西南交通大學碩士研究生學位論文第1 ii 頁 摘要 充電機作為d c 6 0 0 110 v 旅客列車供電方式下的核心部件，其性 能的穩(wěn)定性和可靠性直接關系到旅客列車的運用安全。在充電機的檢 修過程中，由于沒有專門對d c 6 0 0 i10 v 充電機進行檢測的設備，需 要在車上頻繁地拆裝充電機，增加了檢修的勞動強度，不利于檢修效 率的提高。因此，有必要開發(fā)專門的d c 6 0 0 1 10 v 充電機檢修試驗臺， 來滿足充電機檢修要求。 本文利用m a t l a b 軟件對充電機逆變主電路變壓器原邊、副邊電 壓、i g b t 工作時間、充電機輸出電壓在不同輸入電壓下的輸出進行 仿真；通過仿真對鐵道部【2 0 0 6 】14 2 號中充電機檢修及試驗方法的要 求進行了驗證。通過對d c 6 0 0 110 v 充電機逆變主電路及工作原理進 行分析；充分研究了旅客列車上充電機的網絡原理和p l c 對充電機 的控制技術；開發(fā)出了采用p l c 控制的智能型自動充電機檢修試驗 厶 1 7 ：1 o 研制的試驗臺由電源部分、負載部分、操作控制部分、試驗軟件、 外部輸入輸出五部分組成，是集電氣控制系統(tǒng)、微機測控系統(tǒng)為一體的新 型試驗設備。試驗臺采用設計良好的測控系統(tǒng)和性能優(yōu)良的電子元器 件，保證了試驗檢測結果的穩(wěn)定、可靠。通過自動化的試驗數據采集 與處理手段，大大提高了充電機檢測作業(yè)水平。 作者充分考慮了充電機在旅客列車上的控制模式，使得研制的試 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 v 頁 驗臺操作人員的測試方法更加簡捷，只要將試驗充電機與試驗臺按要求 連接好導線后，操縱鍵盤和鼠標，試驗臺便可通過試驗程序，自動完 成對充電機的各項性能指標進行檢測，自動記錄各項檢測數據，并根 據檢測數據自動對充電機的性能進行判定。 充電機試驗臺制作完成以后，在成都車輛段進行三個月的試運 行。利用該試驗臺對段內需要檢修的一百多臺充電機進行了測試。測 試表明該試驗臺自動化程度高，操作靈活，使用簡單方便，性能穩(wěn)定， 符合鐵道部的相關要求，達到了設計目的。 關鍵詞：充電機；p l c ；試驗臺：檢測 西南交通大學碩士研究生學位論文第v 頁 a b s t r a c t c h a r g i n gs e ti s t h ec o r ep a r tf o rd c 6 0 0 v 110 p o w e rs u p p l y ，i t s s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yd i r e c t l ya f f e c to p e r a t i o ns e c u r i t yo ft r a i n d u r i n g t h ep e r i o do fr e f r e s h i n gt h ec h e c ko fc h a r g i n gs e t ，b e c a u s eo fn or e f r e s ht h e e q u i p m e n t st h a tt h em a c h i n ec a r r i e so na ne x a m i n a t i o nt ot h ed c 6 0 0 110v s e x c l u s i v e l y ，t h ec h a r g i n g s e tn e e db ed i s m o u n t e da n da s s e m b l e d f r e q u e n t l yw h e nr e p a i r ，w h i c hw i l li n c r e a s ew o r k i n gi n t e n s i t y ，a n dm a k e a g a i n s tr e p a i re f f i c i e n c y ；t h e r e f o r e ，t od e s i g na n dd e v e l o pas p e c i a l i z e d d c 6 0 0 110 vc h a r g i n gs e te x a m i n et e s ts t a n di sn e e d e dt om e e tc h a r g i n g s e te x a m i n e t h i st e x tm a k e su s eo ft h em a t l a bs o f t w a r et or e f r e s hm a c h i n et o g oa g a i n s tt ob e c o m em a i ne l e c t r i cc i r c u i tt r a n s f o r m e ro r i g i n a ls i d e 、 v i c e - s i d ee l e c t r i c v o l t a g e 、i g b tw o r kt i m e 、r e f r e s h t h em a c h i n e e x p o r t a t i o ne l e c t r i cv o l t a g et oi n p u te l e c t r i cv o l t a g ei nt h ed i s s i m i l a r i t y u n d e ro ft h ee x p o r t a t i o nc a r r yo ni m i t a t er e a l l y p a s st oi m i t a t er e a l l yt o t h er a i l r o a dd e p a r t m e n t 2 0 0 6 o nt h e14 2 t hi nr e f r e s ht h em a c h i n e c h e c kt of i xa n de x p e r i m e n tam e t h o do ft h er e q u e s tc a r r i e do na v e r i f i c a t i o n p a s st or e f r e s hm a c h i n et og oa g a i n s tt ob e c o m et h em a i n e l e c t r i cc i r c u i ta n dt h ew o r kp r i n c i p l et oc a r r yo na n a l y s i st ot h e d c 6 0 0 11o v s s t u d i e dt r a v e l e rr a i l r o a dt r a i nw e l lt or e f r e s ht h en e t w o r k 西南交通大學碩士研究生學位論文第v i 頁 p r i n c i p l e a n dp l co ft h em a c h i n eu pt ot h ec o n t r o lt h a tr e f r e s h e s m a c h i n e d e v e l o p p e dt h ei n t e l l i g e n c et y p ea u t o r e c h a r g e dm a c h i n eo f t h eu s ep l cc o n t r 0 1 o nt r i a lp e d e s t a lo fd e v e l o pf r o mp o w e rs u p p l yp a r t ，l o a dp a r t ，o p e r a t i o n c o n t r o lp a r t ，e x p e r i m e n tt h es o f t w a r ep a r t ，t h ee x t e r i o ri m p o r t a t i o no u t p u tf i v e p a r t st oc o n s t i t u t e ，i sg a t h e re l e c t r i c i t yc o n t r o ls y s t e m ，mic r o c o m p u t e rm e a s u r e a n dc o n t r o ls y s t e ma si n t e g r a lw h o l eo fn e we x p e r i m e n t e x p e r i m e n tt h es e t a d o p t i o n a d e s i g nt om e a s u r et o c o n t r o lt h es y s t e ma n dt h ef u n c t i o ng o o d e l e c t r o n i c sd o l l a rs p a r ep a r tg o o d l y ，p r o m i s ea no nt r i a le x a m i n a t i o nar e s u l to f s t a b i l i t y ，c r e d i b i l i t y t h eo nt r i a ld a t at h a tp a s s e sa u t o m a t i o nc o l l e c t sw i t ht h e p r o c e s s i n gm e a n ，r a i s e t or e f r e s hm a c h i n ee x a m i n a t i o nh o m e w o r kl e v e l c o n s u m e d l y t h ea u t h o rc o n s i d e r e dt or e f r e s hm a c h i n ew e l li nt h ec o n t r o lm o d eo n t r a v e l e rr a i l r o a dt r a i n ，m a k et h eo nt r i a ls e to p e r a t i o np e r s o n n e l st e s tm e t h o df o r d e v e l o pm o r e ，a sl o n ga sw i l le x p e r i m e n tt or e f r e s hm a c h i n ew i t he x p e r i m e n ts e t t op r e s st or e q u e s tt ol i n kt ol i k et ol e a dl i n ea f t e r ，m a n i p u l a t et h ek e y b o a r da n d m o u s e ，e x p e r i m e n t i n gs e t c a n p a s s o nt r i a l p r o c e d u r et h e n ，t h ea u t o m a t i c c o m p l e t i o nc a r r i e so na ne x a m i n a t i o nt ov a r i o u sf u n c t i o ni n d e xs i g n st h a tr e f r e s h m a c h i n e ，r e c o r d i n gv a r i o u se x a m i n a t i o nd a t aa u t o m a t i c a l l y ，a n dc a r r yo nj u d g et o t h ef u n c t i o nt h a tr e f r e s h e sm a c h i n e a c c o r d i n gt ot h ee x a m i n a t i o nd a t aa u t o a f t e rr e f r e s ht h em a c h i n ee x p e r i m e n t sa p e d e s t a l ac r e a t i o n c o m p l e t i o n ，b ec a r r yo nt r ym o v e m e n ti nt h ec h e n g d uv e h i c u l a rb r a n c h 西南交通大學碩士研究生學位論文第vi i 頁 t h r e em o n t h s t h ee x p l o i t a t i o ns h o u l de x p e r i m e n ts e tt ot h ec h e n g d u v e h i c u l a rb r a n c hi n s i d en e e dt oc h e c kt of i xo fm o r et h a n1 0 0s e t s r e f r e s hm a c h i n et o c a r r yo n at e s t t e s tt h ee n u n c i a t i o ns h o u l d e x p e r i m e n ts e ta u t o m a t i o nd e g r e eh i g h ，o p e r a t ev i v i d ，u s ei nb r i e f c o n v e n i e n t ，f u n c t i o ns t a b i1 i t y ，m e e t t h er e l a t e dr e q u e s to ft h e r a i l r o a dd e p a r t m e n t ，c o m et oa nad e s i g nap u r p o s e k e yw o r d s ：c h a r g i n gs e t ，；p l c ，；t e s ts t a n d ；i n s p e c t i o n 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 頁 西南交通大學 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī) 定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和 電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權西南交通大學可以將 本論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影 印、縮印或掃描等復印手段保存和匯編本學位論文。 本學位論文屬于 1 保密口，在年解密后適用本授權書； 2 不保密d ，使用本授權書。 ( 請在以上方框內打“4 ”) 學位論文作者簽名：協(xié)量 日期：加。批 指導老師簽名： 醐：1 16 見v 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 l 頁 西南交通大學曲南父逋大罕 學位論文創(chuàng)新性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是在導師指導下獨立進行研究工作 所得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或 集體已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體， 均已在文中作了明確的說明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 論文作者簽名： 日 修憊 期：1 年月出日 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 頁 第1 章緒論 1 1 國內技術現狀 1 1 1 旅客列車供電技術的發(fā)展 隨著我國鐵路技術裝備的不斷發(fā)展，我國的鐵路旅客列車也在不 斷的發(fā)展。鐵路旅客列車的發(fā)展變化經歷了2 2 型客車、2 5 型全列空 調客車、動車組的變化。作為旅客列車的供電方式也發(fā)生了根本性的 轉變。主要經歷了三種供電方式的發(fā)展。第一種、依靠車軸轉動帶動 發(fā)電機發(fā)電的d c 4 8 v 直流供電方式。該供電方式，由于供電能力有 限，同時受列車?？康挠绊戄^大，只能對旅客列車提供照明等簡單負 載要求，無法對空調等負載提供電力需求，不能滿足旅客列車對舒適 性的要求。第二種、在列車編組上編掛專用發(fā)電車進行a c 3 8 0 2 2 0 供電的交流供電方式。該供電方式雖然能滿足列車空調負載的供電需 求，大大提高了旅客列車舒適性的要求。但由于該種供電方式，必須 在旅客列車上增加發(fā)電車，降低了旅客列車運輸效率。第三種、通過 機車直接向全列旅客列車提供d c 6 0 0 v 直流供電方式。通過車輛上的 逆變器、充電機將d c 6 0 0 v 轉變?yōu)閍 c 38 0 v 和d c 1 10 v 向車上的空調、 照明等用電設備進行供電。 d c 6 0 0 v 110 v 直流供電方式既可以提供空調旅客列車供電容量 較大的需求，同時，采用d c 6 0 0 v 110 直流供電方式，可以減少發(fā)電 車，增加旅客列車編組，提高旅客列車的運輸效率。可以減少發(fā)電車 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 頁 維護人員，提高我國鐵路車輛行業(yè)的勞動效率。由于，d c 6 0 0 110 v 直流供電方式，相對于前面兩種供電方式具有技術上和經濟上的許多 優(yōu)勢。目前該種供電方式，已成為我國空調列車運行供電的主要方式。 未來，該種供電方式也必然會成為我國鐵路旅客列車的主要供電方 式。 1 1 2d c 6 0 0 1 1 0 v 充電機在旅客列車中的地位 d c 6 0 0 l l0 v 直流供電方式，就是由機車直接向全列旅客列車提 供兩路d c 6 0 0 v 直流電源。d c 6 0 0 v 直流電通過每輛車下安裝的逆變 器將電源變換為a c 38 0 v 交流電源，供給空調負載和電茶爐等三相負 載使用。d c 6 0 0 v 直流電通過每輛車下安裝的充電機將電源變換為 d c1 10 v 直流電源，供給照明和空調等電器控制和旅客列車自帶1 10 v 蓄電池等負載使用。由于電氣化區(qū)段每隔5 0 k m 左右便有一個分相區(qū) ( 不同變壓器之間換相) 即無電區(qū)，d c 6 0 0 v 電源裝置在過分相區(qū)時 停止輸出，因此逆變器也沒有三相交流輸出。為了避免照明負載的頻 繁斷電，所以照明采用d c 1 10 v 直流供電，在牽引區(qū)段，由充電器向 照明負載供電，而過無電區(qū)時則由安裝在車下的蓄電池供電。同樣， 為了保證空調等控制電路的控制電器不頻繁吸合和釋放，控制電路也 采用d c1 10 v 供電。 i10 v 電源在d c 6 0 0 v 供電客車中承擔了客車電路啟動、控制作 用；同時還要給照明、蓄電池等部分負載提供電源。因此，1 10 v 電 源系統(tǒng)在客車中作用重大。充電機在d c 6 0 0 v 客車中是唯一提供1 10 v 西南交通大學碩士研究生學位論文第3 頁 電源的設備。充電機的好壞直接關系到d c 6 0 0 v 供電的電路啟動和控 制，是車輛輔助設備的重中之重?？梢哉f充電機是d c 6 0 0 v 供電旅客 列車的心臟。充電機的好壞及性能穩(wěn)定直接關系到d c 6 0 0 110 v 供電 列車的供電安全。為了保證旅客列車的供電安全，作為車輛的運用維 護單位車輛段，在車輛的各級檢修中，我們必須加強對充電機的檢修， 保證充電機使用性能的可靠性和安全性。 1 2 存在的問題 由于d c 6 0 0 v 供電方式在技術上和經濟上都具有的優(yōu)勢，目前該 供電方式已逐漸取代發(fā)電車供電方式成為我國空調旅客列車的主要 供電方式。為了保證充電機在長期的使用中有足夠的安全性和可靠 性，2 0 0 6 年鐵道部頒布了鐵運【2 0 0 6 】14 2 號2 5 t 客車檢修規(guī)程的 附件u d c 6 0 0 v 供電客車空調逆變器及電源裝置( 充電機及單項逆 變器) 檢修試驗方法對充電機的試驗項目及試驗要求進行了明確的 規(guī)定。 盡管，從開始鐵路裝備現代化以來，鐵路旅客列車的裝備得到了 大幅度的提高。但為檢修運用維護旅客列車的設施設備缺遠遠落后于 旅客列車裝備現代化的要求。以成都車輛段為例，2 0 0 6 年開行的到 泰州的2 5 g 全列空調旅客列車，2 0 0 7 年開行的到青藏的2 5 t 型車都 是以d c 6 0 0 1 10 v 為供電方式。但卻沒有相配套的檢修運用維護檢測 設備，在一年多的時間中，由于沒有專門的檢修試驗設備，該段只能 通過車上的負載試驗來對充電機的使用狀態(tài)進行簡單判斷，不能對充 西南交通大學碩士研究生學位論文第4 頁 電機的性能進行全面判斷，試驗數據無法檢測，無法滿足充電機檢修 規(guī)程的要求。同時，對于有故障的充電機，在修復過程中，要頻繁的 在車上安裝與拆卸，給修復工作增加了難度，延長了檢修時間，增加 了勞動強度，檢修效率低下。因此，有必要針對充電機檢修，研制與 開發(fā)專門的檢修試驗設備，以適應旅客列車裝備現代化的要求。 1 3 本文解決主要問題 本文通過對充電機的m a t l a b 仿真，進一步了解和掌握充電機的 工作穩(wěn)定性能和工作電壓范圍。同時，通過對充電機原理和充電機檢 修及試驗方法進行分析、研究，確定了試驗過程中測量電量的種類、 測量方法；控制電量的控制方法等。 作者將對試驗臺的控制功能及試驗臺的控制、檢測量布置進行了 綜合考慮，開發(fā)出智能型計算機控制自動充電機檢修試驗臺。試驗臺 研制過程中，作者將采用性能優(yōu)良的電量傳感器、測控系統(tǒng)保證了試 驗檢測結果的穩(wěn)定、可靠：對試驗數據的檢測、儲存、故障診斷進行 全自動的數據管理，大大提高了充電機檢修作業(yè)水平。試驗臺應該成 為集電氣控制系統(tǒng)、微機測控系統(tǒng)為一體的新型試驗設備。操作人員 只要將試驗充電機與試驗臺按要求連接好導線后，通過操縱鍵盤和鼠 標，試驗臺通過試驗程序能自動完成對充電機的各項性能指標進行檢 測，并對各項檢測數據進行記錄，同時根據檢測數據自動對充電機的 性能進行判定，確保充電機的使用性能良好。 該充電機試驗臺必須符合鐵道部要求，要求自動化程度高，操作 西南交通大學碩士研究生學位論文 第5 頁 靈活，使用簡單方便，提高了檢修勞動效率，以適應鐵路現代化提速 的需要。 西南交通大學碩士研究生學位論文第6 頁 第2 章d c 6 00 11ov 充電機原理 2 1d c 60 0 i10 v 充電機的電氣原理 采用d c 6 0 0 v 1io v 供電的旅客列車，都需要充電機將d c 6 0 0 v 變 換成d c1 10 v 供給蓄電池和照明等負載。從維護系統(tǒng)的安全性和可靠 性來考慮，充電機實際上是供電系統(tǒng)中最重要的設備，一旦充電機發(fā) 生故障，蓄電池無法充電，電壓會放到很低，有可能使本車掛在蓄電 池上的所有設備都無法啟動和工作?；谛铍姵睾驼彰鞯蓉撦d的容 量，目前采用d c 6 0 0 v “0 v 供電方式的充電機都采用8 k w 功率的充電 機。 2 1 1 充電機的電器原理 充電機主回路由d c 6 0 0 v 干線取來的d c 6 0 0 v 電源經過e m i 濾波， l c 直流濾波回路送到由i g b t 模塊作開關管的橋式逆變電路，該電路 將d c f o o v 逆變成i5 k h z 的高頻方波，高頻方波經高頻變壓器隔離、 降壓，在經過全橋整流電路整流，l c 輸出濾波，e m i 輸出濾波、二極 管輸出隔離，最后輸出標稱8 k w d c 12 0 v ，用于驅動本車負載、干線 負載、以及給本車蓄電池充電。該充電機的輸出特性滿足免維護鉛酸 蓄電池的充電特性曲線，同時具有充電溫度補償特性。充電機電氣原 理圖如圖2 1 ，圖2 - 2 。 西南交通大學碩士研究生學位論文第7 頁 圖2 - 1 充電機模塊原理框圖 h 刪 圖2 - 2 充電機模塊原理圖 2 1 2 充電機逆變主電路 基于d c 6 0 0 v 的輸入電壓和大于8 k w 的功率等級，客車用充電機d c d c 變換的主電路一般采用適應高壓變換的橋結構。其電路如圖2 3 所示。 西南交通大學碩士研究生學位論文第8 頁 疆1剛舶 ! 擊3 去 j r 1 |i ! 氣二白 艘i i ： 苧! ；拯! ! j 愿 跏 ， 圖2 - 3p w m 橋式d c d c 變換電路 v 1 w 構成d c d c 變換的主電路，v 1 一v 4 的控制邏輯電壓波形如圖2 - 4 v 圖2 - 4 電壓波形圖 t 1 一t 2 區(qū)間內，v l 和v 4 導通，變壓器原邊電壓為正相電壓； t 3 一t 4 區(qū)間內，v 2 和v 3 導通，變壓器原邊電壓為反相電壓： 我們注意到t 2 一t 3 區(qū)間內任何一只i g b t 都不導通，這段時間稱為“死 區(qū)”，主要是考慮防止上、下橋臂的兩只i g b t 同時造成橋臂的“貫通”短路。 充電器用的i g b t 一般采用雙單元，即一個模塊上集成了上、下橋臂的兩 西南交通大學碩士研究生學位論文第9 頁 個i g b t ，電路結構簡單，但因為i g b t 工作在2 0 k h z 左右，因此其開關損耗 大，散熱困難。為解決高頻的開關損耗問題，采用移相技術實現i g b t 的軟開 關控制。 電橋左、右兩個橋臂的上下兩個開關管( v1 一v 2 ，v 3 一v 4 ) 被施 以18 0 ?；パa的驅動信號，上下兩管18 0 ?；パa導通。因此除上下兩 管導通的死區(qū)外，電路中總有兩個開關管都導通，共有四種導通組合， 即v l v 4 ，v 4 一v 2 ，v 2 一v 3 ，v 3 一v1 ，并按此順序周而復始。其中 v 1 一v 4 ，v 2 一v 3 組合導通( 即對角線導通) 時，全橋電路給出能量， 而v 3 一v1 ，v 4 一v 2 組合導通時，全橋電路處于續(xù)流狀態(tài)不輸出能量。 調節(jié)這兩種組合的時間比例，即移相角，變壓器得到一個交變的p w m 電壓以此實現對輸出電壓、電流的調整。 移相控制原理是利用變壓器漏感和i g b t 結間的電容諧振，漏感 l k 儲能向電容c 釋放過程中，使電容c 的電壓逐步下降到0 ，二極管 d 開通，創(chuàng)造0 電壓開關( z v s ) 條件，電路中的其他電感、電容元 件是為獲得可靠的零電壓開關而設置。 2 1 3 充電機d o d o 變換的特點 采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，實現蓄電池恒流定壓充電。 采用軟開關技術，減小i g b t 高頻開關損耗，效率達到9 2 。 采用先進的非晶態(tài)鐵芯制造變壓器和電抗器，減小充電器的體積。 i g b t 的開關頻率達到2 0 k h z 以上，避開了音頻區(qū)域，減小充電器的電 磁噪音。 r 蓄電池充電采用了溫度補償措施。 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 0 頁 充電器具有故障診斷和通信功能，在控制柜觸摸屏上可以顯示充電器的 運行參數和故障信息。 2 1 4 電壓變換的實現 d c 6 0 0 v 供電客車的d c d c 變換，主要是通過i g b t 橋式逆變電路將直流 6 0 0 v 電壓變換成占空比可調的高頻方波電壓，經變壓器隔離后整流濾波成 d c l i o v 電壓；所謂占空比是指一個半波內，驅動i g b t 的脈沖寬度占整個半 波周期的比例，為了調整輸出電壓，占空比是可變化的，屬于脈沖寬度可調 模式即p i j l 1 v i 方式。在這種控制方式，脈沖的幅值是不變的，當負載發(fā)生變化 時，依靠改變脈沖的寬度，來保證輸出電壓的穩(wěn)定；如果輸入電壓發(fā)生變化， 也可以通過改變脈沖寬度來保證輸出的穩(wěn)定。不同情況下的脈沖寬度如圖 2 5 所示 鐘j 鬻 ， 7 弩 ，； j ： ， ，t 甏 ， 。 7影 p 露7 r z 移滬 0 t， ，r 鴛 、： 才 0 ， 墨。 籀 礓， 。 蘿 乞 5 輕負載時重負載時 。 輸入電壓高時入電壓低時 圖2 - 5 不同情況下的脈沖寬度 由d 1 - d 4 共四只高頻快速二極管組成的整流電路，對變壓器輸出的脈沖 電壓進行整流，并有電抗器l 和電容c 進行濾波。高頻整流對二極管的要求 與一般交流整流電路不一樣，除了要求較小的通態(tài)壓降以減小導通損耗外， 還要求具有快速的導通和關斷能力，以減小開關損耗，因為在高頻條件下， 二極管的開通和反向恢復時間引起的損耗在總損耗中占有明顯的比例。 2 1 5l6 b t 的特點 西南交通大學碩士研究生學位論文第11 頁 d c 6 0 0 11 0 v 充電機的電壓變換關鍵部件就是i g b t 。i g b t 是m o s f e t 和g t r 復合的產物，具有g t r 的導通特性和m o s f e t 的驅動特性，驅動簡 單、功率小，開關頻率高，通態(tài)壓降低、損耗功率小，結構如圖2 - 6 。8 k w 等級的d c 6 0 0 v 充電器一般采用i g b t 雙單元，所謂雙單元是指一個模塊上 包含上、下橋臂的兩個i g b t ，4 只雙單元模塊可構成充電器的主電路i g b t 內部都集成了續(xù)流二極管。 圖2 6ig b t 結構圖 2 2d c 6 0 0 110 v 充電機在m a t l a b 下仿真 為了能夠了解和掌握充電機的工作穩(wěn)定性能和工作電壓范圍，作 者通過m a t l a b 軟件編寫程序，對d e 6 0 0 1 l0 v 充電機的主電路在電壓 65 0 v 、6 0 0 v 、5 5 0 v 、5 0 0 v 工況下的變壓器原邊電壓、副邊電壓、整 流電壓、ig b t 工作狀態(tài)、輸出電壓、輸出電流進行了仿真。 2 2 1ig b t 的仿真 i g b t 在充電機不同的電壓輸入的情況下的m a t i a b 仿真如圖2 7 、2 8 、 2 - 9 、2 10 所示。 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 2 頁 縱 坐 標 表 不 i g b t 的 開 關 縱 坐 標 表 不 i g b t 的 開 關 橫坐標表示i g b t 的工作時間 圖2 7 輸入直流5 0 0 v 仿真波形 橫坐標表示i g b t 的工作時間 圖2 - 8 輸入直流5 5 0 v 仿真波形 v 1 v 2 v 3 v 4 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 3 頁 縱 坐 標 表 一 不 g b t 的 開 關 縱 坐 標 表 不 i g b t 的 開 關 橫坐標表示i g b t 的工作時間 圖2 - 9 輸入直流6 0 0 v 仿真波形 器曩只囂毳只。一 v 1 v 2 v 3 v 4 v 1 v 2 v 3 v 4 橫坐標表示i g b t 的工作時間 圖2 一1 0 輸入直流6 5 0 v 仿真波形 從i g b t 不同電壓下m a t l a b 下仿真波形圖中可以看出，i g b t 的 v 1 、v 4 為一組同時工作。v 2 、v 3 為一組同時工作。在不同的輸入電 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 4 頁 壓下，i g b t 的工作時間不同。輸入電壓越高，i g b t 的工作時間越短， 輸入電壓越低，i g b t 的工作時間越長。如此，通過調整i g b t 的工作 時間，可以改變充電機變壓器的輸入電壓波形，從而保證充電機的輸 出不變。 2 2 2 變壓器原邊電壓、副邊電壓、整流電壓仿真 變壓器原邊電壓、副邊電壓、整流電壓在不同的輸入電壓下的 m a t i a b 仿真如圖2 一1 1 ，圖2 一1 2 、圖2 一1 3 和圖2 1 4 所示。 縱 坐 標 表 一 不 電 壓 值 橫坐標表示工作時間 圖2 一1 1 輸入直流5 0 0 v 仿真波形 原邊 電壓 副邊 電壓 整流 電壓 西南交通大學碩士研究生學位論文第15 頁 縱 坐 標 表 一 不 電 壓 值 縱 坐 標 表 一 不 電 壓 值 四墨盤一 毋口p 聲戶* 島國日； _ 橫坐標表示工作時間 圖2 1 2 輸入直流5 5 0 v 仿真波形 橫坐標表示工作時間 圖2 一i 3 輸入直流6 0 0 v 仿真波形 原邊 電壓 副邊 電壓 整流 電壓 原邊 電壓 副邊 電壓 整流 電壓 西南交通大學碩士研究生學位論文第16 頁 縱 坐 標 表 一 不 電 壓 值 日墨盤_ 凸臼pp 盧 圓曙日 原邊 電壓 副邊 電壓 整流 電壓 橫坐標表示工作時間 圖2 1 4 輸入直流6 5 0 v 仿真波形 從變壓器原邊電壓、副邊電壓、整流電壓在不同的輸入電壓下的 m a t i a b 仿真波形圖可以看出，通過變壓器及整流電路把高壓交變電 壓變成了低壓直流電壓。由于輸入電壓不同和i g b t 的開關時間的影 響，電壓的頻率是不一樣的，充電機輸入電壓高，變壓器的電壓頻率 就高，充電機輸入電壓低，變壓器的電壓頻率就低。 2 2 3 充電機輸出電壓電流仿真 充電機輸出電壓電流在不同的輸入電壓下的m a t i a b 仿真如圖 2 一1 5 ，圖2 一l6 、圖2 17 和圖2 18 所示。 西南交通大學碩士研究生學位論文第17 頁 輸 出 電 壓 輸 出 電 流 輸 出 電 壓 輸 出 電 流 橫坐標表示工作時間 圖2 1 5 輸入直流5 0 0 v 仿真波形 曩l 墨墨目_ a 國ppp 強國 橫坐標表示工作時間 圖2 1 6 輸入直流5 5 0 v 仿真波形 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 8 頁 輸 出 電 壓 輸 出 電 流 輸 出 電 壓 輸 出 電 流 橫坐標表示工作時間 圖21 7 輸入直流6 0 0 v 仿真波形 重雹墨目_ o 目pp 盧 圓圓日 橫坐標表示工作時間 圖2 一1 8 輸入直流6 5 0 v 仿真波形 西南交通大學碩士研究生學位論文第19 頁 從充電機輸出電壓電流在不同的輸入電壓下的m a t ia b 仿真波形 圖可以看出，在充電機的工作初始階段，由于受電壓的沖擊，輸出的 突變比較大，但隨著時間的延長，充電機的輸出就穩(wěn)定在1l0 v 的電 壓內。充電機輸出電壓電流在6 0 0 v 的工況下工作最穩(wěn)定，隨輸入電 壓的升高和上升，充電機輸出電壓電流都會發(fā)生波動。在電壓超過 6 5 0 v 和電壓低于5 0 0 v ，充電機輸出波形就不能滿足輸出1 1o v 的電壓 要求。 - 通過m a t l a b 軟件仿真，可以看出，充電機由于本身的構成及元 器件特點，在電壓65 0 v 以上及電壓5 0 0 v 以下的條件下工作時，充電 機的輸出電壓波動比較大。為保證充電機及負載的工作穩(wěn)定性，因此， 當輸入電壓不在充電機的工作范圍內，充電機內電壓自動保護電路能 啟動，保護充電機及用電負載。 2 3 充電機的網絡原理 d c 6 0 0 1 10 v 客車還采用l o n w o r k s 網絡技術，實現列車無主式網。 絡監(jiān)控。通過車廂級和列車級兩級網絡，在綜合控制柜的觸摸屏上集 中顯示本車的供電狀況和供電參數、空調系統(tǒng)的運行工況和運行參 數、軸溫報警器每個軸位的軸溫信息、防滑器的工作狀態(tài)和信息、車 門的狀態(tài)、煙火報警器的工作信息、車下逆變器充電器的工作狀態(tài)和 運行參數等?？梢栽谌魏我还?jié)車廂對他車的電氣系統(tǒng)進行監(jiān)視，監(jiān)視 的內容與本車顯示內容一致，網絡結構如圖2 19 所示。 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 0 頁 7 島 d 代理節(jié)點 i。 爿 代理節(jié)點 主 控 p l c 網關2 3 2p l c 網關2 3 2 站 p l c + 觸摸屏 p l c + 觸摸屏 網 關 車 軸報網關4 8 5 li 軸報網關4 8 5 ： j兩 巫 j 軸報器 主 軸報器 霧 防滑器網關 控 防滑器網關 站 防滑器 防滑器 顯 各 不 逆變器網關 逆變器網關 屏 逆變器充電器 逆變器充電器 車門網關4 8 5 車門網關4 8 5 i 車門控制器車門控制器 i i i i i - 總線 2 1 9 列車網絡系統(tǒng)構成 充電器箱內裝有l(wèi) o n w 0 r k s r s 一4 8 5 網關，通過內部r s 一4 8 5 網絡 與，通過l o n w o r k s 與列車控制柜p l c 進行信息傳遞，按統(tǒng)一的通信 協(xié)議聯(lián)網通信。充電機網關核心控制模塊集成了l o n w o r k s 網絡收發(fā)器、 c p u 芯片、r a m 及最小單片機系統(tǒng)。其外圍是一個轉換接口電路，r s 2 3 2 r s 4 8 5 r。l。庠熔朋緩爐q|泛藺d匆熱m網陂阿i。一 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 1 頁 信號傳遞給c p u 。網關原理框圖如圖2 2 0 所示。 圖2 2 0w g i 網關原理 2 4 充電機的p l c 控制 可編程序控制器( p l c ) 為p r o g r a m m a b lel o g icc o n t r o l1e r 的 簡稱。它是一種數字運算操作的電子控制系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應 用而設計，它采用可編程序的存儲器，在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、 順序控制、定時、計數和算術運算等操作指令，并通過數字式或模擬 式的輸入、輸出接口來控制各種類型的機械或生產過程。由此可見， 可編程序控制器是以微處理器為核心，綜合了計算機技術、自動控制 技術和通訊技術，用面向控制對象、面向控制過程的“自然語言”編 程，簡單易懂、操作方便、適應工業(yè)環(huán)境、可靠性高的新一帶工業(yè)控 制裝置。目前，在鐵路車輛的電器控制中，已經普遍采用p l c 對各種 電器元件的控制，以實現自動化。 2 4 1p l o 的結構與組成 p l c 裝置由中央處理單元( c p u ) 、存儲器( m e m o r y ) 、輸入 輸出( i o ) 接口、電源部件及外部設備接口組成。其中c p u 是p l c 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 2 頁 的核心，存儲器是存放程序與數據的地方，i 0 部件是連接現場設 備與c p u 之間的接口電路，而電源部件是為p l c 內部電路提供電 力。其結構框圖如下圖2 2 1 ： 編輯器等外部設備 彳 ll 、l ， 輸中央處理單元輸 入 用戶程序存儲器 出 接接 口 系統(tǒng)程序存儲器 口 電源部件 圖2 2 1p l c 基本組成 ( 1 )中央處理單元 c p u 是p l c 的“大腦 ，他控制所有其他部件的操作，一般由控 制電路、運算器、寄存器等組成，通過地址總線、數據總線和控制總 線與存儲器、i o 接口電路聯(lián)接主要完成的任務是：從存儲器讀取指 令，c p u 從地址總線上給出指令的存儲地址，從控制總線上給出讀命 令，從數據總線上得到讀出的指令，并存放到c p u 內的指令寄存器中； 執(zhí)行指令，對存放在指令寄存器中的指令操作碼進行譯碼，執(zhí)行指令 規(guī)定的操作；準備取下一條指令，c p u 執(zhí)行完一條指令后，能根據條 件產生下一條指令地址，以便取出和執(zhí)行下一條指令，在c p u 的控制 下，程序的指令既可以順序執(zhí)行，也可以進行分支或轉移處理：處理 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 3 頁 中斷，有些p l c 除了順序執(zhí)行程序外，還提供了中斷處理功能，c p u 通過接收i 0 接口或內部的中斷請求信號，進行中斷處理，處理完畢 后，在返回原地址，繼續(xù)執(zhí)行，這種控制方式大大提高了p l c 的處理 速度。 ( 2 )存儲器。 存儲器是具有記憶功能的半導體電路。p l c 的存儲器包括系統(tǒng)程 序存儲器和用戶程序存儲器。所謂系統(tǒng)程序，是指控制和完成p l c 各 種功能的程序，這些程序是由p l c 的制造廠家用微機的指令系統(tǒng)編寫 的，并固化到只讀存儲器( r o m ) 中；所謂用戶程序，就是使用者根 據工程現場的生產過程和工藝要求編寫的控制程序。用戶程序由使用 者通過編程器輸入到p l c 的讀寫存儲器( r a m ) 中，允許修改，由用 戶啟動運行。只讀存儲器( r o m ) 一般包括：檢查程序，p l c 通電后， 首先由檢查程序檢查p l c 各部件的操作是否正常，并將結果顯示給操 作人員；鍵盤輸入處理程序，解釋、執(zhí)行用戶從鍵盤上發(fā)出的命令， 將用戶輸入的程序送到r a m 中，讀出并顯示r a m 中的內容；翻譯程序， 將用戶使用p l c 編程語言編寫的控制程序翻譯成由機器語言組成的 程序，然后再由c p u 執(zhí)行，同時，對用戶程序進行語法檢查；信息傳 遞程序，將r a m 中的用戶程序送到外部存儲器中，或將外部存儲器中 的內容傳送到r a m 中；監(jiān)控程序，根據用戶的需要調用相應的內部程 序。讀寫存儲器( r a m ) 一般用來存放用戶程序，為了防止失電后程 序丟失，一般采用電池或電容保持電路。r a m 中一般存放以下內容： 用戶程序，在編程方式下，用戶從鍵盤上輸入的程序經過預處理后， 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 4 頁 存放在r a m 低地址區(qū)；邏輯變量，在r a m 中，若干個存儲單元用來存 放邏輯變量，這些邏輯變量用p l c 術語說就是，輸入繼電器、輸出繼 電器、保持繼電器、內部輔助繼電器、定時計數器等。不同型號的 p l c 存儲容量不同。 ( 3 ) 輸入輸出( i o ) 接口電路 輸入輸出接口電路用來連接p l c 主機與外部設備。為了提高抗 干擾能力，一般的輸入、輸出接口均裝有光電隔離裝置。來自現場的 指令元件、檢測元件的信號經輸入接口進入到p l c ，指令元件的信號 是指由用戶在控制臺、操作臺或控制鍵盤上發(fā)出的控制信號，如啟動、 停止、轉換、調整、急停等。檢測元件的信號是指用檢測元件如各種 傳感器、繼電器接點、限位開關、行程開關等對生產過程中的參數， 如壓力、流量、溫度、速度、位置、電流、電壓等進行檢測時發(fā)出的 信號。這些信號有的是開關量、有的是模擬量、有的是直流信號、有 的是交流信號，要根據輸入信號的類型選擇合適的輸入接口。由p l c 產生的各種輸出控制信號經過輸出接口電路去控制和驅動負載，如指 示燈的亮滅、電動機的起停和正反轉、設備的轉動、平移、升降等。 與輸入接口一樣，輸出接口的負載有的是數字量、有的是模擬量，要 根據負載性質選擇合適的輸出接口。根據現場執(zhí)行部件的不同需要， 輸出接口的功率放大環(huán)節(jié)又分為繼電器型、雙向硅型和晶體管型三種 形式。繼電器容量大，交、直流通用，響應時間為毫秒級；可控硅只 能帶交流負載，響應時間為微秒級；晶體管只能帶直流負載，響應速 度最快，為納秒級。 西南交通大學碩士研究生學位論文 第2 5 頁 ( 4 ) 電源部件 電源部件用來將外部電源轉換成供p l c 的c p u 、存儲器、i o 接 口等電子電路工作所需要的直流電源，使p l c 能正常工作。p l c 的