专利名称：机保/机冷车专用逆变电源装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种铁道车辆上的专用电源装置，具体地，涉及机械保温车及机械冷冻车专用逆变电源装置。
由于经济及铁道运输事业的发展，愈来愈需要将一个地区的特产利用机械保温车或机械冷冻车运到另一遥远的地区，例如，将新疆的葡萄、哈密瓜等特产运输到广东沿海出口或供应各大城市。该车运行时间较长，多时常达十几天，有时需长时间停留在渺无人烟的沙漠地带，因此要求一个能在高温条件下连续长时间使用的既安全又可靠的交流电源为车上的通讯设备、工作仪表、生活用设备如电冰箱、电视机等提供稳定的供电。这种电源需要有较大的功率，在现有技术中用于铁道车辆的交流电源是采用柴油机为动力的交流发电机组，这种电源不但体积大、噪声大、有污染，而且不能在恶劣的气候环境中长期工作，它们不能适用于上述用途。普通的逆变电源虽然体积小，噪声小、无污染，但抗过压、过流能力差，不能用于为象电冰箱这样低功率因数的感性负载供电，否则会造成电源损坏，并且普通逆变电源也不能长时间地在沙漠高温地区工作。
因此，本实用新型为了克服上述现有技术的缺点，其目的在于提供一种适于机保车和/或机冷车专用交流电源，它不但体积小、噪音低、无污染，而且能在高温气候环境中长期工作，并能对象电冰箱这样的低功率因数的感性负载可靠供电。
为了实现上述目的，根据本实用新型，提出了一种机保/机冷车专用逆变电源装置，它基本由启动电路、驱动电路、脉冲放大电路、主开关电路及变压器以此次序相互电连接组成，由蓄电池供电输出交流220V电压，其特征在于该电源装置还包括快速保护电路、欠压保护电路、过压保护电路、过压吸收电路、启动缓冲电路、综合电路、电源与电压电路、交流稳压环节及限流环节，其中，欠压保护电路与过压保护电路的输入端经快速保护电路与蓄电池输出电压相连接，欠压保护电路与过压保护电路的输出端分别与综合电路的第一、第二输入端相连接，综合电路的输出端连接到驱动电路的第一输入端，启动缓冲电路的输入端与欠压保护电路的输出端相连接，其输出端与综合电路的第三输入端相连接，电源与电压检测电路的输入端与变压器的一个次边输出电压相连接，其输出端作为上述各电路的低压电源并与交流稳压环节输入端相连接，交流稳压环节输出端与驱动电路第二、第三输入端相连接，限流环节的输入端与主开关电路的电流回路相连接，其输出端与驱动电路的第四输入端相连接，过电压吸收电路与主开关电路相连接，并且该电源装置还具有一个通风机，它与变压器输出的交流220V电压相连接。
根据本实用新型的一个有利构型，其中过电压吸收电路由并联在主开关电路中的大功率开关晶体管的集电极和发射极上的高频吸收电路、中频吸收电路及连接在变压器原边绕组两端与地之间的低频吸收电路组成。
根据本实用新型的另一有利构型，该电源装置还包括由自冷却部分与强迫风冷却部分并列组成的冷却部分，其中自冷却部分包括优良导热特性的铝型材散热器，大功率开关晶体管为散热体与电极完全分开的大功率器件，器件的散热体与散热器的接触部分涂有导热硅脂并紧固在散热器上，散热器安装在机箱后板上，散热器具有在无强迫风冷时也能保证装置正常工作的足够大散热面积；强迫风冷却部分包括安装在机箱右侧板上的通风机，在机箱左侧板上设有多个进风通风孔，通风机由逆变交流220V电源供电并从机箱向外抽风，通风机具有在无散热器情况下也能使大功率开关器件正常工作的电功率。
根据本实用新型的又一有利构型，变压器绕组采用多层分段结构，即原边绕组分成四个线圈，次边绕组也分成四个线圈，它们分别绕成装在C型铁芯上的两个线包，第一与第二线包的第一层分别为原边第一、第二线圈，第二层分别为次边的第一、第二线圈，第三层分别为原边的第三、第四线圈，第四层分别为次边的第三、第四线圈，原边绕组按原边第一、第四、第二、第三线圈的次序相串联，头尾为绕组输入端，第四与第二线圈的连接点为中间抽头，次边绕组按次边第一、第四、第二、第三线圈的次序相连接，头尾为绕组输出端。
由于采用了本实用新型上述结构的电源装置，其中，欠压、过压保护电路分别防止了因过放电而损坏蓄电池及过压损坏逆变电源。起动缓冲电路避免了逆变电源的变压器因启动开始瞬时磁化方向与剩磁方向相同而导致的原边短路，从而防止大功率半导体开关器件因二次击穿的损坏。过压吸收电路采用了多重吸收部分，充分地吸收了可能由开关器件的开关及无功电流引起的过电压，使电源装置能适应象电冰箱这样低功率因数的感性负载的工作。变压器部分由于采用了多层分段结构的特殊绕法，因此使变压器绕组的结构对称、紧凑，使变压器的漏感减至最小，由此使逆变电源的开关过电压降至最低，使工作可靠，并提高了电源的效率。由于采用了自然冷却及强迫风冷的双重冷却结构，即使在沙漠地带阳光直射可达50-60℃的环境温度下，在保温车柴油发动机等散出大量热量的情况下，也能可靠地保证电源装置的散热，由此使大功率器件等能可靠地工作。这样的一种电源装置不但体积小、噪音低、无污染，而且实现了能在高温气候环境中长期工作，并能对象电冰箱等低功率因数的感性负载可靠地供电。因而很好地实现了本实用新型的目的。
为了对本实用新型电源装置的其它结构特征及优点更好地了解，
以下结合附图为本实用新型的优选实施例进行详细描述。附图为
图1为根据本实用新型的机保/机冷车专用逆变电源装置一个实施例的概要外观透视图；图2是上述实施例中变压器绕组结构的示意图；图3是该实施例的电源装置的电路框图；图4是根据本实用新型一个优选实施例的详细电路图。
由图3中的电路框图可见，该实施例的本实用新型的机保/机冷车专用逆变电源除通用逆变电源设有依次相互电连接的启动电路20，驱动电路21，脉冲放大电路22，主开关电路23及变压器24以外，还包括快速保护电路25，欠压保护电路26，过压保护电路27，过压吸收电路28，启动缓冲电路29，综合电路30，电源与电压检测电路31，交流稳压环节32及限流环节33，以及一个通风机34。这些电路之间的连接关系以在前面描述了，这里不再重复。
参见图4，它是本实用新型一个优选实施例的详细电路图，当电源开关K闭合时，电流首先通过自动空气断路器K与快速保险Fu，串联后与续流二极管D1相并联组成的快速保护电路25供给启动电路20，启动电路20由晶体三极管T1、稳压管DW及二极管D2组成，稳压管接在晶体管T1的基极与地之间，二极管D2的阳极与该管T1的发射极相连接，该管T1的集电极通过电阻R14与快速保护电路20的输出端KA相连接，该管T1的基极还通过电阻R13与该正端相连接，启动电路20的输出电压约为12V它经由二极管D2的阳极向驱动电路21及脉冲放大电路22供电，驱动电路由脉宽调制(PWM)集成电路1524构成，它从15脚得到12V直流电压，从16脚输出5V高精度稳定电压，供其它电路使用。
欠压保护电路26由运算放大器A2组成，它的同相输入端12经电阻R16与快速保护电路25的输出端KA相连接，它的反相输入端13经电阻R19与上述5V电压相连接。当输出端KA的电压≥42V时，运放A2的输出端14输出高电位；当该端KA的电压＜42V时，运放A2翻转，其输出端14输出低电位，该低电位通过综合电路30中的二极管D31与驱动电路即PWM集成电路1524的9脚相连接，使该电路1524停止输出脉冲，从而使整个电源装置停止工作，由此保护蓄电池以免过放电。
过压保护电路27由运算放大器A4组成，它的反相输入端9经电阻R22与快速保护电路25的输出端KA相连接，它的正相输入端10经电阻R24与上述5V电压相连接。当输出端KA的电压＜65V时，运放A4的输出端8输出高电位；当该端KA的电压≥65V时，运放A4翻转，其输出端8输出低电位，该低电位通过综合电路30中的二极管D32与驱动电路即PWM集成电路1524的9脚相连接，使该电路停止输出脉冲从而使整个电源装置停止工作，由此保护了装置中元器件的过载。
启运缓冲电路29由电阻R21及电容C16组成的充电电路及其连接在该电阻、电容连接点上并接成负反馈方式的运算放大器A3组成，该电路输出端即运放A3的输出端1经综合电路30中的二极管D33与PWM电路1524的9脚相连接。当合上电源开关K后，由于充电电路时间常数及负反馈电路的延迟作用使输出端电压缓慢上升，从而使PWM电路1524输出脉冲的导通比逐渐上升，从而使由开关晶体管T6、T7、T8、T9及变压器TR组成的主开关电路的电流逐渐上升。这样就避免了因启动开始时瞬时磁化方向与乘磁方向相同的大磁化电流导致的变压器原边短路，从而可靠地保护了大功率半导体开关器件。
综合电路30由三个二极管D31、D32、D33组成，它们的阳极彼此相连接作为输出端，它们的阴极分别为上述第一、第二及第三输入端。
脉冲放大电路基本由晶体三极管T2、T3、T4、T5组成，主开关电路由晶体开关管T6-T9变压器TR的中抽式原边绕组接拉成中抽式逆变电路，这部分与现有技术的逆变器相似，不再赘述。
过电压吸收电路28是提供可靠性的关键电路。众所周知，电冰箱起动功率为额定功率的七倍以上，电冰箱压缩机功率因数为0.55左右，对于功率为100瓦的压缩机逆变器的输入功率为100×7/0.55≈1273VA，逆变器输入电流为1273VA/48V＝26.5A。因为在主开关电路关断时，等量的无功电流就流向吸收电路，否则会造成很大过电压直接击穿大功率开关器件。为了充分吸收过电压设计了多重吸收电路，在该实施例中采用了三重吸收电路，达到极佳吸收效果。
第一重为高频吸收电路，即电容C8、C9它们分别与大功率开关晶体管T6、T8的集电极和发射极相并联；第二重为中频吸收电，它由二极管D11(D12)，电阻R11(R12)相并联再与电容C10(C11)相串联组成，它们也并联在晶体管T6、T8的集电极和发射极上；第三重为低频吸收电路，它由二极管D9(D10)，电阻R9(R10)分别相并联并使两二极管阴极串接电容(C12)组成，二极管阳极分别接变压器原边两端B1(B2)，电容C12另一端接地。
高频吸收电容C8、C9为无感电容，用于吸收过压脉冲前沿部分。快速二极管D11、D12开通后，即投入中频吸收电容C10、C11，其值约1.5-2.2μF。随后投入低频吸收电容C12，电容量为39μF。
交流稳压环节32由电阻R1-R6及电容C4，C5构成的稳压网络组成。该网络输入端与作为电压检测电路的整流桥D2、D4、D5、D6的整流输出电压相连接，该整流桥的输入端与变压器TR的低压次边绕组输出15V交流电压相连接，该网络的二个输出端分别接PWM集成电路1524的1脚(反相)及2脚(正相)，以控制交流输出电压的稳定。作为低压电源的整流桥D1、D2、D3、D4的输出电压一旦产生便取代及通过二极管D2切断启动电路的输出，对上述各电路部分供电。
限流环节33由电阻R7、R8，电容C6、C7组成，它从主开关电路电流回路中的电阻R0(0.03Ω)上取得电流信号Ie，它的输出与PWM集成电路1524的4脚相连接，在它的作用下使逆变电路由稳压自动进入限流状态，保证逆变器不会因过流而损坏。
参见图2，它表示本实用新型电源装置中变压器绕组结构的一个有利构型。变压器绕组采用多层分段结构，即原边绕组分成四个线圈W1-W4，次边绕组也分成四个线圈W1′-W4′，它们分别绕成装在C型铁芯两芯柱上的两个线包I、II，第一与第二线包I、II的第一层分别为原边第一、第二线圈W1、W2，第二层分别为次边第一、第二线圈W1′、W2′，第三层分别为原边第三、第四线圈W3、W4，第四层分别为次边第三、第四线圈W3′、W4′，原边绕组按原边第一、第四、第二、第三线圈W1、W4、W2、W3的次序相串联，头尾为绕组输入端B1、B2，第四与第二线圈W4、W2的连接点原边中间抽头Kc。次边绕组按次边第一、第四、第二、第三线圈W1′、W4′、W2′、W3′的次序相串联，头尾为次边绕组输出端。按此办法绕制的变压器具有如下的优点1、变压器原边、次边最大限度靠近，原次边藕合良好，减少变压器漏电感，有效地减少逆变器工作过电压，提高逆变器可靠性。2、由于逆变器采用中抽式变压器，用此工艺制作的变压器具有对称的电路参数和磁路参数，变压器原边两绕组直流电阻和电感完全一致，使输出交流电压正、负半波输出完全一致，正负半波磁路极性也一致，可避免产生剩磁而损坏逆变器。
本实用新型的机保/机冷车专用逆变电源装置的一个实施例的外观图表示在图1上。它用来表示该电源装置的冷却部分，其中自冷却部分由优良导热特性的铝型材散热器2构成，大功率开关晶体管T7-T9采用散热体与电极完全分开的大功率器件，器件(未示出)的散热体与散热器的接触部分涂上导热特性优良的硅脂并紧固在散热器上。散热器2安装在机箱1的整个后板上，散热器2具有足够大的散热面积，在通风机不工作或出故障时也能使电源装置正常工作。强迫风冷却部分包括安装在机箱右侧板3上的通风机34，及在机箱左侧板4上设有的多个通风孔(未示出)。通风机34由该逆变电源装置输出的220V交流电压供电，因此电源装置工作时总保持通风，即从机箱向外抽风带走热量。该电机具有足够大的电功率，即使无散热器2的情况下，它也能使开关器体正常工作。由于采用了这种双重结构的散热技术，即使在沙漠地带阳光直射可达50-60℃甚至更高的保温车里，柴油发劝机在工作并加上其它电器散出的热量，车内温度比车外温度更高的情况下，也能可靠地保证电源装置的散热，由此使大功率开关器件等能可靠地工作。
权利要求1.机保/机冷车专用逆变电源装置，它基本由启动电路(20)，驱动电路(21)，脉冲放大电路(22)，主开关电路(23)及变压器(24)以此次序相互电连接组成，由蓄电池供电输出交流220V电压，其特征在于该电源装置还包括快速保护电路(25)，欠压保护电路(26)，过压保护电路(27)，过压吸收电路(28)，启动缓冲电路(29)，综合电路(30)，电源与电压检测电路(31)，交流稳压环节(32)及限流环节(33)，其中欠压保护电路(26)与过压保护电路(27)的输入端经快速保护电路(25)与蓄电池输出电压相连接，它们的输出端分别与综合电路(30)的第一、第二输入端相连接，综合电路(30)的输出端连接到驱动电路(21)的第一输入端，启动缓冲电路(29)的输入端与欠压保护电路(26)的输出端相连接，其输出端与综合电路(30)的第三输入端相连接，电源与电压检测电路(31)的输入端与变压器(24)的一个次边输出电压相连接，其输出端作为上述各电路的低压电源，并与交流稳压环节(32)输入端相连接，交流稳压环节(32)的两个输出端与驱动电路(21)的第二、第三输入端相连接，限流环节(33)的输入端与主开关电路(23)的电流回路相连接，其输出端与驱动电路(21)的第四输入端相连接，过压吸收电路(28)与主开关电路(23)相连接，并且该装置还具有一个通风机(34)，它与变压器输出端的交流220V电压相连接。
2.根据权利要求1所述的机保/机冷车专用逆变电源装置，其特征在于其中所述过电压吸收电路(28)由并联在主开关电路(23)中的大功率开关晶体管(T6、T8)的集电极和发射极上的高频吸收电路(C8、C9)及中频吸收电路(D11、R11、C10；D12、R12、C11)，以及连接在变压器(24(TR))原边绕组两端(B1、B2)及地之间的低频吸收电路(D9、R9、D10、R10、C12)组成。
3.根据权利要求1或2所述的机保/机冷车专用逆变电源，其特征在于其中所述欠压保护电路(26)由运算放大器(A2)组成，它的同相输入端(12)经电阻(R16)与快速保护电路(25)的输出端(KA)相连接，它的反相输出端(13)经电阻(R19)与一恒定电压(5V)相连接，该电路输出端为运算放大器(A2)的输出端(14)；过电压保护电路(27)由运算放大器(A4)组成，它的反相输入端(9)经电阻(R22)与快速保护电路(25)的输出端(KA)相连接，正相输入端(10)经电阻(R24)与所述恒定电压(5V)相连接，该电路输出端为运算放大器(A4)的输出端(8)；启动缓冲电路(29)由电阻(R21)及电容(C16)组成的充电电路及连接在该电阻、电容连接点上并接成负反馈方式的运算放大器(A3)组成，该电路的输出端为运算放大器(A3)的输出端(1)；综合电路(30)由三个二极管(D31、D32、D33)组成，它们的阳极彼此相连接作为输出端，它们的阴极分别为所述第一、第二及第三输入端。
4.根据权利要求1所述的机保/机冷车专用逆变电源装置，其特征在于所述驱动电路(21)由脉宽调制(PWM)集成电路1524构成。
5.根据权利要求1所述的机保/机冷车专用逆变电源装置，其特征在于其中所述变压器(24(TR))的绕组采用多层分段结构，即原边绕组分成四个线圈(W1-W4)，次边绕组也分成四个线圈(W1′-W4′)，它们分别绕成装在C型铁芯两芯拉上的两个线包(I、II)，第一与第二线包(I、II)的第一层分别为原边第一、第二线圈(W1、W2)，第二层分别为次边第一、第二线圈(W1′、W2′)，第三层分别为原边第三、第四线圈(W3，W4)，第四层分别为次边第三、第四线圈(W3′、W4′)，原边绕组按原边第一、第四、第二、第三线圈(W1、W4、W2、W3)的次序相串联，头尾为绕组输出端(B1、B2)，第四与第二线圈(W4、W2)的连接点为原边中间抽头(KC)，次边绕组按次边第一、第四、第二、第三线圈(W1′、W4′、W2′、W3′)的次序相串联，头尾为次边绕组输出端。
6.根据权利要求1所述的机保/机冷车专用逆变电源装置，其特征在于该电源装置还包括由自冷却部分与强迫风冷却部分并列组成的冷却部分，其中自冷却部分包括优良导热特性的铝型材散热器(2)，大功率开关管(T7-T9)为散热体与电极完全分开的大功率半导全器件，器件的散热体与散热器(2)的接触部分涂有导热硅脂并紧固在用热器(2)上，散热器(2)安装在机箱(2)的后板上，散热器(2)具有在无强迫风冷时也能保证装置正常工作的足够大散热面积；强迫风冷却部分包括安装在机箱右侧板(3)上的通风机(34)，在机制在侧板(4)上设有多个进风孔，通风机(34)由逆变交流220V电源供电并从机箱(1)向外抽风，该通风机具有在无热散器情况下也能使大功率开关器件正常工作的电功率。
专利摘要本实用新型涉及铁道用机保/机冷车专用电源装置，旨在开发一种能适用高温环境下长期工作并能适用于低功率因数感性负载的静止式逆变电源装置，为此在现有逆变器的基础上设置了欠压、过压保护电路，启动缓冲电路，多重过电压吸收电路，并采用了特殊的变压器绕组多层分段结构及自然冷却与强迫风冷并列的散热技术。
文档编号H01F27/28GK2255119SQ9620514
公开日1997年5月28日 申请日期1996年3月13日 优先权日1996年3月13日
发明者温俊炉 申请人:温俊炉