铁路机车空调电源的设计

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 380±9V，50±0.5 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 210±10V；
    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500mm×376 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。