城轨列车高频辅助应急电源研制

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　　摘要：介绍了城轨列车高频辅助应急电源主拓扑的结构与工作原理。针对应急电源无外接控制电源，专门设计了启动供电电路，并进行仿真。然后详细设计了以SG3525为核心的应急电源控制系统以及IGBT隔离驱动。最后，根据设计搭建实验平台，并对该应急电源的基本功能进行测试验证。

　　关键词：城轨列车;应急电源;半桥变换器;SG3525

　　1 引言

　　城轨列车蓄电池有可能因为过放电而出现亏损，从而无法为辅助电源系统的控制电路提供正常工作所需的DC24V电源，导致辅助电源系统无法正常工作，因此需要一款应急辅助电源，在蓄电池出现亏损时为辅助电源系统的控制电路供电，作为列车辅助电源控制系统控制电路的启动电源。应急启动电源输入DC750V(450V~1100V)，输出DC24V，额定输出250W。主电路拓扑。由于车载蓄电池亏损，不能为应急电源提供控制电，因此需要设计启动供电电路。由于控制电源供电质量差，加之该电源功率等级和系统较小，因此使用集成DC/DC控制芯片SG3525设计控制系统。针对主电路特点，设计一个简单的高压隔离IGBT驱动电路。

　　2 系统原理与设计

　　2.1 系统主电路原理

　　如图1所示，系统主电路拓扑igbt。

　　

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　　工作原理如下：1)、直流750V经输入LC滤波后由半桥变换器变成交变电压，经高频变压器后输出由全波整流输出直流24V(DC24V);2)、辅助绕组DC24aux为控制系统提供反馈电源;3)、二极管D1即可以削弱LC震荡，也可以防止输入接反;4)、电容C1、C2即是支撑电容，也是半桥的一个桥臂;5)、R1是开关管Q2电流采样电阻。

　　结合所选开关管参数，综合考虑系统体积和损耗，设计开关管开关频率为20kHz。高频变压器工作频率也为电源20kHz，额定容量300kVA。

　　2.2 启动供电电路

　　如图2所示，其设计思路是：当6800uF电容两端的电压达到一定值(如：25V)时，开通三极管给控制系统供电。假设6800uF电容两端电压达到25V时三极管饱和导通开始给控制系统供电，到15V时三极管关断停止供电。假设控制系统的功率为5W，则可以根据公式：

　　

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　　0.272s的时间足够让系统启动并稳定工作。稳压二极管1N475A的稳压值为30V，1N4740A为10V。在三极管ZTX956开通给控制系统供电前LM258D工作电流小于1mA，满足此处设计需要。

　　在Multisim11.0中搭建仿真模型，启动电路后面用80Ω的电阻作为负载来模拟对控系统供电，仿真波形如图3所示，其中淡绿色色波形为电容C1两端的电压，蓝色波形为控制系统两端的电压，由仿真结果可知该方案达到了预期目标。

　　

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　　启动供电电路提供的是15V~25V的电源，而辅助绕组提供的是24V电源(输入直流电压和主绕组负载变化时，波动较大)。为了给控制电路提供一个稳定可靠的电源，在启动供电电路和辅助绕组供电输出加一个三端稳压芯片进行稳压。考虑IGBT驱动电压为15V，这里设计稳压器输出为15V。如图4所示，稳压电路原理图。

　　

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　　2.3 控制系统设计

　　集成DC/DC控制芯片因反馈控制不一样可以分为电压型和电流型控制模式。由于电压控制模式电路是单环反馈的设计和分析较易进行;锯齿波振幅较大，对稳定的调制过程可提供较好的噪声余裕;低阻抗功率输出，对多输出电源具有较好的交互调节特性。由于轻轨车高频辅助应急电源的负载对电源的动态性能要求不高，而且电压控制模式相对电流控制模式调试简单，故本设计的系统的控制模式采用电压控制模式。

　　综合调研各厂家芯片，这里选择常用集成DC/DC控制芯片SG3525作为主控芯片。输出DC24经PC817隔离反馈输入SG3525的误差放大器。如图5所示，SG3525控制系统原理图。

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　　2.4 IGBT驱动电路设计

　　IGBT驱动有不隔离的自举电路、变压器隔离驱动和光耦隔离驱动。如今市场上现有的带自举电路的桥式驱动芯片的最高耐压仅为1200V，并不能够满足750V电源系统。而使用专用的驱动模块成本太高，且对控制电源要求较高，电源系统在启动时会出现无法启动的问题。故本设计采用最简单的变压隔离驱动的方式来驱动开关管，驱动电路的设计如图6所示。由于SG3525供电电压为15V，电源驱动隔离变压器变比设计为1:1:1，工作频率为21kHz。

　　

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　　首先测试启动供电电路，如图8所示启动供电电

　　路输出电压波形，通道1是启动供电电路输出电压波形，通道2是启动供电电路充电电容两端电压波形。由实验波形可得启动供电电路可以为控制系统提供0.3s的电源。实验结果与满足设计要求。用启动供电电路给控制系统供电，使应急电源工作。应急电源满载输出时，驱动脉冲(VGE通道1)、IGBT两端电压(VCE，通道2)、IGBT电流波形(IC，1Ω采样电阻电压波形，通道3)如图9所示。由图9可得，驱动脉冲峰值为16.6V，驱动脉冲波形较好，IGBT两端电压为780V，IGBT电流峰值为1.2A。

　　

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　　测试应急电源的输入输出电压波形，测试波形如图10所示。由图10可得，输入直流电压为809V(DC750V，通道1)，主绕组输出电压为24.6V(DC24V，通道2)，晶闸管辅助绕组输出电压为21.2V(DC24aux，通道3)。输入输出特性满足设计要求。

　　

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　　4 结论

　　这里分析了城轨列车高频辅助应急电源系统原理，针对应急电源的特色工况设计了启动供电电路。然后设计了以SG3525为核心的控制系统。最后搭建实验平台，对系统各个功能进行测试。实验结果表明设计方案满足实际需求。

　　参考文献

　　[1] Baoxing Chen, “Isolated half-bridge gate driver with integrated high-side supply,” Power Electronics Specialists Conference Proceedings, pp. 3615-3618, June, 2008.

　　[2] Sheng-Yuan Ou, Ho-Pu Hsiao, “Analysis and design of a novel single-stage switching power supply with half-bridge topology,” IEEE Trans. Power Electronics, vol. 26, no.11, pp. 3230-3241, Nov. 2011.

　　[3] Amit K. Jain, David McIntosh, Matt Jones, Brian Ratliff, “A 2.5kV to 22V, 1kW radar decoy power supply using silicon carbide semiconductor devices,” in 14th European Conference on Power Electronics and Applications Proceedings, pp. 1-10, 2011.

　　[4] 王小方.基于状态空间平均法的DC/DC高频隔离变换器建模仿真分析[J].机车电传动,2011,1:10-13.

　　Wang Xiaofang. The modeling and simulation analysis of high frequency DC/DC isolated converter based on state space average method [J]. Electric Drive for Locomotives, 2011,1: 10-13. UC1 启动供电电路输出电压 VGE VCE IC DC750V DC24V DC24aux

　　[5] 刘志刚.电力电子学[M].北京:清华大学出版社,2004.

　　Liu Zhigang. Power Electronics [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004.

　　作者简介：

　　何文辉(1989- )，男，四川南充人，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。

来源：中国电力电子产业网 http://www.p-e-china.com/

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　电焊机是一种利用电能转换为热能对金属进行加热焊接的熔接设备，由于其体积小、移动方便、价格适中，已成为施工现场最常见、利用率最高的施工机具。它的广泛应用在提高工作效率、加快施工进度的同时，也引发了因操作方法不正确、防护措施不到位、检测维修不及时而导致诸多触电和火灾事故的发生，给建筑职工的生命财产安全造成了不小损失。因此，有必要结合电焊机的工作原理和自身特点及工作环境讨论一下电焊机在安装及使用中的安全防护措施，最大限度的避免焊接时发生触电和火灾事故。

　　2 电焊机工作原理及工作环境

　　从电焊机的内部结构上看，它实际上就是一台变压器，略有不同的是，电焊机比一般的变压器多一个活动的铁芯，利用这个铁芯来调节电流的大小。当电焊机接通电源(380V)后，二次线圈由于感应便产生了一个空载电压，为了达到引弧容易和电弧燃烧的目的，要求空载电压不低于60V，同时为保证安全，要求最高电压不超过80V，当进行焊接作业时，由于电流增大产生电压降，使工作电压维持在30V以下，正因为空载电压最高80V，给操作者带来了一定的不安全因素。

　　建筑工地的电焊机与其它行业相比较，有一个最大的特点，电焊机主机相对固定，但工作地点变换频繁，有湿的地下室，有金属容器内，有钢筋网片上，并且在空间位置上也移动频繁给电焊机的安全使用带来一定的问题。

　　3 电焊机安全隐患及安全事故的分类

　　1)由于电焊机自身的特点因素造成的安全隐患及安全事故，主要是人身触电事故，主要包括电焊机的正常工作由于空载电压结合人体素质个性区别及特殊环境造成的触电事故，和由于高压(一次侧)窜入低压(二次侧)造成的触电事故。

　　2)由于人的行为因素造成的安全隐患及安全事故，主要包括使用钢筋网片和金属管道、金属钢结构和金属容器做工件接线(电缆线)造成的安全隐患和由于长期转移工作地点而导致的相线外皮破损漏电引起的安全隐患及焊钳 电缆代用引起的安全隐患。

　　3)由于非致命触电引起的高空坠落等次生安全事故。

　　4)由于电焊机火花引起的火灾。

　　4 电焊机使用安全技术措施

　　1)电焊机保护接地线路的装设

　　电焊机的危险部位分别是机壳和二次回路，因此，必须对这两个部位进行保护接地。在电焊机的机壳上通常专门设有固定接地螺栓，而电焊机的二次测设有一组接线端子，供连接焊钳电缆和焊件电缆之用。实施保护接地时，采用铜芯绝缘导线将机壳与二次侧连接焊件电缆的接线端子连通，用相同的导线将其一端接在机壳的接地螺栓上，另一端接到接地干线，没有装设接地干线时，就直接接到独立接地系统的接线端子上。

　　如果在同一作业场所有若干台电焊机投入使用，务必要注意保护接地线路的连接问题。正确的做法是：首先将各台电焊机按照上述所述的方法逐个地单独连接构成相对独立的保护接地单元，然后将各个保护接地单元分别连接到接地干线上，没有接地干线时，就直接汇集到独立接地系统的接线端子上，使各台电焊机的保护接地单元之间形成并联关系。严禁在接地支线上串联两台或更多的电焊机保护接地单元，避免因某个单元设备的检修或意外损伤而使保护接地系统开断，影响保护接地的可靠性。

　　对于上述讨论中所使用的保护接地线，从安全可靠的角度考虑，必须有足够的截面。就每台电焊机而言，尽管其容量规格并不大，但保护地线的截面积也不大应低于6mm2(包括电焊机本身连接机壳与二次侧之间的导线)，这样既能保证良好的导电性和相对的机械强度，也能够有效抵御短路电流的冲击和机械损伤。

　　2)电焊机控制箱的设置

　　每台焊机有专用的开关箱和漏电保护器控制，开关箱内必须装设二次空载降压保护器，导线绝缘必须良好，由专业人员负责接线安装。开关控制应采用自动开关，不能使用手动开关(由于电焊机的容量较大，而手动开关的通断电源速度慢，灭弧能力差，容易发生弧光和相间短路故障)。

　　电焊机开关箱内装设二次空载降压保护器后，电焊机空载时，保护器内部的交流接触器释放，电流经降压元件将380V电压降低至70V左右，加到焊机一次

　　，迫使焊机二次输出只有15-20V，达到安全节能效果;当焊工焊条碰上工件要焊接时，电焊机保护器收到信息发出指令，就立即将交流接触器吸合，380V电压输入焊机，使焊机进入正常焊接工作;同样，当焊工焊毕，电焊机空载时电焊机保护器收到信息后，经处理约延时1S后释放交流接触器，电流又经降压元件将380V电压降低至70V左右，电焊机功率大，空载电流大，二次空载输出电压较高，不但浪费电力资源、更蕴藏着极大的安全隐患，装上弧焊机保护器后，同样一台500的焊机节电率达95%以上，这样不会浪费电力资源，也避免使焊机线圈温升过高烧毁焊机，引发事故。

　　3)电焊机接线要求

　　与二次线相比较，一次线的电压高、危险大，所以当尽量控制其长度，不使一次线拖地并加设防护套管，防止因线体过长、拖地造成的泡水及金属刮碾造成触电事故。特殊情况下一次线必须加长使用时，应架空设置并固定牢固。

　　一次侧的电源线长度一般不应超过5m，二次线长度不超过30m。线路与电焊机接线柱连接牢固，接线柱上部应有防护罩，防止意外损伤及触电。

　　焊钳要有好的绝缘性，并能牢固地夹紧焊条，与电缆线连接可靠，这是保持焊钳不异常发热的关键。

　　焊接(焊钳)电缆应使用橡皮护套铜芯多股软电缆，与焊机接线柱采用线鼻子连接压实，禁止采用随意缠绕的方法连接，防止造成松动接触不良引起火花过热现象，接线柱上方应有牢固的防护罩。

　　电缆经过道路时，如不能架空，必须采取加护套穿管等保护措施，但不同电压及不同回路的导线不能穿在同一管内。

　　严禁使用脚手架、金属栏杆、轨道、钢筋网片及其它金属物代替导线使用，防止造成触电事故和引发火灾。

　　4)管理人员要做好电焊机的工作地点转移工作监督工作

　　建筑工地的电焊机一般移动比较频繁，所以电焊机的初次安装和以后的再安装必须由电工进行，并经验收合格后方能投入使用。电焊机的焊钳电缆是比较“贵”“重”的，“贵”所以常有丢失现象，“重”所以上下班无人愿意背着上下班，大多人都仅用一截焊钳电缆线，其余全用铝质工件电缆线代用，断点多，外皮破损严重，焊钳电缆与铝质工件电缆线常相距不远，给自己和别人造成很大的不安全因素，特别容易引起火灾，所以管理人员要做好电焊机的工作地点转移工作监督工作。

　　5)做好作地点地点周围的防火工作

　　在建筑工地，电焊机周围的可然及易然材料主要有：木模板，塑料材料，油漆化工材料，一般来说，电焊火花不会引起木模板的然烧，但不能说的绝对的不然烧，稍有不慎就会引起火灾，一般来说，支模后才进行钢筋的绑扎和焊接(包括引下线的焊接等)，正确定的做法是，把模板缝隙用胶带纸进行密封，电焊火花就不会落入下层复杂的环境中去，同时工作地点周围要有水源，先把火花飞的范围浇水湿润，以防意外，每根电焊条焊完后，根部带火的焊条头要放在专用桶内，工作地点转移时，在工作点再次浇水湿润，对于在楼内施焊时，要了解下层已安装的半成品材质和各房间存放东西的性质，进行相应的保护措施，要求对工作地点周围的洞口做相应的封闭，封闭后才能施焊，对于在外架上进行施焊，必须对作业下方进行清

　　理，必须编制切实可行的专项方案，并通过论证后才能实施焊接作业。

　　6)金属容器内、潮湿地下室、钢筋网片焊接时应注意

　　在容器进、出口处必须设置焊接电源开关，并设监护人员，禁止一人操作，照明应采用电压为12V的行灯，通风宜采用低压轴流风机，焊工应穿干燥的工作服和绝缘鞋，并站在干燥的木板或橡胶垫上进行工作，以防止触电，潮湿的地下室、钢筋网片上焊接可参照金属容器内要求进行操作。

　　7)其它注意事项

　　焊机操作人员必须经专门的安全作业培训，经考核合格后方可上岗作业。

　　高处焊接时，应站在安全作业平台上，并挂牢安全带。

　　操作人员作业时应穿防护服、绝缘鞋，戴电焊手套、防护面罩、护目镜等防护用品。

　　操作人员要严格按照焊机铭牌上的“额定暂载率”和“额定焊接电流”进行操作，防止因超载作业造成损坏而导致触电事故。

　　室外安装电焊机必须设置防雨(雪)棚。

　　在设备上进行焊接作业时，应先将设备的接地线或接零线拆掉，焊接完毕后及时恢复。

　　6 结语

　　从多年的施工实践来看，电焊机安全事故多是因为人的安全意识不强造成的，只要操作人员经过培训、持证上岗，加强电焊机使用管理、定期检查试验制度，加强对操作人员的监督管理，电焊机操作安全事故完全可以避免。

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