（电力系统及其自动化专业论文）机车空调电源的设计与研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c 量1 1 l i sp 印盯h v c 托a r c h e d 锄dd 鼯i 盟e dal o 洲0 t i v ca i rc o n d i t i o n i n g p o w w bc 0 0 l ，e 髓t c 埘ms a i 【 ie i 洲c 懈f d hi n s t i t i l t c t h e 蜊e c t b a 璐et l l e v o l t a g eo fm es i l p p l yp o w c fo fl o 咖n o 矾ei sd c l l ov o n ，b u tl h ea i rc o n d i t i o n i n g n j u s tb es u p p l i c db y 侃净p h a a c 3 8 0 s ow en e c d 仃a n s 细mt l l el o c o m o t i v cp o w 凹t o s i 啪l y t h e m o t o r o f a i r c a 咀d i 6 0 l 崦 1 1 l i sp 印仃m a i n l yi l u d i n g ：d e s i 舯。dm ew h o l es c h 锄eo fl o c o m o t i v ea j f c o n d i d o n i n g ，i n c l l l d i n gd d d c 锄dd c - a c ；d i 鲫e dm cm a i n 趾dc o n 缸o lc i 彻血o f d c d c 1 1 1 e m a i l l 商伽i t 邯龆b o o s tc i r a m t o i l 脚s e 坞v o l t a g c 丘0 m d c l l ov o l t t o d c 5 0 0 1 1 i ec o n 仃o lc i f c u i tl l s e ss g 3 5 2 5t op 础峨m ep w m 缸m cp m ，锄d 啪 v o l t a g ed o s e - 1 0 0 pt 0s t a b i l i z em eo 啦毗v o l t a g ca td c 5 0 0 ；d 嚣i 鲫t h cm a i 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邱瑞昌教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在理论学习和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向邱瑞昌老师表示诚挚的谢意。 胡小吐博士和荆龙博士对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，杨强、李虹等同学对我论文中的设计和实验 工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 第l 章引言 1 1课题的背景和意义 第1 章引言 列车诞生于1 8 世纪2 0 年代，而作为真正意义上的列车空调系统出现在2 0 世 纪2 0 年代，机车空调出现的更晚。早期的蒸汽机车由于条件限制无法给司机室加 装空调，内燃机车使得司机室的条件得到很大改善，为实现机车空调提供了可能。 为了满足铁路客流的不断攀升和提高运输能力，铁道部4 次实施提速。列车速度 达到1 6 0 虹l l l 以上时，由于运行原因需要关窗，这样空气就不能流通。而且由于 机车驾驶室位于列车头部，其独特的结构和环境决定了司机室空间狭小，室内小 气候异常恶劣，尤其在炎炎夏日的高温季节，必然不利于行车安全和司机的身心 健康。为了彻底改善机车乘务员工作环境条件，确保行车安全，需要对现有的机 车安装空调系统。 众所周知，机车震动大，温度高，电磁干扰大，车门频繁开闭。而且机车运 行环境也有较大流动性，艳阳高照、满天沙尘、倾盆大雨等等各种环境都无法避 免。另外，机车所用电源有其特殊性，普通民用空调电源无法胜任。本课题的主 要工作就是设计一个逆变电源，要具有充足的制冷量、高强的抗震性、出色的耐 高温、稳定的安全可靠性等特性，并要满足机车空调机组的电流、电压和功率要 求，以便调节司机室空气温度，改善工作环蝌。 我国高速客车的空调机组应该满足高可靠性的要求，因此选用氟利昂2 2 为 制冷剂的全封闭式制冷压缩机，以及其配套的带内筋片的室外换热器( 冷凝器) 和室 内换热器( 蒸发器) 。制冷压缩机采用转子滚动式压缩机为宜，这种压缩机与往复式 比较，体积缩小4 0 ，重量减轻5 0 ，构造简单，零件减少1 3 ，容积效率高， 转动部件少，平衡性好，运行平稳，振动噪声降低，起动方便，不要求卸载。高 速客车应台理布置送风口、回风口和排风口的数量和位置，使车内获得均匀的速 度场、温度场和压力场，正确确定风机压头和风量。目前我国自行研制微机控制 空调机工作的时机已经成熟。微机控制系统加上变压变频装置，可以无级调节制 冷晕和风量，减少电机启停对电源的电流冲击，提高调节品质。 机车空调系统的特点主要有以下几点： 1 高可靠。高速客车空调系统必须具有高可靠性，除选用可连续工作的机组 或零部件之外，还要考虑机组出现故障时，有备用机组可以替代工作。 2 高舒适性。高速客车的车内温度、相对湿度，c 0 2 浓度、微风速等均应合 北京交通大学硕士学位论文 乎卫生舒适的标准车内空间有良好的气流组织，其温度场、速度场与压力 场分布合理。由于不同年龄、性别、民族和地区的旅客，对车内温度的要 求不相同，客室或包间还应配置由旅客手动调温用的控制旋钮等设备。 客车人数多、客室容积小，而接触外界的面积相对较大，空调效果易受人 员和外温影响，为了使车内温度波动小，空调自动控制系统应能预测太阳 辐射热和定员的变化以自动增减制冷量。车内压力变化速度形成舒适度评 价值，可按七级区分。第一级为2 0 0 p a s ，不存在不舒适感觉，第七级为 3 0 0 p a s ，为强烈不舒适感觉i 可以忍耐值为三级，约2 3 3 4 p a s 。要求 车内变化为2 0 叽2 3 0 p a s 。 3 适应车外压力波的变化为了适应车外压力波变化，高速客车空调装置的进 捧气口应在低压或涡流区之外并加装间歇或连续作用式的进排气控制阀， 以便在车外压力发生变化时调节进排气口工作状态，防止车内空气压力变 化过大，保持不小于3 0 p a 的正压的同时，又可以保证进风机、排风机与 冷凝风机的电机均正常工作。 4 适应高速车辆轻量化、小型化的要求，高速客车为了减少对线路的作用力， 减少加减速度所需的动力，应尽可能减轻自重。在选择空调机组时，应 将重量作为重要指标。如选用重量轻、体积小的转子滚动式制冷压缩机取 代活塞式制冷压缩机，用优化设计方法设计冷凝器和蒸发器等。低噪声和 振动空调机组，是客车的噪声源之一，产生噪声与振动的部件主要是离心 l 式和轴流式风机。减少叶轮直径和降低转速都可以降低圆周速度，达到 降低噪声的效果。对于一定型号的风机，其风轮直径已定的情况下，若 能降低风机转述，电可以减少风机的噪声，降低风机的转速必然会降低 风机的压头，这就要求尽可能降低新风、回风与送风的各部分阻力。夏季， 适当提高蒸发器前后的焓降，可以减少通风量，从而减少风机的圆周速度， 减小风机型号，提高蒸发器和冷凝器的换热效率，以及减少风道长度与风 道内的涡流能量损失， 增大各进、出风口( 或风道) 的面积，都可以降低 噪声。因此，在选择空调机组型式时，应考虑噪声尽可能低，在考虑空调 机组的安装位置时，应尽可能使形成的通风阻力较小。 1 2空调机组制冷原理 该系统采用的空调机组是专门为铁道内燃机车司机室提供的制冷设备，安装 在机车司机室顶部，底部送风口和回风口与机车项部风道相连，经机组冷却的空 气通过离心风机，使室内气流形成循环，达到调节室内空气温度，改善司机室工 2 第l 章引言 作环境的日的。空调机组制冷原理如下： 1 ) 空调机组通电后，制冷系统内制冷剂的低压蒸汽被压缩机吸入并压缩为高 压蒸汽后排至冷凝器。 2 ) 轴流风扇吸入的室外空气流经冷凝器，带走制冷剂放出的热量，使高压制 冷剂蒸汽凝结为高压液体。 3 ) 高压液体经过过滤器、节流机构后喷入蒸发器，并在相应的低压下蒸发， 吸取周围的热量。 4 ) 轴流风扇使空气不断进入蒸发器的肋片问进行热交换，并将放热后变冷的 空气送向室内。如此室内空气不断循环流动，达到降低温度的目的【2 】。 1 3 机车空调电源简介 机车空调机组的种类很多，可根据不同划分方法进行分类。根据机车种类，可 分为内燃机车空调机组和电力机车空调机组；根据制冷系统高、低温段距离，可 分为分体式和整体式；根据空调制冷方式的不同，分为蒸汽压缩制冷方式( 多采用) 和非蒸汽压缩制冷方式，后一种还可分为热电式、汽化式等制冷方式；根据空调 机组安装的司机室部位不同，机车空调机组分为顶置式、后置式、底置式和前置 式。 机车空调机组需要根据机车的特点来选用。最早的分体式机车空调机组由于管 路长，大大增加了制冷剂泄漏的可能性，现已被制冷管路短的整体式机车空调机 组取代。机车空调机组多采用传统的蒸汽压缩制冷方式，由于内燃机车上有动力 装置，可以直接为压缩机提供动力，从而制冷系统可采用具有密封垫的半封闭压 缩机，该方式的缺点是：半封闭压缩机虽然具有密封垫，但仍然增加了制冷剂泄 漏的机会。对于电力机车，铁路电网供电充足，空调机组应采用全封闭压缩机， 减少制冷剂泄漏的可能性并减小了机组体积。 机车空调机组的安装位置，要根据机车司机室的具体结构和有利于冷凝器的冷 却( 风冷式空调机组) 来确定。目前，顶置式、后置式和底置式的机车空调机组 均有，各有优缺点。顶置式空调机组在机车低速和中速情况下，冷凝器冷却较充 分，对机车的结构不需要作太大改动，但当机车速度达到l o oh i h 时，冷却冷 凝器的风量仅为静止时的4 l ，当机车速度达到1 8 0k m h 高速时，几乎没有风进 入冷凝器；底置式空调机组在较高速情况下，冷凝器冷却效果较顶置式好，但需 要对机车结构作较大改动；后置式空调机组对机车结构改动较小，但冷凝器冷却 效果不好，容易形成死区；前置式空调机组目前国内没有，作为一种设想，可以 解决准高速以上情况下的冷凝器冷却问题，空调机组位于机车司机室的前部，冷 北京交通大学硕士学位论文 却风从前部进入冷凝器，通过导流板从下部流出冷凝器。由于目前机车速度通常 在l o o k m h 左右，而且根据铁道部关于不能对机车作太大改动的要求，综合考虑 现有机车安装空调器的情况，应采用顶置整体式全封闭压缩机空调机组1 3 】 近年来，变频调速技术在空调中得到广泛应用，大大降低了空调的工作噪声， 节省了大量能源。变频调速技术的原理就是通过改变电机供电频率实现变速，与 传统变速技术相比省略了机械变速机构并减少了频繁起停时间的过程，延长了电 机寿命，降低了运行噪声，提高了用电效率。随着电机变频调速理论、现代电力 电子技术、高性能处理器等相关技术的发展，变频调速技术将向高性能、智能化 方向发展，在机车空调电源的应用也会更加广泛。在变频空调中大部分都是采用 交流异步压缩机，交流异步压缩机具有的结构简单、成本低、转动惯量小、容量 大、寿命长等优点，大大降低了空调机组的成本，提高了经济性【4 l 。 本文设计的机车空调电源系统采用了先进的变颏调速控制理论，优化了电路结 构，提高了整机的安全性和可靠性，并且降低了成本。主要有以下一些特点【5 】： 采用m m 作为升压电路的功率开关器件。驱动简单，可靠性好。 采用6 i n 1 功率模块i g b t 作为逆变主电路的功率开关器件。体积小，重 量轻，功率密度高。 采用8 7 c 1 9 6 m h 专用运动控制十六位单片机作为控制核心，控制精度高， 调整性能好 采用变频启动。启动电流冲击小，有利于延长压缩机使用寿命。 输出电压波形为正弦波。 具有完善的过压、欠压、过热、过流、缺相以及空调压力等故障保护功能， 保障了电源和空调机组的安全。 采用全金属框架结构。 采用全封闭、强迫风冷却散热方式。 接触器能够实现无流分断。 4 第2 章系统方案设计 2 1技术指标 第2 章系统方案设计 本论文研制的机车空调电源是专门为了改善机车乘务员工作环境调节，确保 行车安全而为内燃机车空调系统设计的新一代专用逆变电源，其技术符合铁道部 运输局运装技验【2 0 0 l 】2 7 7 号文件 关于印发机车空调系统质量改进工作及技术方 案研讨会纪要的通知】中所规定的全部内容。 该机车空调电源操作简单，只需要在司机室增加一个转换开关和一个启动按 钮，与同类产品相比大大简化了乘务员的操作。而且其工作性能更加稳定可靠， 在机械结构上采用了模块化方式，使得拆卸、维护更为方便。全封闭的结构使得 外型更加美观，机械强度及电磁屏蔽性能也有了进一步的提高。 主要技术条件： 1 输入电压： 控制电源输入额定电压：d c l l o v 控制电源输入电压范围：d c 7 7 v - d c l 4 3 v 辅发输入额定电压：d c l l o v 辅发输入电压范围：d c 7 7 v d c l 4 3 v 2 额定输出容量：5 姚气 3 输出电压及频率： 三相交流电压：3 8 0 v ，5 0 h z 允许电压波动：+ l o ， 一1 5 允许频率波动：5 控制方式：正弦波p w m 方式 频率控制范围：o 1 4 0 0 h z ( 可设定) 北京交通大学硕士学位论文 频率设定分辨率：o 1 h z 输出频率分辨率( 演算分辨率) ：o 1 h z u 停模式种类：1 5 个预置啪( 能任意编程u ，f 模式) 额定输出电压相对谐波含量：5 ( 3 1 次以下谐波含量总均方根值与输 出总电压均方根值之比) 。 4 启停方式：变频启停 5 启动时间： 加减速时间：0 0 3 6 0 秒( 可独立设定加速减速时间) 根据负载要求可现场整定 电源带空调机组负载启动时，启动电流最大值不大于1 5 倍稳态电流，启 动时间不大于1 5 s 。 6 环境温度 工作温度：- 2 5 - 7 0 储藏温度：4 0 8 5 7 大气条件 空气中不得有过多的酸、盐、腐蚀性气体及易燃易爆炸性气体，最大相对 湿度为9 0 8 海拔 海拔高度不超过2 5 0 0 m 2 2总体结构设计 机车车载电源为直流l l o v ，而空调机组为三相交流负载，所以要将直流l l o v 转换成三相3 8 0 v 的交流电源来供给空调使用。本文采用的方案为先将l l o v 直流 6 第2 章系统方案设计 先经斩波升压变为直流5 0 0 v ，然后由三相全桥逆变电路逆变输出三相3 8 0 v 交流 电源，供给空调使用。电源总体结构如图2 1 所示： 图2 - l 总体结构图 f 培二lf 舢c w o f l ( o f p o w 盯科s i 哪 系统总体方案分为三个部分，即d c d c 、d g a c 及故障保护及辅助电路部分。 d c - d c 部分实现的功能为：将输入直流1 1 0 v 斩波升压为直流5 0 0 v ，该部分 要能够提供足够的功率。并实现宽范围调压，即当输入电压从直流7 7 v 到直流1 4 3 v 变化时，输出电压均可稳定在直流5 0 0 v ，以保证负载正常运行。 d d a c 部分实现的功能为：将直流5 0 0 v 电压逆变为三相交流3 8 0 v 电压，供 给空调机组工作。由于普通空调电源在空调机组启动瞬时有大电流冲击，针对这 种情况，该设计引入变频控制原理来实现机组的变频启动将启动电流抑制在稳态 电流的1 5 倍以内。 故障保护及辅助电路部分的功能为：考虑系统可能出现的故障，实时对电路 各参数进行检测，当出现故障时各保护模块及时动作，以保证电源和空调机组的 可靠运行；在电源上设置键盘和显示电路，方便对电源参数进行修改；在司机操 作面板设置操作按钮和故障指示灯；设置辅助电源电路，以维持电源自身工作【6 】。 2 3d c d c 部分 该部分为斩波升压电路，采用b o o s t 升压拓扑将直流l l o v 变为直流 5 0 0 v ： 斩波功率开关管采用口m ； 斩波控制系统采用s g 3 5 2 5 产生p w m 波； 采用电压闭环负反馈控制，检测的斩波输出电压经光耦隔离后输入至 7 北京交通大学硕士学位论文 s g 3 5 2 5 芯片，在芯片内部与基准值比较后动态调整输出的p w m 波脉宽 使输出电压稳定在直流5 0 0 v 。 2 4d c a c 部分 该部分采用三相全桥逆变电路，将斩波后的直流5 0 0 v 电压逆变为三相频 率可变的交流3 80 _ v 电压，供给空调机组使用； 逆变桥采用集成i g b t 模块； 逆变控制系统采用8 7 c 1 9 6 m h 输出六路s p w m 驱动信号； 六路s p w m 信号经光耦隔离后，以四路独立电源驱动方式分别驱动逆变 器的六个i g b t 管； 三相逆变电路中的i g b t 按照s p w m 工作模式进行开通关断，从而在输 出侧得到稳定的基波频率为5 0 h z 的三相交流3 8 0 v 电源，供给机车空调 机组使用。 2 5故障保护及辅助电路 该部分主要包含斩波电路和逆变电路的故障检测保护电路、键盘显示电路、 司机操作电路以及辅助电源电路。主要有以下几个方面。 输入过压、欠压保护； 过流保护； 空调机组压力及温度保护； 升压故障保护； 键盘与显示电路； 司机操作面板控制电路； 延时电路； 故障逻辑电路； 辅助电源电路。 8 第3 章机车空调电源d c d c 部分的设计 第3 章机车空调电源d c d c 部分的设计 3 1基本d c d c 电路拓扑 在开关电源技术中，对d d d c 变换而言，变换器主要功能是变压，至于隔离 与否，则要看使用的需要。所以变换器可分为基本无隔离变换器和带隔离变压器 的变换器【，一。 基本无隔离d c - d c 变换器主电路拓扑可分为以下四种： 1 ) b u c k 电路一降压斩波器：其输出的平均电压v o 小于输入的电压v i ，极性 相同，电路如图3 1 ( a ) 所示； 2 ) b o o s t 电路一升压斩波器：其输出的平均电压v o 大于输入电压v i ，极性 相同，电路如图3 1 ( b ) 所示； 3 1b u c k b o o s t 电路一降压或升压斩波器：其输出平均电压v o 小于或大于输 入电压v l ，且极性相反，能量靠电感传输，电路如图3 1 ( c ) 所示； 钔c u k 电路一降压或升压斩波器：其输出平均电压v o 小于或大于输入电压 v | ，且极性相反，依靠电容传输，电路如图3 - l ( d ) 所示； 盘翔：o 。盛翔 盘翔：o 。应曲 图3 一l 基本无隔离d c d c 变换器形式 f i g3 1b 嬲i cd c - d c c o n v e r b e rw i t l l o u ti l a t i o n 带变压隔离器的变换器是从无隔离变换器派生、组合、演变而来的。所谓派 生是指变压隔离器插入到基本变换器不同点而形成的电路。由于变压隔离器有单 端式、并联式、半桥式、全桥式四种，因此可以得到很多电路。所谓组合式指变 换器的串联形式引起的变化，如降压与升压变换器相串，升压与降压变换器相串 9 北京交通大学硕士学位论文 等【9 j 。按照开关功率器件数量来分类( 针对单相电路) ，有以下三种： 1 ) 单管：正激式( f o 唧a r d ) 和反激式( f l y b a c k ) ； 2 ) 双管：双管正激( d o u b l e 仃觚s i s t o rf o 刑a r dc o n v 鲥盯) 、双管反激( d o l l b k 虹a l i l s i s t o rf l y b a c kc o n v c f t 盯) 、推挽( p l l s h p u nc o n v 盯t e f ) 、半桥( h a l f b d d g e c o n v 酬饼) 等方式： 3 ) 四管：全桥直流变换器( f l l l l 枷d g cc o n v 酬珂) 。 3 2主电路设计 d c - d c 部分的功能是将d c l l o v 升压为d c 5 0 0 v 来供给逆变电路。考虑实际 使用时供电电源可能出现波动，要求输入为d c 7 7 v d c l 4 3 v 时，输出均可稳定 在d c 5 0 0 v 。 本文d c d c 部分采用的是b o o s t 斩波升压电路，主要考虑以下几点： 采用带变压隔离器的变换器需要引入额外器件，增加了电路复杂程度及产 品成本，电路稳定性也会降低，而本电路中d c l l o v 和d c 5 0 0 v 之间并 不需要隔离： b u c k 变换器为降压斩波器； b u c k - b 0 0 s t 变换器中应用电路比较复杂，开关晶体管驱动不共地也使线路 构成复杂化，元件增加： c u k 变换器能量转换用的电容需要耐受极大的纹波电流，而这种电容成本 高可靠性比较差。 综上所述原因，该电路采用b 0 0 s t 斩波升压电路。电路由输入滤波电容c l 、 开关管t l 、储能电感l l 、输出滤波电容c 2 、c 3 以及二极管d l 组成，这里采用 c 2 和c 3 串联是因为实际应用中大容量、高耐压的电容成本太高也很难采购，所 以采用两个相同容量电容串联，这样单个电容的耐压就大大可以降低。电路结构 如图3 2 所示： 图3 2d c d c 主电路图 f i g3 - 2s c h e m a t i co f d c - d cm a mc i r c l l i t l o 第3 章机车空调电源d c d c 部分的设计 3 2 1 电路工作原理 为了分析稳态特性，简化推导，做以下几点假定： 1 ) 开关晶体管、二极管均为理想元件，即可以快速“导通”和“截止”，而 且导通压降为零，截止电流为零。 2 ) 电感、电容为理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电 容等效电阻为零。 3 ) 输出电压中的纹波电压和输出电压的比值小到允许忽略。 当开关晶体管开通时，电路可等效为图3 3 ( a ) 的形式。电流i l 流过电感线 圈l 电流线性增加，电能以磁能形式存储在电感线圈l l 中。此时，输出滤波电 容放电，负载即逆变电路流过电流i o ，两端电压为v o ，极性上正下负。由于开关 管导通，二极管阳极接v s 负极，二极管承受反向电压，所以电容不能通过开关管 放电。 广二琴。 _ l接 i 矿 6 t 萋 l ( a )b ) 图3 3d c d c 主电路工作过程 f i g3 3w o r kp r o c e s so f d c d cm a i nc i r c l l j t 当开关晶体管关断时，电路可等效为图3 3 ( b ) 的形式。由于线圈l 1 中的磁 场将改变线圈l l 两端的电压极性，以保持i l 不变。这样线圈l 1 的磁能转化的电 压v l 与电压串联，以高于v o 电压向输出滤波电容、负载r 供电。高于v o 时， 电容有充电电流；等于v o 时，充电电流为零；低于、r o 时，电容向负载放电，维 持v o 不变。 由于v l + v o 向负载供电时，v o 高于v i ，故实现了升压目的。工作中输入电 流i | = i l 是连续的，而流经二极管d l 的电流是脉动的。由于有输出滤波电容的存 在。负载上仍有稳定、连续的负载电流i d 。 按i l 在周期开始时是否从零开始，可分为连续工作状态和不连续工作状态两 种模式。在i l 连续工作状态，开关周期t | 最后时刻的电流值就是下一周期t i 周期 中电流i l 的开始值。但是如果电感量太小，电流线性下降快，即在电感中能量释 放完成时，尚未达到晶体管重新导通的时刻，因而能量得不到及时的补充，这样 北京交通大学硕士学位论文 就会出现电流不连续的工作状态。在要求相同功率输出时，此时晶体管和二极管 的最大瞬时电流比连续状态下要大，同时输出直流电压的纹波也增加。 电路工作波形如图3 4 所示： ( a ) 电感电流连续( b ) 电感电流不连续 图3 - 4b o o s t 电路波形 f i g3 _ 4w a v e f b m o f b o o s tc i r c u n 连续状态下，输入电流i l 不是脉动的，纹波电流随l l 的增大而减小。不连续 工作状态下，输入电流i l 是脉动的，晶体管输出电流i t 不管连续或不连续工作方 式却总是脉动的，而且峰值电流比较大。另外，不连续时，当电感能量释放完时， l l 从输出端脱离，这时只有电容c 向负载提供所需能量。因此，要求比较大的电 容c ，才能适应输出电压、电流纹波小的要求。 3 2 2 主要关系式 三一 第3 章机车空调电源d c d c 部分的设计 1 电压增益 假设开关动作周期为l ，接通时问占空比为d l ，断开时间占空比为d 2 。连续 状态时d l + d 2 = 1 在输出电压不变前提下，当开关管闭合时，电感电流i l 线性 上升，其电感电流增量为 她。= 孚d l ( 3 1 ) 当开关管断开时，i l 线性下降，其增量为 出，：一三二兰d ， ( 3 2 ) 出2 = 一2 一d 2 l ( 3 2 ) 由于稳态时这两个电流变化量绝对值相等，所以有： 孚d i c ：兰导d 2 t ( 3 - 3 ) 化简可得电压增益m 为 m ；堡：螋( 3 - 4 ) ld 2 当工作在连续模式下时，式3 - 4 为 m ：兰：上( 3 5 ) d 2 2 连续与不连续临界条件 在连续与不连续状态之间有个临界状态，它们与输入电流i i 的关系为 扛i i 苌& l i l i 丢觇 为连续状态 为临界状态 为不连续状态 设功率转换中没有损耗，即p | = p o ，有v 也= v c i i o ，则： m ：堡：生：丛 v i loyo 当电路工作在临界状态下，有 丢觇= 警= 所以，临界电感k 为： 己：盟：逝：匕垒垒：圣：磐垒：墨 2 l2 圪l2 l 2 式中r 为负载电阻。 即当实际电感大于k 时，电流连续，小于k 时电流断续。 将式3 8 变形可得出下式 工，d | d m l 亿。盖2 。2 面 ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 北京交通大学硕士学位论文 该方程式可用图3 5 所示图形表示。 o io 2o 30 4o 5o 6o 7o g o 91 on 图3 5 连续与不连续临界条件 f i g 3 5c r n i c a i n d i t i o no f c n n 璐o rn o t 由图可知，当钆 f 岔= o 0 7 4 时，无论d l 如何变化，都工作在连续模式区域中； 当亿 o 时，v l 关断后即通过d 4 续流，这时a 点被钳位于一u s ，2 ；当i o o 时，变压变频器实际输出电压的负脉冲增宽，而正脉冲变窄；当i a 0 o 式中七= of = o l lf 5 k 0 的时候，频率公式为 f = ! ；l ( 5 1 )呻 、 - _ j o 5 5 彤c t皿r c t 这里频率设定为1 5 蛆z 。 电路通过辅助线圈反馈电压在电阻上分压然后直接反馈给u c 3 8 4 2 来实现电 路的稳压，并通过引脚c s 端的电流采样电阻实现限流功能，保护了m o s f e t 。考 虑输出电压为d c l l o v ，设工作时最大占空比为o 4 5 ，晶体管截止时所承受的尖峰 电压为： 一= 丧= 羔趔。y c s 乏， 缸缸龊涯 第5 章故障保护及辅助电路的设计 设反激变压器效率为o 8 ，则晶体管流过的电流l t 为： j r = ，7 一屯o 8 l l o o 4 5 = 1 2 彳 所以本设计中采用了5 0 0 v 5 a 的m 0 s f e t 晶体管强8 3 0 。 5 1 0 3 启动电阻、电容的计算 ( 5 - 3 ) 图5 1 4 中r 1 、c l 构成启动电路，当c 1 上面的电压超过1 5 v 时电路启动， 然后由变压器辅助线圈、二极管以及c l 构成自供电电路。 当起动电压v o d 小于1 6 v 时，u c 3 8 4 2 的整个电路仅消耗l m a 电流，也就是 说u c 3 8 4 2 的典型起动电压值v o d 为1 6 v ，所需电流仅l i n a 。考虑到外围电路消 耗约l m a 电流，即整个电路启动电流总和为2 m a 。这样在输入电压最低为6 0 v 时，r l 的取值为： r l ：! ! 二! ! ：2 2 q( 5 4 ) 2 此电阻上消耗的功率为： p = 2 2 r l = 8 8 m 矿 ( 5 5 ) 电源关闭时，电阻r l 也是电容c 1 的放电通路 启动完成后，u c 3 8 4 2 的消耗电流将随着对m o s f e t 的驱动而增加到l o o i i i a 左右，该电流由c l 在启动是存储的电荷量来提供。这时电容c l 上的电压会发生 跌落，当电容上的电压跌落到l o v 以上时，u c 3 8 4 2 仍能保持工作。电路实现自馈 电的时间t 根据开关周期来定，一般情况下定为5 玲以内，于是电容c l 的容量 为： c l ：丝：! 塑：! ：! 旦：8 3 3 心( 5 6 ) 矿1 6 一l o 这里c l 取l o o u f ，如果c l 的容量如大。会，可起到软启动电路的作用。 5 1 0 4 变压器设计 变压器的设计是辅助电源中最主要的部分，设计如下： 1 ) 计算原边绕组流过的峰值电流b ，。：l ：旦：旦：o 9 7 彳 ( 5 - 7 ) e 屯1 1 0 0 4 5 2 ) 求最小占空比 设定输入电压最小为6 0 v ，最大为1 5 0 v ，则比较因子k 为： 北京交通大学硕士学位论文 鬈：丘坐：塑：2 5 。 6 0 = 而矗= 而等而一o 2 s 因此占空比变化范围为o 2 5 以4 5 。 3 ) 初级绕组的电感值 0 = 堡堕生些： ! 旦! q ：箜 ，厂 o 9 7 1 5 1 0 3 ：1 8 6 ，棚 ( 5 8 ) ( 5 9 ) ( 5 1 0 ) 4 ) 选择磁芯和和骨架尺寸 计算磁芯面积乘积。可按下式计算 4 只：些! 生竺：鲨： ( 5 1 1 ) f m 磁芯材料选择3 c 8 铁氧体，所以b 一取饱和磁通密度的一半o 1 6 5 t ，选择电 流密度为4 0 0 c m a 的线圈导线，则 4 0 0 乜m 爿o 9 7 彳= 3 8 8 c 朋 ( 5 1 2 ) 所以选择臀粥n o 2 4 ，其直径d 为o 5 7 7 吼。所以有： 以只= 竿= 业些甓等塑塑乩锄郴) 根据产品目录查处e 1 3 3 磁芯和线圈骨架参数为：铁心面积1 2 l 锄2 ，窗口面 积1 3 3 c m 2 。乘积为： 4 。= 1 2 l 1 3 3 = 1 6 0 l 1 4 6 ( 5 1 4 ) 5 ) 计算空气气隙长度l 暑 t ：掣：盟坠攀塑堕篓塑里：o 0 6 6 翎 ( 5 - 1 5 ) l l2 i 瓦= _ 2 面丽疏矿一刮晰翎 。川 6 ) 计算变压器初级匝数 ，= 等= 篙等等一 。，2 j i j ；i = - j _ 2 i i i 王j ：i i j i i ：i ；歹一2 5 耳。1 0 选取初级线圈9 0 匝。 7 ) 计算变压器次级的匝数 蚝：型擎生当型：掣二旦竺：2 9 3 ( 5 - 1 7 ) “ 圪_ x 6 0 0 4 5 虬：型霉生姿! 型：墨坚坐塑二壁：塑：2 3 8 ( s - 1 6 ) “ _ l 。 6 0 o 4 5 可分别取3 0 和2 4 匝。在上述分析的基础上，还要根据实际做相应的调整， 最终确定导线线径和绕组匝数。 第5 章故障保护及辅助电路的设计 5 1 0 5 缓冲保护电路的设计 在图5 1 4 中，r 3 、c 3 、d 3 组成一个缓冲网络，该网络主要用于限制高频变 压器漏感引起的尖峰电压，防止开关晶体管损坏。在反激变换器中，存储在变压 器原边电感b 的能量在反激时期传到副边，副边回路寄生电感、电容的寄生电感 以及输出线路的漏感折算到原边电感用l l t 表示，它与l 中串联接在晶体管的集电 极。( l p + l l t ) 在晶体管关断时产生过电压，因此过电压是构成损坏管子的开关应 力，必须加缓冲网络予以限制。缓冲器电容参数可由式( 5 _ 4 ) 确定。 c ：生= l “f( 5 7 ) 2 o 7 式中 ，。 原边电流( a ) ： f ，集电极电流下降时间( 璐) ； p ，埘晶体管的v 。额定值( v ) 集电极电流下降时间根据数据手册大约取l o o 螂，所以c 可确定为： c 3 ：! ：丝! ! 塑：o 6 3 n f( 5 - 8 ) z o 7 l l o c 在实际选择中，可以考虑选值大一些，根据实际情况最后取3 3 n ，2 k v 为使c 能在k 时能完全放完充的电，电阻不能过大，所以r 为： 兄3 =! ：! ：垒( 堡：壁：! ：! ：! ：垒! ：! ：! 壁二 c 3 3 l o - 9 = 6 0 5 q( 5 - 9 ) 二极管d 3 是在开关管关闭期间为电感线圈向c 3 充电提供通路。开关管导通 时阻止c 3 通过d 3 放电。考虑二极管反向恢复时间的影响，电阻r 3 应适当取值 大一些，这里取2 2 k q 。其功耗为： p =! 竺：! ! ：! ：! 兰! ! ：! ! ! q ：兰! ! ! ! 垡 2 2 这里可以取2 w 的功率电阻。 = 1 2 矿( 5 1 0 ) 第6 章e m c 设计 第6 章e m c 设计 电磁兼容问题是当今电子设计制造中的热点和难点问题。实际应用中的电磁 兼容问题十分复杂，不仅要依靠相关的理论知识，更依赖于实际电路调试和设计 经验。 6 1千扰分析 电磁干扰最根本的原因是其在工作过程中产生的高d 拙和高d v 艋t ，它们产生 的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。开关电源中的电压电流波形大多为接近矩 形的高频周期波。这些高频信号都对开关电源正常工作信号，尤其是控制电路的 信号造成了很大的干扰。开关电源的电磁噪声从噪声源来说可以分为两大类。一 类是外部噪声，如通过电网传输过来的共模和差模噪声、外部电磁辐射对开关电 源控制电路的干扰等。另一类是开关电源自身产生的电磁噪声，如开关管和整流 管的电流尖峰产生的谐波及电磁辐射干扰阀。 进行开关电源e m c 设计时一方面要防止开关电源对电网和附近的电子设备产 生干扰，另一方面要加强开关电源本身对电磁干扰环境的适应能力。常见的干扰 主要有几下几种： 1 ) 电源线噪声：它是由电网中各种用电设备产生的电磁干扰沿着电源线传播 所造成的。电源线噪声分为两大类：共模干扰和差模干扰。共模干扰定义 为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差；差模干扰定义为任何 两个载流导体之问的不希望有的电位差。 2 ) 电流畸变噪声：开关电源的输入普遍采用桥式整流、电容滤波型整流电源。 由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，使得二极管的导通角变 小，输入电流成为一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流。这种畸变 的电流实质上除了包含基波分量以外还含有丰富的高次谐波分量。这些高 次谐波分量注入电网，引起严重的谐波污染，对电网上其他的电器造成干 扰。 3 ) 开关管引起的噪声：开关管是开关电源的核心器件，同时也是干扰源。随 着开关管的工作频率升高，开关管电压、电流的切换速度加快，其传导干 扰和辐射干扰也随之增加。开关电源工作过程中，回路中开关管的负载是 高频变压器初级线圈，它是一个感性的负载，所以，开关管通断时在高频 变压器的初级两端会出现尖峰噪声。轻者造成干扰，重者击穿开关管。主 北京交通大学硕士学位论文 变压器绕组之间的分布电容和漏感也是引起电磁干扰的重要因素。 4 ) 分布和寄生参数引起的噪声：开关电源的分布参数是多数干扰的内在因 素，开关电源和散热器之间的分布电容、变压器初次级之间的分布电容、 原副边的漏感都是噪声源。共模干扰就是通过变压器初、次级之间的分布 电容以及开关电源与散热器之间的分布电容传输的。其中变压器绕组的分 布电容与高频变压器绕组结构、制造工艺有关。而开关电源与散热器之间 的分布电容与开关管的结构以及开关管的安装方式有关。采用带有屏蔽的 绝缘硅胶衬垫可以减小开关管与散热器之间的分布电容。 5 ) 系统自身干扰：由于在设计系统中，对某些问题考虑不全面、元器件布局 不合理、电路工作不可靠、元器件质量差等原因造成干扰。 6 2抗干扰措施 电磁兼容的三要素是干扰源、耦合通路和敏感体，抑制以上任何一项都可以 减少电磁干扰问题，可以从三要素入手寻求抑制电磁干扰的方法，特别是考虑接 地、电路设计、p c b 板设计、接线设计、屏蔽设计等问趔4 6 4 7 1 。在本文设计中， 主要采用的抗干扰措施有： 1 ) 输入电源信号先经过电容滤波后再引入在电源中，这样就避免了电网波动 对电源造成的影响，使电路工作更加稳定。 2 ) 选择质量合格的元器件、正确布置电路器件，采用限流技术减少电阻热噪 声，保证元器件之间完全解除来消除接触噪声。合理放置电容，以滤出耦 合过来的干扰信号。 3 ) 用电导率良好的材料对电场进行屏蔽，用磁导率高的材料对磁场进行屏 蔽。比如为了防止脉冲变压器的磁场泄露，可利用闭合环形成磁屏蔽。对 整个开关电源进行电场屏蔽，对电场屏蔽时，屏蔽外壳一定要接地，否则， 将起不到屏蔽效果。若对磁场屏蔽，屏蔽外壳则不需接地。屏蔽同时要考 虑散热和通风问题。 4 ) 控制电路的地是悬浮的和主电路没有共地，控制电路和主电路接口处采用 光耦隔离，有效抑制了从地线传来的干扰。 5 ) 在每路电源入口处加磁珠滤波，滤出了从辅助开关电源传过来的的高频干 扰。 6 在电源中，既有大电流高压的主电路线路又有控制信号线，为了避免大电 流高压的主电路线路对控制信号线的辐射或耦合干扰，布线时，一方面要 采用屏蔽电缆线，同时要注意布线时信号线要尽可能的远离主电路线路。 第6 章e m c 设计 n 在设计印制电路板时应尽量将相互关联的元器件摆放在一起，以避免因 元器件离的太远而造成印制线过长所带来的干扰；再者将输入信号和输出 信号尽量放置在引线端口附近，以避免因耦合路径而产生的干扰。在印制 扳上，将正负载流导线分别紧靠在在印制板的两面，并设法使之保持平行。 因为平行紧靠的正负载流导体所产生的外部磁场是趋向于相互抵消的。实 践证明，印制板的元器件柿置和布线设计对开关电源e m c 性能有极大的 影响，在高频开关电源中，由于印制板上既有低电平为的小信号控制线， 又有高压电源母线，同时还有一些高频功率开关、磁性元件，如何在印制 板有限的空间内合理地安排元器件位置，将会直接影响到电路中各元器件 自身的抗干扰性和电路工作的可靠性。另外要尽量降低电源线和地线的阻 抗，因为电源线、地线和其它印制线都有电感，当电源电流变化较大时， 将会产生较大的压降，而地线压降是形成公共阻抗干扰的重要因素，所以 应尽量缩短地线，也可尽量加粗电源线和地线线条，一般情况由于功率电 路和控制电路在一起，所以采用局部铺铜来降低地线阻抗和提高地电位的 稳定，还应在地线和电源线之间安装高频特性好的去耦电容，特别是在芯 片的电源和地脚输入的地方加入o o l - o 1 u f 的c b b 电容，有很好的抑制 干扰作用。 第7 章结论 第7 章结