电力机车空调逆变电源的研究

http://www.intl-sensor.com 时间:2010/9/19 15:47:36 点击5279次

引言

TMS320LF2407是一款价格低廉，应用较多的DSP芯片，指令周期可达25ns（40MHz）。与单片机相比，TMS320LF2407的优势表现为：数据处理能力强；运算速度高；PWM分辨率高；能实时完成复杂计算控制；采样周期更短。它有两个事件管理器模块EVA和EVB，能够实现：16通道A/D转换；三相反相器控制；对称和非对称的PWM波形；非常适用于电机控制和逆变器控制。

为了改善电力机车司机室工作条件，机车司机室内一般都安装空调器。由于机车司机室工作条件极为恶劣，机车运行时振动大，工作环境温度高，供电品质差，因此所安装的空调器都应配备专用的适用于机车空调器使用的逆变电源。

在电力机车上，通常电源品质差表现在两个方面。

（1）我国电力机车供电电网电压波动大。其额定电压为25kV，而实际电压在18~31kV范围内波动，波动范围有时甚至更大;电网电压由机车内变压器降至单相交流396V，相应的波动范围为285~492V。

（2）电力机车是分段供电的，由一个供电区段换至另一个区段即跨过分相段时机车断电数秒，机车内周期性的停电会造成压缩机频繁起动，对空调压缩机极为不利。因此在跨过分相段时，空调器必须由机车内的110V蓄电池组经逆变电源后供电。

根据技术条件要求，在单相交流电压波动-30%~+24%和蓄电池组的电压波动-30%~+20%范围内，逆变电源必须为空调器提供电压波动不超过±5%、频率在±1%范围内并且总的谐波含量小于15%基波有效值的三相380V交流电压，该逆变电源的额定输出容量为5kVA，转换效率大于90%，并且在0℃~60℃工作环境下均能可靠地运行。

1、系统硬件结构及工作原理

电力机车空调器逆变电源的总体结构框图如图1所示，它由控制部分和主电路部分组成。控制部分以DSP芯片TMS320LF2407为核心，外加检测电路、显示电路，控制按键输入电路、逻辑控制输出电路等。

1.1 主电路

电力机车空调器逆变电源主电路原理如图2所示，它由整流、滤波、升压电路、推挽电路和逆变桥等组成。396V的单相交流电压经D1~D4组成的整流桥整流及L1、C1和C2滤波后送给升压电路S1、L2和D10，为得到三相380V的交流电压，在单相交流电压波动范围内升压电路的输出电压不得低于540V。由于单相交流电压波动范围较大，升压电路的输出电压难以稳定在540V，当单相交流电压向正方向波动时，即使升压电路不工作，整流滤波后输出电压也会高于540V。

图2 电力机车空调逆变电源主电路图推挽电路由S2、S3、T和D5~D9等组成，它输出的直流电压可略低于540V。升压电路和推挽电路的开关管采用IGBT，逆变桥采用集驱动、检测和保护于一体的六单元智能功率模块（IPM）。IPM是先进的混合集成功率器件，由高速低耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及保护电路构成。由于采用了能连续监测功率器件电流的IGBT芯片，从而实现高效的过流保护和短路保护。并且由于IPM集成了过热和欠压锁定保护电路，系统的可靠性得以进一步提高。

在供电区段内，逆变电源由AC 396V供电；在跨过分相段时，逆变电源由110V的蓄电池组供电。由于蓄电池组所提供的电流有限，而且不能长期工作，一旦电力机车进入跨过分相段时，逆变电源开始降压降频至32Hz工作。在此方式下，工作时间超过15s或者蓄电池电压低于82V时，逆变电源就停止工作。无论起动还是停机，逆变电源都工作在变频方式下，而且变频速度根据工作状态自动改变。综合考虑开关频率对电流波形质量和开关损耗的影响，升压电路中开关管IGBT的开关频率设定为l0kHz，推挽电路中开关管IGBT的开关频率设定为7kHz，逆变桥中IPM的开关频率设定为2kHz。接触器K1~K3由TMS320LF2407小系统根据时序进行控制。M1~M3分别为空调器的压缩机、室内通风机、室外通风机。

1.2 DSP TMS320LF2407小系统

DSP TMS320LF2407小系统主要完成逆变桥PWM驱动信号的产生、信号检测及故障处理、故障显示、升压电路和推挽电路的控制、按键检测以及逻辑控制等。

本逆变电源中PWM控制方案采用的是三次谐波注入PWM（THIPWM），在这种方式下，逆变器输出的线电压的基波幅值可以达到逆变桥直流母线电压，它比正弦PWM的直流母线电压利用率提高了15%。THIPWM是利用三相系统中线电压具有自动消除相电压中3k（k=1，2，3……）次谐波的能力，人为地在三相调制基准正弦波中注入一定分量的3k次谐波，从而降低了调制波峰值，避免过调制。

信号检测包括是否跨过分相段、逆变桥直流母线电压、蓄电池电压是否低于82V以及各种故障信号。跨过分相检测判断是否有单相396V，单相交流396V经过一个小型隔离变压器整流、滤波和比较后作为一个开关量送给DSP。一旦检测到电力机车进入分相段，DSP立即起动推挽电路工作。采用电压传感器检测逆变桥直流母线电压，得到的模拟信号送给DSP TMS320LF2407的A/D转换器，用它来调整THIPWM的调制比M，使逆变器输出电压稳定。在进入分相段时，一旦检测到蓄电池电压低于82V，逆变电源立即停止工作。各种故障信号包括IPM的故障输出、逆变桥的过流、逆变桥直流母线电压过压、欠压、升压管短路、过流、推挽管短路、过流、110V过压、欠压和逆变电源过热等，所有这些故障信号都要送给DSP用于LED显示，逆变桥直流母线电压过压、欠压、110V过压、欠压由DSP来处理，升压管和推挽管的故障信号经DSP处理后决定升压电路和推挽电路的通断，其他故障信号送给DSP的功率驱动保护中断输入引脚PDPINT。
升压电路和推挽电路的控制，即是控制升压管和推挽管的通断。由于DSP2407最多可输出16路PWM信号，因此不再需要添加外部PWM控制器，大大简化了系统的硬件设计，降低了成本。升压管S1的控制信号为T3PWM，开关频率设定为l0kHz；推挽管S2、S3的控制信号为T4PWM，开关频率设定为7kHz。

控制按键主要有起动/停止选择、自动/手动选择、通风/制冷选择等。根据操作选择和空调器的工作过程，DSP TMS320LF2407进行不同的逻辑控制。

1.3 THIPWM波形的数字化实现

利用DSP TMS320LF2407的EV模块中的比较单元来产生THIPWM波形非常易于数字化实现。将通用定时器的计数模式设置为连续增/减计数模式，产生对称的PWM波形，其中通用定时器的计数过程就形成了一个“虚拟”的三角波，如图3所示。三角基准波的表达式如式（1）~式（3）所列。

    式中：TxPR/2对应逆变桥输出电压为零；
          M为调制比。

vu、vv、vw分别送给比较寄存器CMPR1、CMPR2、CMPR3（或CMPR4、CMPR5、CMPR6）。比较寄存器CMPRX的值决定了三角基准波和载波三角波的交点，在交点处PWMX和PWMX+1的输出状态被改变，由此得到THIPWM逆变器的开关模式。

2、系统软件设计

电力机车逆变电源的控制软件主要由系统主程序、PWM中断服务程序、定时器溢出中断服务程序、PDPINT中断服务程序和A/D转换完成中断服务程序等5部分组成。主程序主要完成参数的设置和各功能部件的初始化运行状态和操纵按键的检测、过压和欠压处理以及空调器的逻辑控制等；PWM中断服务程序主要完成三相PWM宽度计算、调制比M的调整和变频过程的处理等；定时器溢出中断服务程序主要完成空调器逻辑控制所需时序的定时，包括50s、30s、15s、10s等的定时；PDPINT中断服务程序用于主要故障的处理及显示；A/D转换完成中断服务程序用来完成逆变桥直流母线电压的A/D转换和滤波。

3、结语

该逆变电源经过实验证明各项技术指标都达到了设计的要求，利用功率谐波分析仪测得输出电压的波动不超过±2%，总的谐波含量不超过2%。经过两年在电力机车上长期稳定可靠的运行，证明该方案设计合理，抗干扰能力强，能满足电力机车恶劣条件下运行要求。由于适用于电动机控制的TMS320LF2407和智能功率模块IPM的应用，使得该逆变电源的设计更简单，结构更紧凑，性能更优化，可靠性更高。