（电力电子与电力传动专业论文）地铁紧急通风变频器的研制.pdf

a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fs t u d y i n gd e m e s t i cv e n t i l a t i o ns y s t e mi nm e t r oa n dd e v e l o p m e n to f v v v ft e c h n o l o g y , as u b w a ye m e r g e n c yv e n t i l a t i o nc o n v e r t e ri sd e s i g n e d ，w h i c hi su s e df o r v e n t i l a t i o ni n s i d ec o m p a r t m e n tw h e nm t rp o w e rs u p p l yf a i l u r e s t h em a i np o w e rc i r c u i tu s e st h es e r i e sc o m b i n a t i o no fas i n g l e s t a g eb o o s tc i r c u i ta n d v o l t a g et h r e e - p h a s ef u l l - b r i d g ei n v e n t e rc i r c u i t t h ei p mm o d u l e6 m b l 5 0 - 1 2 0i sa d o p t e da s t h es w i t c h i n gd e v i c eo fi n v e r t e rc i r c u i t t h ec i r c u i tm o d u l e ss u c ha ss u p p o r t i n gp o w e rs u p p l y m o d u l e ，b o o s tc i r c u i tm o d u l e ，p r o t e c t i n gc i r c u i tm o d u l ea r ed i s c u s s e d ，t h ec o n s t r u c t i o na n d f u n c t i o no fa l lt h ec i r c u i t sa r ea n a l y s e d t h ef e a t u r e so ft r a n s f o r l n e ra n db o o s tc i r c u i ta l e c a l c u l a t e d t h es y s t e mc o n t r o lc i r c u i ti se s t a b l i s h e db yt h em a i nf r a m e w o r ki n c l u d i n gs c m a t 8 9 s 5 2a n dt h r e e p h a s es p w mg e n e r a t o rs a 8 2 81 t h eg e n e r a t i o na n dd e a dt i m eo f s p w mw a v ea r er e s e a r c h e d a i m i n g a tt h eo u t p u tv o l t a g eh a r m o n i c so fs p w mc o n s t a n tf r e q u e n c yc o n v e r t e r , a s y s t e mo u t p u tf i l t e ri sd e s i g n e d ，t h eo u t p u th a r m o n i cp r o b l e mo fe m e r g e n c yv e n t i l a t i o n c o n v e r t e ri sr e s o l v e d t h es p e c i m e mo ft h ee m e r g e n c yv e n t i l a t i o nc o n v e r t e ri sd e s i g n e d t h er e s u l t so f e x p e r i m e n ta r eg o ta n da n a l y s e d k e yw o r d s ：c o n v e r t e r , m e t r o ，e m e r g e n c yp o w e rs u p p l y ，s a 8 2 81 ，s p w m 学位论文独创性声明 本学位论文是我个人在导师指导下进行研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含我为获得任何其 它学位而使用过的材料。其他人员对本学位论文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。 作者签名主兰竺 关于本学位论文使用授权的声明 南京理工大学有权保留本学位论文的复印件和电子文档，有权送 交给有资质的信息档案机构存档。除在保密期内的保密论文外，本论 文允许被查阅和借阅，可以公布论文的全部或部分内容。上述事项授 权南京理工大学研究生院办理。 作者签名丝皇 硕士论文地铁紧急通风变频器的研制 1 绪论 1 1 引言 当地铁这种新型交通方式在1 9 世纪的英国伦敦刚出现时，人们除了好奇外，还认识 到它的重要性，因为正是它的出现，缓解了伦敦交通堵塞的现象。在这之后，布达佩斯、 波士顿、巴黎、纽约等发达城市都相继引进这种高效快捷的交通工具。到二十世纪末， 地铁已经在英国、法国、德国、美国、俄罗斯、日本等2 0 多个国家发展成熟，在城市交 通中担负着重要的交通运输任务【。 截至2 0 0 6 年，中国先后有北京、天津、上海、广州、大连、长春、武汉、深圳、重 庆、南京1 0 个城市建成了轨道交通，有2 0 多条线路在运营，里程达5 0 0 k m 。上海市与德 国合作的3 0 k m 磁悬浮示范运营线已建成。目前包括北京、上海、广州轨道交通线路在内， 在建的项目有2 0 余项【2 j 。 目前我国地铁的主要设备基本依靠进口，中国是地铁需求的大国，世界上最大的地 铁市场，但不能买来城市地铁化、交通轨道化，必须走自力更生、自我发展、自我完善、 自成体系、自我供给的发展民族工业的国产化道路。 随着地铁交通的不断发展，地铁的安全性也引起了人们的普遍关注。地铁空间密闭， 通道少，疏散条件差，一旦发生火灾，热气、烟气难以排除，乘客的生命安全就会受到 威胁。因此，做好通风排烟工作保证人员安全疏散尤为重要。地铁通风系统分为两类： 第一类是通风和排烟同为一个系统，由风机、消音器、管道、风口等组成，一般隧道通 风多采用这种方式；第二类是通风系统和排烟系统分开设置，各自成为独立的系统。这 种方式造价昂贵，采用的较少。 火灾、爆炸等灾害性事件发生，极有可能导致地铁供电系统的瘫痪。因此，配备一 套紧急情况下维持车内通风的设备至关重要。论文中研究的是车载设备中的地铁紧急通 风变频器。地铁紧急通风变频器的研制是我国地铁工业中车载设备自主研发的一次尝 试，它的功能是在地铁供电出现故障的情况下，为密闭车厢通风、换气。这套紧急通风 设备不同于正常运行时车厢内的空调系统，它必须在仅有车载电池供电情况下，尽量高 效、节能的工作，保障车厢内的空气流通。 1 2 变频调速技术发展概况 早在本世纪2 0 年代，人们就认识到变频调速是交流电动机的一种很好的调速方法。 变频器在电机系统中运用非常广泛，大多数需要调速控制的地方，都可用变频器达到节 能、环保、保护设备及提高自动化程度的目的，市场需求空间非常大。同时，对变频器 l 绪论硕士论文 进行理论分析和实验研究，内容涉及控制理论、电力电子技术、传感器技术和计算机技 术等诸多学科，具有较为重要的理论意义和应用价值1 3 ，4 】。 异步电动机诞生于1 9 世纪8 0 年代，而变频调速技术发展到迅速普及的实用阶段，却 是在2 0 世纪8 0 年代，整整经历了一个世纪。由于电动机绕组中反电动势的大小是和频率 成正比的，因此在改变频率的同时还必须改变电压，故变频器常简写成v v v f ( v a r i a b l e v o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 。v v v f 的实现，虽然不像逆变电路一样对于开关器件具有 强烈的依赖性，但简化到足以推广普及的阶段，却是在2 0 世纪7 0 年代提出了正弦波脉宽 调制技术( s p w m ) 并不断完善之后。 1 9 7 1 年，德国西门子公司布莱施克( f b l a s c h k e ) 第一次提出矢量控带t j ( s v p w m ) 的原 理。随后，德国不伦瑞克工业大学教授莱昂哈特( w l e o n h a r d ) 系统化了矢量控制理论， 从而在理论上使得交流传动系统的静动态性能可与直流传动系统相媲美。矢量控制技术 模仿直流电机的控制方式，以转子磁场定向，采用矢量变换的方法，实现了对交流电动 机的转速和磁链控制的完全解耦。这一理论具有划时代的意义，然而实际上由于转子磁 链难以准确观测，系统特性受电机参数的影响较大，在模拟直流电动机控制过程中矢量 旋转变换比较复杂，实际的控制效果难以达到理论分析的结果。因而矢量控制技术在实 际应用上存在不足。 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学教授戴潘布洛克( d e p e n b r o c k m ) 首次提出了直接转矩控制的 理论，接着于1 9 8 7 年又把它推广到弱磁调速范围。直接转矩控制是一种更先进的控制技 术，它在很大程度上克服了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电机参数变化影响、实 际性能难以达到理论分析结果的缺点。采用这种控制技术的交流电气传动系统，静动态 性能更好。直接转矩控制技术从一诞生，就以新颖的控制思路、简捷明了的系统结构、 优良的静动态性能受到了人们的普遍关注，并随之得到迅速发展。实践中，直接转矩控 制技术成功地用于兆瓦级交流电气传动电力机车上。 随着变频器应用领域深度和广度的不断开拓，变频调速技术越来越清楚地展示它在 一个国家国民经济中的重要性。现代控制理论和人工智能技术在变频调速技术的应用和 推广，将赋予它更强的生命力和更高的技术含量。 1 3 国内外研究现状 从整体上看我国电气传动系统制造技术水平较国际先进水平落后1 0 - 1 5 年。在大功 率交一交变频、无换向器电动机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造， 而且在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当大的差距。而这方面的产品在诸如大容 量风机、压缩机和矿井卷扬机等方面有很大需求【5 】。在中小功率技术方面，国内学者做 了大量变频理论的基础研究。早在8 0 年代，已成功引入矢量控制的理论，针对交流电机 具有多变量、强耦合、非线性的特点，采用了线性解耦和非线性解耦的方法，探讨交流 硕士论文地铁紧急通风变频器的研制 电机变频调速的控制策略。进入9 0 年代，随着高性能单片机和数字信号处理的应用，国 内学者紧跟国外最新控制策略，针对交流电机感应特点，采用高次谐波注入s p w m 和空 间磁通矢量p w m 等方法，在实现无速度传感器交流变频调速系统的研究上作了有益的 基础研究。在新型电力电子器件应用方面，由于g t r 、g t o 、i g b t 、i p m 等全控器件的 使用，使得中小功率的变流主电路大大简化。大功率s c r 、g t o 、i g b t 、i g c t 等器件 的并联、串联技术的应用，使高电压、大电流变频器产品的生产及应用成为现实。在控 制器件方面，实现了从1 6 位单片机到3 2 位d s p 的应用。国内学者一直致力于变频调速新 型控制策略的研究，但由于半导体功率器件和d s p 等器件依赖进口，使得变频器的制造 成本较高，无法形成产品与国外的知名品牌相抗衡。 因此，国内交流变频调速技术产业状况表现如下：1 ) 变频器控制策略的基础研究与 国外差距不大；2 ) 变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力， 但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模；3 ) 变频器产品所用半导体功率器 件的制造业几乎是空白；4 ) 相关配套产业及行业落后：5 ) 产销量少，可靠性及工艺水平 不高1 6 7 1 。 1 4 变频器的结构和功能 1 4 1 一变频器的基本结构 变频器的基本结构如图1 4 1 所示，它主要由整流电路、直流中间电路、逆变电路及 ： 控制电路等部分组成。 交流直流 交流 u v w 图1 4 1 变频器的基本结构图 1 4 2 变频器各部分的功能 1 ) 整流电路 整流电路的主要作用是对电网的交流电源进行整流后给逆变电路和控制电路提供 所需要的直流电源。 l 绪论硕士论文 2 ) 直流中间电路 虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流，但是这种电压 或电流含有六倍电源频率的电压电流纹波。此外，变频器逆变电路也将影响直流电压或 电流的质量。因此，为了保证逆变电路和控制电源能够得到较高质量的直流电流或电压， 必须对整流电路的输出进行平滑，以减少电压或电流波动，这就是直流中间电路的作用。 3 ) 逆变电路 逆变电路是变频器最主要的部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下将直流 中间电路输出的直流电压( 电流) 转换为具有所需频率的交流电压( 电流) 。逆变电路被用 来实现对异步电动机的调速控制。 4 ) 控制电路 控制电路的主要作用是根据事先确定的变频器控制方式，为主电路提供所需的驱动 信号。此外，变频器的控制电路还包括对电压、电流进行检测的信号检测电路，为变频 器和电动机提供保护的保护电路和对外接口电路。 1 5 变频器的控制方法 变频器的控制方法指的是针对频率、电压、磁通、电磁转矩等参数的控制方式。在 通用变频器中，常用的控制模式方法有u f 控制模式、转差频率控制模式、矢量控制模 式和直接转矩控制模式。 1 ) u 啦制方式模式 恒压频比控制是异步电动机变频调速的最基本的控制方法，它同时控制电动机的电 压频率和变频器的输出电压，从而使电动机磁通基本保持恒定i 引。由电机学公式可知， 当电机电源频率饺化时，若电机感应电动势不随着变化，那么电机的磁通将会出现饱 和或欠励磁。由于电机设计时电机的磁通常处于接近饱和值，磁通进一步增大会导致电 机出现饱和，造成很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗：而当电机出现欠励磁 时，将会影响电机的输出转矩。因此在改变电机频率耐应对电机电势e 进行控制，以维 持磁通恒定，即保持e l f 比恒定。 由于电机的电势检测比较困难，考虑到电机正常运行时电机的电压和电势近似相 等，常通过控制u f 比恒定以保持磁通恒定。 2 ) 转差频率控制模式【吼1 0 l 转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在u 啦制的基础上按照异步 电动机的实际转速对应电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就 可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器， 有时还加有电流反馈对频率和电流进行控制。因此这是一种闭环控制方式，可以使变频 器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。当转差频率 4 硕士论文地铁紧急通风变频器的研制 较小时，在保持u f j i 亘定的基础上，异步电动机的转矩基本上与转差率s 成正比。这就意 味着只要调节变频器的输出频率正，就可以使异步电机具有某一转差频率z ，从而使异 步电动机输出一定的转矩，达到控制异步电动机输出转矩的目的。 3 ) 矢量控制模式【l l 1 2 1 矢量控制技术源于电机的磁场定向控制。电机磁场定向控制的目的是通过坐标变 换，将原来强耦合的三相交流电机系统转化为两相直流系统【6 】，这样耦合性大大降低， 在两相坐标系下采用直流电机的控制方式进行控制，其控制也变得相对简单。它以转子 磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用静止坐标系与旋转坐标系之间的变换，把定 子电流中励磁电流分量与转矩电流分量独立开来，分别进行控制。这样，通过坐标变换 重建的电机模型就可以等效为一台直流电机，从而可像直流电机那样进行快速的转矩和 磁通控制。目前在变频器中应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方 式和无速度传感器的矢量控制方式。基于转差频率控制的矢量控制方式通过坐标变换对 定子电流的相位进行控制，能够消除转矩电流过渡过程中造成的波动。基于无速度传感 器的矢量控制方式是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过 控制电机绕组上的电压、电流来达到控制励磁电流和转矩电流的目的。 4 ) 直接转矩控制模式【l 2 】 与矢量控制并行发展的还有直接转矩控制方式。它以异步电动机的转矩直接作为被 控制量，强调转矩的直接控制效果，并不极力追求理想正弦波。它与矢量控制技术并行 发展但又有所不同，避免了矢量控制中二次坐标变换及求模和相角的复杂计算，直接在 静止坐标系( 定子坐标系) 上借助三相定子电压和电流计算电机的转矩和励磁，并与给 定转矩和励磁进行比较，通过对转矩的b a n g b a n g 控制，使转矩响应迅速完成且无超调。 这种直接转矩控制方法，系统结构简单，对电机参数变化不敏感。 1 6 论文研究的主要内容 第一章研究我国地铁工业的发展状况和存在的问题，说明地铁紧急通风变频器的作 用，并探讨变频调速技术的发展概况和变频器的基本知识。 第二章研究地铁紧急通风变频器的总体方案设计，首先叙述它的应用背景和特点， 其次给出紧急通风变频器的技术指标，探讨变频器的控制策略，最后设计紧急通风变频 器的总体结构。阐述地铁紧急通风变频器的d c d c 升压部分、d c a c 逆变部分和控制部 分的功能，给出了紧急通风变频器的电气接口图。 第三章研究系统的硬件部分，包括设计d c d c 升压电路、d c a c 逆变电路、辅助电 源电路、隔离驱动电路、保护电路、电池电量检测电路等。同时，选择主要器件，如主 控芯片、功率开关、驱动芯片等，计算变压器参数、d c d c 升压电路参数、输出滤波器 5 i 绪论 硕士论文 6 参数。 第四章研究系统的软件部分，设计系统软件总体及各部分的程序流程。采用 a t 6 8 s 5 2 单片机控制三相s p w m 波发生器s a 8 2 8 1 生成s p w m 波。研究a t 6 8 s 5 2 的中断系 统，s a 8 2 8 1 的工作原理、参数设置方式和编程方式，为输出波形设置死区时间等。最后 实现s p w m 波的变频输出。 第五章进行实验验证。首先以模块为单位进行调试，测试电路功能。根据系统的技 术指标设置s a 8 2 8 1 的参数，给出s a 8 2 8 1 输出的s p w m 波形和变频器输出电压、电流波 形，分析实验结果。 第六章对全文进行总结并对今后的工作进行展望。 硕士论文地铁紧急通风变频器的研制 2 紧急通风变频器总体方案设计 2 1 紧急通风变频器的应用背景 随着地面交通的日益拥挤，人们将目光转到了地下，于是地铁交通应运而生。与此 同时，地铁灾难也接踵而至。日本地铁毒气事件、英吉利海峡海底隧道火灾事件、韩国 大邱地铁火灾等灾难事故都造成了重大人员伤亡【1 3 l 。 在火灾、毒气、爆炸等重大险情发生时，为了保障乘客的生命和财产安全、降低昂 贵设备及基础设施破损及毁坏，必须在车厢内配备火灾自动报警系统、紧急通风系统、 紧急照明系统、紧急广播系统、紧急疏散系统等应急设备。 其中，在地铁车辆内设置一套合理的空调、采暖、通风系统是提高乘坐安全性和舒 适性必不可少的。列车正常运行时，车厢内通风换气系统从空气的温度、湿度、洁净度 以及气流速度等方面对室内空气品质进行控制：当地铁供电系统中断时，空调系统应立 即转入应急通风状态。紧急通风变频器是为风机设计的，当地铁供电出现故障时，它能 将由蓄电池提供的1 1 0 v 直流电变换为交流电使风扇继续运转以向车厢内提供足够的新 鲜空气【1 4 1 。 2 2 紧急通风变频器的技术指标 紧急通风变频器的主要技术指标有： 额定输入电压 输入电压范围 额定三相输出电压 额定输出频率 输出电压波形 额定输出容量 效率( 额定条件下) 冷却方式 噪声( 1 米处测量) 防护等级 外形尺寸 重量 d c l l 0 v d c 7 7 v 1 1 7 v 3x 2 2 0 v r m s 5 3 5 h z 1 正弦波 2 k v a 8 5 自然冷却 弋2瓮inn，sd尽onnn 硕上论文地铁紧急通风变频器的研制 2 4 紧急通风变频器各部分的功能 紧急通风变频器各部分的功能简介如下： 1 ) d c d c 升压电路：将输入直流l1 0 v 斩波升压为4 5 0 v ，该部分要能提供足够的 功率，并实现宽范围调压。即当输入电压由直流7 7 v 到直流1 1 7 v 变化时，输出电压可 稳定在4 5 0 v 。 2 ) d c - a c 逆变电路：逆变电路采用电压型三相桥式逆变电路，功率器件采用智能 功率模块i p m 。i p m 中的i g b t 按照来自控制电路的驱动信号，将d c d c 升压电路得 到的直流电压逆变成3 相p w m 电压。 3 ) 控制电路：控制电路以微处理器为核心，控制功率器件有规律的通断，调节输 出波形的电压和频率【l 酬。控制电路包括驱动电路、保护电路、电池电量检测电路、电压 电流反馈电路等等，分别叙述如下。 ( 1 ) 驱动电路：驱动电路接收控制芯片发出的s p w m 信号，经过电平和相位的转 换，完成对i p m 的驱动，并且设置了死区环节。 ( 2 ) 电池电量在线检测电路：随着运行时间的增长，蓄电池的容量不断减少，为保 证通风时间，电池电量在线检测电路实时检测电池容量的变化，调整输出功率。 ( 3 ) 保护电路：系统的保护分为输出过电流保护、短路保护、过热保护等。 输出过流保护 紧急通风变频器的输出功率最大值为2 2 k v a ，变频器的输出电流最大限制为额定 输出电流的1 1 倍，如果超负荷，模块自动调低输出电压和输出频率以保护模块。 短路保护 当逆变电路发生短路时，会产生很大的短路电流，在很短的时间内可能烧毁功率器 件。因此，设置短路保护电路，在发生故障时及时让逆变电路停止工作，以达到保护逆 变电路的目的。 过热保护 过热保护主要是保护大功率变流器件，这些器件的结温和电流过载能力均有安全极 限值，正常工作情况下，系统设计留有足够余量。在某些特殊环境下，如环境温度过高 等情况下，模块检测散热器温度超过8 5o c 时自动关机保护，温度降低到6 5o c 时模块 自动重新启动。 2 5 紧急通风变频器的控制策略 在通用变频器中，常用的控制模式方法有u f 控制模式、矢量控制模式和直接转矩 控制模式，其中输出电压谐波较低的是u f f 控制模式。因此本文采用u f 控制模式【1 7 五。 9 2 紧急通风变频器总体方案设计硕士论文 2 5 1 基本u ，啦制模式的原理 根据电机学原理，异步电机定子每相感应的电动势的有效值为： b = 4 。4 4 石虬k 府 ( 2 5 1 ) 式中， 石为定子频率( h z ) ； 虮为定子每相绕组匝数； 为基波绕组系数； 。为每极气隙磁通( w b ) 。 由异步电机的t 型等效电路，异步电机端电压与感应电动势的关系式为 = b + r s 乓 ( 2 5 2 ) 式中， 匙为定子绕组阻抗： 乓为流过定子绕组的电流。 由式( 2 5 1 ) 可见，。的值是由b 和石共同决定的，对b 和石进行适当的控制， 就可使气隙磁通。保持恒定不变。然而绕组中感应电动势是难以直接控制的，当定子 频率石较高时，感应电动势的值也较大，因此可以忽略定子阻抗压降，认为定子相电 压u s b ，则得： 瓦而g s 面再砑g 忑= k 鲁= c o r l 8 k c o r l 譬，t ( 2 s 3 ) 一一= = 门s1 、 4 。4 4 f s n s k s4 4 4 s n s k s f s 、“j 其中，k = 1 4 4 4 虬墨。 通常，为了最大限度的利用电机出力，常采用气隙磁通恒定控制，即保持u f 比值 不变。 2 5 2u f 控制模式的电压补偿原理 显然，基本u f 控制方式是一种运行效果不理想的方式，原因是电动机定子阻抗压 降比例增加导致低频率时的磁通衰减，从而使低速转矩降低。为提高低速转矩，采取低 频率下的电压补偿措施，电压补偿可以明显改善低频率区的特性。 目前市售的u f 控制通用变频器被称为第二代变频器，都是采用数字控制的，要做 1 0 硕士论文地铁紧急通风变频器的研制 一个电压频率函数来实现电压补偿很容易，问题是这个函数怎么去做。 在图2 5 1 ( a ) 中，实线是基本u f 线，虚线是计算的补偿线，在低频部分的曲率要 明显一些。在实际系统中，采用折线设置方式来确定电压补偿的规律，即用几条直线组 成的折线来拟合图2 5 1 ( a ) 中的电压频率曲线，如图2 5 1 所示。 图2 5 iu f 控制模式下的电压补偿 ( a ) 电压频率关系( ”u f 曲线设置图 首先设定变频器的部分控制参数： 1 ) 输出频率上限为矗就= 5 0 h z ，用以限制输出频率上限以防止误操作造成“飞车”。 2 ) 额定输出频率一= 3 5 h z ，系统在0 - 一3 5 h z 恒磁运行，3 5 h z 以上弱磁运行。 3 ) 中间频率厶，在中高频区域，磁通衰减不明显，基本可以不作电压补偿，或者 轻微补偿，中间频率就作为频率补偿的分界点。对风机等二次方转矩负载可选择为 2 0 3 0 h z ，实际系统中取2 0 h z 。 4 ) 最低频率尼，这个频率是变频器实际输出频率的下限，设置为l 3 h z 。 5 ) 补偿电压啡，这个参数直接影响补偿程度。 对应于图2 5 1 ( a ) 中的a 点电压，二次方转矩负载取8 1 2 v 。当最低频率不为零时， 先按上述原则确定a 点电压叽，选取：l o y ，：+ 五掣：2 1 5 v 。 则输出电压频率的近似函数为： u o = u o = 华- 6 2 8 l ，l 厶 峥工十2 5 ：5 2 正+ 2 s ，无 们n 鲥 斜帕踟。 能日鲥 砚c - 每撕。 二： 删3 1 鼬 一伽 麒暇鼬 一l h 二： 一钿 ，0 i 晴，鼬 一_ t 图2 6 2 紧急通风变频器的电气接口( 二) o，口27511营ntr匿夏鼋 h 田 哿 团 萄 芒 萄 曲 翠 沿 蟊 咒 _ _ 腓 啪 _ _ _ 异 蜜 客萋 u 5 | r h 十 四 器 离 淄 团 图2 6 3 紧急通风变频器的主回路图 x套-12 穹8-s一-f_o科 乌巳= 2 紧急通风变频器总体方案设计硕士论文 2 7 本章小结 本章研究了紧急通风变频器的总体方案设计，叙述了它的应用背景、工作原理和技 术指标。在此基础上，设计了总体方案，分别阐述了紧急通风变频器的d c d c 部分、 d c a c 部分和控制部分的功能，探讨了紧急通风变频器的控制策略，最后给出了紧急 通风变频器的电气接口图。 1 6 硕士论文 地铁紧急通风变频器的研制 3 系统硬件设计 地铁紧急通风变频器有其特殊的应用环境，因而系统结构和通常的变频器系统略有 不同。在地铁供电系统中，直流母线电压为15 0 0 v ，直流母线电压经地铁主变流器产生 三相交流电压。三相交流电经三相整流桥整流得到直流电。当地铁正常行驶和运转时， 整流得到的直流电给车载蓄电池充电，电池电压工作范围为7 7 l1 7 v ：当紧急情况出现 地铁供电中断的情况下，将由车载蓄电池经地铁紧急通风变频器产生交流电源供给车厢 内的通风换气设备，保证乘客的生命及财产安全。 系统硬件主要包括以下几个部分：辅助电源电路、d c d c 升压电路、d c a c 逆变 电路和控制电路，控制电路包括隔离驱动电路、电池电量检测电路、保护电路( 包括过 流保护电路、短路保护电路、过热保护电路) 等。 3 1 主电路的设计 系统的主功率电路的电路图如图3 1 1 所示。 l 一，i i k 2 l 1 v d l j 忆弘弘子 肾 c l = 1 矿c =r v 1 1k 】【 ： c 2 = 麓肛 _ _ _i ) 举 】 【 k - k j _ 一 u v w 图3 1 1 系统的主功率电路图 主功率电路包括d c d c 升压电路和d c - a c 逆变电路。d c d c 升压电路采用b o o s t 升压，将电池电压升高送给逆变电路。逆变部分采用三相全桥逆变电路，经滤波器滤波 后输出三相正弦波。功率器件采用i g b t 集成模块i p m ，输出滤波器采用星形连接。 变频器刚接通电源时张1 闭合) ，输入侧滤波电容器上的电压为0 v ，接通瞬间产生 的冲击电流可能对主功率电路造成损坏。因此，在电源输入和滤波器之间接入限流电阻 r l ，将滤波器的充电电流限制在一定范围内。当滤波电容器充电完毕后，由接触器k 2 将电阻r l 短接。 车载电池的输出侧并联电容c 和电阻r ，它们可以给后级的逆变器部分提供相对恒 定的直流电压。因为车载蓄电池输出的直流电压含有脉动成分，此外逆变部分产生的脉 动电流及负载变化也使直流电压脉动，因此要加入大电容滤波环节；同时c 也为逆变 1 7 3 系统硬件设计硕士论文 器负载和直流电源之间的无功功率提供缓冲。电解电容c 取c = 1 0 0 f 4 5 0 v ，电阻r 为 停止工作后变频器直流侧的电解电容提供放电回路。 电容c 1 和c 2 为逆变电路直流侧的滤波电容，由于升压后的电压达到4 5 0 v ，为提 高滤波电容工作可靠性，滤波电容器由两个电解电容串联而成。由于每个电容量不可能 绝对相同，造成串联以后两个电容上的电压分配不均衡，因此在两个电容器的两端分别 并联电阻值相等的均压电阻r 1 和r 2 ，以保证均压效果。 3 。2 辅助电源电路的设计 系统的辅助电源分为两部分，第一部分采用由t o p 2 2 4 y 组成的开关稳压电源，向包 括c p u 在内的各个芯片供电。 第二部分是由n e 5 5 5 和高频变压器构成的开关电源，产生i p m 模块所需的6 组独立的 2 0 v 电源。两部分均为反激式电源且工作原理有类似之处，这里只详细介绍第一部分电 源。 3 2 1 辅助电源主电源的结构 第一部分电源采用由t o p s w i t c h i i 系列的t o p 2 2 4 y 型器件为开关器件的开关稳压电 源，原理图如图3 3 1 所示。工作输入电压范围d c 7 7 v - 1 1 7 v ，输出两路1 2 v 、两路2 2 v 和一路5 v ，总功率大约2 4 w 。 t o p 2 2 4 y 有控制端c ( c o n t r 0 1 ) 、源极s ( s o u r c e ) 、漏极d ( d m i n ) - - - 个端子，能完成开关 电源的全部控制功能。整个开关电源所需的元件比较少，效率也比较高。同时，t o p 2 2 4 y 内含脉宽调制器、m o s f e t 、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路， 通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了隔离式开关电源的单片集成化， 使用安全可靠2 2 1 。 高频变压器t 1 具备能量储存、隔离输出和电压变换三个功能。当t o p 2 2 4 y 导通时， 变压器初级绕组储存能量；当t o p 2 2 4 y 关断时，初级绕组中储存的能量传递给次级绕组 和反馈绕组，高频变压器能够快速储存、释放能量，经高频整流滤波后即可获得连续输 出，c i 为输入端滤波电容。直流电压加到t 1 一次绕组一端，一次绕组的另一端接到 t o p 2 2 4 y 芯片内高压m o s f e t 的漏极。t o p 2 2 4 y 的漏源极最小击穿电压为7 0 0 v ，而当 t o p 2 2 4 y 关断时，变压器原边的直流输入电压、原边绕组的感应电压以及由变压器的漏 感产生的尖峰电压三者叠加在一起，电压值可能超过7 0 0 v ，因此必须在t o p 2 2 4 y 的漏 极增加钳位电路，用以保护功率m o s f e t 不被损坏。钳位电路由r 。、g 和z d ；组成，它 把变压器漏感引起的脉冲前沿尖峰电压钳位到安全值。 硕士论文 地铁紧急通风变频器的研制 图3 2 1 辅助电源第一部分的原理图 辅助电源的工作过程如下：电源接通后，芯片内部的电流源开始对c 6 充电，直到c 6 两端电压上升到控制电压z c 的上限值。此时，电流源关断，t o p 2 2 4 y 开始工作。在初 始几个周期内，芯片内的限流电路通过减小脉冲占空比来限制峰值漏极电流。同时，输 出电压和偏置电压开始上升。当输出电压和偏置电压达到稳定值后，控制引脚电流由电 容c 6 提供。在稳定工作状态下，c 6 、b 和控制引脚动态阻抗完成控制回路的补偿作用。 c 6 的容量应当保证c 6 放电时，两端电压下降到控制电压下限值以前，开关电源能达到 稳定状态。如果因输出负载电流过大或输入电压过低，开关电源不能达到稳定状态，那 么e 放电到控制电压下限值时，输出m o s f e t 将关断，并且开始自动恢复过程。 t i a 3 l 并联稳压器通过控制光耦中发光二极管的电流稳定开关电源的输出电压。正 常工作时，应使t i a 3 1 并联稳压器输入引脚电压保持在2 5 v t 2 3 1 。蜀和足组成的分压器决 定精确的输出电压。c 7 和凡补偿频率响应。足限制光耦中发光二极管的电流，并且决 l o 3 系统硬件设计 硕士论文 定低频增益。 3 2 2 辅助电源稳压原理 圪= 吃+ + 攻 其中：圪为输出电压； 为t l 4 3 1 并联稳压器的稳压电压； 为限流电阻两端的压降； 伪线性光耦p 5 2 1 q b 发光二极管的导通压降。 ( 3 2 1 ) 当由于某种原因升商时，咋随之升高，使得发光二极管的工作电流i f 增大，它 通过光耦使t o p 2 2 4 y 的控制端电流l 增大。由于t o p 2 2 4 y 的输出占空比与l 成反比，所 以占空比随着l 的增大而减小。这就迫使圪降低，达到稳压的目的。当圪减小时，稳压 原理相同。 3 2 3 变压器的设计 变压器的设计是辅助电源中最主要的部分，设计如下： 1 ) 计算原边绕组绕组流过的峰值电流，p ( 设d 咖= 0 4 5 ) ： = 厶= i 正2 o = 了五2 五x i 2 正4 石= 。9 7 彳( 3 2 2 ) 2 ) 求最小占空比d 。i n ： 输入电压最d 茭s d c 7 7 v ，最大为d c l l 7 v ，则比较因子k 为： k = 等= 等乩5 2 凹， 吃m j n 7 7 p 7 。m 诅= f 瓦而t n a x = 礤瓦0 西4 5 而= o 3 4 ( 3 2 4 ) 因此占空比的范围为o 3 4 o 4 5 。 3 ) 计算初级绕组的电感 厶= 昔= 熹器以5 肋日 ， 硕士论文地铁紧急通风变频器的研制 4 ) 选择磁芯和骨架尺寸 首先，计算磁芯面积乘积a p ，a p 为句( 磁芯窗1 2 1 面积) 4 ( 磁芯有效面积) 的乘积。 然后，在厂商资料目录中查出a p 的值，设计者科根据需要来选择磁芯和线圈骨架的型号。 设原边绕组的线径为办，带绕组的磁芯所占的a p 值表示为彳0 ，可按式( 3 2 6 ) 计算。 么。= 鲤掣铡4 ) 式( 3 2 6 ) 中，a b = 寺b ，表明工作磁感应强度变化值取饱和值壤的一半。 磁芯材料选择t d kh 7 c l 的材料，e e 型磁芯，1 0 0 。c 时，b = 3 9 0 0 g s = o 3 9 t ，则 a b = 1 9 5 0 g s 。设选择电流密度为4 0 0 c m a 的导线，则通过0 9 7 a 电流时需要的圆密耳为 4 0 0 c 掰，ax0 9 7 a = 3 8 8 c 聊，可选取a w g 2 2 # 导线，其直径最大为0 2 81 英寸。所以 彳b：(633x35x10-3x097x002812)x108：087cm( 3 2 7 ) 。 1 9 5 0 、7 占窗口大部分面积的是副边绕组和绝缘材料，一般彳昂只占a p 的( 1 4 1 3 ) 以下， i 玟a p p = 4 a p = 4 x 0 8 7 = 3 4 8 c m 4 f 主i t d k 产品目录中可查出e e 4 2 x 4 2 x 1 5 的的磁芯与线圈骨架乘积4 以为： 以4 = 1 。8 3 c m 2x l 。9 2 c m 2 = 3 5 l c m 4 3 4 8 c m 4 ，选取此型号的磁芯与线圈骨架合适。 5 ) 计算空气气隙 t ：0 4 ：r l ：e r l 2 e 1 0 8 c 聊：0 4 x 3 1 4 x 3 5 x 1 0 - 广3 x 0 9 7 2 l o s ：0 0 5 6 c m ( 3 2 8 ) 5 彳。衄2 1 8 3 1 9 5 0 2 、。 6 ) 计算变压器初级绕组匝数 ，：竺已：坐业坠：8 0 2( 3 2 9 ) 。0 4 7 r i 。0 4 x 3 1 4 x0 9 7 、7 选取初级线圈8 1 匝。 7 ) 计算变压器次级绕组匝数 以l ：盟峰竺掣：8 1 x ( 2 0 + 1 ) x ( 1 - 0 4 5 ) ：2 7 1( 3 2 1 0 )“ 圪i i n d 眦 7 7x 0 4 5 ”7 虬2 ：塑每些幽：8 1 x ( 1 2 + 1 ) x ( 1 - 0 4 5 ) = 1 6 7( 3 2 1 1 )“ m i n d 眦 7 7 x0 4 5 、7 3 系统硬件设计 硕士论文 炉盟犁= 燮幽7 7 x 0 4 5 - 7 7 ( 3 2 1 2 )” m i n d 一 ”叫 式( 3 2 1 0 ) ( 3 2 1 2 ) 中，k 为副边绕组的电压损耗，通常取v d = i v 。分别选取虬。、 虬2 、虬3 为2 8 匝、1 7 匝、8 匝。 3 3d c d c 升压电路的设计 对于三相s p w m 逆变电路来说，在调制比a 为最大值l 时输出相电压的基波幅值 为u 。2 ，输出线电压幅值为3 u 。2 。紧急通风变频器的输出电压有效值为2 2 0 v ，则 电压的幅值为3 1 1 v ，因此逆变电路的直流侧电压u d 至少需要4 0 0 v 。实际电路工作时， 功率器件的开通和关断都需要时间，调制度不可能达到1 。考虑一定的余量，选取 u d = 4 5 0 v 。 为此，必须在车载蓄电池和i p m 输入端之间加一个d c d c 升压电路，它的功能是 将d c l l 0 v 升压为d c 4 5 0 v 左右供给逆变电路。考虑实际使用时供电电源可能出现波 动，要求输入电压为d c 7 7 1 1 7 v 时，输出可稳定在d c 4 5 0 v 。 在d c - d c 斩波电路中，b o o s t 升压电路原理简单，工作可靠，是直流升压电路中 常用的电路拓扑【2 4 ，2 5 1 。b o o s t 电路主要由i g b t 、储能电感、电容和二极管组成。b o o s t 升压电路原理图如图3 3 1 所示： i ，1v d l u o 图3 3 1b o o s t 升压电路原理图 1 ) 升压电感的设计 根据储能电感取值的不同，电路可分为连续工作状态和不连续工作状态两种模式。 工作在连续、不连续临界情况下的临界电感。为1 2 4 ： k ：簪( 1 一叱) 2 ( 3 3 1 ) 硕士论文 地铁紧急通风变频器的研制 式( 3 3 1 ) 中：圪为输出电压； 乃为工作周期； o 为输出电流； d , m 为最小占空比。 输入电压为d c 7 7 1 1 7 v ，输出电压d c 4 5 0 v ，输出电流为( o 纠a ) 开关频率为 1 0 k h z 。 d m i * = 1 - v 匕m 戤小岩一o 7 4 。柚 乃= 7 1 = 1 0 0 膨 ( 3 3 3 ) 由式( 3 3 1 ) 计算可得： 。k = 等必圳2 = 警x 0 7 4 x ( 1 - 0 ) 2 = 2 8 1 m h 实际应用中b o o s t 升压电路设计在连续模式的工作区间，则升压电感厶应大于临界 电感幺，即厶 2 8 1 m h ，取厶= 3 m t t 。 2 ) 输出滤波电容的设计 电感电流连续模式下，考虑滤波电容器有内部寄生电阻，同时考虑二极管电流乞。的 纹波电流会全部流进电容器c l ，以保证负载上得到平直的直流电流。在指定纹波电压 限制下，需要电容值c l 为【2 5 】： c l = 盟g a u o = 筹乞 鲫) 。 圪。 r 7 式中：圪为纹波电压，取圪= i o v ， 则有q = 型学= 2 6 4 f 因为在电感充电期间，电容独立为负载提供电流，所以由( 3 3 4 ) 式计算所得的电容 值偏小，应该留有定的裕量，实际中选取c l = 4 劲f 。可选取两个1 0 0 肛4 5 0 v 的电 解电容串联的方案。 3 ) b o o s t 电路的仿真实验 为验证以上参数的正确性，用仿真软件s i m p l o r c r 对b o o s t 电路进行仿真，并且以 仿真实验中开关器件承受的电流、电压值为参考，选择开关器件的型号。 图