（电力电子与电力传动专业论文）内燃机车空调电源系统的设计.pdf

a b s t r c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw o r kc o z i n e s s ，a i r - c o n d i t i o n i n ge q u i p m e n th a sb e e n i n s t a l l e do nt h er a i l w a yl o c o m o t i v et oi m p r o v et h ew o r k i n ge n v i r o n m e n to ft h es t a f f t h ea i rc o n d i t i o n e rp o w e rs u p p l yi st h ep o w e ro ft h ee q u i p m e n t , a n di ti n v o l v e st h e a l e c t r i c a ld r i v et e c h n o l o g y , p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , m i c r o d e c t r o n i c st e c h n o l o g y a n di n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r y t h er e s e a r c ho na i rc o n d i t i o n e rp o w e rs u p p l eb e g a ni nt h e e a r l y1 9 9 0 s ，t h o u g ht h e r ea r es o m ea c h i e v e m e n t s ，b u ts t i l ls o m es h o r t c o m i n g s t h eo l d p o w e rs u p p l yw a ss e t t l e dr e s p e c t i v e l yo u to ft h ea i rc o n d i t i o n i n gm o t o r s , g e n e r a t i n g s i n g l em o t o rw o r k i n gf r e q u e n c y , a sw d la so f f e r i n gt h ep o o rr e l i a b i l i t y , a n dc a u s i n gt h e d i f f i c u l t y t oc o n t r 0 1 b a s e do nt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sf o rl o c o m o t i v e a i r - c o n d i t i o n i n gs u p p l y , t h i sp a p e rd e s i g n e dan o v e lp o w e rs u p p l y c o m p a r e dw i t ht h e o r i g i n a lo n e , t h en e wp o w e rs u p p l yi ss m a l l e r , l i g h t e r , m o r ec o n v e n i e n t t oc o n t r 0 1 m o r e c o m f o r t a b l e ，c h e a p e ra n d e a s i e rt ob em a i n t a i n e d c o n s i d e r i n gt h ea i rc o n d i t i o n e rs u p p l yo fl o c o m o t i v e , t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t ot h e f o l l o w i n gp a r t s ： p a r t li n t r o d u c e st h ep r e s e n tr a i l w a yl o c o m o t i v ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m , a i o n g 谢t ht h ep r i n c i p l e , t e e l m i c a lp a r a m e t e r s , a n df e a t u r e so f i t sp o w e rs u p p l y p a r t 2g i v e so u tt h ed e s i g nb l u ep r i n to ft h es y s t e m , i n c l u d i n gt h em a i nc i r c u i ta n d c o n t r o lc i r c u i td e s i g n i ta l s og i v e st h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ep o w e rs u p p l y t h e a i r - c o n d i t i o ns y s t e mp r o v i d e sa u t o m a t i cc o n t r o lm o d ea n dm a n u a lc o n t r o lm o d e p a r t 3i n t r o d u c e st h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i td e s i g no f t h ed c - d cc o n v e r t e r 1 1 l es t r u c t u r eo f t h em a i nc i r c u i ti sb o o s tc o n v e r t e r t 1 l ec o n t r o lc i r c u i ti n c l u d e sp w m p u l s eg e n e r a t i n gc i r c u i ta n dn e g a t i v ef e e d b a c kc o n t r o lc i r c u i t p a r t 4i n t r o d u c e dt h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i td e s i g no ft h ed c - a c c o n v e r t e r t h es t r u c t u r eo f i t sm a i nc i r c u i ti st h r e e - p h a s ef u l l - b r i d g ec i r c u i t , t h es u n p l u s m c ua st h ec o r ep r o c e s s o ri su s e di nt h ec o n t r o lc i r c u i t t h ev o l t a g em o d u l a t i o n m e t h o di ss i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ( s p w m ) , r e a l i z i n gm o t o r s o f t - s t a r t ，v a r i a b l ef r e q u e n c yo p e r a t i o n , o v e r l o a dp r o t e c t i o n , a n do t h e rf u n c t i o n s p a t t ii n t r o d u c e st h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mo f t h ep o w e rs u p p l y t of i xt h ed e s i g n o fa i rc o n d i t i o n e r sc o n n n u u i c a t i o ns y s t e m , a f t e rc o m p a r i n gs e v e r a lf i e l db u sw h i c ha r e u s e di nt h ei n d u s t r i a lf i e l d s a f t e rt h a t , i nt h i sp a r ti sm a d ead e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h e f i e l db u sc o n t r o l l e r s , w h i c ha r eu s e di ns u c hg a s e sa n dad e t a i l e dp r o g r a mo n c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a r d w a r ed e s i g ni st h e nb r o u g h tu p i nt h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m , s e v e r a lm e a s u r e s a r et a k e n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h es o f t w a r e p r o g r a ma r ea l s o 西v 饥 t oe n s u r et h ee x c e l l e n tw o r ko ft h eb u s f l o wc h a r t so ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s p a r t 6i n t r o d u c e st h ea u x i l i a r yc o n t r o lc i r c u i to ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e m t h e a u x i l i a r yc o n t r o lc i r c u i tc o m p r i s e st h eu p p e rm i c r o c o m p u t e rh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e , t e m p e r a t u r ed e t e c t i o nc i r c o i t ，v o l t a g e ( c u r r e n t ) s i g n a ld e t e c t i o n ，s i g n a lc o n d i t i o n i n g c i r c u i t s , b o o tb u f f e rc i r c u i t s ，e t c t h e ni n t h i s p a r t a r ci n t r o d u c e dt h ec i r c u i t s m l c t u r ea n dc o r cc h i p s a tl a s ti ti n t r o d u c e st h ea n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e so ft h e c i r c u i th f l y d w a r e p a r t 7s u p p l i e st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s , i n c l u d i n gt h ec o n d i t i o n so ft h eh a r d w a r e e x p e r i m e n ta n dr e l a t e dt e s tw a v e f o r m s t h e na c o n c l u s i o ni sm a d et ot h ew o r ko ft h e p a p e r k e y w o r d s ：t h ea i rc o n d i t i o n e ro f l o c o m o t i v e ；p o w e rs u p p l y ；i n v e r t e r ；, c a nb u s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：自岛穆 导师签名：i 丙秘j 呐鸟 签字日期；o - 年1 2 月2 j 日签字日期：0 7 年7 z 月参f 日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 紧张而充实的研究生生活就要结束了，回首两年半以来的学习和生活，我心 中充满了感激。我是在一个充满了尊重与友谊、团结与互助的团队里学习和生活 的，身边的每一位老师和同学都给了我无私的帮助。 首先要感谢我的导师汤钰鹏副教授，感谢汤老师在学习上的启迪和生活上的 关怀，在研究生学习和毕业设计过程中，汤老师渊博的知识、严谨的治学态度和 精益求精的工作作风使我受益匪浅。汤老师在科研方面尤其是在研究方向的选择 上给7 我很多指导，更把他对做人的理解渗透到和我们相处的方方面面。这一切 都是我一生享用不尽的财富。在此，向我的导师致以诚挚的敬意和深深的谢意。 在课题的研究过程中，还得到了王磊、史雪明、任亮、李勇、郑丹、喻杰、 刘鸿亮等同学的支持和帮助，在此向他们表示最真诚的谢意。 最后，谨向在我研究生学习和生活中给予我关心、支持、鼓励和帮助的老师、 同学、朋友和家人表示感谢，本论文的完成与他们的关心和鼓励是分不开的。 白锡彬 2 0 0 7 年1 2 月 绪论 1 1引言 1 绪论 随着人们生活水平的提高，对工作环境的要求也相应提高。现有的内燃机车 中，只有较新的机车安装了空调系统，而稍微旧的机车就没有安装空调系统。在 炎热的夏天和寒冷的冬天，机车内工作人员的环境相当恶劣。由于内燃机车上供 电方式的特殊性，安装空调系统必须配备专用的供空调机组使用的逆交电源。虽 然已有部分机车安装空调系统，但空调机组不能根据使用人员的需要变频运行， 调节制冷强度只能靠启停压缩机的办法，造成机车控制室内温度浮动过大。新型 空调系统通过改变机组运行频率实现对制冷强度的控制，与传统空调系统靠单一 启停压缩机实现制冷强度调节的方法相比，采用变频调速的方法有效延长了电机 使用寿命，降低了运行噪声，提高了使用的舒适性。目前国内机车空调电源厂家 也开始采用变频调速技术，但其所用变频器多从日本或欧洲引进成品，在国内主 要完成外围的组装和功能调试，这使得机车空调电源技术极大地依赖国外，很大 程度上增加改进和维修的成本。为了改善内燃铁路机车空调系统，改善工作人员 的工作环境，掌握机车空调电源的核心技术，降低对国外的技术依赖性，迫切需 要研发新型机车空调电源。 1 2机车变频空调电源系统的特点 ( 1 ) 交频空调与普通空调相比有节能的优点变频空调能实时改变工作模式， 调节空调机组的运循频率，在实际的工作环境中达到较高的工作效率。空调机组 可以自动改变工作模式，克服普通空调频繁开停的工作方式带来的能量消耗，提 高系统的制冷制热效率。 ( 2 ) 交频空调机组采用变频变压启动，可以有效控制启动电流，减轻对电网的 冲击，采用恒压频比启动的电压补偿技术，增强启动力矩。变频空调机组的连续 运行方式减少压缩机的启停次数。延长了其使用寿命。 ( 3 ) 变频空调机组能实时调整运行模式，便于实现智能控制，以提高对司机室 温度和空气的调节效率，使室内环境更舒适。 ( 4 ) 机车空调电源置于机组内，与机组一体化设计，体积小，重量轻，结构紧 凑。空调电源体积设计为6 0 0 3 6 0 x 1 1 0 ( 咖) ，便于安装于司机室内，对外引出两 北京交通大学硕士学位论文 根电源线，便于安装、调试、维护。 ( 5 ) 配合空调机组的不同工作频率，空调电源可以有多种运行模式。空调电源 综合考虑节能和提高舒适度等因素，设计了手动和自动档位功能。手动档位空调 系统可按使用者要求在一定温度范围内( 如外界温度 1 9 ( 2 ，确定制冷目标温度 不得低于1 9 c ；如果外界温度1 9 ，确定加热目标温度为1 8 c ) 完成室内温度 控制。 1 。3机车空调机组的工作原理与技术参数 1 3 。1 空调机组工作原理 机车空调是专门为内燃机车司机控制室提供的调温设备，空调机组主要包括 室内风机、冷凝风机和压缩机，基本结构如图卜1 所示，由压缩机压缩成高温高 压的冷媒蒸气，进入风冷冷凝器，经外界空气的强制冷却，冷凝成常温高压的液 体，进入毛细血管网节流降压，变成低温低压的气液混合冷媒，然后进入蒸发器， 吸收流过蒸发器的空气的热量，蒸发成低温低压蒸气，被压缩机吸入，完成一个 制冷循环。压缩机不断工作，达到连续制冷的效果。车内的空气通过蒸发器时， 空气中的水份冷凝成水滴，被引到车外，在降温的同时也起了除湿作用。空调机 组为顶置单元式，分别安装在每个司机控制室的顶部，空调控制器和逆变器安装 在空调机组内部。外界只需为空调机组提供d c l l 0 v 电源，控制器将根据检测到的 室内温度和室外温度控制空调机组的运行模式，通过风道将经过处理的空气送入 司机控制室，从而达到除湿、降温的目的“。 压缩机 蒸 发 器 气漉走向 图卜1 机车空调器基本结构， f i g u r e1 - lt h e b a s i c8 自m c 咖o f l o c o m o t i v e a i r c o n d i t i o n e r 2 1 3 2 空调电源主要技术参数 安装方式：安装于机车车顶空调机组内。 外形尺寸：6 0 0 x3 6 0 x l1 0 ( 砌) 。 额定容量：5 k v a 。 输入电压：额定值d c l l o v ，范围d c 7 7 v d c l 4 0 v 。 输出电压：三相a c 2 2 0 v 5 ( 4 0 h z 6 0 h z ) 。 输出电压波形：正弦脉宽调制波( s p w m 波) “。 1 4本文的主要工作 本课题的主要工作就是设计完成一个机车空调逆变电源控制系统，使得此逆 变电源系统能够为机车的空调机组提供合乎要求的电流、电压和功率，控制空调 机组工作。 具体工作如下： l 、根据实际技术条件要求，提出空调电源系统的设计思路，确定电源系统实 现方案。 2 、设计空调电源系统d c d c 变换器部分，分析主电路( b o o s t 电路结构) 的 工作原理，讨论储能电感的设计方法及功率器 牛的选型。完成变换器控制电路部 分设计、调试，包括p 删脉冲发生电路、电压负反馈控制电路等。 3 、完成机车空调电源系统d c a c 变换器部分设计。给出逆变器主电路及控制 电路详细的电路设计方案，主电路采用功率模块，根据实际需要对功率模块进行 选型。由于原有逆变控制器核心芯片s a 4 8 2 8 、1 9 6 m c 多已停产，不能满足批量化 生产的需要，本系统选用0 5 年凌阳公司最新推出的电机驱动专用芯片做为逆变控 制器的核心芯片，完成逆交器控制板的硬件电路设计，应用其自身的汇编语言完 成驱动程序的编译和调试，实现对空调机组的控制。 4 、原有机车空调电源系统采用硬线进行信息通讯，不但布线复杂、传输数据 量小、传输距离短，而且抗干扰能力不强，很大程度影响系统可靠性。针对这一 问题，本文通过单片微机串行总线接口外接新型独立现场总线控制器，组建空调 电源通讯系统，实现空调电源系统内部通讯功能，达到上位微机、下位微机、温 度采集模块可相互通讯的目的。 5 、完成系统辅助电路的设计工作。辅助电路主要包括上位微机人机接口电路、 温度采集模块、电压( 电流) 信号采集、信号调理电路、开机缓冲电路等使用 高精度数字温度传感器检测机车室内、外温度，为室内温度控制提供输入变量。 北京交通大学硕士学位论文 2 机车空调电源系统设计方案 2 1 空调电源系统主电路方案设计 机车司机控制室采用d c l l 0 v 供电，空调机组均为a c 2 2 0 v 交流电机，为了满 足空调机组的用电需要，空调电源将d c l l 0 v 变换为a c 2 2 0 v 供空调机组使用。在 对现有空调电源工作原理与特点的学习及了解以往工程经验的的基础上，本设计 采用对直流输入电压进行先升压后逆变的控制方案。由直流母线电压与被调制后 输出电压有效值的关系，并考虑调制方法对电压的利用率的影响，选择先将d c i i o v 升压为d c 3 4 0 v ，再通过三相全桥逆变电路将直流电逆变为三相交流电，为空调机 组提供电源。 由上述可知，空调电源系统主电路包括直流升压斩波和逆变两个部分，如图 2 - 1 所示。 。” d c d c 变 d c 3 4 0 v 逆变电路 矿“空 换器 帆l 图2 一l 空调电源主电路框图 f i g u r e2 - 1t h em a i nc i r c u i t & a g r a mo f a i r - c o n d i t i o n e rp o w e rs u p p l y 2 2空调电源通讯系统方案设计 原有空调电源通讯系统主要靠硬线连接方式传递指令信号，这不但造成车内 布线复杂，传输数据量有限，而且在机车控制室内复杂的电磁环境下抗干扰能力 不强，容易发生传输错误，影响空调机组运行稳定性。针对这一情况，本系统将 现场总线技术应用于空调电源系统中，组建包含三个通讯节点( 上位微机、下位 微机、温度检测模块) 的通讯系统，结构如图2 - 2 所示。上位微机提供一个人机 接口界面，通过通讯系统将操作人员的控制指令下达给下位微机，同时对下位微 机传来的系统运行状态和温度检测模块传来的室内、外温度等信息进行显示；下 位微机接收来自上位微机的控制指令，实现对空调机组的控制：温度检测模块实 时检测车厢内、外湿度并上传给下位微机和上位微机。 4 机车空调电源系统设计方案 图2 屯通讯系统结构框图 f i g u r e2 - 2s t r u c t u r eo f t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m 2 3 空调电源系统辅助控制电路方案设计 辅助控制电路在整个空调电源系统中是必不可少的，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 人机界面接口电路，提供数码管显示、按键操作和指示灯显示功能。 ( 2 ) 车厢温度检测模块，由两个数字温度传感器和一个管理芯片组成，实时检 测车厢内外温度，将检测温度值上报给上位微机管理芯片。 ( 3 ) 电压、电流信号采样电路，对主电路电压、电流值进行采样。 ( 4 ) 信号调理电路，对模拟采样信号进行幅值处理。 ( 5 ) 开机缓冲电路。 2 4空调电源系统控制策略设计 为满足使用需要，空调系统可人工切换手动设定控制功能和机组自动控制功 能。 ( 1 ) 手动设定控制功能 机组执行手动设定控制功能时，司乘人员可以通过上位微机操作面板上设定 机组的启动停止；运行模式：制冷( 强冷、中冷、弱冷) 、通风( 强风、中风、 弱风) 、加热；室内温度( 有增温、降温功能键) 。上位微机通过c a n 总线与空调 机组进行网络通讯， ( 2 ) 机组自动控制功能 当操作面板故障、网络故障、司乘人员工作忙等情况发生时，可执行机组自 动控制功能。只要打开司机控制室顶部的空调机组运行开关，机组的运行模式将 进入自动调节工况。 自动工况运行对，空调控制系统根据机车控制室内、室外环境温度自动进入 5 北京交通大学硕士学位论文 制冷、除湿或是制热工况运行。控制器检测室内、外温度传感器采集到的温度， 确定设定温度。如果外界温度 1 9 时，确定制冷目标温度为 乃= 2 2 + 0 2 5 ( 外界温度一1 9 ) ，五为整数值，更新周期为3 分钟；如果外界温度 1 9 ，确定加热目标温度为1 8 在系统自动调节模式运行过程中，控制系统 通过检测室内、外温度确定系统运行状态，控制空调机组工作频率，使室内温度 最大程度稳定在系统设定温度。 制冷运行模式转换如图2 3 所示，有通风( m 1 ) 、弱冷( m 2 ) 、中冷( m 3 ) 、强 冷( m 4 ) 四种模式。当温度高于制冷设定温度，在某一运转模式上连续运转3 分 钟以上时，控制器即将运转模式提升一格，此种运行方式一直持续到机车控制室 内温度下降到制冷设定温度；如果温度继续上升有提高运行模式的要求时，系统 运行模式将继续提高，直到空调机组已最高频率运行或机车控制室内温度有无上 升的趋势为止。当温度低于制冷设定温度时，过程与上述类似，如果控制室内温 度持续降低，通风机工作，压缩机和冷凝风机停止工作。 制热运行模式转换如图2 - 4 所示，有通风、制热两种工作模式。机车控制室 内温度低于1 7 ( 2 时，空调加热器工作，进入加热工况，车内温度上升；当控制室 内温度高于1 9 c 时，空调加热器停止工作，保持通风状态；当控制室内温度再次 下降低于1 7 c 时，空调加热器再次工作，进入加热工况。如此反复，达到控制车 内温度的目的。 1 7 7 ifl 、 i1 掣“坚! ： i m 1 舰m m 4 设定温度+ 1 制热设定温度t 设定温度i 图2 _ 3 自动档制冷运行模式 f i g u r e2 - 3t h ea u t o m a t i o nr e f r i g e r a t i o nm o d e 运转工况 通风制热通风 图2 - 4 自动档制热运行模式 f i g u r e 2 4 t h e s u t o m a t i o n h e a t i n g m o d e 6 机车空调电源系统设计方案 在实际工程项目中采用上述控制策略取得了很好的效果，空调系统不但可以实 现机车长途运行时自动调节运行模式，准确控制司机室内温度，而且可以防止人 为设定温度过高或过低，造成能源浪费。 7 北京交通大学硕士学位论文 3 空调电源系统d c - d c 变换器的设计 3 1电路结构 为实瑰从d c i i o v 到d c 3 4 0 v 的变换，d c d c 变换器采用升压斩波器( b o o s t 电 路) 结构，图3 - i 为b o o s t 电路结构图“。 l o 图3 1b o o s t 电路结构图 f i g u r e 3 - 1 t h es 位b c t u r e d i a g a m o f b o o s l d c - d c c o n v e r t o r b o o s t 电路主要由储能电感l 、开关管t 、二极管d 组成，c 为输出滤波电容。 通过控制开关管t 的占空比d ，可控制升压变换器的输出电压。 电路工作原理：开关管t 导通时，二极管d 不导通，此时电感l 在输入侧直流 电压v i 的作用下，电流增大( d i d t = v i t ) ，储能增加，负载由电容c 供电；开 关管t 关断时，因电感电流不能突变，电感l 通过二极管d 给电容c 充电、同时 为负载供电，电感上储存的能量传递到电容、负载侧。在电感电流连续的的情况 下，输出电压v o 与输入电压v i 的关系为： v 。v 。= l l ( i d ) ( 3 - i ) 式( 3 - 1 ) 中，d 为开关管t 导通的占空比。由此式可看出，只要控制开关管 占空比d ，即可控制输出电压v o ，实现v o 大于v i 。 3 2主要元件的设计与选型 1 、储能电感的设计 设计中升压斩波器b o o s t 电路中储能电感的选择对主电路的工作性能起着至 关重要的作用，没有成品可以购买，要根据不同负载功率进行电感的设计。 电感量大小的选择： 空调电源系统d c - d c 变换器的设计 为实现升压变换器输入电压、输出电压与占空比的固定关系，提高系统运行 稳定性，要求变换器工作在电感电流连续的工作模式下，图3 2 给出了电感电流 连续模式下b o o s t 变换器的主要波形。 l h l 工n 工v ， 0 二z - ；，一一= = ，。 二一 一一 h 图3 - 2b o o s t 变换器电感电流连续时的工作波形 f i g u r e3 - 2t h ep e r f o r m a n c ew a v e f o r mo f b o o s tc i r c u i ta tt h ec o n t i n u o u sc u n e n tm o d eo f i t si n d u c t o r 取b o o s t 电路输入电压所，输出电压，占空比为d 。设输出端等效负载电 阻为咒，斩波电路输出功率为p ，则瑶r l ：p ，导出r = 曙p 。若等效输出负载 电流为z o ，则有露= p ，i f 妒置) “2 。当b o o s t 电路开关管导通时，由式 l d i d t = v 。得： 。 一 a = d i = v 。d t l = v 。d t k ( d t = d t ) ( 3 - 2 ) 设电感电流平均值为，若忽略损耗，升压变换器输入、输出侧功率大小相 同，则所l 2 厶， l = i o ( 1 一d )( 3 3 ) 在大功率场合，要求电感工作在电流连续的工作模式下，则 a z 2 ( 3 4 ) 将( 3 2 ) 式和( 3 3 ) 式代入( 3 4 ) 式得 l v , d o d ) 2 ， ( 3 5 ) 其中，为系统开关频率。由式( 3 - 5 ) 可知，在斩波器输入、输出电压以及 开关管工作频率一定的条件下，输入电压巧、占空比d 、开关频率，一定，则负载 输出电流厶越小，所需电感的电感量越大，根据此式在系统负载最小条件下估算 出b o o s t 电路所需电感量的大小。在本设计中，取负载功率p = 3 8 0 9 时，电感中通 9 北京交通大学硕士学位论文 过电流i o = 1 2 6 a ，已知p c - p c 变换器输入电压巧= l l o y ，开关管占空比i ) = 2 3 3 4 ， 开关频率f = l o k h z ，由式( 3 - 5 ) 可得电感量的估算值为l o 9 5 5 m i - 1 。 在实际工程项且中选用l m l 储能电感。 磁芯材料的选择： 系统中采用铁基非晶态合金做为电感的磁芯，铁基非晶态合金原子排列是随 机的，不存在原子定向排列产生的磁晶各向异性，也不存在产生局部变形和成分 偏移的晶粒边界。因此，妨碍畴壁运动和磁矩转动的能量壁垒非常小，相对于铁 氧体材料有高频特性好、损耗小，发热量低等优点。 2 、开关管的选型 ( 1 ) 主电路直流侧工作电流值为3 5 a ，则开关管电流值选择为 i t ：1 5 1 4 xi = 1 5 x1 4 x 3 5 = 7 3 5 a 式中卜一工作电流值，1 5 工程上考虑1 5 0 过载倍数，1 4 一考虑7 5 时器件 允许工作电流为2 5 c 时允许工作电流的1 1 4 。 ( 2 ) 直流侧电压为u d = 3 4 0 v 电压定额u - ( u d a x b + c ) d = 5 8 2 5 v 式中u 广_ 直流侧电压，a 一波动系数( 取i 1 ) ，b 一过压保护系数( 取1 1 5 ) ， c 一由电感引起的尖峰电压( 取1 5 0 ) ，d 安全系数( 取1 1 ) 。 根据厂家实际提供的功率器件参数，选定三菱生产的i g b t 半桥模块，选用一 个i g b t 和一个续流二极管接入电路中，参数为乞。= 6 0 0 v ，c = 7 5 a 。 3 、电容的选型 为保证d c d c 变换器输出电压的稳定性，借鉴以往工程经验，选四个 2 2 0 0 u f 2 0 0 v 电解电容采用串、并联接法，对输出电压起到支撑、滤波的作用。 3 3p w m 脉冲发生电路 p w m 波形发生电路主要是为升压斩波器开关管提供脉宽可调的p w m 驱动信号。 p w l 4 驱动信号的产生选用电压型p 唰集成控制芯片s g l 5 2 5 a ，其具有外围电路元器 件少、性能好的特点，包括开关稳压所需的全部控制电路。 3 3 1 $ g 15 2 5 工作原理及主要特点 s g l 5 2 5 内部结构如图3 - 3 所示，其内部结构主要包括基准调节器、震荡器、 误差放大器、比较器、触发器、p w m 镄存器、或非门等几个部分。 l o 空调电源系统i ：) 3 - i ：x 3 变换器的设计 图3 - 3s g l 5 2 5 内部结构图 f i g u m3 - 3t h ed i a g r a mo f s g l 5 2 5 si n n e rs 1 u c t t l n ： 芯片工作原理：误差放大器的输出与振荡器产生锯齿波电压在比较器中进行 比较，从而在比较器的输出端出现一个随误差放大器输出电压的高低而脉宽变化 的方波脉冲信号，将此脉冲经过数字电路的处理便形成两路相位相差1 8 0 4 的脉冲 信号。 主要特性包括： ( i ) 软启动功能：在芯片的8 脚处外接电容，该电容由内部的5 0 u a 的恒流源 充电，随着电容电压的上升，输出端占空比将从0 达到设定值。 ( 2 ) 死区调节功能：为防止驱动管同时导通，单路输出脉宽的占空比被限制在 o 一4 5 以内，并且可以通过调节接在7 脚电阻的大小来调节死区。 ( 3 ) 欠压锁定功能：s g l 5 2 5 a 内部设置了欠压锁定电路，当1 5 脚电压v l 小于 一定值时使输出保持关断状态。 ( 4 ) 误差放大功能：s g l 5 2 5 a 中的误差放大器由输入电压v l 供电，从而扩大了 误差放大器的共模输入范围。 ( 5 ) 采用输出限流和关断电路：s g l 5 2 5 采用关断控制电路进行限流控制，一般 用法是将过流脉冲信号送至关闭控制端l o 脚。当1 0 脚电压超过0 7 v 时芯片将进 行限流操作；当1 0 脚电压超过1 4 v 时，将使p 喇关断输出，直至下一个时钟周 期恢复。 ( 6 ) s g l 5 2 5 内部提供高精度基准电压源，精确度为5 v 1 m 。 3 3 2p w m 脉冲发生电路设计 北京交通大学硕士学位论文 叫圃图输掌 图3 - 4p 朔脉冲发生电路框图 f i g u r e3 - 4t h ed i a g r a mo f p w mp u l s eg e n e r a t i n gc i r c u i t p w m 脉冲发生电路框图如图3 - 4 所示。s g l 5 2 5 输出脉宽调制信号( p 嘶) 接入 缓冲器4 0 5 0 进行信号调理，然后经光耦h c p l 4 5 0 4 进行信号隔离和电平转换后输 出至i g b t 的驱动电路。具体应用电路如图3 5 所示。 - + h - 【q 粕 c = 丁一 厂 虻 碧一釜 川l 一m 一卜j 上 黼 | n t 口 “ - l | u 卜喜 瑚 _ l 曼* l 饿 二 扣 1 l i 丝 蝴 f 厅 ， 图3 - 5s g l 5 2 5 应用电路圈 f i g u r e3 - 5t h ed i a g r a mo f s g l 5 2 5 sa p p l i c a t i o nc i r c u i t 电路工作原理伽： 1 、电路上电后，s g l 5 2 5 内部的基准电压源产生精度为5 i v 基准电压向其他 部分电路供电，使振荡器产生连续的不对称三角波，同时产生供触发器工作的同 步方波脉冲。 2 、振荡器输出信号频率由s g l 5 2 5 的外接电容c t 和外接电阻r t 、r d 决定。g 恒 流充电，产生一个锯齿波电压，锯齿波的上升沿对应c 。的充电时间，充电时问t 。 决定于r t c r ，锯齿波下降沿对应c r 的放电时间，放电时间t ：决定于r d c f 。锯齿波频 率由式( 3 - 6 ) 决定。 f = 1 ( t 。+ t ：) = l c f ( o 6 7 r t + 1 3 凡) 】 ( 3 6 ) 在实际应用中所采用的频率为l o k h z 。 空调电源系统d c - d c 变换器的设计 3 、运算放大器反相输入端接在运算放大器输出端上，电压负反馈控制信号由 同相输入端接入，电路完成电压跟随器的作用。其输出的控制电噩再与振荡器输 出的三角波进行比较，输出p w m 脉冲信号送至或非门电路。 4 、p 喇比较器的脉冲输出送至两个或非门的输入端，或非门输入端均为低电 平时，输出为高电平，输入端有一端为高电平时其输出为底电平，因此，当触发 器的互补输出q 或q 交替输出方波时，两个输出驱动管交替导通，产生输出的开 关控制信号 5 、p w m 比较器和触发器的死区控制使或非门输出脉宽占空比变化范围在 0 - 4 5 ，并且可通过调节电阻如来调节死区的大小，i i d 越大，死区就越大。 此电路配合硬件p i 控制器，可实现对主电路输出电压的闭环控制，提高空调 电源系统整体的工作性能，减轻逆变器的负担。 3 4升压斩波器输出电压负反馈控制电路 由于空调电源供电输入为d c l l 0 v ，浮动范围7 7 1 4 0 v ，为实现升压斩波电路 输出端电压稳定，本系统对输出直流电压采取负反馈控制，实现变换器实际输出 电压对给定输出电压的高性能动静态跟踪，同时提高整个系统的动、静态响应特 性。在闭环控制系统中，常优先考虑串联校正方案。用运算放大器实现的串联校 正装置可分为比例微分( p d ) 、比例积分( p i ) 和比例积分微分( p i d ) 三类调节 器。由p d 调节器构成的超前校正，可提高稳定裕度并获得足够的快速性，但稳定 精度可能受到影响；由p i 调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，但快速响 应性受到了限制；由p i d 调节器实现的滞后一超前校正兼有二者的优点，可以全面 提高系统的控制性能，但线路和调试要复杂一些。综合考虑本系统以稳和准为主， 对快速性要求不高，所以采用p i 调节器结构，基本应用电路如图3 - 6 所示。 + = 图3 喝p i 调节器原理图 f i g u r e 3 - 6 t h e d i a g r a m o f p l r e g u l a t o r 北京交通大学硕士学位论文 由于a 点是“虚地”，可列出下列关系： 玩= i o n o = 幅+ ( i i , d t ) c - 如= 毛 ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 其中u i n 、u e x 的极性如图所示。将式( 3 - 7 ) ，( 3 8 ) 、( 3 - 9 ) 整理后可得 d1 叱= 景玩+ 焘i u “d t = q + j 击 ( 3 t 0 ) 0 一l 其中，k 。- r i i o p i 调节器比例部分放大系数i f = 风g p i 调节器的积分时间常数“。 由上述分析可知，p i 调节器调节结果是比例调节和积分调节共同作用的结果， 与单一的比例调节器相比，p i 调节器增加了积分调节环节，在本系统的电压负反 馈控制电路中，被控电压的增长速度与电压偏差值一一对应，只要反馈电压与目 标给定电压有偏差，被控电压就要增长，而且电压的增长又是积累的，偏差存在 的时间越久，电压增长量就越大。若电压偏差突然为零，输出量可以为任何数值， 此值就是当电压偏差为零时刻的输出值。调节后电压稳态值不但取决于偏差值的 大小，还取决于偏差存在的时间。p i 调节器应用电路如图3 - 7 所示。 图3 7 电压负反馈控制电路 f i g u r e3 - 7t h ec o n t r o lc i r c u i to f n e g a t i v ef e e d b a c kf o rv o l t a g e 电路工作原理：整个电路由比例调节环节和采用运算放大器的p i 调节器两部 分组成。电压传感器将升压斩波器输出侧电压采样值由f 1 口接入，采集信号经比 例调节环节后与标准给定信号进行比较，差值接入p i 调节器，输出电压值e a + 接 p 嘲控制器s g l 5 2 5 的脉宽给定输入管脚。电路中运算放大器“+ ”端所接7 r 2 、? r 6 是平衡电阻，用以降低放大器失调电流的影响。 空调电源系统d c - d c 变换器的设计 为了保证运算放大器的线性特性并保护调速系统的各个部件，设置了二极管 7 d i 、7 d 2 电压限幅保护电路由虚短定义，运放6 管脚电位为0 ，7 d 2 将c 点电 位嵌位在+ o 7 v 以下，从而限制了d 点电位在某个正电位v 1 上( 正向最大电压嵌 位值) ，若c 点电位超过十0 7 v ，则二极管7 d 2 导通，p i 调节器失效，输出为正电 压y i ；7 1 ) i 将d 点电位嵌位在- o 7 v 以上，若d 点电位低于一0 7 v ，二极管7 d i 导 通，输出为给定值；通过7 d i 、7 1 ) 2 将p i 调节器的输出值控制在一o 7 v 某个正值 v l 之间，保证给定信号的安全有效。 3