電容不合理。由於網絡電壓高（最高達700V），加上運行時集電弓與架線的接觸又始終處於接觸不穩定狀態，而引起頻繁的充放電，使輸入熔絲燒斷或輸入電路部分損壞。

（4）逆變電源的關鍵器件--開關變壓器通常采用兩隻，每隻變壓器流過的電流是單方向的。從磁化曲線上可以看出它們工作在第一象限內，即隻利用了磁芯容量的一半。因而磁芯利用率低，並且由於磁材質量不好，頻率難以做高，磁芯損耗往往很大。上述因素決定了在逆變電源中變壓器的數量多、體積大、重量增加。由於體積及重量因素的存在，防震性能往往很差，這也是故障率高的原因之一。

（5）逆變電源的穩壓原理是靠控製開關管的R、C參數、導通周期而達到穩壓的目的。因此，這種電路在工作時頻率是不斷變化的，正常時為20kHz，空載時達1600kHz以上，易導致開關管內部損耗過大造成擊穿而損壞。

（6）逆變電源的關鍵器件--開關管的質量問題。據調查，市售高反壓開關管存在著同一型號在形態、管殼材料、顏色、性能參數等都有較明顯差異的情況有的售價僅幾元錢，這樣的開關管用於逆變電源上肯定是不行的。

（7）結構方麵。逆變電源裝在機車上，由於軌道的鋪設質量及機車行駛速度，使內部電子元件脫焊，損壞印製板焊盤，導致電源損壞，也是其損壞原因之一。

3 新型JND - 550（250）型逆變電源裝置

3.1 新型逆變電源裝置技術性能指標

額定輸入電壓：直流550V或直流250V；允許波動範圍：

直流440V ~ 660V（550V時）

直流210V ~ 300V（250V時）

輸出電壓：直流24±1V或直流12±1V

3.2 逆變電源裝置采用的主要技術措施

（1）采用高質量的金屬化紙介無極性電容器，替代輸入端的電解電容器。開關的衝擊狀態明顯降低，可選用更小的熔絲，從而提高整機工作的安全性。另外，這種電容器容量穩定，熱穩定也好，無電感特征，使用壽命長，並有安裝固定腳，其耐震性明顯優於電解電容器。

（2）采用1隻開關變壓器，由兩個開關管輪流導通，在原邊分別流過不同的勵磁電流，這樣副邊感應出不同極性的電壓，然後整流輸出。這樣就充分提高了磁芯的利用率，減小了體積，使電路更為合理、緊湊。

（3）選用新型高頻開關變壓器的磁性材料。在給定的工作頻率下，選擇具有較小的鐵芯損耗及較高的飽和磁感應強度和電阻率的磁性材料。體積小，成本低，是選擇的關鍵。故我們選用日本TDK公司最新推出的第三代鐵氧體作為逆變電源的開關變壓器磁芯，其性價比較為理想。

（4）自激式直流逆變電源經過一定的技術處理，其本身是能達到自動穩壓的，但這種工作方式的穩壓特點使變換器開關工作頻率隨輸入電壓和輸出電流的變化而變化。即在輸出電壓或輸出電流減小時其工作頻率會增高，尤其在直流變換器空載情況下（如車燈損壞、斷線、前後車燈轉換瞬間等），其工作頻率是正常工作電壓和滿載情況下的8倍以上，極易造成晶體管擊穿而損壞。為此，我們采取了後置式穩壓電路，即將架線網絡的輸入電壓，經DC - DC變換電路變為相應的低壓電路，然後在低壓電路部分再另設穩壓電路。這樣做就能將DC - DC變換電路的工作頻率設計在最佳狀態上，可以長期空載而不損壞電路。

（5）在結構方麵也進行了優化設計，其特點是：①增加印製板的機械強度，並增大焊盤麵積；②對體積較大的元器件采用膠墊、膠封固定以增加耐震強度；③整機殼體置於帶有防震裝置的固定架中，即使在劇烈的顛簸中，電源裝置也能工作穩定，狀態良好；④盡可能使設備小型化，以保證其具有較堅固的結構和較高的固有頻率，減小慣性力，提高抗震動和衝擊能力；⑤做好元器件的密封防潮處理。

以上措施保證了逆變電源裝置在煤礦井下潮濕、多塵環境及電機車劇烈顛簸情況下都能可靠地運行。不僅可為電機車的道路照明、紅尾燈提供穩定的低壓電源，還可為警號電笛、載波通訊等用途提供能量。經過3個多月的工業性試驗，除個別元件因焊接質量不好造成脫焊故障之外，該逆變電源裝置全部運行正常，性能穩定，效果較為滿意。同時現場使用人員一致反映，該逆變電源裝置設計結構合理，安裝維修及使用方便，操作靈活，工作安全可靠，適應煤礦井下潮濕、多塵、頻繁強烈的衝擊震動及電網電壓大幅度波動等惡劣環境，解決了長期以來架線電機車照明裝置性能質量與井下生產條件不相適應的難題，對提高井下電機車的運輸效率、減少電機車運輸02manbetx.com 、保障人身安全等具有十分重要的積極作用。

（安宜高）