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電力機車空調逆變電源的研究


http://www.f84aajv7.icu    時間:2010/9/19 15:47:36    點擊2208次

引言

    TMS320LF2407是一款價格低廉,應用較多的DSP芯片,指令周期可達25ns(40MHz)。與單片機相比,TMS320LF2407的優勢表現為:數據處理能力強;運算速度高;PWM分辨率高;能實時完成復雜計算控制;采樣周期更短。它有兩個事件管理器模塊EVA和EVB,能夠實現:16通道A/D轉換;三相反相器控制;對稱和非對稱的PWM波形;非常適用于電機控制和逆變器控制。

    為了改善電力機車司機室工作條件,機車司機室內一般都安裝空調器。由于機車司機室工作條件極為惡劣,機車運行時振動大,工作環境溫度高,供電品質差,因此所安裝的空調器都應配備專用的適用于機車空調器使用的逆變電源。

    在電力機車上,通常電源品質差表現在兩個方面。

    (1)我國電力機車供電電網電壓波動大。其額定電壓為25kV,而實際電壓在18~31kV范圍內波動,波動范圍有時甚至更大;電網電壓由機車內變壓器降至單相交流396V,相應的波動范圍為285~492V。

    (2)電力機車是分段供電的,由一個供電區段換至另一個區段即跨過分相段時機車斷電數秒,機車內周期性的停電會造成壓縮機頻繁起動,對空調壓縮機極為不利。因此在跨過分相段時,空調器必須由機車內的110V蓄電池組經逆變電源后供電。

    根據技術條件要求,在單相交流電壓波動-30%~+24%和蓄電池組的電壓波動-30%~+20%范圍內,逆變電源必須為空調器提供電壓波動不超過±5%、頻率在±1%范圍內并且總的諧波含量小于15%基波有效值的三相380V交流電壓,該逆變電源的額定輸出容量為5kVA,轉換效率大于90%,并且在0℃~60℃工作環境下均能可靠地運行。

    1、系統硬件結構及工作原理

    電力機車空調器逆變電源的總體結構框圖如圖1所示,它由控制部分和主電路部分組成。控制部分以DSP芯片TMS320LF2407為核心,外加檢測電路、顯示電路,控制按鍵輸入電路、邏輯控制輸出電路等。

1.1 主電路

    電力機車空調器逆變電源主電路原理如圖2所示,它由整流、濾波、升壓電路、推挽電路和逆變橋等組成。396V的單相交流電壓經D1~D4組成的整流橋整流及L1、C1和C2濾波后送給升壓電路S1、L2和D10,為得到三相380V的交流電壓,在單相交流電壓波動范圍內升壓電路的輸出電壓不得低于540V。由于單相交流電壓波動范圍較大,升壓電路的輸出電壓難以穩定在540V,當單相交流電壓向正方向波動時,即使升壓電路不工作,整流濾波后輸出電壓也會高于540V。


圖2 電力機車空調逆變電源主電路圖     推挽電路由S2、S3、T和D5~D9等組成,它輸出的直流電壓可略低于540V。升壓電路和推挽電路的開關管采用IGBT,逆變橋采用集驅動、檢測和保護于一體的六單元智能功率模塊(IPM)。IPM是先進的混合集成功率器件,由高速低耗的IGBT芯片和優化的門極驅動及保護電路構成。由于采用了能連續監測功率器件電流的IGBT芯片,從而實現高效的過流保護和短路保護。并且由于IPM集成了過熱和欠壓鎖定保護電路,系統的可靠性得以進一步提高。

    在供電區段內,逆變電源由AC 396V供電;在跨過分相段時,逆變電源由110V的蓄電池組供電。由于蓄電池組所提供的電流有限,而且不能長期工作,一旦電力機車進入跨過分相段時,逆變電源開始降壓降頻至32Hz工作。在此方式下,工作時間超過15s或者蓄電池電壓低于82V時,逆變電源就停止工作。無論起動還是停機,逆變電源都工作在變頻方式下,而且變頻速度根據工作狀態自動改變。綜合考慮開關頻率對電流波形質量和開關損耗的影響,升壓電路中開關管IGBT的開關頻率設定為l0kHz,推挽電路中開關管IGBT的開關頻率設定為7kHz,逆變橋中IPM的開關頻率設定為2kHz。接觸器K1~K3由TMS320LF2407小系統根據時序進行控制。M1~M3分別為空調器的壓縮機、室內通風機、室外通風機。

    1.2 DSP TMS320LF2407小系統

    DSP TMS320LF2407小系統主要完成逆變橋PWM驅動信號的產生、信號檢測及故障處理、故障顯示、升壓電路和推挽電路的控制、按鍵檢測以及邏輯控制等。

    本逆變電源中PWM控制方案采用的是三次諧波注入PWM(THIPWM),在這種方式下,逆變器輸出的線電壓的基波幅值可以達到逆變橋直流母線電壓,它比正弦PWM的直流母線電壓利用率提高了15%。THIPWM是利用三相系統中線電壓具有自動消除相電壓中3k(k=1,2,3……)次諧波的能力,人為地在三相調制基準正弦波中注入一定分量的3k次諧波,從而降低了調制波峰值,避免過調制。

    信號檢測包括是否跨過分相段、逆變橋直流母線電壓、蓄電池電壓是否低于82V以及各種故障信號。跨過分相檢測判斷是否有單相396V,單相交流396V經過一個小型隔離變壓器整流、濾波和比較后作為一個開關量送給DSP。一旦檢測到電力機車進入分相段,DSP立即起動推挽電路工作。采用電壓傳感器檢測逆變橋直流母線電壓,得到的模擬信號送給DSP TMS320LF2407的A/D轉換器,用它來調整THIPWM的調制比M,使逆變器輸出電壓穩定。在進入分相段時,一旦檢測到蓄電池電壓低于82V,逆變電源立即停止工作。各種故障信號包括IPM的故障輸出、逆變橋的過流、逆變橋直流母線電壓過壓、欠壓、升壓管短路、過流、推挽管短路、過流、110V過壓、欠壓和逆變電源過熱等,所有這些故障信號都要送給DSP用于LED顯示,逆變橋直流母線電壓過壓、欠壓、110V過壓、欠壓由DSP來處理,升壓管和推挽管的故障信號經DSP處理后決定升壓電路和推挽電路的通斷,其他故障信號送給DSP的功率驅動保護中斷輸入引腳PDPINT。
    升壓電路和推挽電路的控制,即是控制升壓管和推挽管的通斷。由于DSP2407最多可輸出16路PWM信號,因此不再需要添加外部PWM控制器,大大簡化了系統的硬件設計,降低了成本。升壓管S1的控制信號為T3PWM,開關頻率設定為l0kHz;推挽管S2、S3的控制信號為T4PWM,開關頻率設定為7kHz。

    控制按鍵主要有起動/停止選擇、自動/手動選擇、通風/制冷選擇等。根據操作選擇和空調器的工作過程,DSP TMS320LF2407進行不同的邏輯控制。

    1.3 THIPWM波形的數字化實現

    利用DSP TMS320LF2407的EV模塊中的比較單元來產生THIPWM波形非常易于數字化實現。將通用定時器的計數模式設置為連續增/減計數模式,產生對稱的PWM波形,其中通用定時器的計數過程就形成了一個“虛擬”的三角波,如圖3所示。三角基準波的表達式如式(1)~式(3)所列。

   
    式中:TxPR/2對應逆變橋輸出電壓為零;
          M為調制比。

 
  vu、vv、vw分別送給比較寄存器CMPR1、CMPR2、CMPR3(或CMPR4、CMPR5、CMPR6)。比較寄存器CMPRX的值決定了三角基準波和載波三角波的交點,在交點處PWMX和PWMX+1的輸出狀態被改變,由此得到THIPWM逆變器的開關模式。

    2、系統軟件設計

    電力機車逆變電源的控制軟件主要由系統主程序、PWM中斷服務程序、定時器溢出中斷服務程序、PDPINT中斷服務程序和A/D轉換完成中斷服務程序等5部分組成。主程序主要完成參數的設置和各功能部件的初始化運行狀態和操縱按鍵的檢測、過壓和欠壓處理以及空調器的邏輯控制等;PWM中斷服務程序主要完成三相PWM寬度計算、調制比M的調整和變頻過程的處理等;定時器溢出中斷服務程序主要完成空調器邏輯控制所需時序的定時,包括50s、30s、15s、10s等的定時;PDPINT中斷服務程序用于主要故障的處理及顯示;A/D轉換完成中斷服務程序用來完成逆變橋直流母線電壓的A/D轉換和濾波。

    3、結語

    該逆變電源經過實驗證明各項技術指標都達到了設計的要求,利用功率諧波分析儀測得輸出電壓的波動不超過±2%,總的諧波含量不超過2%。經過兩年在電力機車上長期穩定可靠的運行,證明該方案設計合理,抗干擾能力強,能滿足電力機車惡劣條件下運行要求。由于適用于電動機控制的TMS320LF2407和智能功率模塊IPM的應用,使得該逆變電源的設計更簡單,結構更緊湊,性能更優化,可靠性更高。
 

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