（电力系统及其自动化专业论文）采用saber软件对逆变器输出lc滤波的仿真.pdf

铁道科学研究院硕七学位论文 a b s 。j r a c l i 。 c o m p u t e rs i m u l a t i o no fp o w e r e l e c t r o n i c ss y s t e mp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ed u r i n gi t s p r o d u c td e s i g na n da n a l y s i s m a t l a b 、p s p i c ea n ds a b e ra r e t h et h r e em o s tp o p u l a r i n t e r n a t i o n a ls i m u l a t i o nt o o l sa tp r e s e n ts a b e rh a sb e c o m ef i r s tc h o i c ef o ri t sp o w e r f u l f u n c t i o na n do p e ns o f t w a r ee n v i r o r m l e n t c o m p a r e dw i t ho t h e rt w ok i n d so fs o f t w a r e ， s a b e rh a v eg r e a ta d v a n t a g ew i t hh i 曲s i m u l a t i o ns p e e d ，f i n ea s t r i n g e n c ya n da c c u r a c y i no r d e rt or e d u c et o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o nf a c t o ro f t h ei n v e r t e r so u t p u tv o l t a g e ，a d d i n g l cf i l t e rt oi n v e r t e r so u t p u ti sas i m p l ea n dp r a c t i c a lm e t h o da d o p t e de x t e n s i v e l yc u r r e n t l y b e i n g al o wp a s sf i l t e r l cf i l t e rc a ns u p p r e s st h eh i g hh a r m o n i c se f f e c t i v e l y ，b u t ，i ti sh a r dt o e l i m i n a t et h el o wh a r m o n i c s e s p e c i a l l y ，o nt h ec o m e rf r e q u e n c yo ft h ef i l t e r ，h a r m o n i c sa r e m a g n i f i e dd i f f e r e n tl cf i l t e rp a r a m e t e rm a t c h i n ge x e r t sad i s t i n c ti n f l u e n c et ot h eh a r m o n i c v o l t a g e i m p r o p e rp a r a m e t e rs e l e c t i o nm a ym a k e f i l t e ru n s a t i s f yt h ea n a l y s i sr e q u e s t i no r d e r t os e l e c tt h ea p p r o p r i a t ef i l t e rp a r a m e t e r s ，r e s e a r c h e r sn e e dr e p e a tt h ee x p e r i m e n ta n d c o m p a r et h er e s u l tb e f o r ew i t hc o n s u m p t i o no nt i m ea n ds t r e n g t h c o m p u t e rs i m u l a t i o no f f e r s ak i n do fn e wm e t h o do fp o w e re l e c t r o n i c sr e s e a r c h ，t h r o u g ht h eu s eo fm o d e l i n ga n d c o m p u t e rs i m u l a t i o ns t r e n g t h e no u rc o m p r e h e n s i o nt ot h ee l e c t r i cc i r c u i ta n ds y s t e mp r i n c i p l e s h o r t e nd e s i g np e r i o da n de c o n o m i z ed e v e l o p i n gc o s t a d d i t i o n a l l y ，b yv i r t u eo fm o d e l i n g a n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，w ec a na l s oc o m p a r et h ef i l t e rr e s u l t si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，o b t a i n t h er i g h tr e s u l ta n do f f e rr e f e r e n c ef o rt h ep r o d u c td e s i g nr e s e a r c h t h et h e s i sc o m b i n e sd c 6 0 0 vp a s s e n g e rt r a i na i rc o n d i t i o ni n v e r t e rw h i c hw a s d e v e l o p e db yc h i n aa c a d e m yo fr a i l w a ys c i e n c e w ea d o p t e ds a b e rt o a n a l y z et h e c h a r a c t e r i s t i co ff a c t o rt h a ta f f e c t sv o l t a g eh a r m o n i c f u r t h e r m o r e ，t h et h e s i su a n t i t a t i v e l y a n a l y z et h ev o l t a g eh a r m o n i c sa m o n gd i f f e r e n ts i g n a lc a r r i e rf r e q u e n c y , d e a dt i m ea n dl o a d i nt h ee n do ft h et h e s i s ，b yc a r r y i n go ns y s t e ms i m u l a t i o n ，c o m p a r ee x p e r i m e n tr e s u l tw i t h s i n m l a t i o nr e s u l t w ec a r lg e tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl cf i l t e rp a r a m e t e ra n do u t p u tv o l t a g e h a r m o n i c s k e y w o r d s ：i n v e r t e r , c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，s a b e r ，s p w m ，h a r m o n i c s ，f i l t e r 原创性声明 本人声明，所量交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的成果。除论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。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献已在论文的致谢语中作了明确的说明。 作者签名：名毒a 毒- - 2 0 0 5 年7 月1 2f | 铁道科学研究院硕士学位论文 1 1 课题来源和研究目的 1 1 1 课题的背景及来源 第一章绪言 铁道车辆目前是我国一种主要的交通工具，对于用电量较大而且是固定编组的列车 可采用全列车集中供电方式，也可以采用机车供电方式。给客车供电的电源可以由发电 车供给，也可以是由接触网通过机车提供的。 我国铁路电气化接触网供电的额定电压为单相工频2 5 0 0 0 v ，由接触网供电的旅客列 车，通过电力机车牵引变压器的两个辅助绕组，将受电弓取得的单相工频2 5 0 0 0 v 的电 压，转变为单相工频3 0 0 0 v 或者1 5 0 0 v 的电压，容量为8 0 0 ( v a 。在空调列车上采用了 较多的电机负载，必须供给三相工频3 8 0 v 交流电。目前比较常用的是d c 6 0 0 v 列车供电 系统，电力机车主变压器的两个辅助绕组输出的单相工频交流电经过整流环节变成 d c 6 0 0 v 直流电，然后通过机车与客车以及客车车厢之间的电力连接器向旅客列车供电。 目前，在采用d c 6 0 0 v 供电系统的列车上每节车厢都设置一台三相逆变器将机车供 给的d c 6 0 0 v 的直流电逆变为3 8 0 v 5 0 h z 三相交流电给客车空调以及其它一些三相用电 设备供电。由铁道科学研究院机车车辆研究所( 以下简称“铁科院机辆所”) 研制的k n d 型d c b o o v 客车空调逆变电源( 以下简称“客车逆变电源”) 已经应用于采用d c 6 0 0 v 供 电系统的2 5 t 、2 5 g 两种车型中。 电力电子设备的存在不可避免地在三相交流电中引入了谐波，谐波对用电设备产生 诸多不良的影响，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电器设备过热、产生 振动和噪声，并使绝缘老化，使寿命缩短，甚至发生故障或烧毁，谐波引起系统局部并 联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护 和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电源系统外部，谐波产生的辐射对通信 设备和电子设备会产生严重干扰，对谐波研究和抑制已经成为电力电子设备研发过程中 一个重要的问题。 铁科院机辆所k n d 型客车逆变电源的研究人员从设计研发之初在兼顾各方面的情况 下就直致力于提高输出电源的质量，降低输出电压的谐波。同时，研发人员也意识到 如果单纯地追求输出电压谐波含量的降低，相应地在其它方面会付出很大的代价，例如 第1 页 铁道科学研究院硕士学位论文 设各的重量、可靠性和造价等方面。作为一个成熟的产品k n d 型客车逆变电源已经广泛 应用于采用d c 6 0 0 v 供电系统的客车上，基于此研究人员提出在逆变电源不做大的改动 的前提下，找出输出电压谐波含量与滤波电感电容之间的关系，在确保输出电压满足实 际要求的情况下尽量降低滤波电感、电容尤其是电感的重量，从而提高逆变电源的单位 重量功率。 1 1 2 研究的目的、意义及现状 由于计算机技术取得了长足的进步，以计算机为基础的仿真技术己经逐渐渗透到各 个领域。用计算机仿真的办法来研究电力电子技术大大地促进了产品研究、开发水平的 提高，它可以加深研发人员对电路与系统工作原理的理解，加速设计周期和节约开发成 本。通过订算机对电力电子产品进行仿真已经成为电源系统设计的关键技术之一，在电 力电子产品的设计中占有越来越重要的地位。 在欧美等国家，越来越多的科研工作者意识到前期精确仿真对于实际设备调试重要 的指导价值，因此在产品开发的前期投入更大的精力进行仿真。对于仿真的重视又相应 推动了仿真技术的研究和广泛应用，同时也涌现出了一系列方便、实用的仿真软件。电 力电子产品的开发首先按照要求仿真，比较不同方案的优劣以及具体参数的选取，然后 才进入实际设备的组装调试阶段。 相比较而言，国内对于电力电子仿真的应用才刚刚进入起步阶段。虽然人们也已经 逐渐意识到前期仿真的重要性，目前不少研发人员对仿真软件使用掌握不够熟练，未能 充分利用强大的c a d 手段来进行分析和设计，导致在设计中走不必要的弯路，甚至有时 候造成设计的失败。此外，正版仿真软件价格昂贵也造成其难以广泛推广的一个重要原 因。多数情况下，产品的开发仍然停留在依靠经验的基础上进行实际设备调试。 1 2 仿真软件的选择 l2 1 各种仿真软件的优缺点及仿真软件的选择 目前，应用于电力电子仿真方面的软件很多。p s p i c e 是在1 9 8 5 年由m i c r o s i m 公司 推出的e d a 软件，也是目前国内外应用最为普及的一种。在电路仿真方面，它的功能可 以浇是非常强大，同时p s p i c e 拥有比其它仿真软件都完善的元件库，广泛应用于各种 第2 页 铁道科学研究院硕士学位论文 电路分析。p s p i c e 的元件模型的特性与实际元件的特性f 1 - 分相似，因而它的仿真波形与 实验电路的测试结果相近，对电路设计有重要指导意义。过去普遍认为的p s p i c e 的仿 真数据处理量庞大，仿真和处理速度慢等缺点也随着计算机数据处理能力的日益提高而 得到改善。 虽然p s p i c e 应用越来越广泛，但是也存在着明显的缺点。由于p s p i c e 软件原先主 要是针对信息电子电路设计而开发的，因此器件的模型都是针对小功率电子器件的，对 于电力电子电路中所用的大功率器件存在的高电压、大注入现象不尽适用，有时甚至会 导致错误的结果。p s p i c e 采用变步长算法，对于以周期性的开关状态变化的电力电子电 路而言，将造成大量的时间耗费在寻求合适的步长上面，从而导致计算时间的延长，有 时甚至不收敛。另外，在磁性元件的模型方面p s p i c e 也有待加强。 m a t l a b 是由m a t h w o r k s 公司推出另外一种可以用于电力电子产品仿真的软件，它 除了传统的矩阵运算之外，还提供了实用工具箱( t o o l b o x e s ) ，m a t l a b 在p o w e rs y s t e m b l o e k s e t 模块库中建立了专门用于电力电子仿真的器件模型，m a t l a b 仿真的优点是数 据处理十分有效、精确运行速度较快，资料的兼容性非常好，便于资料的后续处理与分 析，尤其是在控制特性的研究分析中，应用十分方便，也比较为大家所接受。但m a t l a b 仿真用的元器件多为理想情况，真实性较差。 s a b e r 是一种功能更为强大的仿真软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是 唯一的多技术、多领域的系统仿真产品。它可以仿真电力电子元件、电路和系统。s a b e r 的仿真结果真实性好，其仿真的效果比p s p i c e 更好。s a b e r 软件价格高，使用时烦琐复 杂，不利于推广应用，目前在国内仪限于少数大学、部分科研院所和一些大企业。但相 信由于其强大的功能和推广的范围越来越大，s a b e r 会被更多的人接受和使用，在本课 题中就选择s a b e r 作为仿真软件。 1 2 2s a b e r 软件介绍 s a b e r 最早是由美国a n a l o g y 公司开发的一一种可用于混合系统的计算机仿真软件。 与传统仿真软件不同，s a b e r 在结构上采用硬件描述语言( m a s t ) 和单内核混合仿真方 案，并对仿真算法进行了改进，使s a b e r 仿真速度更快、更加有效、应用也越来越广泛。 s a b e r 可同时对模拟信号、事件驱动模拟信号、数字信号以及模数混合信号设备进 行仿真。利用a n a l o g y 公司开发的c a l a v e r s a s 算法，s a b e r 可以确保同时进行的两个仿 第3 页 铁道科学研究院硕士学位论文 真进程都能获得最大效率，而且可以实现两个进程之间的信息交换，并在模拟和数字仿 真分析之间实现了无缝联接。s a b e r 适用领域广泛，包括电子学、电力电子学、电机工 程、机械工程、电光学、光学、水利、控制系统以及资料采样系统等等。只要仿真对象 能够用数学表达式进行描述，s a b e r 就能对其进行系统级仿真。在s a b e r 中仿真模型 可以直接用数学公式和控制关系表达式来描述，而无需采用电子宏模型表达式。因此， s a b e r 可以对复杂的混合系统进行精确的仿真，仿真对象不同系统的仿真结果可以同时 获得。为了解决仿真过程中的收敛问题，s a b e r 内部采用5 种不同的算法依次对系统进 行仿真，一旦其中某一种算法失败，s a b e r 将自动采用下一种算法。通常，仿真精度越 高，仿真过程使用的时间也越长。普通的仿真软件都不得不在仿真精度和仿真时间上进 行平衡。s a b e r 采用其独特的设计，能够保证在最少的时间内获得最高的仿真精度。s a b e r 工作在s a b e rd e s i g n e r 图形接口环境下，能够方便的实现与c a d e n c ed e s i g ns y s t e m 、 m e n t o rg r a p h i c s 和v i e w l o g i c 的集成。通过上述软件可以直接调用s a b e r 进行仿真。 从结构上看，它主要由3 部分组成：s a b e r s k e t c h 、s a b e r g u i d e 和s a b e r s c o p e 。 s a b e r s k e t c h 用于以图形方式输入被仿真的系统。 s a b e r 的优点可概述如下“： ( 1 ) s a b e r 秉承了模块化( m o d u l a r ) 、自顶向下( t o p d o w n ) 、层次化( h i e r a r c h y ) 的 设计思想，增强了设计的科学性，提高了设计效率。 s a b e r 是通过硬件描述语言实现其真正的t o p d o w n 理念的，模拟和混合信号器件的 模型采用m a s t 语言来描述，同时还可以读取c 、甜+ 及f o r t r a n 语言写的器件模型，而规 模大的数字器件则用v h d l 或v e r il o g 来描述。这种兼容性允许你建模并仿真在模拟及 数字领域的行为器件、功能器件及原始层面上的器件上。 这种设计方法允许你在自顶向下的每个设计层次上进行仿真，这有助于问题的解 决，而且一旦某些功能模块经过验证，它们就可以被保存起来并用于其它设计中，这一 点对于缩短设计和开发周期有着重要的意义。 ( 2 ) s a b e r 具有丰富的模型，它的模型库中包括了电力电子、机械、液压等领域的各 种常用模型。 s a b e r 对于仿真模型库的解决途径非常重视，为设计人员提供了各种解决方案： s a b e r 软件自带3 0 0 0 0 多种元器件，其中包括u c 、t i 、m o t o r o l a 、s g s t o m s o n 、a n a l o g d e v i c e 等几十个厂家的上千种器件，并在版本升级与维护中不断地补充与完善，设计人 员可以针对型号挑选器件，完成设计输入。 第4 页 铁道科学研究院硕士学位论文 ( 3 ) 顺序使用了5 种强大算法，有效控制开关电源电路的仿真收敛性能 在开关电源电路中，开关会引入大量的噪声，反映在波形上面是许多的毛刺，这类 电路的收敛性问题将是对仿真器的一个严峻考验。s a b e r 非常仔细地选择了5 种功能强 大的算法，并对精确系统方程提出了分段式线性评估理论。这样，即便非常困难的仿真 问题，如尖锐信号的瞬态分析，都可以被很好地控制。 ( 4 ) s a b e r 提供了强大的系统分析功能。设计者可以从各个方面对系统进行考察。在 时域方面有宜流分析( d ca n a l y s i s ) 、瞬态分析( f r a n s i e n ta n a l y s i s ) 等：在频域方面 有傅立叶分析( f f t ) 、频响分析( s m a l l s i g n a lf r e q u e n c ya n a l y s is ) 、畸变分析 ( s m a l 卜s i a n a ld i s t o r t i o na n a l y s i s ) 等。s a b e r 还可用于应力分析( s t r e s sa n a l y s i s ) 及统计学方面的蒙特卡罗分析( m o n t ec a r l oa n a l y s i s ) 。s a b e r 还有一个非常实用的分 析功能参数敏感性分析( p a r a m e t r i cs e n s i t i v i t ya n a l y s i s ) ，利用这种分析功能， 设计者可以控制一个或几个参数在一定的范围内变化，观察它们对系统特性的影响，从 而找出它们最合适的数值来。 ( 5 ) s a b e r 不仅对数模混合系统仿真得心应手，而且可以对由电力电子、电磁、机械、 液压等数个不同系统构成的一个混合系统进行仿真，这种强大的混合仿真能力其实是 s a b e r 的最大优点。 1 3 科研工作基础和本课题研究的内容 1 3 i 己进行的科研工作和具备的基础 早在八十年代末，铁科院机辆所的客车逆变电源的研发人员已开始收集城市轨道 交通动车逆变器技术资料和标准，研究新型功率，干关器件g t o 、s c r 和i g b t 的使 用。开发出大功率g t o 门控驱动器以及用于地铁动车6 0 k v ag t o 单管斩波器：九 十年代初结合磁浮车研究和“八五”计划，研制出车载i g b t ( 1 2 0 0v 6 0 0 a ) 逆变器 机组、i g b t 桥式两象限悬浮斩波器和3 吨直传车车载i g b t ( 1 2 0 0v l5 0 a ) 逆变器： 九十年代未项目组又先后研制丌发了y b b 型空调客车逆变电源和电力内燃机车空调电 源等工程化机组，并分别通过了铁道部四方车辆研究所电气和空调试验室的性能试验、 铁道部产品质量监督检测中心机车车辆检验站的型式试验。1 9 9 9 年9 月，y b b 型空调客 车逆变电源装在北京西一武昌k 7 9 8 0 次列车编组内运行，状况良好。2 0 0 3 年底及2 0 0 4 年4 月，经过改进的第二代和第三代逆变电源分别装在北京西一长沙的z 1 7 1 8 次车和 第5 页 铁道科学研究院硕士学位论文 北京西一郑州的k 1 7 9 1 8 0 次车上。经过多年的试验、改进和装车运行积累了大量的 经验和试验资料，产品的各方面性能进一步提高，设计也进一步优化。 铁科院在上世纪9 0 年代初成立了仿真计算中心，当时引进了一批仿真计算软件t 在此基础上完成了大量的研究课题。1 9 9 9 年初院里又投资进行二次改造又引进了包括 s a b e r 在幽的一批仿真软件。 1 3 2 本课题研究的内容 本课题结合铁科院机辆所研制的客车逆变电源，定量分析影响输出电压谐波含量的 各个因素。对比不同载波频率、互锁时间和负载下，输出电压谐波含量的变化。最后针 对优化输出滤波参数这一目的，比较不同滤波参数对输出电压谐波的影响。 第6 砸 铁道科学研究院硕士学位论文 第二章客车逆变电源的工作原理 逆变器是通过半导体功率开关器件的开通和关断作用将直流电变为交流电的种 电能变换装置。逆变器，特别是正弦波逆变器，广泛应用于交流传动、静止变频器和不 问断电源等各个领域。 2 1 逆变器主电路 2 1 1 逆变器主电路的基本形式 根据逆变器主电路的形式基本上可以分为单相逆变器、三相逆变器，这两大类又可 以按照特点进行分类： 一根据输入直流电源的特点 电压型逆变器( v s l - - v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ) ：输入电源为恒压源： 电流型逆变器( c s i - - c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r ) ：输入电源为恒流源。 按电路结构 半桥式、全桥式、推挽式、其它形式( 例如单管逆变电路等) 。 按输出波形分 正弦波逆变电路、非正弦波逆变电路“1 。 逆变器采用刀关器件的开通和关断把电能从直流侧传递到交流侧，所以逆变功率p 的是脉动的。如果是电压型逆变器，由于直流侧电压是恒定的，所以直流侧的电流是脉 动的：同样地对于电流型逆变器，由于直流侧电流是恒定的，所以直流侧的电压是脉动 的。图2 1 是三相电压型逆变器和电流型逆变器主电路图。 ( a ) 电压型逆变器 ( b ) 电流型逆变器 图2 1 三相电压型逆变器和电流型逆变器 第7 页 铁道科学研究院硕士学位论文 _ 电压型逆变器( 在本文中若不特别说明，所提到的逆变器均为电压型逆变器) 理想的电压型逆变器具有特点： ( 1 ) 直流侧有较大的直流滤波电容c ，。 ( 2 ) 若直流侧电压源电压恒定，在不考虑开关器件和线路的征降情况下，当负载变化 时交流输出电压的波形不变，即交流输出电压波形与负载无关，是方波。 ( 3 ) 每仑开关上都有一个反并联二极管。 ( 4 )输出电流的相位随负载功率因数的变化而变化。 ( 5 ) 可以通过控制输出电压的幅值和波形来控制其输出电压。 _ 电流型逆变器 理想的电流型逆变器的特点是： ( 1 ) 直流侧接有较大的滤波电感三。 ( 2 ) 若直流侧电流恒定，当负载功率因数变化时，交流输出电流的波形不变，即交流 输出电流波形与负载无关。交流输出电流波形，通过逆变开关的动作，被直流电源电感 稳流成方波。 ( 3 ) 在逆变器中，与逆变开关串联的有反向阻断二极管，而没有反并联二极管。 ( 4 ) 输出电压的相位，随负载功率因数的变化而变化。 ( 5 ) 可以通过控制输出电流的幅值和波形来控制其输出电流t4 1 21 2 三相全桥电压型逆变电路 图2 2 相电压波形 三相全桥电压型逆变电路是应用比较广泛的一一种电路拓扑形式，它由6 个带反并联 二极管的全控开关器件构成，如图2 1 ( a ) 所示。在控制上，一三个半桥阃依次相差1 3 第8 页 铁道科学研究院硕士学位论文 个周期( 1 2 0 。) 。同一桥臂上下两开关轮流导通和关断，这样a 、b 、c 三相的相电压是幅 值为擘( u u 为直流侧电压) 的方波如图2 2 所示，线电压是幅值为己，的方波。 2 2 逆变器控制技术 控制逆变器输出量( 电压或电流) 有两种方法，一种是脉冲幅度调制( 脉幅调制p u l s e a m p iit u d em o d u l a t i o n ，简称p a m ) ，其特点是保持脉冲宽度不变而改变脉冲幅值；另 一种是脉冲宽度调制( 脉宽调制p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ，简称p w m ) ，其特点是保持 脉冲幅值不变而改变脉冲宽度。 22 1 脉宽调制技术( p w m ) 逆变器的脉宽调制技术p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 是用一种参考波为“调制波” ( m o d u l a t i o nw a v e ) ，而以倍于调制波频率的正三角波( 或锯齿波) 为“载波”( c a r r i e f w a v e ) 。由于正三角波或锯齿波的上下宽度是线性变化的波形，因此它与调制波相交时， 就可以得到一组幅值相等，而宽度正比于调制波函数值的矩形脉冲序歹i j 用来等效调制 波。用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的逯断控制，把直流电变成交流电， 这一种技术称为脉宽调制技术。当调制波为正弦波时，输出矩形脉冲序列的脉冲宽度按 正弦函数规律变化，这种调制技术通常又称为难弦脉宽调制( s i n u s o i d a lp w m ) 技术。如 果调制波的频率是参考波频率的整数倍，称为同步调制，否则称为异步调制。 随着逆变器在交流传动、u p s 电源和有源滤波器中等的广泛应用，以及高速全控开关 器件的大量出现，p w m 技术己成为逆变技术的核心，因而受到了人们的高度重视。尤其 是最近几年，微处理器应用于p w m 技术和实现数字化控制以后，更是花样翻新。 2 2 2 正弦脉宽调制技术( s p w m ) 根据调制脉冲的极性，s p w m 调制技术可分为单极性调制( s s p w m ) 与双极性调制 ( b s p w m ) 两大类。单极性脉宽调制( s s p w m ) 是用一条正弦控制波与一条在正弦波f 半周 的极性为正、负半周的极性为负的等腰恒幅三角波进行比较，从而得到p w m 波的调制方 式，如图2 3 所示。 第9 页 铁道科学研究院硕士学位论文 燃 一 黼一 11 7 f 1 1 71 一乩，2 枞ma aa vvvv 州￥坩一 门n n 门几l480f | 10 5l 【| l i l i ii l i i j l 7 图2 3 单极性调制图2 4 双极性调制 在这种调制方式中，当正弦波为正半周时，如果正弦波的幅值大于三角波的幅值则 输出取正电平；如果正弦信号小于三角信号时，取0 电平。而在正弦波的负半周，当正 弦信号的幅值大于三角波的幅值时，输出取负电平；当正弦波的幅值小于三角波时，取 0 电平。所得到的s p w m 信号有正、负和0 三种电平。像这样在控制信号的半个周期内三 角波只在一种极性内变化，所产生的s p w 波形也只在一种极性内变化的控制方式称为 单极性调制。 与单极性调制对应的是双极性调制，为了得到s p w m 波形，利用正弦波与一个较高 频率的等腰三角波相比较以产生开关的通断控制信号。规则是当正弦信号幅值大于三角 ，r，r 波幅值时，输出，反之输出一半，于是得到只有正、负两种电平的s p w m 信号，这 zz 就称为双极性调制，如图2 ，4 所示。 通常三角波的频率与幅值是固定不变的，诈弦波的幅值与频率是可调节的。正弦信 号的幅值与三角波信号的幅值之比称为调制比或调制系数，用肘表示。m 的取值在在 o l 之间变化，逆变器输出电压的基波分量与m 成线性关系，通过调节m 可以调节交 流侧的电压值。三角波信号的频率与e 弦控制信号的频率之比称为载波比，用表示。 改变正弦控制信号的频率，就改变了输出电压中基波分量的频率。当按一定的关系同时 改变正弦控制信号的幅值和频率时，就实现了输出电压中基波幅值与频率的同时调节。 一个逆变电路是采用单极性还是双极性s p w m 控制方式主要取决于主电路本身的结 构。某些电路，如单相桥式逆变电路，既可用单极性p w m 控制方案，也可用双极性s p w m 调制信号去控制，而三相桥式逆变电路只能采用双极性p w m 调制信号去控制。 第l o 页 铁道科学研究院硕士学位论文 2 3 客车逆变电源的主电路和控制技术 本节就d c 6 0 0 v 客车空调逆变电源的工作原理做简单介绍，主要说明控制脉冲的产 生方法，内容包括主回路及控制技术。 味” 0 以 耳 j 【j (3 l u k n 3 j j =： 3 = - 辞。 =1 j 【3j (3j ( 图2 5 客车逆变电源主电路 2 3 1d c 6 0 0 v 客车空调电源的主电路 铁科院机辆所研制生产的k n d 型空调客车逆变电源容量为3 5 k v a ，逆变电源的主回 路如图2 5 所示，逆变器的主回路为三相全桥，开关元件采用二单元的i g b t 模块，( 珂r 模块之间的d c 6 0 0 的连接母线采用铜排，在每一个桥臂的两端并一吸收电容；在逆变器 的交流输出侧采用三相l c 滤波，滤波电容采用三角形接法。 开关器件的选择 在逆变器中已经应用的电力电子开关器件主要有s c r 、6 t o 、v m o s f e t 和i g b t ( 包括 i 川) 等。由于它们的电流容量和开关速度各不相同，所以他们在逆变电路中的应用范 围也不相同。一般认为在几百k v a 以上的大容量和超大容量的逆变电路中，主开关器件 以g t o 为主；在几k v a 到几百k v a 的中大容量的逆变器中，主开关器件将以i g b t 为丰； 在几k w 以下的逆变电源中，主开关器件以v m o s f e t 为主“。最近几年随着i g b t 电流容 量和极限工作频率的不断提高，1 6 b t 的应用范围也越来越广泛。目前，i g b t 已经成为 逆变电源中应用最广泛的开关器件。 在选择i g b t 时必须考虑电流和电压两方面因素：一是i g b t 额定电流，的选择， 要根据实际电路中最大额定电流，。负载的类型、允许过载的程度等因素；二是额定电 瓜。的选择，考虑电网电压瞬念尖峰等”，i g b t 的饱和压降和动态特性对实际逆变器 第1 l 页 铁道科学研究院硕士学位论文 的工作也有一定的影响。 一i g b t 的缓冲电路 缓冲电路是一种保护电路，其目的是在开关管关断时防止在开关管上产生过电压和 减少开关损耗。i g b t 缓冲电路有多种形式适合于不同的工作情况，由于i g b t 缓冲电路 的选择不是本文讨论的重点，在此不过多叙述，只对d c 6 0 0 v 客车空调电源中选用的电 容c 型缓冲电路做简单介绍。 圈2 6 电容c 型缓冲电路 如果三相负载采用星型连接，为分析缓冲电容的作用，对于其中一个桥臂的分析可 以简化图2 6 ，其中。，为电路分布电感，c 为开关管t t 的寄生电容，r 。，为负载电阻， 假设续流二极管d 、d 一的开通延迟时间为，当开关t 关断时，如果没有缓冲电容 ， 则负载电流i 在电路分布电感的作用下不能突变，而续流二极管d 一由于l 。的存在而不 能开通，所以电流只能沿着电源、分布电感。、寄生电容c 旷以及负载r ，回路流通， 在o 巧。时间内，在t ，两端产生的过冲电压u 。： 吣专2 等： 当有缓冲电容存在时，由于选择的缓冲电容c c 所以电流i 除按上述凹路流 通外，还沿着缓冲电容c 流通，产生的过冲电压u 。具体计算如下： 第1 2 页 铁道科学研究院硕士学位论文 吩去广肋2 等。 缓冲电容c 可以使过冲电压减小茜 = ：4 竺倍。 【，1 ” 这种缓冲电路，对于直流电源上由于其它原因而引起的尖峰电压也有较好的吸收作 用。其特点是电路简单，无损耗，尤其适用于二单元i g b t 模块。但其缺点是缓冲电容c 容易和电路分布电感l 产生振荡。 这种电路在变流器中目前采用较多，但电容的选择要求较高，一般要用缓冲电路专 用的无感电容。 - 逆变系统的软启动 逆变系统启动前，输出滤波电容上的电压一般为零，而电机负载一般是不转的。如 果按正常：c 作的开关工作状态启动逆变电路工作，就容易造成输出过流。所阻在启动的 过程中，要控制电压和频率从零慢慢增加，也就是要实现软启动，是输出启动电流限制 在额定电流的( 2 3 ) 倍“1 。总之，逆变器的软启动主要是限制启动时输出电压的超调 和输出过流。 当合上d c l l o v 控制开关以后，d c 6 0 0 v 客车空调电源首先通过电压传感器检测直流 侧电源电压。当直流侧电源电压稳定在d c 5 0 0 v 6 6 0 v 之间时，l ( m l 吸合，通过充电电阻 给滤波电容充电，当滤波电容两端的电压达到一定值时k m 2 吸合，逆变电源丌始变频启 动，电压从零开始启动，保持嘭= 常数，正常工作时的线电压为a c 3 8 0 v ，频率为5 0 h z 。 ，j - 三相l c 滤波电路 三相“c 滤波电路由三个电感和三角形接法的三相滤波电容组成，电容采用三角形 连接。 2 ： 2 客车逆变电源的控制技术 客车逆变电源的控制部分主要包括正弦脉宽调制( s p v o , t ) 技术的具体实现方式，同 时还包括短路、过压、欠压、过流、散热器过热等多种保护功能，控制系统可对运行故 第1 3 页 铁道科学研究院硕士学位论文 障自动检测、处理。 d c 6 0 0 v 客车空调电源的s p w m 实现 s p w m 是工业应用中较常见的一种方法，其实质在于功率开关元件的开关信号是通 过期望频率的正弦调制波与特定的载波信号相比较而获得的。这样可使得逆变器输出期 望频率的正弦电压调制波，并达到控制频率、电压、电流和抑制谐波的目的。 产生s p w m 信号的技术主要有三种方法：一是采用分立元件的模拟电路法，这种方 法的主要不足是精度低、稳定性差、实现过程复杂以及调节不方便等“1 。_ 是采用专用 集成电路芯片产生s p w m 信号，如常用的b e f 4 7 5 2 ，s l e 4 5 2 0 芯片等。这些芯片的应用使 变流器的控制系统得以简化，但由于这些芯片本身的功能存在不足之处，致使它们的应 用受到限制。例如h e f 4 7 5 2 生成的s p w m 信号的最大开关频率一般在t k h z 以下，只适用 予以b j t 或g t o 为丌关器件的逆变器，而不适于以i g b t 为开关器件的逆变器。s l e 4 5 2 0 输出的s p w m 信号的开关频率可达2 0 k h z 以上，能用于i g b t 逆变器或其它中频电源逆变 器。但这种芯片必须与8 位或1 6 位单片机联合使用，才能产生s p w m 信号。这样不仅使 产生s p w m 信号的硬件电路复杂，而且使它的控制算法和软件技术也相当繁琐”1 。第三 种办法是单片机数字编程法，其中高档单片机将p w m 信号发生器集成在单片机内，使单 片机和p w m 信号发生器融为一体，从而较好地解决了波形精度低、稳定性差、电路复杂、 不易控制等问题，并且可以产生多种p w m 波形，实现各种控制算法和波形优化。i n t e ， 公司推出的1 6 位单片机8 x c l 9 6 m c 片内集成了三相s p w m 波形发生器w f g ( w a v ef o r m g e n e r a t o r ，以下简称w f g ) ，为逆变控制电路的全数字化设计提供了强有力的硬件支持， 它的软件指令丰富，与其它1 9 6 x x 单片机基本兼容。 8 x c l 9 6 m c 单片机的基本性能：8 x c l 9 6 m c 是专门为电动机控制所设计的一种1 6 位微 控制器，其后缀“m c ”意为“电机控制器”( m o t o tc o n t r o l l e r ) ，己被广泛应用于各种 电机控制系统之中。8 x c l 9 6 m c 具有6 4 k 字节的地址空间，其主要组成部分包括c p u 、寄 存器集、中断控制器、7 个i 0 口和片内外设，还包括1 3 路1 0 位8 位可转换精度的a d 转换器，事件处理数组，两个定时器，脉宽调制单元( p w m ) 和三相波形发生器( w a v ef o r m g e n e r a t o r ：简称w f g ) 。 w f g 有三个相同的p w m 模块，每个模块都包含一个相位比较寄存器、个无信号时 划( d e a d t i m e ) 发生器和一对可编程输出。w f g 可以产生独立的三对p w m 波形，它们有共 州的载波频率、无信号时间和操作方式。一旦启动之后，w f g 只要求c p u 在改变p w m 的 占空比时加以干预。在使用1 6m h z 的晶报时，驱动信号频率可达8m h z 。此外，为防止 第1 4 页 铁道科学研究院硕士学位论文 同桥臂上的两个功率开关器件发生直接短路，还可通过编程设置互锁时间。在使用1 6 m h z 的晶振时，互锁时间最短为0 1 2 5us ，最长为1 2 5us “1 。 从功能上可把w f g 划分为三大部分：时基发生器、相位驱动信道和输出控制电路。 s p w m 的参数计算：用w g 产生s p w m 信号，首先要选择工作方式，然后根据其工作 方式，计算载波频率、输出调制波频率和载波脉宽的瞬时值等参数。以下的参数计算是 在加l 减1 ”工作方式下，对于其它工作方式的参数计算与此类似。 ( 1 ) 载波频率：w g 的重置寄存器( w g - r e l o a d ) 中的数值装入计数器“w g c o u n t ”， 中做“加1 减l ”计数，完成一个计数周期需要2 w g r e l o a d 个计数时钟信号。 计数器时钟信号是由振荡器频率经二分频得到的。载波频率可由下式计算： ， jt x a l 7 p w m2 = 4 w g _ r e l o a d 式中几。是w g 输出的载波频率，南。是晶体振荡器频率， 当晶体振荡器的频率确定 后，设置不同的“w g r e l a o d ”值，可以得到不同的载波频率。 ( 2 ) 调制波频率：w g 输出的载波频率为五。载波周期为耳。，则微控制器应在 每个载波周期内，按正弦规律计算出下一个脉宽的值。如果在一个调制波周期内有个 值，则w g 输出的调制波的频率为正。可丽f j f l 面：k l 4 l 历五万2 乌芦a 式中n 为载波比。 ( 3 ) 互锁时间：对于p w m 逆变器，上下桥臂功率开关器件轮流导通。因此，必须设 置互锁时间以防止同一桥臂的上下功率器件同时导通而产生电源短路。这一功能是由w g 的波形控制寄存器“w g c o n ”来实现的。“w g c o n ”的d 9 一d 0 位的值用于设置互锁 时mt d ，其值送到互锁时间计数器中做减计数，减到零时互锁时间结束。囡计数时钟信 号为晶振频率的一半，所以互锁时i 白j 的计算公式为： ，：2 d 9 一d o 2 。 ( 4 ) 载波脉宽 产生s p w m 信号的基本方法是设法形成宽度按正弦规律变化的脉冲数组，即载波脉 宽按正弦规律变化。 设w g 输出调制波函数的表达式为，( 删) ，将厂( 耐) 按载波