浅谈CRH5型动车组充电机原理及结构

【摘 要】CRH5型动车组多应用与北方的高速铁路上。中国北方的冬季气候寒冷，干燥，为了使车内环境和舒适度达到指标，因而直流电源的性能指标、装置的体积和重量、系统整个效率和安全性方面在高速动车组上都提出了更严格更苛刻的要求。所以本文对CRH5型车充电机部分进行的具体的分析，并提出自己的改进想法和意见。并且针对现在正在运行和将要维护的CRH5型动车组的四级检修工艺规程，并结合对CRH5型车动车组充电机设备的原理的研究和现有的CRH5型车的数据分析，提出自己的改进想法和建议。

【关键词】CRH5动车组；充电机；移相零电压DC/DC变换器；四级修工艺

1 国内外发展状况及研究意义

目前，我国电气化铁路旅客列车辅助电源系统大都采用DC600V供电制式，即机车通过受电弓从高架线上输入25kV交流电，经过变压器降压后再整流为DC600V，或通过发电车直接供DC600V，再通过变换为110V直流电，采用母线方式提供给各节车厢，但大多都采用劈相整流或关断技术，大大限制了开关频率的提高，体积和重量受到限制。电压型控制的IGBT复合功率器件的出现，以及软开关控制技术和各种拓扑电路结构的研究和发展，国内电源产品也朝小型、智能模块化、高效率高可靠性发展。但大多应用在通讯电源上，并采用移相控制芯片实现，一般功率都比较小，并且很少应用在高速动车上。国际上一些大企业如阿尔斯通、西门子，庞巴迪、日立等能够生产出数字处理器控制的大功率移相全桥ZVS智能充电机，并成功运用在高速动车上，但是他们在技术上垄断，只进行产品销售而不提供核心技术。软开关技术因其众多的优越性，成为降低开关损耗、提高系统效率、改善电磁干扰、提高系统可靠性的一个重要手段，越来越受到关注。

在CRH5型车上使用的就是这种ZVS智能大功率相控整流智能充电机。在进行5型车运用与维护的过程中，虽然出现了许多国内难以解决的技术难题，但我们也在整个维修过程中学到了充电机先进的维修方法及对充电机技术有了更加深入的理解。

2 充电机内部结构

2.1 充电机的特点和技术参数

CRH5动车组上设置8组蓄电池和蓄电池充电机系统（CBS），每辆车一套。蓄电池充电机（CB）容量为15kW。蓄电池充电机的任务是把（由辅助变流器产生的）AC380V/50Hz电源系统三相电压转变成额定DC 24V电压。

充电机将来自辅助逆变器的三相交流380V/50Hz的电源输入变换为额定24V直流输出，其输出最大功率为15KW。充电机按照一定的特性曲线为蓄电池充电，蓄电池充电目标电压根据温度传感器PT100采集的温度进行补偿。充电机具有向车载24V直流用电设备供电的性能，同时具备给蓄电池供电的性能。

2.2 充电机内部主电路分析

充电机内部主电路是一种全桥移相控制ZVS软开关主电路。这种电路一般应用在电源电压和负载变化大、输出低压和功率较大的场合。优点是固定的开关频率，方便控制。提高开关频率到1MHz级水平，可以提高功率密度，增加单位体积的输出功率。但是损耗随频率增加而急剧上升，为了避免这一弊端，人们在传统移相控制技术的基础上，利用MOS管的输出电容和变压器的漏感构成谐振，使功率变换器四个开关管依次在零电压下导通，实现恒频软开关，即FB ZVS-PWM变换器。此电路利用变压器漏感或串联电感以及开关管的结电容或外接电容构成谐振回路，通过移相控制方式，保证了功率开关管的零电压导通与关断。

2.3 充电机内部控制系统

系统控制回路由控制电源板、检测电路板、DSP控制板以及电压、电流和温度继电器等部分组成。

控制板通过集成ADC进行模拟分析，通过并行接口进行数字分析，从而保证工作参数，通过串行DACDSP为由专用硬件电路执行的快速保护调整操作终端。快速可编程装置用于发现可能的故障并自动切断系统，如果当前处于安全状态，DSP可接收来自可编程装置得信息并重新调整参数正常运行。根据蓄电池的类型和温度调整相应的电压，DSP控制板可以发出四种控制H桥的命令，控制命令由包含在DSP中EVENT模块产生。

全桥ZVS控制系统软件的设计依据就是按照FB-ZVS直流变换器运行时序图，在一个开关周期内，超前桥臂和滞后桥臂的各个开关管的状态。因此与之相应的输入输出电压、电流的采样；PI控制和脉冲的产生都应在一个开关周期内完成。

3 充电机检修工艺探索和改进

根据CRH5型动车充电机和蓄电池箱的验收和接车时故障统计数据，可以总结出以下几大类故障：（1）充电机胶条问题。（2）充电机接线问题。（3）充电机地线断股问题。而现阶段动车段在场内进行CRH5型动车组三级修作业的时候，现场作业指导书上并未仔细指出此类问题。因为充电机设备本身是需要密封的，如果在行车过程中胶条损坏，导致充电机密封性能下降，继而影响蓄电池充电及低压供电系统，危及行车安全。接线标注不清问题，将可能导致检修过程错乱，和交检车过程中造成失误。对于接地线断股问题，在与动车检修工程师交流过后，发现充电机在检修时，常需要打开箱门，而接地线的位置也位于箱门与充电机箱体的连接处。在打开和关闭的过程中，充电机箱门经常摩擦充电机接地线。并且接地线走线设计是通过一个直角折线走到转向架上的，因此在行车过程中，难免箱体与地线直接有摩擦和刮碰，致使地线断股和彻底折断。

在北京动车段检修过程中，段里和售后的工程师们根据经验发现，CRH5型车充电机内元器件的保护和电磁干扰做的比较稳定，元器件寿命长，耐用性强。电路比较稳定。现场出现故障大部分是表面性问题。

4 总结

本文通过对CRH5型动车的充电机原理的研究，仿真验证了充电机各个部件组成及特性，对未来检修工作提供理论基础。本文对CRH5型动车的充电机主电路的内部分析对充电机工作过程提供了详细的讲解和分析。对现场检修的真实数据收集、整理和分析提出一些CRH5型动车组在进行三、四级修过程中应该注意的问题。并且对现有的作业指导书改进和完善。希望对日后，各个检修基地及北车长客场检修充电机有个参考和提高。

作者简介：

庞晓（1986―），男，北京市人，汉族，本科，助理工程师。