（电力系统及其自动化专业论文）双电源无轨电车充电机的研究.pdf

j l - 、 i _ 蓬 i a b s t r a c t t h e c h a r g e rd i s c u s s e di nt h i sp a p e ri sap a r to fc h a r g i n ga n d b a t t e r i e sd i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nd o u b l e s o u r c et r o l l e y b u s e s i t c a n c h a r g e t h eb a t t e r i e sw i t haf i t f u lc h a r g i n gs t r a t e g y ，s om a i n t a i n t h e t r o l l e y b u sw o r k i n gn o r m a l l yw i t h o u t w e ts o u r c e t h ed c d cc o n v e g e ri st h ef u l l b r i d g et o p o l o g yw h i c hs u i t s f o rb i gp o w e ru s e m a i ns w i t c h e sa r et w oi p m s u s i n gi p mc a n i m p r o v es y s t e m sr e l i a b i l i t ya n d r e d u c ed e v e l o p m e n t p e r i o d t w o b r i d g er e c t i f i e r si ns e r i e ss u p p l y t h eo u t p u tc u r r e n t t h i sm o d ec a n r e d u c et h ed i o d e s s t r e s s t h ec o n t r o li ci st h eu c 3 8 4 6w h i c hc a np r o v i d e a l l n e c e s s a r yf e a t u r e so f ac o n s t a n tf f e q u e n c nc u r r e n tm o d ec o n t r 0 1 i th a st w ot o t e m p o l eo u t p u t sa n dc a l lr e a l i z et h ef u n c t i o n o f c u r r e n t 1 i m i t i n ga n ds o f t - s t a r t i n g 1 1 1t h i sp a p e ran o v e lc i r c u i t i s u s e dt of i n i s ht h ea u t o t r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nc o n s t a n tc u r r e n t a n dl i m i t e dv o l t a g ec h a r g i n gm o d e s i ti sb e n e f i c i a lt o i m p r o v e t h ec h a r g i n ge f f i c i e n c ya n dp r o l o n g t h eb a t t e r i e su s i n gt i m e t h es m a l ls i g n a lm o d e la n dt h eb i gs i g n a lm o d e lo fw h o l e s y s t e m a r ef o u n d e d t h i sp a p e rg i v e t h e s y s t e m sr e l i a b i l i t y a n a l y s i sa c c o r d i n g t ot h es m a l ls i g n a lm o d e lb yu s i n gm a t l a b i nt h ee n dt h ec o n t e n t a b o u te m ci sd i s c u s s e d t h e e x p e r i m e n t r e s u l ti sp r e s e n t e d 北方交通大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 第一节 课题研究的目的和意义 本论文所讨论的充电机是双电源无轨电车充电及电池能 量管理系统的一部分。 为了缓解交通拥挤的状况，北京市提出了公交优先发展 的原则，这体现了国际性大都市的发展方向。由于电能具有污 染小、易于传输的特点，而且转换效率远远高于传统的供能 方式，所以国际上发展公共交通的最主要措施是采用电能作 为供电能量。例如日本东京主要发展地下铁道，而欧洲则以 城市轻轨为发展方向。但北京由于历史等多方面原因，在许 多地段不可能修建地铁和城市轻轨，因此改造现有公交线路 成为非常实际的办法。 无轨电车对于缓解北京的公共交通和减轻城市污染发挥 了重要作用。无轨电车采用7 0 0 v 直流供电方式，随着北京 市城市建设的发展和治理环境的需要，许多地区如前门、西 单及东单地区，提出了将供电电源抛开采用电池供电的方式， 即双电源无轨电车方案。 双电源供电的无轨电车在采用电池作为动力源的情况 下，实际上就相当于电动汽车。所以电动汽车的许多方法都 可直接应用在无轨电车上。但电动汽车和无轨电车的充电输 入电压等级不同，电动汽车的车载充电机和地面充电机的直 双电源无轨电车充电机的研究 北方交通大学硕士论文 第一章绪论 流环节电压等级为3 0 0 - 5 0 0 v ，而无轨电车网压为7 0 0 v ，并 且电压变化范围较大，一般在5 0 0 7 0 0 v 之间变化。此外，无 轨电车具有经常性的网压突变，顶弓和电网的非连续接触也 易引起火花和电弧造成频繁的电压尖峰，而且充电断续，这 就对无轨电车车载充电机的设计、控制和运行提出了更高的 要求。 此外，由于双电源无轨电车在无电区段采用电池供电， 在整个电池组中，一旦有一个电池损坏，则将影响整个电池 组的充放电，造成电池存储能量不足，降低了电池的使用寿 命。在通过无电区段前，司机也无法判断电池实际的剩余电 量是否充足；在此区段中出现问题时，更无法及时处理。另 外，由于无法确知电池状态，使充电机无法采用适合的充电 方式，降低了电池的综合利用效能和使用寿命。 目前在北京市改造的双电源无轨电车中使用的充电机效 果较差。首先是充电机的可靠性差，主要问题是损坏开关器 件；充电机即使正常工作，电池组有时仍会出现充电能量不 足的情况，这说明现有充电技术已经无法保证电池组快速、 可靠的充电；另外由于充电机的工作状态和充电方式与电池 不匹配，使电池加速了损坏。所以为无轨电车设计种合适 的充电机并加装电池能量管理系统变得非常迫切。 本课题就是针对上述问题，致力于研究无轨电车的充电 技术以及电池能量管理系统，以产业化为目标，实现无轨电 车的安全可靠的脱网运行，实现电池的优化管理和优化配置， 以延长电池的使用寿命和降低故障率。 双电源无轨电车充电机的研究 北方交通大学硕士论文 第一章绪论 第二节充电机及电池能量管理系统的组成及功能 本系统除充电机部分和电池能量管理系统两部分外，在 司机台还设有一个核心控制单元，它检测系统各部分的状态， 并进行数据处理。并附有人机接口，将系统的工作状态随时 通知给司机，而且还可以通过它进行一些命令操作，系统框 图如图1 1 所示： 图1 1 系统框图 电池管理系统可对双电源无轨电车电池组进行优化组 合，完成对电池组性能的评价；能够获取电池的工作状态， 预报电池的异常情况，从而避免了因电池故障造成停车事故 的出现：通过实时检测电池的充电量和放电量，可避免电池 出现过充和过放电现象，而过充和过放都会对蓄电池造成伤 害。 充电机主要完成对蓄电池组的快速无伤害充电。它根据 核心控制单元提供的最佳充电数据进行合理的充电。充电机 双电源无轨电车充电机的研究 - 3 北方交通大学硕士论文 第一章绪论 内部单片机也可将充电机状态及时传给主控单片机，以便进 行数据处理，并使司机及时了解充电机运行情况。 第三节充电机的基本参数 北京市无轨电车接触网直流电由三相全桥整流得到，是 频率3 0 0 赫的馒头波。在负载较小情况下，网压可高达7 0 0 伏；用电高峰时，电压可低于5 0 0 伏。所以充电机设计时应 考虑输入电压的大范围变化。 北京市无轨电车目前配备有两种电池组，一种为2 4 节1 2 伏电池，另一种为3 2 节1 2 伏电池。前者电压波动范围为2 4 0 伏到3 6 0 伏，而后者为3 2 0 伏到4 8 0 伏，所以充电机输出电 压应能在2 4 0 伏到4 8 0 伏变化。 综合起来，本充电机设计时要满足如下数据： 输入电压6 0 0 v 2 0 d c 输出最高电压4 7 0 v d c ( 按3 2 节电池计) 输出最大电流2 0 a d c 稳压精度1 稳流精度1 近年来，尤其是在电动汽车的充电机方面，技术发展非 常迅速。其主要表现在新型电力电子器件的大规模应用、集 成化与智能化和高性能及高可靠性等方面。 本充电机采用电流型控制方式，提高了动态响应和可靠 性；主开关器件采用智能功率模块i p m ，使系统的故障率下 双电源无轨电车充电机的研究 北方交通大学硕士论文 第一章结论 降；并配有通讯接口，使其能在主机的控s u t 按照合适的充 电策略进行充电，并将其工作状态通讯给主机；而且在电磁 兼容性方面进行了仔细的考虑。 充电机的框图如图1 2 所示： 图1 2充电机原理框图 第四节本论文研究的内容 本论文重点研究以下几个关键技术问题： 1 、充电机宽范围输入情况下的稳定工作； 2 、电流型控制d c d c 变换器的建模及仿真； 3 、电磁兼容性的研究。 在研究工作中，所有的设计都是严格按照现场要求进行 的。首先，在本文的第二章分析了电流型控制d c d c 变换器 和传统的电压型d c d c 变换器的工作原理，并对两者进行了 比较，接着讨论了电流型控制变换器的斜波补偿的原理。 双电源无轨电车充电机的研究 北方交通大学硕士论文 第一章绪论 本文的第三章讨论了系统的主回路方案。在此充电机 中，主变换器部分采用全桥结构，开关管采用智能功率模块 i p m ( i n t e g r a t e dp o w e rm o d u l e ) 为获得高电压的输出，变压 器副边整流采用两个整流桥的串联拓补。 本文的第四章阐述了系统控制回路设计。在这一章里， 简要分析了控制芯片3 8 4 6 的工作原理，按照系统稳定性的要 求，设计了斜波补偿的电路参数。然后着重分析了充电模式 自动转换控制电路及故障下的软起动功能的实现。 本文的第五章建立了系统的模型，并依据小信号模型进 行了系统稳定性的仿真分析，同时和电压型控制方式进行了 比较。 第六章结合实际情况进行了电磁兼容性的研究。 第七章给出了实际测量的电网电压波形；简单介绍了实 验室样机的建立，并给出了实验的数据及分析结果，表明了 系统设计的可行性。 双电源无轨电车充电机的研究 ! ! 塑奎塑奎兰堕主堡塞第二章电流型控制d c d c 变换器的研究 第二章 电流型控制d c d c 变换器的研究 第一节d c d c 变换器的控制方式 d c d c 变换器从控制方式上可以分为两种 】 ，即电压型 控制方式( v o l t a g em o d ec o n t r 0 1 ) 和电流型控制方式( c u r t e n t m o d ec o n t r 0 1 ) ，电压型控制方式的基本原理就是通过误差放 大器输出信号与一固定的锯齿波进行比较，产生控制用的 p w m 信号，如图2 1 所示： bt 爿 、r e f 【、 1 一一划 删l 图2 1 电压型控制变换器原理示意 电压型控制d c d c 变换器闭环系统中只有一个电压反馈环， 使系统结构相对简化，控制机理简单直接，利于进行模型分 析和仿真。它同时能够完成具有相当精度的恒压恒流控制， 系统工作稳定，抗干扰能力较强。 电流型控制则是指将误差放大器输出信号与采样到的电 双电源无轨电车充电机的研究 塑銮塑奎堂堡主垫第二章电流型控制d c d c 变换嚣的研究 感峰值电流进行比较，来控制输出脉冲的占空比，使输出的 电感峰值电流随误差电压变化。图2 2 是一个简化了的电流 型控制b u c k 变换器： bt 刊 v r l 一一 。，。l 。l 一 ：7 面何 。厂 厂 厂 图2 - 2电流型控制方式原理 如图所示，由于多了一个脉宽调制比较器( p w m c m p ) ，所 以上图为一个双环反馈系统。它既保留了电压控制的输出电 压反馈控制部分，又增加了一个电流反馈环节。使得电流型 变换器和电压型变换器相比较具有许多优点： 】、优良的瞬态响应： 电压型的d c d c 变换器为单环系统，它的l c 滤波 器具有双极点二阶特性，需要加一个很大的补偿电容。加大 补偿电容虽然能得到好的小信号特性，却使它的大信号特性 变差。 而电流型d c d c 变换器由于电流环的引入，使电感电流 不再是一个独立变量，从而消除了输出滤波电感带来的极点 双电源无轨电车充电机的研究 8 ! ! 互至望奎兰堡主丝壅 塑三童皇亟墼墼型里兰里兰壅垫坚塑婴窒 和系统的二阶特性，使整个系统成为一个由输出滤波电容和 负载电阻组成的单极点系统。单极点只有9 0 度的相位滞后， 因此不需加任何额外补偿，系统便能很容易得到大的环路增 益和完善的小信号动态特性，同时具有好得多的大信号特性， 即当起动或负载有大的跳变时，电流型控制系统能很快且正 确地进行调整。 2 、逐脉冲控制，使保护机制简化： 电压型控制系统如果需要实现过载或短路等保护时，需 要附加复杂的保护电路，而且电路的可靠性并不能够得到保 障。而电流型控制系统则具有天生的电流保护功能。 在电流型开关电源中，由于电流反馈环采用了直接的电 感电流峰值检测技术，它可以及时、灵敏地检测出输出变压 器或功率开关中的瞬态电流值，自然形成了逐个电流脉冲检 测电路。通过设定”最值，就可以准确地限制流过功率管和 变压器中的最大电流，从而在发生意外导致输出过载或短路 时，能保护功率管和变压器。为此，在设计电流型开关电源 时，可不必给变压器和功率管留较大余量，这样就可以使开 关电源成本降低。 3 、利于多电源并联运行 多台电压型开关电源并联运行时，目前较成熟的办法是 自动均流法，但不论是平均值均流，最大值均流，还是热应 力均流，都必须附加内电流环。使电路复杂，可靠性降低。 电流型开关电源中，已经有了逐脉冲控制的电流反馈 双电源无轨电车充电机的研究 ! ! 查窭望查兰堡主丝苎 墨三兰皇塑型丝型里! 竺! 壅垫壁塑型壅 环，当多台并联运行时，每个电流都有独立的电流负反馈， 并联电压有一个总的电压负反馈电路，这就能使各个电流负 反馈有相同的给定电流值，从而实现多台电源之间的负载自 动分配。提高了均流的效果和可靠性。 4 、限制偏磁 在开关电源中，功率管的饱和压降和存储时间不可能完 全相同，而且电路中还可能存在其它的不对称因素。在电压 型开关电源中，这种不对称造成了相邻开关周期的不平衡伏 秒值，使开关变压器产生偏磁，致使铁心饱和并产生过大的 开关管电流，降低了变换器效率，甚至烧毁开关管。 电流型开关电源中，它的控制机理决定了每个周期电流 的峰值肯定相等，即具有相同的伏秒特性，从而抑制了开关 变压器的偏磁。 尽管电流型控制存在着上述优点，但由于自身的控制特 点，也导致了一些问题： 1 、当占空比大于5 0 ，电流扰动会被放大，使控制环变得不 稳定： 2 、由于电流控制信号来自输出电流，功率级谐振会给控制环 带来噪声，特别是变压器的寄生电容和输出二极管的反向恢 复电流产生的电流波形前沿尖峰，是很麻烦的噪声源； 3 、由于电流控制是要使电流呈现恒流特性，散会使电路的负 载效应变差，在多路输出时，需要用耦合电感实现相互调节。 双电源无轨电车充电机的研究 北方交通大学硕士论文第二章电流型控制d c d c 变换器的研究 第二节电流型d c d c 变换器的斜波补偿 由于相对于传统的电压型控制方式在许多方面具有优 势，电流型控制方式在提出之后，受到了广泛关注。针对电 流型控制存在的问题，人们也提出了一些解决的办法，斜波 补偿是一种简单但非常有效的方法，电流型控制存在的问题 基本都能够利用这种方法得到解决。 一、开环不稳定性的矫正： 以图2 1 的电路为例，绘出占空比d 在大于5 0 矛d 小于 5 0 情况下的控制波形，如图2 3 所示： 1 0 i o c ) d u t y c y c e o ，5w i t hs l o p ec o m p e n s a t n g 图2 3 电流型控制方式开环不稳定性 竖整望查兰堡圭丝奎 丝三妻皇亟型丝型里型2 1 壅垫壁些翌壅 在a ) 中，对于一个电流扰动世。，当d 小于5 0 时，这个 扰动将逐渐变小，最后衰减为零；在b ) 中，d 大于5 0 ， 这个扰动将被放大，从而导致系统不稳定。在c ) 中，通过 加一个斜率为- 肌的信号在k 或t 上，经推导( 见附录) ，有： m 一州羔) z 1 若使扰动衰减，则应有 - - ， 、+ ， t 。万2 一：= j ( m 1 + 脚2 ) 一j m 2 能保证2 2 式恒成立。 l l l 、 ia 。 1 蟛7 一0 5 r r 时系统将变得稳定，所以取 玎1 = ，3 d d o 经测量c ，上电压斜率为6 0 0 0 0 ，所以此电压在补偿之前 需经分压，分压比为6 0 0 0 啪b 0 0 0 = 5 i 3 、补偿电路的实现： 对于3 8 4 6 ，斜率补偿有两种实现方法，即通过电流放大 器和误差放大器，分别如图4 7 、4 - 8 所示。不论上面的哪一 种办法，都会与振荡环节发生相互影响，使设计的精确度变 差。误差放大器端斜波补偿还将给限流环节的设计带来困难。 双电源无轨电车充电机的研究 3 4 北方交通大学硕士论文 第四章系统控制回路的设计 如果将c 信号的输入电阻变大，将有效的减小这种作用。 c t 冈 d 皇 工flr 2 了矿 二卜 一1 y 图4 7 电流端斜波补偿 图4 8 误差放大器端斜波补偿 采用电流端补偿也将使设计简单明了。实际的设计中采用了 如图4 9 电路，有效的解决了上述问题。 如图所示，e 上锯齿波经2 倍同相放大，再经0 倍 的分压；s i g n a l 为电流l e m 采样电流，采样电阻为3 0 欧。 四、充电模式的自动转换 蓄电池的常规充电一般分两个阶段，在电池端电压达到 双电源无轨电车充电机的研究 北方交通大学硕士论文 第四章系统控制回路的设计 饱和之前，采取的是控制充电电流的策略，可以始终以一个 图4 - 9 电流采样及补偿电路 恒定的电流充电，也可以根据蓄电池端电压的变化，调整充 电电流。当电池充满电时，采取浮充方式，即维持电池组端 电压不变 4 。可见，充电机需要有两个控制变量，这两个变 量由系统核心单片机通过通讯来给定。充电机需要两个反馈 变量，即输出电压和输出电流。 1 、传感器的确定： 电流采样使用的是h n c 一5 0 l 型霍尔电流传感器，参数如 前所述，位置在输出电压母线上。 令输出电流最大为2 0 a 时，采样电阻端电压为4 v 。则采 样电阻见= 4 + 1 0 0 0 2 0 = 2 0 0 q 。 为使输出与控制电路实现隔离，电流采样使用的是 t v l 0 0 一a w 型电压传感器，原副边变比为i 1 0 0 0 0 ，绝缘强度 为6 k v 6 0 s 。位置在正负母线之间。 令输出电压5 0 0 v 时采样电阻端电压为5 v ，则采样电阻 双电源无轨电车充电机的研究 一， 剖廿， 北方交通大学硕士论文 第四章系统控制回路的设计 r 。为5 女1 0 0 0 0 5 0 0 = l o o 欧。 2 、充电模式转换电路方案： 当电池端电压达到达到饱和值时，充电机的充电模式发 生转换，所以最直接的办法可使用模拟开关来实现。利用电 压反馈信号作为门限，当充电机未充满电时，开通电流信号 的给定和反馈通路，使电流外环发生作用；一旦电池组端电 压达到浮充电门限，模拟开关切掉电流环，而导入电压给定 和反馈信号，使电压外环发生作用。但模拟开关的切换需要 一定时间，在这段时间里，可能会使两个反馈环同时失去作 用，而使系统失去控制；其次，若电池电压在门限附近并不 稳定，造成模拟开关的频繁抖动，可能使系统发生更大危险。 综合以上因素，设计一个连续可调的转换电路变得非常 重要，图4 1 0 所示电路圆满地解决了这个问题。 v c c 图4 - 1 0 充电模式自动转换电路 如图所示，电流反馈和电压反馈分别使用了一个p i 调节器。 双电源无轨电车充电机的研究 北方交通大学硕士论文 第四章系统控制回路的设计 所用运放为l m 3 2 4 ，两个p i 调节器的输出分别经一个二极管 被个电阻上拉到5 v 电源，使最高输出能够被箝位在5 v 。3 8 4 6 误差放大器连接成射极跟随器的形式，v 。接到射极跟随器的 输入端。任时刻，一个p i 调节器输出正向饱和为1 5 v ，另 一个p i 调节器工作，v 。为此调节器输出电压加二极管正向 导通压降。 五、故障情况下的软起动。 利用3 8 4 6 的电流限制( 1 脚) 和关断( 1 6 脚) 功能，可 以实现充电机的软起动。 1 、3 8 4 6 的电流限制功能 3 8 4 6 的1 脚为电流限制端，可以实现峰值电流的限制功 目2 ，女口图4 1 1 所示 r l r 2 图4 - 1 1 电流限制功能的实现 通过分压电阻r 、月：箝位1 脚电位，q 1 发射极电位最高为 v d i n l + o 7 v ，比较器正端电位则被筘位在v p i n l 一0 5 v ，则采 样电阻上电压为( v p i n l 一0 5 ) 3 ，最大峰值电流被箝位在 ，r i 马+ r 面”v p z f - - “u d = 1 聂- 一 r ，、r ：实际取值时还应考虑斜波补偿的影响。 4 7 2 、s h u t d o w n 的使用 3 6 4 6 的1 6 脚为8 h u t d w o n 端，当此端为高电平时，3 8 4 6 将封锁输出。 图4 1 2 关断信号原理 当1 6 脚电压高于3 5 0 m y 时，c m p 输出高电平封锁3 8 4 6 输出， 同时使晶闸管导通，结合图4 一1 1 ，则足被短路，l 脚电位被 下拉为零，使峰值电流被箝位在零。若足选择得当，使晶闸 管流过电流小于它的擎住电流，则关断信号消失后，晶闸管 关断，电路重新开始工作；欠压锁定工作原理相同。 由以上工作过程可知，若在图4 1 l 的r 2 旁边并联一个 电容，晶闸管导通时，电容放电。当晶闸管关断后，参考电 压将通过r 给此电容充电，电容上电压逐渐上升，电流峰值 双电源无轨电车充电机的研究 3 9 - 北方交通大学硕士论文 第四章系统控制回路的设计 也将逐渐增大，则可以实现充电机的软起动。 3 、故障下的软起动电路 i p m 在过热、过流、短路及控制电压欠压时，将输出个 故障信号，使主电路在i p m 故障时关断，在i p m 故障消失后， 充电机重新开始工作，共有四路控制信号。主控单片机也可 以控制充电机的起停。此外，在网压过高时，使充电机也进 入关断状态，一旦网压恢复正常，充电机再次起动。同时为 保证系统的软起动，采用如图4 - 1 3 所示电路。 v p 图4 一1 3 故障软起动电路 双龟源无轨电车充电机的研究 4 0 北方交通大学硕士论文 第五章系统建模及仿真 第五章系统建模及仿真 对于电力电子系统的分析，目前为止一般采用两种方法， 一种是解析建模法，用解析理论求变换器特性的解析表达式； 另一种办法是数字仿真法，其采用适合的某一种算法求变换器 的数字解，一般是基于电路的分析 5 6 。前者由于是使用解 析式表达，因此物理意义明确，设计时可据此来调整参数，控 制特性的变化。而后者准确度较高，如用p s p i c e 软件仿真7 1 ， 可以得到小信号扰动和大信号激励时的响应特性及波形。 本章首先采用状态空间平均法建立系统模型，然后进行 仿真分析。 第节系统的小信号模型 自七十年代以来，电路所用的主要分析方法有状态变量 法、节点分析法、改进的节点分析法，状态空间平均法等。状 态空间平均法是目前国际公认的分析p w m 开关变换器的有效 分析方法。其实质是：利用一周期内的平均状态变量，将一个 非线性时变开关电路转变为一个有效的非线性时不变连续电 路，因而可对开关变换器作大信号状态分析，并可决定其小信 号传递函数及零极点配置，建立个状态空间平均电路模型。 本节采用状态空间平均法建立系统的小信号模型。此模 型的建立分为两部分 8 】，第一部分是主电路的小信号模型， 双电源无轨电车充电机的研究 北方交通大学硕士论文 第五章系统建模及仿真 另一部分是控制器的小信号模型。 一、 主电路模型的建立。 1 、平均状态方程的得出 2 开关电源中的晶体管、二极管工作在导通和截止两个状 态，是一个强非线性系统。为简单起见，使开关理想化，即忽 略它们的正向导通压降和反向漏电流。同时认为状态转换是在 瞬时完成的，即非通即断，或非断即通，任何时候只在两个状 态中的一个。并认为变换器工作在电感电流连续状态，阻性负 载，占空比为d 。在功率开关导通时，变压器原边绕组有电流 流过；副边绕组也有电流流过，并分别经两个整流桥的两个二 极管流过电感，将副边电路简化，得到导通时电路图如图5 1 ， i - v s 并有方程组： - r v o j l i n 图5 1导通时变换器等效电路 d f ， l 学钏。s “ n 咖； ”。 l i 刮c 百 v o2 v j r = 一 。 n 双电源无轨电车充电机的研究 4 2 - 韭互錾! 妻拦堡主丝苎 墨至兰墨竺壁堡墨望墨 当所有功率管关断时，变压器原副边均没有电流通过，电感电 流经两个二极管桥续流，得到等效电路如图5 - 2 所示， o玉 并得方程 v s r r v o 烹 i n 图5 - 2 变换器关断时等效电路 厂，破 l i 2 ，咖 _ l i 刮 v o = v l = 0 5 2 卿呆础万程组5 - 1 和万程组5 - 2 求丰口并平均之，将得到一组新 的方程组。令d + d = 1 ，并按占空比不同影响这两组方程， 即将方程组5 - 1 乘d 与方程组5 - 2 乘d 相加，得到基本状态平 均方程组： f ，上等= 峨一v | c 等吐一等 s s v 。= v l p d 鲁 双电源无轨电车充电机的研究4 3 一r 叫 一。 堕互奎塑查兰堡：燮 塑至兰墨竺堡塑墨堕壅 现在对基本状态方程组施加扰动，即令瞬时值 v s = + k d = d 4 d d7 = d d i l = jl + il v = v - k 口 v 。= 圪+ 圪 f s = i s + f s 将扰动方程组5 - 4 代入状态平均方程组，得到 f 警= 加珞+ ”c i + n d 眩+ n 吃c ；一v t lc 警= t + 毛一鲁一鲁 + = v + i l 厶+ o = 鲁+ 言t 孑+ 鲁乏+ 去毛。 将稳态分量与扰动分量分离成两组方程，得到扰动方程 f 工警= n 瞄+ 加吃+ n 搿一i lc 警乖鲁 = 口 l o = 言t 。+ 詈五十去乇。 得到稳态方程 5 5 双电源无轨电车充电机的研究 4 4 厂j、，、l 北方交通大学硕士论文 第五章系统建模及仿真 ，”d 一v = 0 玖 jt 一昔= 0 v o = v l 。：旦， 。 九 。 5 6 由稳态方程得到珞= 1 ( n d ) ，i s j 。= d n ，j = r ， 都与实际情况相符。 在扰动方程组中，第一式和第四式都含有扰动的平方项， 所以是非线性方程。为了线性化，假设动态分量远小于稳态量， 则扰动的平方项可以在方程中被省略，得到简化的动态低频小 信号状态平均方程， d f ， 一一 r 上学钏“柏“ lc 窨= t 一睾；， v o = t l 1 ：d ? 2 s2 i 2 “i 2 l 从时域转换到s 域，得到 ( s 西l 。n v s a + n d 眵s i _ | 鲫耷鲁；一。 = i l ：三f ，c + 生 双电源无轨电车充电机的研究 北方交通大学硕士论文第五章系统建模及仿真 + 皂l o d i + s l r + s 2 l c “ 5 9 鹕蔫。 2 、变换器主电路模型的建立 大多数的开关变换器，都可以建立如下的标准化电路模型 h e 厂l 、 图5 - 3 工作在连续状态下变换器的小信号标准化模型 对于此标准化模型，通过分析可以写出 5 1 0 0 + 整理得到： 丝乙 警批嬲 燮望查兰墅主竺苎 茎至兰墨望壅堡墨堕塞 rv o = ( 脚：) k + ( 髟m h ) d 1 o ：等吃+ ( 玩+ 华) ，。5 - 1 1 一，p_ t f 由方程组5 9 解得设计的变换器模型各参数 瞎 ： 1 ) 变换器的静态电压增益m = v 石o 2 n d 2 ) 动态小信号传递函数 j ，鲁s sr a 。= n d 忑，m 。丁b 2 万i + s l r + s 2 l c ，开环输入毗。：轧：参孽竽 4 ) 开环输出阻抗z m = 专k r ! 一i + s l r + s 2 l c 二、控制器的小信号模型 双电源无轨屯车充电机的研究 - 4 7 - 北方交通大学硕士论文第五章系统建模及仿真 对于传统的电压控制变换器，占空比由一个锯齿波和一个 参考电压k 比较来控制。在大多数的应用中，这个锯齿波从 零点开始。并以一个固定的斜率上升，它的斜率独立于功率部 分的任何变量，所以占空比d 只是e 的一元函数。而对于一 个电流型控制的变换器，锯齿波f ，来源于功率部分的变量，工 作循环由一个固定频率的时钟信号来初始化每个工作周期来实 现。所以它的占空比是一个多元函数。 下面建立控制器的小信号模型。【9 控制的原理波形如图 5 4 所示，反馈网络简化图如图5 - 5 ，s 图5 4 控制原理波形 图5 - 5 反馈网络简化原理图 北方交通大学硕士论文 第五章系统建模及仿真 其中i s ，为被控制对象采样电流值( 本系统中使用的是l e m 所以是电流值) ，：为原边电流采样值。设给定参考电压扰动 为零，斜波补偿没有扰动，由图5 5 列出扰动方程 等咄。宰1 咄。一1 + s c r ； a u c = z x i c 5 1 4 5 1 5 根据图5 - 4 所示的几何关系，知l d ) t = 4 x d 2 t z k d t ，又对于 6 i s 2 ，m ) 2 t 为一负数，可以得到 j 蛆r ( m + m 】) = a u c = a 1 f 1 b 丁( m + m 1 ) ：一，s 2 r s 2 5 - 1 6 将以上各式联立，并将缸记为i 得到 扛惫争一高等争s 加 令电流负反馈传递函数为，则 昂：善，：昙生5-18i 乓2 i i * 0 2 亍嵩 令控制外环负反馈传递函数为r ，则 耻缸。= 亭高等 s 棚 三、系统的闭环模型 由方程组5 - 8 得到 专= 丽r 5 2 0 双电源无轨电车充电机的研究 韭互至燮婴主篓奎 兰三兰墨竺塞堡墨堕塞 o s c r + 1 以一 。z2 孓瓦石而( 蚩 1 + n d 略) 5 2 1 令g 。= 两面s c 丽r + 1q = 告，g s = n d ，则 t = c o ( c f i + c 。吃)5 - 2 2 掣掣掣 4 妊乎 图5 - 6 系统闭环模型 其中吃为输入电压扰动，j 。为原边电感电流扰动，k 为原边 电感电流采样比例，0 。采样电流扰动，矿d 为输出变量扰动， t ：为输出变量采样比例，0 ：为采样电流扰动，孑为占空比扰 动。 四、闭环系统的仿真 取以下电路参数进行仿真，仿真软件采用m a t l a b 。 系统工作在恒压方式，直流输入电压为5 6 0 伏，直流输 出电压为4 8 0 伏，占空比为0 6 ，负载电阻8 0 欧，输出直流电 流6 安培，滤波等效电感8 0 0 微亨，滤波等效电容2 2 0 0 微法， 双电源无轨电车充电机的研究 北方交通大学硕士论文 第五章系统建模及仿真 变压器变比7 1 1 0 ，电流采样比例1 1 0 0 0 ，采样电阻3 0 欧，输 出电压采样比例1 1 0 0 0 0 ，采样电阻1 0 0 欧，半周期t 为2 5 微秒，补偿斜率折算为9 0 0 0 伏每秒，电流上升斜率折算1 2 0 0 0 伏每秒。系统的波特图如图5 7 所示： 重 量 露 薹 重 l 一4 0 6 。 一8 0 1 0 0 1 2 0 5 0 0 - 5 0 1 5 0 b o d ed i 司m n s 1 0 f m c n e m y ( r 甜c ) 图5 7 系统的频率特性 为了便于比较，同时建立电压型控制变换器的闭环模型。 参照图5 5 ，电流反馈端为一固定的锯齿波，设锯齿波的扰动 为零，则占空比的扰动为输出扰动的单值函数。令图5 - 6 中的 f c 为零，则将得到电压型控制器的闭环模型，同样进行仿真， 参数与电流型相同，得到电压型控制变换器的波特图如图5 8 所示。比较图5 8 和图5 - 7 发现，电流型控制器的闭环放大倍 数在宽广频率范围内明显小于电压型控制器的放大倍数，说明 韭! ：奎翌! 登坠笙苎 笙至兰至竺壁塑墨堕壅 电流型控制变换器抗输入扰动的能力远比电压型强。而且，由 1 3 0 d e d j 可日m 4 0f = = 孑二= = f = 二j = = 二二= = f 二：二= 2 0 _ 一一卜 o 广一- _ _ 十一 宝三三= 墓三辜三三 笔三三三二三三三三三：圭 、 。 f 1 01 0 7 f r e q “m c y ( r e d 9 ) 图5 8 电压型控制变换器的波特图 图5 - 9电压型和电流型控制的阶跃响应 双电源无轨电车充电机的研究 5 2 - 一日papn一乍昏：一口apm母id 韭查奎望查兰堡主塑 蔓三兰墨堕建竖塾堕基 图中可以看到，电压型控制方式有一个谐振点，如果扰动频率 等于此谐振频率，将给系统带来很大危险。 图5 - 9 分别为两种控制方式的瞬态响应波形，在电流型 控制中，扰动响应很快衰减为零，而电压型控制中，扰动响应 经较长时间衰减为零。 第二节大信号模型的建立 电流型控制开关变换器是个强的非线性动态系统，尽 管在运行点附近，即小扰动的情况下，系统可能是稳定的。但 当系统遭受一个非常大的扰动，例如负载和输入发生突变的情 况下，小信号模型并不能够预测系统的稳定性，为了研究系统 的动态响应、进行高性能设计，必须建立系统的大信号模型。 一、模型的建立 如前所述，在电流型控制开关变换器中，功率开关由时 钟信号决定开通，当电感电流达到控制信号决定的门限值时关 断。占空比是一个多元函数。仍给出控制原理波形如图5 1 0 卜d ：t 一胛卜 图5 - l o 控制原理波形 取电源无轨电车充电机的研究 韭查奎燮堡主丝奎 笙至兰薹篓堕塑墨堕塞 1 0 】( 1 1 】图中，i ) 为瞬时电感电流，i l 表示的是状态平均电感 电流 1 】，其经过瞬时电感电流波形的中点，由以上的三角关 系得到 f = f c j 1m 1 d t m d r 5 2 3 m 为电感电流上升斜率，可以得到 d = 产 j 用l 丁+ 聊丁 又：华，所以 肚甄l c l l 则可以建立如下的大信号模型 5 2 4 5 2 5 图5 - 11 大信号等效电路模型 舯一p f 。甄l c - - i i 2上 双电源无轨电车充电机的研究 韭查銮望查兰堡主坚一一蔓至童墨竺壅塑墨堕塞 v d 2 加= n 圪塑甄l c - - l l 2 三 二、 系统大扰动的仿真分析 现在对系统在恒压工况下的大扰动进行分析。根据系统的 大信号模型，得到如下方程 上i d i l m i c - i l 磊叱，珑 、2上 ) 2 0 l c 警= t 一等 圪。通过p i 调节器控制i c ，p i 调节器如第四章所示，不再赘述 计算p 乙到p i 调节器输入端及f c 到输出端的折算系数，得到这 两个系数分别为1 和7 0 3 ，另外参考电压为4 8 伏，综合起 来得到0 与圪。的关系如下 誓：_ 7 _ 0 2 8 8 一n o s v o 。一1 o o o f ( 圪。一4 8 0 ) d t 5 2 7 将5 2 6 与5 2 7 联立，式中各参数如下，l = 8 0 0 “h ， = o 7 ， 丁= 2 5 心，聊= 3 0 0 0 0 0 a s ，c = 2 2 0 0 旷，r = 4 0 q ，系统稳定 时一。= 6 0 0 v ，k 。= 4 8 0 v ，i = 1 2 a ，假设在零时刻突变为6 6 0 伏，即有1 0 的扰动，利用m a t l a b 软件得到系统的瞬态响 应如图5 1 2 所示。从图中可以看到，系统的超调量大约为1 0 伏，并在很短的时间内迅速稳定下来。 双电源无轨电车充电机的研究 - 5 5 - ! ! 互至望查堂堡主篓苎 蔓至兰墨丝壅堡墨堕塞 图5 。1 2 大扰动情况下的瞬态响应 电磁兼容在电子系统中处于一个非常重要的地位，如果 系统没有良好的电磁兼容性，系统就不能良好地工作，甚至 会造成系统本身和用户的伤害。本系统的设计对电磁兼容性 进行了认真地考虑。 第一节无轨电车接触网的电磁干扰 无轨电车的接触网供电系统分为很多个区间，每个区间 由一个变电站供电，在两个区间相交的地方，由一个绝缘节 隔开。变电站将交流电网上的三相电压由变压器升压后，经 全桥整流输送到接触网，所以接触网上直流电压为3 0 0 赫兹 的馒头波。 当无轨电车行进到绝缘节时，充电机的输入电压瞬间下 降为零。当受电弓与下一区间的接触网接触时，电压再次恢 复正常。电车在行进过程中，需要频繁刹车起动，由于起动 电流非常大，造成网压的下降，在实际观测中，能经常观测 到这点。当电网电压低于一定值时，充电机将不能够维持 额定输出，但对系统没有伤害，所以不需加保护措施。 受电弓与接触网的接触不能够一直保持在良好状态，会 经常产生火花和电弧，从而造成许多电压尖峰，下面将主要 分析电弧产生尖峰的机理。 取电源无孰电车充电机的研究 5 7 - 北方交通大学硕士论文 第六章电磁兼容性的研究 一、电弧的产生 在大气中开断电路时，如果电源电压超过1 2 2 0 v ，被开 断的电流超过o 2 5 - 1 a ，在触头间隙中会产生一团温度极高、 发出强光和能够导电的近似圆柱形的气体，称为电弧。 1 2 当受电弓与接触网开始分离时，接触的面积逐渐变小， 接触处的电流密度逐渐变大，因此接触处的金属强烈发热。 在分离瞬间，接触处的金属首先融化，形成液态的金属桥， 然后一部分变成金属蒸气进入间隙中。金属表面的高温加强 了热发射。此时，间隙很小，电场强度很高，所以阴极表面 将产生高电场发射。由于这两种发射的作用，大量电子从阴 极表面进入弧隙，它们在电场作用下，通过电场游离使弧隙 中产生更多的电子和大量正离子。电子进入阳极与阳极金属 表面的正电荷复合，并放出能量加热阳极表面。正离子走向 阴极，一方面从阴极取得电子进行复合，释放出能量加热阴 极以维持热发射，一方面轰击阴极，使阴极产生二次发射。 另外，一部分正离子和电子在弧隙空间复合，将放出的能量 以光量子形式进行辐射或增加气体离子的热运动。结果造成 弧隙中气体温度逐渐增高，热游离越来越起主导作用，气体 中带电粒子越来越多，弧隙两端电压越来越小。当弧心温度 达到8 0 0 0 1 0 0 0 0 k 时，气体分予已大量地被热游离了，弧柱 的游离作用基本上由热游离维持。 电弧能量通过传导、辐射和对流三种方式散失。当输入 弧隙功率大于散失功率时，电弧逐渐熄灭。从离子的角度来 说，即弧隙中的去游离作用大于游离作用时，电弧开始熄灭。 双电源无轨电车充电机的研究 - 5 8 - 二、电弧熄灭造成的过电压 从电路的角度看，电弧是一个非线性电阻。其阻值随电 流以及其它一些因素变化。下面以r l 电路进行分析。 “ l l tf _ ( a )( b ) 图6 - 1电弧的r l 电路及过电压波形 如图( a ) 所示，有 肚氓十三等+ 6 1 其中乩为电弧压降。当电弧稳定燃烧时，睾= o ，这时电弧 “ 处于热平衡状态，输入功率等于散失功率，弧电阻是一定值， 电弧电压也是一个定值。 图( b ) 表示开断电感性负载时，电弧电压和电流的波 形图。电弧电流经时间f 1 后，由i 变成了0 。弧隙电压则升高 为电源电压的数倍。下面从电弧能量的角度分析。 当f = 0 时，= ，：r = f 时，= 0 。将式6 1 两边乘以础， 并进行积分，得到 双电源无轨电车充电机的研究 5 9 北方交通大学硕士论文 第六章电磁兼容性的研究 j 3e i d t = 3f 2 五础+ ”上砌+ 3u h i d t 6 - 2 所以开断电弧期间消耗在电弧中的能量为 3 f 出= j 3 ( e 堰) f 西+ 告三，26 3 上式说明开断电弧期间电弧消耗的能量有两个来源。一为电 源供给电弧的能量，一为未开断前存于电感中的磁能。在开 断直流电路时，在触头两端及电感上发生过电压。由武6 - l 得到 “埘。罢 6 4 在i