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【摘 要】机车空调电源系统结构的设计直接影响着机车空调系统的运行效果，机车空调电源系统的专业设计人员必须具备扎实的专业技能才能设计出合理、完善的空调电源系统，从而进一步提高机车空调的运行效率。论文主要探索了机车空调电源系统的结构，仅供参考。
【Abstract】The design of air conditioning power supply system directly affects the operation effect of the locomotive air conditioning system. The professional designers of the locomotive air conditioning power supply system must have solid professional skills to design reasonable and perfect air conditioning power supply system， so as to further improve the operation efficiency of the locomotive air conditioner. The thesis mainly explores the structure of the locomotive air conditioning power supply system， which is for reference only.
【關键词】机车；空调电源系统；结构；设计
【Keywords】locomotive； air conditioning power supply system； structure； design
【中图分类号】U264.5+6 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）06-0148-02
1 引言
为了使机车司机的工作环境得到改善，在机车中一般都装有空调设施，一般而言，空调电源作为保证整个机车空调设备运行的供电系统，其采取的是三相交流电路，其主要包括控制器与主电路两个部分。本文主要对机车空调电源系统的结构设计进行了分析，以期可以设计出性能更好的空调电源系统，提高机车空调的运行效率。
2 机车空调电源结构
2.1 交直交的电路结构
在机车空调电源电路结构中，交直交形式的本质就是在普通空调电源基础上增添了一个二极管整流的部分。空调电源主要是通过进行升压斩波、整流，对输入电源的220V单相交流电源进行处理，从而获得电压为600V的，较为稳定的直流电源。交直交电路结的机车空调电源具有较好的通用性，不仅可以满足内燃机车的应用，还能够满足电力基础的需求。此外，交直交的电路结构中，还包括脉冲整流器的空调（辅助）电源结构，其实现由单向交流电到直流电的转换主要是通过四象限整流原理，其中，四象限整流滤波器中的电流感应也可以是变压器的漏电感应。这种电路的特点主要包括以下几点：
第一，节省了DC/DC的中间环节，可以直接获得具有极高稳定性的电压在600V左右的直流电，同时其也能够适应范围较大的电压变化；
第二，在输入交流电时，其侧功率因数大约为1，因此其产生的谐波相对而言较少，但是这种电路结构使得全控开关数量增多，这就会在一定程度上增加空调电源的成本；
第三，在经过无电区时，机车内的空调不能正常使用。
2.2 直交的电路结构
在机车空调（辅助）电源中，虽然可以应用交直交型的电路结构的电源，但是这种电源结构具有明显的缺点：
第一，电路必须要进行整流，如此一来不仅使电路以及控制系统更加复杂，而且整流器产生的高次谐波（针对脉冲整流器）或低次谐波（针对不相控或相控整流器），能够与牵引变压器直接耦合，以至于牵引变压器其他绕组电压波形变差以及铁心发生损耗发热；
第二，在途经无电区域时，机车内的空调将无法正常使用，或采取停机措施，或改由蓄电池进行供电，如此一来必将会对空调的稳定运行产生影响。
因此，在机车空调系统中，应用最为广泛的空调（辅助）电源结构便是直交型电源结构。直交型空调（辅助）电源对电流的获得主要是通过中间直流环节，因此，这种电源结构需要安装逆变器，确保直流电可以有效转换成三相交流电。由于机车空调电源要求的输入电压较高，为了保证空调设施的稳定运行，设计人员通常会安装降压设施，其方式主要包括以下几种：第一种方式，先对直流电进行逆变处理，然后再通过三相降压变压器使电压降低到所需等级；第二种方式，首先运用Buck降压电路，实现直流电压等级的降低，然后再进行逆变处理[1]。
3 机车空调电源系统的结构设计研究
3.1 升压斩波控制电路结构设计
3.1.1 UC2842结构及特点
本次设计中选择的控制电路核心芯片是TI公司的UC2842芯片。UC2842芯片作为一种性能较高的、输出方式为单端的一种对脉宽进行调节的芯片，可以直接进行功率型半导体器件（MOSFET、双极型晶体管、IGBT等）的驱动，具有外围线路简单、性能优良、管脚数量少以及安装调试简单的优点，是最为常用的一种集成电路。
3.1.2 控制电路设计
在机车空调电源结构中的升压斩波控制电路，其外围由电容、电阻以及稳压二极管组成，内部的核心则为UC2842芯片。其电路图如图1所示。
该电路的基本工作流程为：输入110V直流电压，对电容C2进行充电，当UC2842的7脚端的电压达到导通门限之后，芯片开始进行工作。在经过R6、R7分压之后，斩波反馈电压从2脚被送入芯片中的误差放大器中，基准电压与反馈电压在经过误差放大器的比较之后，对芯片的输出脉冲宽度进行调整，从而获得稳定的输出电压。电流取样电阻R12、电流互感器以及滤波电容C9等元器件共同组成电流反馈回路。R12两端的取样电压在经过3脚之后，流入到芯片的电流取样比较器的输入端，并会与另一端的误差电压相比较，若是该电压等于误差电压时，芯片将会自动中断其输出脉冲，从而进行限流保护。该电路中的R9主要具有对峰值驱动电流进行限制的作用；RT、CT对振荡频率以及时间进行确定；C6、R4共同组成误差放大器的补偿网络[2]。
3.2 反馈回路设计
一般来说，UC2842芯片是一种电流控制型的脉冲宽度调制控制器，其具有双环结构，可以有效控制电流以及电压，其中内环控制电流，外环控制电压。内环中具有霍尔电流传感器，可以有效感应电感峰值的变化情况，并对其进行采样与传输；外环则是通过安装分压电阻，感应输出电压情况，进而进行采样以及传输。由于电流以及电压的变化会使得脉冲宽度调制（PWM）的输出脉冲改变其占空比，因此，可以通过PWM的有效控制，增加系统的瞬态响应时间，进而增强电源系统电压以及电流的稳定性。为了使DC600V在输出时具有较高的稳定性，设计人员可以在电源电路结构中适当地添加一些反馈回路。此外，设计人员在设计机车空调电源结构时，应保證电源在较为复杂的环境下能够稳定运行，因此，可以选择应用PI调节器。电压反馈回路的电路如图2所示。
4 结语
综上所述，我国在机车空调电源结构设计中还与发达国家具有一定的差距。随着我国轨道交通行业科学技术的不断发展，各种应用设施将会逐步完善，我国机车空调电源结构必将实现优化与统一，为机车司机营造更好的工作环境。
【参考文献】
【1】白锡彬，张全柱，王磊，等.机车新型空调电源系统的设计[J].内燃机车，2007（10）：9-12+16+52.
【2】张胜云.机车空调电源系统的研究与设计[D].长沙：中南大学，2010.
【Abstract】The design of air conditioning power supply system directly affects the operation effect of the locomotive air conditioning system. The professional designers of the locomotive air conditioning power supply system must have solid professional skills to design reasonable and perfect air conditioning power supply system， so as to further improve the operation efficiency of the locomotive air conditioner. The thesis mainly explores the structure of the locomotive air conditioning power supply system， which is for reference only.
【關键词】机车；空调电源系统；结构；设计
【Keywords】locomotive； air conditioning power supply system； structure； design
【中图分类号】U264.5+6 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）06-0148-02
1 引言
为了使机车司机的工作环境得到改善，在机车中一般都装有空调设施，一般而言，空调电源作为保证整个机车空调设备运行的供电系统，其采取的是三相交流电路，其主要包括控制器与主电路两个部分。本文主要对机车空调电源系统的结构设计进行了分析，以期可以设计出性能更好的空调电源系统，提高机车空调的运行效率。
2 机车空调电源结构
2.1 交直交的电路结构
在机车空调电源电路结构中，交直交形式的本质就是在普通空调电源基础上增添了一个二极管整流的部分。空调电源主要是通过进行升压斩波、整流，对输入电源的220V单相交流电源进行处理，从而获得电压为600V的，较为稳定的直流电源。交直交电路结的机车空调电源具有较好的通用性，不仅可以满足内燃机车的应用，还能够满足电力基础的需求。此外，交直交的电路结构中，还包括脉冲整流器的空调（辅助）电源结构，其实现由单向交流电到直流电的转换主要是通过四象限整流原理，其中，四象限整流滤波器中的电流感应也可以是变压器的漏电感应。这种电路的特点主要包括以下几点：
第一，节省了DC/DC的中间环节，可以直接获得具有极高稳定性的电压在600V左右的直流电，同时其也能够适应范围较大的电压变化；
第二，在输入交流电时，其侧功率因数大约为1，因此其产生的谐波相对而言较少，但是这种电路结构使得全控开关数量增多，这就会在一定程度上增加空调电源的成本；
第三，在经过无电区时，机车内的空调不能正常使用。
2.2 直交的电路结构
在机车空调（辅助）电源中，虽然可以应用交直交型的电路结构的电源，但是这种电源结构具有明显的缺点：
第一，电路必须要进行整流，如此一来不仅使电路以及控制系统更加复杂，而且整流器产生的高次谐波（针对脉冲整流器）或低次谐波（针对不相控或相控整流器），能够与牵引变压器直接耦合，以至于牵引变压器其他绕组电压波形变差以及铁心发生损耗发热；
第二，在途经无电区域时，机车内的空调将无法正常使用，或采取停机措施，或改由蓄电池进行供电，如此一来必将会对空调的稳定运行产生影响。
因此，在机车空调系统中，应用最为广泛的空调（辅助）电源结构便是直交型电源结构。直交型空调（辅助）电源对电流的获得主要是通过中间直流环节，因此，这种电源结构需要安装逆变器，确保直流电可以有效转换成三相交流电。由于机车空调电源要求的输入电压较高，为了保证空调设施的稳定运行，设计人员通常会安装降压设施，其方式主要包括以下几种：第一种方式，先对直流电进行逆变处理，然后再通过三相降压变压器使电压降低到所需等级；第二种方式，首先运用Buck降压电路，实现直流电压等级的降低，然后再进行逆变处理[1]。
3 机车空调电源系统的结构设计研究
3.1 升压斩波控制电路结构设计
3.1.1 UC2842结构及特点
本次设计中选择的控制电路核心芯片是TI公司的UC2842芯片。UC2842芯片作为一种性能较高的、输出方式为单端的一种对脉宽进行调节的芯片，可以直接进行功率型半导体器件（MOSFET、双极型晶体管、IGBT等）的驱动，具有外围线路简单、性能优良、管脚数量少以及安装调试简单的优点，是最为常用的一种集成电路。
3.1.2 控制电路设计
在机车空调电源结构中的升压斩波控制电路，其外围由电容、电阻以及稳压二极管组成，内部的核心则为UC2842芯片。其电路图如图1所示。
该电路的基本工作流程为：输入110V直流电压，对电容C2进行充电，当UC2842的7脚端的电压达到导通门限之后，芯片开始进行工作。在经过R6、R7分压之后，斩波反馈电压从2脚被送入芯片中的误差放大器中，基准电压与反馈电压在经过误差放大器的比较之后，对芯片的输出脉冲宽度进行调整，从而获得稳定的输出电压。电流取样电阻R12、电流互感器以及滤波电容C9等元器件共同组成电流反馈回路。R12两端的取样电压在经过3脚之后，流入到芯片的电流取样比较器的输入端，并会与另一端的误差电压相比较，若是该电压等于误差电压时，芯片将会自动中断其输出脉冲，从而进行限流保护。该电路中的R9主要具有对峰值驱动电流进行限制的作用；RT、CT对振荡频率以及时间进行确定；C6、R4共同组成误差放大器的补偿网络[2]。
3.2 反馈回路设计
一般来说，UC2842芯片是一种电流控制型的脉冲宽度调制控制器，其具有双环结构，可以有效控制电流以及电压，其中内环控制电流，外环控制电压。内环中具有霍尔电流传感器，可以有效感应电感峰值的变化情况，并对其进行采样与传输；外环则是通过安装分压电阻，感应输出电压情况，进而进行采样以及传输。由于电流以及电压的变化会使得脉冲宽度调制（PWM）的输出脉冲改变其占空比，因此，可以通过PWM的有效控制，增加系统的瞬态响应时间，进而增强电源系统电压以及电流的稳定性。为了使DC600V在输出时具有较高的稳定性，设计人员可以在电源电路结构中适当地添加一些反馈回路。此外，设计人员在设计机车空调电源结构时，应保證电源在较为复杂的环境下能够稳定运行，因此，可以选择应用PI调节器。电压反馈回路的电路如图2所示。
4 结语
综上所述，我国在机车空调电源结构设计中还与发达国家具有一定的差距。随着我国轨道交通行业科学技术的不断发展，各种应用设施将会逐步完善，我国机车空调电源结构必将实现优化与统一，为机车司机营造更好的工作环境。
【参考文献】
【1】白锡彬，张全柱，王磊，等.机车新型空调电源系统的设计[J].内燃机车，2007（10）：9-12+16+52.
【2】张胜云.机车空调电源系统的研究与设计[D].长沙：中南大学，2010.