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:6489
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/fr 。 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。 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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