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基于80C196MC的电力机车空调逆变电源的研究

发布时间:2016-12-01 14:33:30     浏览量:

  一代16位微控制器,是专门为电机高速控制而设计的。它由一个C196核、一个三相波形发生器、一个A/D转换器、一个事件处理阵列、一个监视定时器、一个脉宽调制单元和众多的I/O端口等组成。其中最具应用特色的功能扩展是增加了三相互补输出的波形发生器,能十分方便地实现各种脉冲宽度调制(PWM)算法,能产生三相互补并且精度高达0.125心或0.25心的PWM波形。

  为了改善电力机车司机室工作条件,近年开始在机车司机室内安装空调器。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,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1831kV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285492V.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一30%+24%和蓄电池组的电压波动一30%+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基波有效值的15%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060°C工作环境下均能可靠地运行。

  2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所示,它由控制部分和主电路部分组成。控制部分以80C196MC为核心,外加两片脉宽调制控制2.1主电路电力机车空调器逆变电源主电路原理如所示,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VD1VD4组成的整流桥整流及Li、Ci和C2滤波后送给升压电路VT1、L2和VD10,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.推挽电路由VT2、VT3、T和VD5~VD9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(PM)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AC396V供电;在过分相段时,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10kHz,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K1~1〈3由80C196MC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。

  电力机车空调器逆变电源主回路的原理280C196MC小系统74HC573和译码电路等组成,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、操纵盒按键检测以及逻辑控制等。

  到目前为止已经提出并得到应用的PWM控制方案很多,在本逆变电源中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。

  利用80C196MC的波形发生器来产生THIP-WM波形非常易于数字化实现。在波形发生器的中心对准PWM方,WGCOUNTER的计数过程形成了一个“虚拟”的三角波,如所示。

  而三相基准波可由给出0,M为调制比。DutyU、DutyV和DutyW分别送给WGCOMP1、WGCOMP2和WGCOMP3,WGCOMPx(x=1~3)的值就决定了三相基准波和“载波三角波”的交点,在交点处WGx和WGx的状态被改变,由此产生了THIP-WM逆变器的开关模式。

  晶振时,开关频率设定为2kHz,即WGRELOAD=2000,死区时间设定为10心,即VD9~VD10=80.信号检测包括是否过分相段、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。过分相检测判断是否有单相396V,单相交流396V经过一小型隔离变压器整流、滤波和比较后作为一个开关量送给80C196MC.一旦检测到电力机车进入分相段,80C196MC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80C196MC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80C196MC用于LED显示,逆变桥直流母线电压过压、欠压、110V过压、欠压由80C196MC来处理,其他故障信号分别送给80C196MC的外部中断引脚EX-TINT和SG3525关断弓丨脚SHUT但是EXTINT和SG3525所接收的故障信号是不同的。不同的故障信号对逆变电源的影响也是不同的,并不是一有故障信号就停止逆变电源工作,合理地处理故障信号对系统的可靠运行是至关重要的。

  操纵盒按键主要有起动/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80C196MC进行不同的逻辑控制。

  2.3升压电路和推挽电路的控制升压电路和推挽电路的控制分别采用一片集成PWM控制器SG3525来完成,它们的外围电路基本一致,如所示。SG3525是频率固定的单片脉宽调制型控制器,它内部由基准电压、振荡器、误差放大器、比较器、PWM锁存器、分相器、欠电压锁定器、输出级、软起动和关闭电路组成。振荡器的频率由电容Cl、C2应选择参数一致的薄膜电容。Cl、C2在电源工作时几乎没有什么负担,因此容量不必太大,通常不超过0.1PF.如果开关管采用MOSFET,由于两管一致性较好,Ci、C2通常选得很小;如果开关管采用速度不高的双极性管,Ci、C2可适当大一点,只要Ua不出现明显的瞬态偏移即可,具体数据可由实验确定。

  3设计实例是工作于900VDC母线电压下的双重叠反激变换器的原理电路。开关频率为70kHz,开关管VTi和VT2的耐压为800V,用于直流调速系统。

  4结论由于具有自均压功能,耐高压的重叠式反激拓扑结构与开关管的简单串联方式完全不同。使用低压开关管,即可设计出高输入母线电压下可靠运行的开关电源。尽管开关管的数目有所增加,但开关管的电流容量可减小50%电源成本无明显增加,从而使得高输入母线电压下变换器的设计变得简单而经济。依据同样的原理也可以设计出两重以上的重叠式反激变换器。

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