專利名稱：機保/機冷車專用逆變電源裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種鐵道車輛上的專用電源裝置，具體地，涉及機械保溫車及機械冷凍車專用逆變電源裝置。
由于經濟及鐵道運輸事業(yè)的發(fā)展，愈來愈需要將一個地區(qū)的特產利用機械保溫車或機械冷凍車運到另一遙遠的地區(qū)，例如，將新疆的葡萄、哈密瓜等特產運輸到廣東沿海出口或供應各大城市。該車運行時間較長，多時常達十幾天，有時需長時間停留在渺無人煙的沙漠地帶，因此要求一個能在高溫條件下連續(xù)長時間使用的既安全又可靠的交流電源為車上的通訊設備、工作儀表、生活用設備如電冰箱、電視機等提供穩(wěn)定的供電。這種電源需要有較大的功率，在現有技術中用于鐵道車輛的交流電源是采用柴油機為動力的交流發(fā)電機組，這種電源不但體積大、噪聲大、有污染，而且不能在惡劣的氣候環(huán)境中長期工作，它們不能適用于上述用途。普通的逆變電源雖然體積小，噪聲小、無污染，但抗過壓、過流能力差，不能用于為象電冰箱這樣低功率因數的感性負載供電，否則會造成電源損壞，并且普通逆變電源也不能長時間地在沙漠高溫地區(qū)工作。
因此，本實用新型為了克服上述現有技術的缺點，其目的在于提供一種適于機保車和/或機冷車專用交流電源，它不但體積小、噪音低、無污染，而且能在高溫氣候環(huán)境中長期工作，并能對象電冰箱這樣的低功率因數的感性負載可靠供電。
為了實現上述目的，根據本實用新型，提出了一種機保/機冷車專用逆變電源裝置，它基本由啟動電路、驅動電路、脈沖放大電路、主開關電路及變壓器以此次序相互電連接組成，由蓄電池供電輸出交流220V電壓，其特征在于該電源裝置還包括快速保護電路、欠壓保護電路、過壓保護電路、過壓吸收電路、啟動緩沖電路、綜合電路、電源與電壓電路、交流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)及限流環(huán)節(jié)，其中，欠壓保護電路與過壓保護電路的輸入端經快速保護電路與蓄電池輸出電壓相連接，欠壓保護電路與過壓保護電路的輸出端分別與綜合電路的第一、第二輸入端相連接，綜合電路的輸出端連接到驅動電路的第一輸入端，啟動緩沖電路的輸入端與欠壓保護電路的輸出端相連接，其輸出端與綜合電路的第三輸入端相連接，電源與電壓檢測電路的輸入端與變壓器的一個次邊輸出電壓相連接，其輸出端作為上述各電路的低壓電源并與交流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)輸入端相連接，交流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)輸出端與驅動電路第二、第三輸入端相連接，限流環(huán)節(jié)的輸入端與主開關電路的電流回路相連接，其輸出端與驅動電路的第四輸入端相連接，過電壓吸收電路與主開關電路相連接，并且該電源裝置還具有一個通風機，它與變壓器輸出的交流220V電壓相連接。
根據本實用新型的一個有利構型，其中過電壓吸收電路由并聯在主開關電路中的大功率開關晶體管的集電極和發(fā)射極上的高頻吸收電路、中頻吸收電路及連接在變壓器原邊繞組兩端與地之間的低頻吸收電路組成。
根據本實用新型的另一有利構型，該電源裝置還包括由自冷卻部分與強迫風冷卻部分并列組成的冷卻部分，其中自冷卻部分包括優(yōu)良導熱特性的鋁型材散熱器，大功率開關晶體管為散熱體與電極完全分開的大功率器件，器件的散熱體與散熱器的接觸部分涂有導熱硅脂并緊固在散熱器上，散熱器安裝在機箱后板上，散熱器具有在無強迫風冷時也能保證裝置正常工作的足夠大散熱面積；強迫風冷卻部分包括安裝在機箱右側板上的通風機，在機箱左側板上設有多個進風通風孔，通風機由逆變交流220V電源供電并從機箱向外抽風，通風機具有在無散熱器情況下也能使大功率開關器件正常工作的電功率。
根據本實用新型的又一有利構型，變壓器繞組采用多層分段結構，即原邊繞組分成四個線圈，次邊繞組也分成四個線圈，它們分別繞成裝在C型鐵芯上的兩個線包，第一與第二線包的第一層分別為原邊第一、第二線圈，第二層分別為次邊的第一、第二線圈，第三層分別為原邊的第三、第四線圈，第四層分別為次邊的第三、第四線圈，原邊繞組按原邊第一、第四、第二、第三線圈的次序相串聯，頭尾為繞組輸入端，第四與第二線圈的連接點為中間抽頭，次邊繞組按次邊第一、第四、第二、第三線圈的次序相連接，頭尾為繞組輸出端。
由于采用了本實用新型上述結構的電源裝置，其中，欠壓、過壓保護電路分別防止了因過放電而損壞蓄電池及過壓損壞逆變電源。起動緩沖電路避免了逆變電源的變壓器因啟動開始瞬時磁化方向與剩磁方向相同而導致的原邊短路，從而防止大功率半導體開關器件因二次擊穿的損壞。過壓吸收電路采用了多重吸收部分，充分地吸收了可能由開關器件的開關及無功電流引起的過電壓，使電源裝置能適應象電冰箱這樣低功率因數的感性負載的工作。變壓器部分由于采用了多層分段結構的特殊繞法，因此使變壓器繞組的結構對稱、緊湊，使變壓器的漏感減至最小，由此使逆變電源的開關過電壓降至最低，使工作可靠，并提高了電源的效率。由于采用了自然冷卻及強迫風冷的雙重冷卻結構，即使在沙漠地帶陽光直射可達50-60℃的環(huán)境溫度下，在保溫車柴油發(fā)動機等散出大量熱量的情況下，也能可靠地保證電源裝置的散熱，由此使大功率器件等能可靠地工作。這樣的一種電源裝置不但體積小、噪音低、無污染，而且實現了能在高溫氣候環(huán)境中長期工作，并能對象電冰箱等低功率因數的感性負載可靠地供電。因而很好地實現了本實用新型的目的。
為了對本實用新型電源裝置的其它結構特征及優(yōu)點更好地了解，
以下結合附圖為本實用新型的優(yōu)選實施例進行詳細描述。附圖為

圖1為根據本實用新型的機保/機冷車專用逆變電源裝置一個實施例的概要外觀透視圖；圖2是上述實施例中變壓器繞組結構的示意圖；圖3是該實施例的電源裝置的電路框圖；圖4是根據本實用新型一個優(yōu)選實施例的詳細電路圖。
由圖3中的電路框圖可見，該實施例的本實用新型的機保/機冷車專用逆變電源除通用逆變電源設有依次相互電連接的啟動電路20，驅動電路21，脈沖放大電路22，主開關電路23及變壓器24以外，還包括快速保護電路25，欠壓保護電路26，過壓保護電路27，過壓吸收電路28，啟動緩沖電路29，綜合電路30，電源與電壓檢測電路31，交流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)32及限流環(huán)節(jié)33，以及一個通風機34。這些電路之間的連接關系以在前面描述了，這里不再重復。
參見圖4，它是本實用新型一個優(yōu)選實施例的詳細電路圖，當電源開關K閉合時，電流首先通過自動空氣斷路器K與快速保險Fu，串聯后與續(xù)流二極管D1相并聯組成的快速保護電路25供給啟動電路20，啟動電路20由晶體三極管T1、穩(wěn)壓管DW及二極管D2組成，穩(wěn)壓管接在晶體管T1的基極與地之間，二極管D2的陽極與該管T1的發(fā)射極相連接，該管T1的集電極通過電阻R14與快速保護電路20的輸出端KA相連接，該管T1的基極還通過電阻R13與該正端相連接，啟動電路20的輸出電壓約為12V它經由二極管D2的陽極向驅動電路21及脈沖放大電路22供電，驅動電路由脈寬調制(PWM)集成電路1524構成，它從15腳得到12V直流電壓，從16腳輸出5V高精度穩(wěn)定電壓，供其它電路使用。
欠壓保護電路26由運算放大器A2組成，它的同相輸入端12經電阻R16與快速保護電路25的輸出端KA相連接，它的反相輸入端13經電阻R19與上述5V電壓相連接。當輸出端KA的電壓≥42V時，運放A2的輸出端14輸出高電位；當該端KA的電壓＜42V時，運放A2翻轉，其輸出端14輸出低電位，該低電位通過綜合電路30中的二極管D31與驅動電路即PWM集成電路1524的9腳相連接，使該電路1524停止輸出脈沖，從而使整個電源裝置停止工作，由此保護蓄電池以免過放電。
過壓保護電路27由運算放大器A4組成，它的反相輸入端9經電阻R22與快速保護電路25的輸出端KA相連接，它的正相輸入端10經電阻R24與上述5V電壓相連接。當輸出端KA的電壓＜65V時，運放A4的輸出端8輸出高電位；當該端KA的電壓≥65V時，運放A4翻轉，其輸出端8輸出低電位，該低電位通過綜合電路30中的二極管D32與驅動電路即PWM集成電路1524的9腳相連接，使該電路停止輸出脈沖從而使整個電源裝置停止工作，由此保護了裝置中元器件的過載。
啟運緩沖電路29由電阻R21及電容C16組成的充電電路及其連接在該電阻、電容連接點上并接成負反饋方式的運算放大器A3組成，該電路輸出端即運放A3的輸出端1經綜合電路30中的二極管D33與PWM電路1524的9腳相連接。當合上電源開關K后，由于充電電路時間常數及負反饋電路的延遲作用使輸出端電壓緩慢上升，從而使PWM電路1524輸出脈沖的導通比逐漸上升，從而使由開關晶體管T6、T7、T8、T9及變壓器TR組成的主開關電路的電流逐漸上升。這樣就避免了因啟動開始時瞬時磁化方向與乘磁方向相同的大磁化電流導致的變壓器原邊短路，從而可靠地保護了大功率半導體開關器件。
綜合電路30由三個二極管D31、D32、D33組成，它們的陽極彼此相連接作為輸出端，它們的陰極分別為上述第一、第二及第三輸入端。
脈沖放大電路基本由晶體三極管T2、T3、T4、T5組成，主開關電路由晶體開關管T6-T9變壓器TR的中抽式原邊繞組接拉成中抽式逆變電路，這部分與現有技術的逆變器相似，不再贅述。
過電壓吸收電路28是提供可靠性的關鍵電路。眾所周知，電冰箱起動功率為額定功率的七倍以上，電冰箱壓縮機功率因數為0.55左右，對于功率為100瓦的壓縮機逆變器的輸入功率為100×7/0.55≈1273VA，逆變器輸入電流為1273VA/48V＝26.5A。因為在主開關電路關斷時，等量的無功電流就流向吸收電路，否則會造成很大過電壓直接擊穿大功率開關器件。為了充分吸收過電壓設計了多重吸收電路，在該實施例中采用了三重吸收電路，達到極佳吸收效果。
第一重為高頻吸收電路，即電容C8、C9它們分別與大功率開關晶體管T6、T8的集電極和發(fā)射極相并聯；第二重為中頻吸收電，它由二極管D11(D12)，電阻R11(R12)相并聯再與電容C10(C11)相串聯組成，它們也并聯在晶體管T6、T8的集電極和發(fā)射極上；第三重為低頻吸收電路，它由二極管D9(D10)，電阻R9(R10)分別相并聯并使兩二極管陰極串接電容(C12)組成，二極管陽極分別接變壓器原邊兩端B1(B2)，電容C12另一端接地。
高頻吸收電容C8、C9為無感電容，用于吸收過壓脈沖前沿部分?？焖俣O管D11、D12開通后，即投入中頻吸收電容C10、C11，其值約1.5-2.2μF。隨后投入低頻吸收電容C12，電容量為39μF。
交流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)32由電阻R1-R6及電容C4，C5構成的穩(wěn)壓網絡組成。該網絡輸入端與作為電壓檢測電路的整流橋D2、D4、D5、D6的整流輸出電壓相連接，該整流橋的輸入端與變壓器TR的低壓次邊繞組輸出15V交流電壓相連接，該網絡的二個輸出端分別接PWM集成電路1524的1腳(反相)及2腳(正相)，以控制交流輸出電壓的穩(wěn)定。作為低壓電源的整流橋D1、D2、D3、D4的輸出電壓一旦產生便取代及通過二極管D2切斷啟動電路的輸出，對上述各電路部分供電。
限流環(huán)節(jié)33由電阻R7、R8，電容C6、C7組成，它從主開關電路電流回路中的電阻R0(0.03Ω)上取得電流信號Ie，它的輸出與PWM集成電路1524的4腳相連接，在它的作用下使逆變電路由穩(wěn)壓自動進入限流狀態(tài)，保證逆變器不會因過流而損壞。
參見圖2，它表示本實用新型電源裝置中變壓器繞組結構的一個有利構型。變壓器繞組采用多層分段結構，即原邊繞組分成四個線圈W1-W4，次邊繞組也分成四個線圈W1′-W4′，它們分別繞成裝在C型鐵芯兩芯柱上的兩個線包I、II，第一與第二線包I、II的第一層分別為原邊第一、第二線圈W1、W2，第二層分別為次邊第一、第二線圈W1′、W2′，第三層分別為原邊第三、第四線圈W3、W4，第四層分別為次邊第三、第四線圈W3′、W4′，原邊繞組按原邊第一、第四、第二、第三線圈W1、W4、W2、W3的次序相串聯，頭尾為繞組輸入端B1、B2，第四與第二線圈W4、W2的連接點原邊中間抽頭Kc。次邊繞組按次邊第一、第四、第二、第三線圈W1′、W4′、W2′、W3′的次序相串聯，頭尾為次邊繞組輸出端。按此辦法繞制的變壓器具有如下的優(yōu)點1、變壓器原邊、次邊最大限度靠近，原次邊藕合良好，減少變壓器漏電感，有效地減少逆變器工作過電壓，提高逆變器可靠性。2、由于逆變器采用中抽式變壓器，用此工藝制作的變壓器具有對稱的電路參數和磁路參數，變壓器原邊兩繞組直流電阻和電感完全一致，使輸出交流電壓正、負半波輸出完全一致，正負半波磁路極性也一致，可避免產生剩磁而損壞逆變器。
本實用新型的機保/機冷車專用逆變電源裝置的一個實施例的外觀圖表示在圖1上。它用來表示該電源裝置的冷卻部分，其中自冷卻部分由優(yōu)良導熱特性的鋁型材散熱器2構成，大功率開關晶體管T7-T9采用散熱體與電極完全分開的大功率器件，器件(未示出)的散熱體與散熱器的接觸部分涂上導熱特性優(yōu)良的硅脂并緊固在散熱器上。散熱器2安裝在機箱1的整個后板上，散熱器2具有足夠大的散熱面積，在通風機不工作或出故障時也能使電源裝置正常工作。強迫風冷卻部分包括安裝在機箱右側板3上的通風機34，及在機箱左側板4上設有的多個通風孔(未示出)。通風機34由該逆變電源裝置輸出的220V交流電壓供電，因此電源裝置工作時總保持通風，即從機箱向外抽風帶走熱量。該電機具有足夠大的電功率，即使無散熱器2的情況下，它也能使開關器體正常工作。由于采用了這種雙重結構的散熱技術，即使在沙漠地帶陽光直射可達50-60℃甚至更高的保溫車里，柴油發(fā)勸機在工作并加上其它電器散出的熱量，車內溫度比車外溫度更高的情況下，也能可靠地保證電源裝置的散熱，由此使大功率開關器件等能可靠地工作。
權利要求1.機保/機冷車專用逆變電源裝置，它基本由啟動電路(20)，驅動電路(21)，脈沖放大電路(22)，主開關電路(23)及變壓器(24)以此次序相互電連接組成，由蓄電池供電輸出交流220V電壓，其特征在于該電源裝置還包括快速保護電路(25)，欠壓保護電路(26)，過壓保護電路(27)，過壓吸收電路(28)，啟動緩沖電路(29)，綜合電路(30)，電源與電壓檢測電路(31)，交流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)(32)及限流環(huán)節(jié)(33)，其中欠壓保護電路(26)與過壓保護電路(27)的輸入端經快速保護電路(25)與蓄電池輸出電壓相連接，它們的輸出端分別與綜合電路(30)的第一、第二輸入端相連接，綜合電路(30)的輸出端連接到驅動電路(21)的第一輸入端，啟動緩沖電路(29)的輸入端與欠壓保護電路(26)的輸出端相連接，其輸出端與綜合電路(30)的第三輸入端相連接，電源與電壓檢測電路(31)的輸入端與變壓器(24)的一個次邊輸出電壓相連接，其輸出端作為上述各電路的低壓電源，并與交流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)(32)輸入端相連接，交流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)(32)的兩個輸出端與驅動電路(21)的第二、第三輸入端相連接，限流環(huán)節(jié)(33)的輸入端與主開關電路(23)的電流回路相連接，其輸出端與驅動電路(21)的第四輸入端相連接，過壓吸收電路(28)與主開關電路(23)相連接，并且該裝置還具有一個通風機(34)，它與變壓器輸出端的交流220V電壓相連接。
2.根據權利要求1所述的機保/機冷車專用逆變電源裝置，其特征在于其中所述過電壓吸收電路(28)由并聯在主開關電路(23)中的大功率開關晶體管(T6、T8)的集電極和發(fā)射極上的高頻吸收電路(C8、C9)及中頻吸收電路(D11、R11、C10；D12、R12、C11)，以及連接在變壓器(24(TR))原邊繞組兩端(B1、B2)及地之間的低頻吸收電路(D9、R9、D10、R10、C12)組成。
3.根據權利要求1或2所述的機保/機冷車專用逆變電源，其特征在于其中所述欠壓保護電路(26)由運算放大器(A2)組成，它的同相輸入端(12)經電阻(R16)與快速保護電路(25)的輸出端(KA)相連接，它的反相輸出端(13)經電阻(R19)與一恒定電壓(5V)相連接，該電路輸出端為運算放大器(A2)的輸出端(14)；過電壓保護電路(27)由運算放大器(A4)組成，它的反相輸入端(9)經電阻(R22)與快速保護電路(25)的輸出端(KA)相連接，正相輸入端(10)經電阻(R24)與所述恒定電壓(5V)相連接，該電路輸出端為運算放大器(A4)的輸出端(8)；啟動緩沖電路(29)由電阻(R21)及電容(C16)組成的充電電路及連接在該電阻、電容連接點上并接成負反饋方式的運算放大器(A3)組成，該電路的輸出端為運算放大器(A3)的輸出端(1)；綜合電路(30)由三個二極管(D31、D32、D33)組成，它們的陽極彼此相連接作為輸出端，它們的陰極分別為所述第一、第二及第三輸入端。
4.根據權利要求1所述的機保/機冷車專用逆變電源裝置，其特征在于所述驅動電路(21)由脈寬調制(PWM)集成電路1524構成。
5.根據權利要求1所述的機保/機冷車專用逆變電源裝置，其特征在于其中所述變壓器(24(TR))的繞組采用多層分段結構，即原邊繞組分成四個線圈(W1-W4)，次邊繞組也分成四個線圈(W1′-W4′)，它們分別繞成裝在C型鐵芯兩芯拉上的兩個線包(I、II)，第一與第二線包(I、II)的第一層分別為原邊第一、第二線圈(W1、W2)，第二層分別為次邊第一、第二線圈(W1′、W2′)，第三層分別為原邊第三、第四線圈(W3，W4)，第四層分別為次邊第三、第四線圈(W3′、W4′)，原邊繞組按原邊第一、第四、第二、第三線圈(W1、W4、W2、W3)的次序相串聯，頭尾為繞組輸出端(B1、B2)，第四與第二線圈(W4、W2)的連接點為原邊中間抽頭(KC)，次邊繞組按次邊第一、第四、第二、第三線圈(W1′、W4′、W2′、W3′)的次序相串聯，頭尾為次邊繞組輸出端。
6.根據權利要求1所述的機保/機冷車專用逆變電源裝置，其特征在于該電源裝置還包括由自冷卻部分與強迫風冷卻部分并列組成的冷卻部分，其中自冷卻部分包括優(yōu)良導熱特性的鋁型材散熱器(2)，大功率開關管(T7-T9)為散熱體與電極完全分開的大功率半導全器件，器件的散熱體與散熱器(2)的接觸部分涂有導熱硅脂并緊固在用熱器(2)上，散熱器(2)安裝在機箱(2)的后板上，散熱器(2)具有在無強迫風冷時也能保證裝置正常工作的足夠大散熱面積；強迫風冷卻部分包括安裝在機箱右側板(3)上的通風機(34)，在機制在側板(4)上設有多個進風孔，通風機(34)由逆變交流220V電源供電并從機箱(1)向外抽風，該通風機具有在無熱散器情況下也能使大功率開關器件正常工作的電功率。
專利摘要本實用新型涉及鐵道用機保/機冷車專用電源裝置，旨在開發(fā)一種能適用高溫環(huán)境下長期工作并能適用于低功率因數感性負載的靜止式逆變電源裝置，為此在現有逆變器的基礎上設置了欠壓、過壓保護電路，啟動緩沖電路，多重過電壓吸收電路，并采用了特殊的變壓器繞組多層分段結構及自然冷卻與強迫風冷并列的散熱技術。
文檔編號H01F27/28GK2255119SQ9620514
公開日1997年5月28日 申請日期1996年3月13日 優(yōu)先權日1996年3月13日
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