铁路客车辅助电源逆变器的设计

2016-01-27  来自: 铁路客车辅助电源逆变器的设计 浏览次数:1681

1 前言

铁路客车辅助电源负责给车上各种负载用电设备供电,本文所述逆变器是将列车提供的600V直流电逆变成三相交流380V,带动客车空调机组工作,调节车厢温度和通风,可调频调压,以实现空调变频化。同时也为餐车上的电茶炉等三相负载供电。

 

2 逆变器方案设计

逆变器是通过电力电子开关的开通和关断作用,把直流电能转变成交流电能的一种变换装置,是整流变换的逆过程。电力电子开关器件的通断,需要一定的驱动脉冲,这些脉冲可以通过改变一个电压信号来调节,产生和调节脉冲的电路就是主控制电路。一个逆变器的电路组成除了逆变开关电路和主控制电路之外,还有保护电路、辅助电源、输入输出电路等。

主要的功能模块划分为主控制系统、前级检测、输入控制、直流滤波、三相逆变、交流滤波,配合辅助电源、采样、保护电路等。

该电路优点是结构简单、功率器件使用数量少;但缺点是逆变器输出电压容易受DC600V干线电压的波动影响,实测电压品质因素差、谐波含量大,为了获得相对恒定的交流电压输出,必须采用运算速度很快的DSP作主控制单元。

DSP是一种适合数字信号处理的高性能微处理器,如何选择DSP?可以从以下几方面来考虑:

1)速度:DSP速度一般用MIPS或FLOPS表示,即百万次/秒钟。一些设计会片面追求高处理速度,但速度越高,系统实现也越困难。

2)精度:DSP芯片分为定点、浮点处理器,对于运算精度要求很高的处理,可选择浮点处理器。定点处理器也可完成浮点运算,但精度和速度会有影响。

3)寻址空间:不同系列DSP程序、数据、I/O空间大小不一,DSP在一个指令周期内能完成多个操作,所以DSP指令效率很高,程序空间一般不会有问题,关键是数据空间是否满足。

TMS320LF2407芯片在控制方面应用非常广泛,作为一款专门面向数字控制系统进行优化的通用可编程微处理器,TMS320LF2407不仅具有低功耗和代码保密的特点,而且它集成了极强的数字信号处理能力,又集成了数字控制系统所必需的输入、输出、A/D转换、事件捕捉等外设,其时钟频率为40MHz,指令周期小于50ns,采用改进的哈佛结构和流水线技术,在一个指令周期内可以执行几条指令。本方案中拟用TMS320LF2407作为DSP处理芯片。

下面简单介绍一下各部分电路情况。

前级检测可以有效监测输入电压的波动,准确实施过欠压保护。

输入控制是利用接触器对负载发生故障时实施隔离,防止进一步扩散。

直流滤波的主要功能是滤平输入电路的电压纹波,当负载变化时,使直流电压平稳。由于铁路客车辅助电源逆变器的功率较大,因此滤波电容的容量也较大,一般使用电解电容。但由于电解电容的电压等级限制(一般工作电压在450V),需要将其串联后再并联使用。而电容自身参数的离散导致电容电压无法一致,解决的办法是采用电容两端并联均压电阻的方法。

按照铁路客车辅助电源逆变器的设计要求,输出为正弦波,交流滤波电路主要就是将逆变器输出的PWM波变成准正弦波,以此保证较低的谐波含量。

三相逆变是逆变器的核心电路,在直接逆变的方案图中,该部分由V1-V6六个功率开关器件组成,各由一个续流二极管反并联,整个逆变器由恒值直流电压U供电。

输入电源、电动机的突然停止和线路感抗等会引起逆变器过压;接触网电压的波动,有可能造成输出欠压;某些情况下,逆变器的输出会超过其自身的输出能力即过载;而功率器件工作时,产生各种损耗,其中主要包括导通过程损耗、通态损耗和关断时的损耗,这些损耗以热量的形式向外传送,当开关频率增高后,会造成过热。

对应以上逆变器工作中产生的种种情况,设计时需考虑各项保护功能:过压保护、欠压保护、过载保护、过热保护等。

 

3 控制方法

在逆变器电路的设计中,控制方法是核心技术。早期的控制方法使得输出为矩形波,谐波含量较高,滤波困难,而SPWM技术较好地克服了这些缺点。SPWM正弦脉宽调制技术:通过一系列宽窄不等的脉冲进行调制,来等效正弦波形(幅值、相位和频率)。SPWM容易实现对电压的控制,控制线性度好,广泛用于直流交流逆变器。

SPWM控制方式中有几个重要的参量,载波频率为fc,调制波频率为fr及载波比N,N=fc/f

在实际应用中,逆变器的启动过程是一个变频变压的软启动过程,而且为了实现空调的变频化,也就是说调制频率fr是变化的。于是,在实行SPWM时,我们根据载波和调制波是否同步以及载波比N的变化情况,有异步调制和同步调制之分。

同步调制这种调制方式是使载波比N等于常数,即在变频时让载波和调制波保持同步。其优点是波形对称。但缺点是,在逆变器输出频率(调制波频率)很低时,载波频率也很低,产生输出波形中谐波不易滤除,而且会带来较大的噪音;当逆变器输出频率很高时,载波频率会过高,使得功率开关器件难以承受。

异步调制为了消除同步调制的缺点,可以采用异步调制方式。顾名思义,异步调制时,在变压变频器的整个变频范围内,载波比n不等于常数。一般在改变调制波频率fr时保持三角载波频率ft不变,因而提高了低频时的载波比。这样输出电压半波内的矩形脉冲数可随输出频率的降低而增加,从而减少负载电动机的转矩脉动与噪声,改善了系统的低频工作性能。
    有利必有弊,异步调制方式在改善低频工作性能的同时,又失去了同步调制的优点。当载波比n随着输出频率的降低而连续变化时,输出电压波形及其相位都发生变化,难以保持三相输出的对称性,可能引起电动机工作的不平稳。

通过分析,我们需要的是把两种方式的优点结合起来,得到另一种调制方式:分段同步调制。即把逆变器的整个输出频率范围(如5~60Hz)划分成若干个频段,在每个频段内都保持载波比N恒定,而不同频段的载波比不同。在输出频率高的频段采用较低的载波比,输出频率低的频段采用较高的载波比。

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关键词: 逆变器   控制   驱动   辅助电源逆变器  

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