铁路机车超宽输入稳定电源的设计

毕业设计论文第1页共13页毕业设计论文--------铁路机车“三项设备”超宽输入逆变电源姓名：任敏学号:230236330480年级：2002级专业：计算机信息管理学制层次：三年专科完成时间：2005-5-11毕业设计论文第2页共13页目录一概述1．电源在机车行车安全中的重要作用2．现行机车中车载仪器仪表的供电现状3．机车机车“三项设备”超宽输入逆变电源研制的必要性二机车机车“三项设备”超宽输入逆变电源的研制1．机车“三项设备”超宽输入逆变电源设计所要达到的技术指标2．机车“三项设备”超宽输入逆变电源的原理框图3.机车“三项设备”超宽输入逆变电源的工作原理4.机车“三项设备”超宽输入逆变电源各部分的工作原理及设计过程三总结毕业设计论文第3页共13页一概述1.电源在机车行车安全中的作用适应现代社会生活节奏加快的需要，铁路机车的提速运行是铁路运营发展的必然要求。高速运转机车的安全仅依赖于人眼的观察是不可能实现的，而必须依赖于现代化的通信设备、检测设备才能保证铁路运输线的安全畅通、机车良好性能的保持。现代化的车载通信、检测设备已经由原来的辅助手段发展成为机车高速、安全运行的主要手段。但这些车载设备常常会受到机车运行环境的干扰而使他们工作不正常，甚至永久性损坏，对行车安全造成重大隐患。实际上，“病从口入”的道理同样适用于仪器、设备，大部分的干扰是通过电源进行干扰的。据有关专业报道，仪器、设备所受到的干扰80％以上是通过输入电源进来的，也就是说，如果电源的抗干扰能力很强，那么，仪器、设备80％以上的工作不正常可以消除。因而，供电电源的质量好坏直接关系到车载仪器、设备能否正常工作的关键，也就直接关系到机车能否高速、安全运行的重要因素。因而，车载仪器、设备的供电电源对机车的行车安全有着极其重要的作用。2．现行机车中车载仪器、设备的供电现状现行机车中车载仪器、设备的供电情况是：2．1所有的仪器、设备都通过直流母线连接到电池组，当其中一台仪器或设备出现输入短路故障时，不可避免的会造成输入电源短路，即使有保险丝保护，也会造成输入电源的瞬间短路。更严重的情况是当保险丝断不开时或慢时间断开时，就会造成该支路上的电源较长时间的短路。2.2机车的启机、停车、运行速度经常变化、大电器的开关动作，会造成电毕业设计论文第4页共13页池组上的电压变化较大。如果电池组的内阻较大时，电池组上的电压变化将更大，在实际工作中，我们有时发现电压高时24V电池组的电压能达到40V，而电压低时110V电池组的电压能低到40V，而且能持续几分钟。2.3机车的启机、停机、打风、大电器的开关动作等都会引起强烈的电磁干扰，如果仪器、设备电源的抗干扰能力不强，电磁干扰也就很有可能会影响仪器、设备的正常工作，因为电子电路对电磁干扰非常敏感。2．4现用仪器、设备的额定输入电压一般为DC90-120V，远远达不到DC38—140V的变化范围；抗干扰能力方面一般没作特殊处理。3．机车“三项设备”超宽输入逆变电源研制的必要性由于车载仪器、设备的供电状况不好，车载仪器、设备的自带电源质量不高，仪器、设备能否正常工作令人担忧，给机车的安全运行带来重大隐患，机车“三项设备”超宽输入逆变电源的研制则成为必然，车载设备通过铁路机车机车“三项设备”超宽输入逆变电源进行工作，将会极大的改进它们的工作环境，增加它们的可靠性和稳定性，增加行车的安全性、准确性，是防止重大隐患发生的重要手段。二机车“三项设备”超宽输入逆变电源的研制1.本逆变电源设计所要达到的技术指标1.1功能方面：1.1.1输出容量：（输入DC110V时）输出：DC110V1.5A，三路；DC24V5A,一路。1.1.2四路输出相互隔离：输出中任一路短路不影响其他三路输出正常工作。1.1.3四路输出的每一路均为1+1热备份：输出中任一路的备份模块损坏，自动转换到另一备份电源，且切换时间为0。1.1.4显示：整个电源中每模块均有显示灯指示，显示灯可以指示出每一备份模块的工作状态。1．2性能方面：毕业设计论文第5页共13页1.2.1输入范围：DC38---DC140VDC38---DC70V输入，输出满载时，可工作10分钟；输出半载时，可连续工作。DC70---DC140V输入时，可连续工作。DC50V输入时，满载可时启动。1.2.2稳压稳定度：Si(输入DC38—140V，输出满载时)对于110V输出而言，Si110V≤0.5%对于24V输出而言，Si24V≤0.5%。1.2.3负载稳定度：Sr(VIN=110V，IO=20%---100%负载时)；对于110V输出而言，Sr110V≤1%对于24V输出而言，Sr24V≤2%。1.2.4纹波：ν（输入DC110V，输出24V带100%负载时）。对于110V输出而言，ν110V≤0.7%对于24V输出而言，ν24V≤0.4%。1.2.5耐压：输入---机壳：AC1500V，一分钟，无闪络和击穿现象；输入----输出：AC1500V，一分钟，无闪络和击穿现象；输出---机壳：AC1000V，一分钟，无闪络和击穿现象。1.3环境试验：1.3.1低温：不低于TB/T1394-93中的5.6的要求。1.3.2高温：不低于TB/T1394-93中的5.7的要求。1.3.3湿热：不低于TB/T1394-93中的5.8的要求。1.3.4振动和冲击：不低于TB/T1394-93中的5.9的要求。2.机车“三项设备”超宽输入逆变电源的原理框图输出110V1L3L1L4输出110V2输入L5L6预稳模块1110V1变换模块1110V1变换模块1110V2变换模块1110V2变换模块1转换输出电压显示毕业设计论文第6页共13页输出110V3L7L8L2输出24VL9L103．机车“三项设备”超宽输入逆变电源的组成及工作原理3．1机车“三项设备”超宽输入逆变电源的组成本稳定电源主要由预稳模块、变换模块、显示部分三大部分组成。3．2机车“三项设备”超宽输入逆变电源总的工作原理从机车电池组来的电压经预稳模块后，将其电压预稳到140V左右，140V的预稳电压再经其后的转换模块，转换成所需要的110V1、110V2、110V3、24V电压。为增加整机的可靠性，预稳模块和转换模块都分别由两块相同容量的模块组成，两块模块互为1＋1热备份，没有主从之分，其中每一模块都可以独立的担负起各自支路的全部负载容量，而且每一模块都带有并联控制，防止两并联模块中一模块损坏影响另一模块。整机还配有数字显示部分，通过转换开关，可以显示各路的输出电压，显示的另一部分是电源中的各个模块的状态指示，通过它可以清楚的知道任一模块的工作状态如何，以便于维护。4.预稳模块和转换模块的工作原理预稳模块1110V3变换模块1110V3变换模块124V变换模块124V变换模块1转换输出电压显示毕业设计论文第7页共13页4.1预稳模块的工作原理4.1.1预稳模块的原理框图（见下图）输入输出预稳模块的原理框图4.1.2预稳模块的组成预稳模块主要由抗干扰电路、直流升压电路、和辅助电路三大部分组成。抗干扰电路是由输入高频滤波电路、输入低频滤波电路组成；直流升压电路由直流升压斩波电路、整流滤波电路、PWM控制电路、取样反馈电路组成；辅助电路有输入接反控制电路、输入过、欠压检测电路、辅助电源产生电路、输出过流检测电路、并联控制电路等。4.1.3预稳模块中各部分的工作原理4.1.4输入高频滤波输入接反控制输入低频滤波直流升压斩波电路整流滤波输入过、欠压检测取样反馈辅助电源PWM控制输出过流检测并联控制毕业设计论文第8页共13页4.1.3.1抗干扰电路本部分的主要作用是抑制由输入电源线传导来的高频谐波噪声干扰。电路图如下图。L1L2输入正输出C1C3C2C5输入负C4输出地线图中C1、C2为聚丙烯高频无感电容，也叫X2电容，专用于电源的线－线之间，滤除相－线、线－线之间的差模噪声干扰；C3、C4为高压瓷片电容，也叫Y电容，专用于电源的线－地之间，滤除线－线的共模噪声干扰。L1为绕在同以磁芯上的两同向线圈，叫着共模线圈，电源输入电流在共模线圈两线圈中所产生的磁场大小相等、方向相反，两磁场相互抵消，相等于没有电感效应；而对于共模噪声来说，电流在共模线圈两线圈中所产生的磁场大小相等、方向相同，两磁场那个相互加强，它相当于一很大的电感，故能有效地衰减共模噪声干扰。L2是一差模电感，它的作用和L2的作用正好相反，它对于共模干扰没有作用，而对于差模噪声有很强的衰减作用。在本电路中由C1、C2、L2组成差模滤波电路，滤除高频差毕业设计论文第9页共13页模噪声干扰；由L2、C5组成Γ型滤波，完成对低频差模干扰的滤除和对输入电压的平滑；由C3、C4、L1组成π型滤波，滤除高频共模干扰。它们共同完成对高频共模和高频、低频差模的滤除，对输入电压的滤波平滑作用，为后续电路的工作创造良好的工作环境。4.1.3.2直流升压电路(直流升压电路的电路图如下图)本电路的工作过程为:当开关管Q受控导通时，输入电压加到电感L上，电流通过L将电能转换成磁能储存在L中，此时二极管D反偏截止，没有电流向后流动；当开关管Q受控截止时，L两端的电压极性颠倒，D变为正偏而导通，L中储存的磁能又转换成电能，和输入电源串联给其后的电容充电，输出电压经R1、R2取样后反馈到PWM控制电路，控制PWM的输出占空比，使输出电压稳定在预定值上。R3可以取样L中的电流值送到PWM控制电路中，用于PWM控制电路的峰值保护。根据有关理论公式，可以推导出如下输入和输出之间的关系式：UO=UI/(1-Q)式中，Q为PWM的输出占空比，其值0‹Q‹1，所以，始终有UO›UI。LUIDUOC0R1PWM控制电路毕业设计论文第10页共13页QR3R24.1.3.3辅助电路辅助电路中的输入过、欠压检测电路、输出过流检测电路、输入接反控制电路主要用于电路的保护之用，本电路中的输入过压、欠压保护电路的保护形式为截止型，故障排除后可自动恢复工作；辅助电源产生电路为PWM控制电路提供其所需各种电压；输出过流检测电路、PWM控制电路和并联控制电路一起为模块的1＋1热备份服务，避免相并联的两模块出力不均衡、内部环流的形成等。4．2转换模块的工作原理4.2.1转换模块的组成转换模块的原理框图如下图。转换模块主要由抗干扰电路、直流隔离变换电路、和辅助电路三大部分组成。抗干扰电路主要由输入高频滤波电路、输入低频滤波电路组成；直流隔离变换电路主要由隔离变换电路、高频整流滤波电路、PWM控制电路、取样放大电路、隔离毕业设计论文第11页共13页电路组成；辅助电路主要有输入接反控制电路、输出过流、短路保护电路、辅助电源产生电路、并联控制电路等。输入输出转换模块的原理框图4.2.2直流变换电路的工作原理由于转换电路中的抗干扰电路和辅助电路的原理和作用与直流升压电路中相关部分基本相同，在此不再累述，只对直流变换电路的工作原理加以说明。本电源的直流变换部分是利用单端正激变换拓扑结构，和其他拓扑结构相比，它具有控制简单、可靠性高、效率高、输出功率大的特点。它的电原理图如下：D1D2LVO输入高频滤波输入接反控制输入低频滤波隔离变换高频整流滤波PWM控制过流、短路保护电路取样放大辅助电源产生隔离并联控制毕业设计论文第12页共13页VI=140VN2N3D3C2RLC1N1QR1R3R2它的工作原理简述如下:由预稳模块输出的电压VI，经转换模块的输入滤波部分，滤除其中的干扰噪声，在经接反控制电路输入到C1电容上，经C1的低通滤波，进一步滤除VI中的交流成分。当开关管Q在PWM控制电路输出的PWM脉冲信号的驱动下，饱和导通时，VI电压加到高频变压器的N1绕组上，D1、D3反偏截止，D2正偏导通，输入能量经变压器耦合，通过输出电感L向负载RL提供能量，同时，向输出电容C2充电，电感L储能；当Q受控截止时，D2因N3极性颠倒变为反偏截止，D1因N2极性颠倒变为正偏而导通，将储存在变压器中的能量通过D1向输入电源释放，D3因输出电感L的极性颠倒而导通，给输出电感L的能量泄放提供了通路，于是输出