（电工理论与新技术专业论文）200kmh电力机车辅助逆变器研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h ea u x i l i a r yi n v e r t e ro fe l e c t r i cl o c o m o t i v ei su s e dt op r o v i d ep o w e rf o r t h ef a nl o a dw h i c hc o o l sd o w nt h em a i nc i r c u i ta n do f f e rw i n dr e g i m ef o rt h ea i rb r a k e s y s t e m i t sw o r k i n gs t a t u s i s c r i t i c a lf o rt h es t a b i l i t ya n ds a f e o p e r a t i o no ft h e l o c o m o t i v e s t h i sd i s s e r t a t i o ni sw r i t t e nw i t hp r o j e c t 2 0 0 k m he l e c t r i cl o c o m o t i v e sa u x i l i a r y i n v e r t e rd e s i g n a t i o n o fd a t o n ge l e c t r i cl o c o m o t i v ec o m p a n yl t d w h i c hh a sb e e n j o i n e db yt h ea u t h o ra si t sb a c k g r o u n d t h ep a p e ri l l u s t r a t e st h es t r u c t u r eo ft h em a i n c i r c u i ta n dt h ed e v i c e so ft h e2 0 0 k m f he l e c t r i cl o c o m o t i v ei n v e r t e r w ed e s i g nt h ed r i v e c i r c u i to ft h ea u x i l i a r yi n v e r t e ra n dt h ec i r c u i tc o n t a i n sm o d u l e sl i k e f u n c t i o n a l t e r n a t i v em o d u l e w h i c hc a l lg e n e r a t ed e a d z o n ea u t o m a t i c l y , a n dr e s u l t ss h o wt h a t d e s i g n a t i o no ft h ed r i v ec i r c u i ti si nr e a s o n w ea n a l y s et h es p w ma n ds v p w mc o n t r o ls t r a t e g i e so ft h ee l e c t r i cl o c o m o t i v e s a u x i l i a r yi n v e r t e r a n dw eh a v ee m u l a t i o nt h et w oc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dt h er e s u l t s s h o ws v p w mi sm o r es u i t a b l ef o rt h ec o n t r o l l i n go fe l e c t r i cl o c o m o t i v e sa u x i l i a r y i n v e r t e r f i r s t l y , t h et h e s i sa n a l y z e s t h e o p e r a t i n gp r i n c i p l e so fs v p w mc o n t r o l t e c h n i q u ei nd e t a i l a n dt h em o d u l a t i o nw a v ef u n c t i o n sa r ed e d u c e d a tt h es a m et i m e ， t os i m p l i f yt h ec a l c u l a t i o n ，a no p t i m i z e ds i m p l e rm e t h o di su s e dt or e a l i z et h ed i g i t a l a l g o r i t h m ，a n dcp r o g r a m sa r ew r i t t e n a sf o rv a l i d a t i n gt h ec o r r e c t n e s so fs o f t w a r e ，w eb u i l dt h es m a l lp o w e rh a r d w a r e e x p e r i m e n td e v i c e p r o t e c t i o nm o d u l ea n dc o n t r o lm o d u l eb a s e do nt h et m s 3 2 0 f 2 8 12 a r ed e s i g n e d t h i st h e s i sh a sf i n i s h e dt h ed e b u g g i n go ft h es y s t e m ，a n dt h er e s u l ts h o w s t h a ts o f t w a r eo ft h ed e s i g n e ds y s t e mi si nr e a s o n a u x i l i a r yi n v e r t e ri sa ni m p o r t a n te l e c t r i c a lc o m p o n e n to ft h ee l e c t r i cl o c o m o t i v e f o r e x a m i n i n g a n dr e p a i r i n gc o n v i e n c eo fa u x i l i a r yi n v e r t e r , t h ea u t h o rh a sp r o v i d e d s e v e r a lm e t h o d sf o rb u i l d i n gt h et e s t i n gp a n t f o r m t h ea u t h e rf i n i s h e dt h ea n a l y s i sf o r t e s t i n gp l a t f o r m so ft h ea u x i l i a r yi n v e r t o rs y s t e mo fe l e c t r i cl o c o m o t i v e t h er e s u l t s h o w st h a tt h ei m p r o v e dt e s tp l a t f o r mc a nn o to n l yt e s tt h ep e r f o r m a n c e so ft h e a u x i l i a r yi n v e r t e ro fe l e c t r i cl o c o m o t i v eb u ta l s oc a l ls a v el o t so fe n e r g y k e y w o r d s ： a u x i l i a r yi n v e r t e r ；d r i v i n gc i r c u i t ；c o n t r o ls c h e m e ；d s p ；s v p w m c l a s sn o ： u 2 6 4 5 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： 导师签名： 签字e t 期：年月日 签字f t 期：年月日 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 7 5 北京交通大学硕十学位论文 致谢 本论文的工作是在我的导师张中高工和游小杰教授的悉心指导下完成的，从 论文的选题、系统方案的设计、实验问题的解决等方面都凝聚着张工和游老师的 心血。导师严谨的治学态度和坚韧不拨的工作作风让我受益匪浅，在此谨向两位 老师表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，林飞副教授、张立伟老师、郝瑞祥老师、孙 湖老师、贺明智老师及同车公司北京研发处的徐玉峰、王传芳等都曾经给与了热 情的帮助，为论文的完成提供了很多宝贵的意见，在此向他们表达我的感激之情。 同时实验室的韦克康师兄，赵坤师兄，刘飞师兄，文晓燕师姐等都曾给了我很大 的帮助，在和他们相处的两年时间中大家共同探讨学习，我从他们身上学到了很 多专业知识，以及积极进取的科研精神，在此深表感谢。最后，感谢我的父母和 家人，他们的理解和支持使我能够安心完成我的学业。 两年的研究生学习生涯，使我学到了很多东西，同时也明确了自己的人生目 标，在论文完成之际，谨向所有关心、支持和帮助过我的人致以最诚挚的敬意。 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 改革开放以来，随着我国国民经济的持续快速增长，对交通运输基础设施提出 了更高的要求。然而，近年来我国铁路建设和发展严重滞后，运输生产力不适应 经济社会发展的矛盾非常突出，铁路货物运输仅能满足社会需求的3 5 左右。2 0 0 4 年，铁道部确定了铁路技术装备现代化“引进先进技术、联合设计生产、打造中 国品牌 的总体方针，明确了铁路技术装备现代化的方向和目标。近几年来，我 国大力引进了法国阿尔斯通、日本川崎重工、加拿大庞巴迪、德国西门子、美国 g e 等世界著名铁路技术装备制造企业的时速2 0 0 公里及以上动车组和大功率电力、 内燃机车设计制造技术。这次大规模的技术引进，加快了我国机车车辆制造工业 现代化的步伐。其中中国北车集团大同电力机车有限责任公司引进了法国阿尔斯 通的技术生产和谐2 d 型大功率电力机车，将在运煤通道上运营。为了加快电力机 车引进消化吸收的步伐，加快实现国产化，创立自主品牌，在吸收国外先进机车 技术基础上，中国北车集团提出了“2 0 0 k m h 客运交流传动电力机车研制”项目， 其中大同电力机车有限责任公司承担该项目辅助变流器部分的设计与研发任务。 电力机车辅助逆变器是辅助变流器的重要组成部分。中国北车集团大同电力机 车有限责任公司同北京交通大学电气工程学院确立了“2 0 0 k m h 客运交流传动电力 机车辅助逆变器设计 课题。 1 2 辅助变流器概述 1 2 1 辅助变流器的发展历史 辅助变流器的应用在我国始于2 0 世纪8 0 年代中后期，当时，我国从欧洲引进的 8 k 型机车上装备了a b b 公司生产的辅助变流器。在购买机车及相关设备的同时，我 国也引进了相关的技术，包括该辅助变流器技术。该辅助变流器的单套容量为 1 0 0 k v h ，整流器采用晶闸管半控桥式电路，采用一台整流器带两台逆变器( 简称“一 整两逆 ) 的电路形式，其中每台逆变器的容量为5 0 k v a ，功率开关器件采用3 0 0 a 1 2 0 0 v 的g t o ，输出波形为矩形波( 5 0 h z 时) ，控制电路为模拟一数字混合式电路。 至9 0 年代中期以前，有关辅助变流器的工作主要围绕对该变流器的引进、消化 北京交通大学硕七学位论文 和吸收以及关键部件国产化试制展开，并研制出了相应整流器模块、g t o 逆变器模 块等。以此为基础，研制出了两套7 0k v a 辅助变流器装在a c 4 0 0 0 交流传动原型机 车上，并伴随机车测试完成了各类相关试验。 9 0 年代中期以后，针对8 k 型机车逆变器g t o 器件烧损偏多的问题，以当时逐渐 成熟并兴起的i g b t 取代g t o 作为逆变器的功率开关器件，研制出了新的i g b t 逆变器 模块并在辅助变流器中加以应用。辅助变流器采用i g b t 作开关功率器件后，不仅 损耗减小，开关频率提高，而且器件烧损少，并具有良好的包括短路保护在内的 多种保护能力，从而大大提高了辅助变流器及辅助系统的工作可靠性。辅助变流 器的应用扩展速度也由此加快。 1 9 9 8 年，我国多家单位合作，研制成功国内首列采用d c 6 0 0 v 供电制式的新型旅 客列车，并在京汉线上投入运营。这意味着辅助变流器在我国铁路列车上扩展应 用获得成功。 从1 9 9 8 年到现在，辅助变流器在我国铁路机车上的应用也取得了实质性的进 展。1 9 9 9 年初株洲电力机车研究所研制出t g f 5 型辅助变流器，装于d d j l 型2 0 0k m h 直流传动动力车上并成功投入运营。这是国内第一种具有商业运营能力的并且 实现了自主设计制造的机车辅助变流器。 2 0 0 0 年，又研制出了t g f 9 型辅助变流器，装在d j 型交流传动电力机车上，随后 扩展应用到多台d j j l 型“蓝箭动力车上且已全部投人运用。其改型产品t g f 9 a 型辅助变流器( 加装了国产网络接口电路) 于2 0 0 1 年装在国产交流传动机“奥星” 号上。 2 0 0 1 年1 2 月，含有四象限变流器的t g f l1 型辅助变流器由株洲电力机车研究所 研制成功并装于s s 7 e 型0 0 0 1 号机车上，现已在郑州铁路局投入试运用。它的研制 成功将使我国的辅助变流器技术水平与世界先进水平进一步接近，也使辅助变流 器应用到辅助系统时在技术经济方面的优越性得到更充分的体现，从而将加速辅 助变流器在我国铁路的推广应用。 1 2 。2 辅助变流器的构成及特点 以单相工频交流供电的电力机车为例，其辅助变流器包括整流器、中间支撑环 节、逆变器及相关控制电路等几大部分，其单台容量一般在几十千伏安至几百千 伏安之间，是典型的中小功率“交直交 变流器。 辅助变流器的设计一般采用模块化设计。通常按功能块方式划分，如整流器模 块，逆变器模块，控制电路模块等。辅助变流器对于单台容量在4 0 - - , 1 5 0k v a 范围 内的以功能划分方式进行模块化设计，使得辅助变流器的空间利用较充分，达到 2 l 绪论 模块化、简统化的目的，并兼顾实现体积重量小、设备布置紧凑、安装维护工作 量小、成本较低的目标。 ( 1 ) 整流器的作用及特点。当输入电压为交流电压时，使用整流器作为输入端 变流器，将变化较大的交流电压转换成稳定的直流电压( 这里针对电压型电路而 言，现代辅助变流器多采用电压型电路) 。 整流器电路主要有2 种，一种是相控桥式整流电路，另一种是四象限脉冲整流 电路。相控桥式整流电路开发较早，应用时问较长。它的特点是属于降压整流方 式，要求输入电压高于输出电压，控制简单，技术成熟，造价较低；但它的输入 侧功率因数较低，对电网的影响较大，控制响应速度也较慢。四象限脉冲整流电 路技术是为解决相控桥式整流电路存在的问题而于近些年发展起来的。它将升压 斩波与整流电路结合起来，并运用锁相环技术跟综识别基波相位，使输入电流近 似正弦波并与网压同相。其特点是属于升压整流方式，要求输入电压低于输出电 压，其输入侧功率因数较高，接近于1 ，达到对电网“友好”的目标；采用i g b t 作 为其功率器件后，调制频率提高，因而控制响应速度加快，当其输入端或输出端 发生变化时，控制系统能很快做出响应，快速调节使输出保持稳定。正因为四象 限脉冲整流器( 通常称作四象限变流器) 有着上述的优点，其应用范围也越来越广， 并逐渐成为整流器的首选模式。 ( 2 ) 逆变器的作用及特点。逆变器的任务是将直流电压转换成负载电机所需的 三相交流电压向电机供电，其输出方式既可以选择变压变频( v v v f ) 方式，也可以 选择恒压恒频( c v c f ) 方式，以满足不同负载的需要。 现代逆变器的特点是趋向于采用i g b t 及无吸收电路。逆变器过去采用的功率器 件有晶闸管、g t o 、功率晶体管等，i g b t 技术是近年来逐渐发展成熟起来的，由于 i g b t 具有工作频率高、自我保护能力强、控制较简单的优点，现在逆变器采用的 功率器件主要是i g b t 。同时也由于采用了i g b t ，逆变器内部电路结构也发生了变 化，这主要体现在功率器件的过压保护方面，由最早采用的高损耗r - c - d 阻容型过 压吸收电路，发展到后来采用的低损耗不对称型过压吸收电路及型过压吸收电 路，再到现在的无吸收电路。无吸收电路逆变器通过采用无感复合母排技术、低 感电容技术来尽可能消除产生过电压的因素，从而尽可能避免过电压情况的发生， 同时也消除了吸收电路所产生的损耗，这样，既简化了电路结构，又降低了逆变 器的损耗，提高了效率，同时还因逆变器发热量的降低而使得逆变器的体积重量 也得以减小。 ( 3 ) 控制系统的作用及特点。辅助变流器的控制系统按功能可分为整流控制、 逆变控制、外围接口及管理等几个部分。整流控制部分与整流器模块配合共同完 成输入整流任务；逆变控制部分与逆变器模块配合共同完成逆变器输出任务；外 3 北京交通大学硕十学位论文 围接口及管理则包括故障诊断、系统管理、计算机通信接口及i o 接口等部分，完 成接收指令、发送信息、协调内部及外部关系的任务。 辅助变流器控制系统的特点是计算机化、网络化。过去，辅助变流器的控制系 统硬件多采用模拟电路和数字电路，随着计算机技术的发展，现在辅助变流器均 以1 6 位微机或3 2 位微机为基本平台来搭建控制系统，而且用多个微机来分别完成 不同的功能，将各计算机之间的“主、从 关系划分好，确立好接口并通过网络 连接来保持信息畅通，从而充分发挥计算机的优势。现代计算机技术的突飞猛进， 为控制系统的发展提供了良好的软硬件平台，其强大功能也使得控制方式同新月 异。以逆变器控制为例，已从过去的矩形波控制发展到现在的s p w m 波控制、磁链 跟踪控制、矢量控制、直接转矩控制等多种方式，这使得辅助变流器性能越来越 优化，适应性越来越好。 1 2 3 辅助变流器的总体要求 辅助变流器通常需满足以下要求。 ( 1 ) 在国家有关标准规定的输入电压范围内具备正常工作的能力，对我国电力 机车而言，即在1 7 5 3 1 k v 范围内，其辅助变流器输出的电压及频率应能满足空 压机、油泵、风机等负载的正常工作能力。 ( 2 ) 除具备变压变频输出能力外，还应具备允许空压机等负载在变流器工作时 直接启动及切除的能力，以满足空压机等负载频繁启停的要求。 ( 3 ) 具备适应恶劣环境的工作能力及高可靠性，以满足机车在各种环境下正常 运行的要求。 ( 4 ) 考虑一定的冗余度，以尽可能避免机车因辅助交流器的原因引起运行途中 停车等大事故。当然，故障冗余设计应从辅助系统的角度来通盘考虑。 现代辅助变流器要求在满足机车需要的前提下，为用户提供良好的人机界面以 方便操作，不断提高自动化水平并通过模块化、简统化的设计来简化设备的维护 维修以降低成本。对辅助变流器性能指标的选择应从辅助系统的角度来考虑：只 有对辅助系统中包括辅助变流器、辅助电机、低压电器在内的各个部分的性能、 体积重量、成本等因素综合考虑并加以选择，才能既体现出采用交流传动方式的 辅助系统的优势，又可使辅助系统整体有一个相对较低的成本，真正实现辅助系 统的优化。 4 l 绪论 1 3 本论文的主要工作及结构安排 本论文的主要内容基于北车集团大同电力机车有限责任公司与北京交通大学 电气工程学院共同设立的课题“2 0 0 k m h 客运交流传动电力机车辅助逆变器设计 ， 对2 0 0 k m h 电力机车辅助逆变器所做的研究工作。本文的主要内容一共分为七个 部分，各部分内容的概述如下： 第一章提出了课题研究的背景并简要的介绍目前国内外机车辅助变流器系统 的发展状况，指出辅助变流器的构成和对设计的总体要求。 第二章是介绍了辅助逆变器的结构、电气参数和功率器件选型工作，驱动模 块2 s d 3 1 5 a 的工作原理，性能特点及应用。 第三章详细介绍了空间电压矢量调制技术，比较分析了s p w m 和s v p w m 控 制性能的不同。文中阐述了七段式s v p w m 控制技术的工作原理，推导了其调制 波函数，在此基础上利用一种较简单的方法，推导出s v p w m 的数字化实现算法， 并且给出了电力机车辅助逆变器的软件设计流程。 第四章介绍了小功率硬件平台的搭建，以验证软件算法的正确性。采用 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 为控制芯片，设计了小功率试验系统的整流电路，逆变电路 及保护电路等；给出了硬件系统各个组成部分较详细的参数，介绍了小功率平台 i g b t 驱动保护单元，控制电路的各个组成部分等。 第五章对s p w m 和s v p w m 辅助逆变器的两种控制方案分别进行了仿真与分 析，指出s v p w m 控制策略更适用于电力机车辅助逆变器控制。编写了相应的v f 控制的c 语言程序，给出了实验波形。 第六章详细分析了电力机车辅助逆变器测试平台各种拓扑结构，指出传统的辅 助逆变器测试平台的不足，设计了多种改进型的能量循环电力机车辅助逆变器测 试平台，分析了各种拓扑结构的特点，总结了新型测试平台方案的特点。 第七章对全文进行了总结，并对今后的工作进行了展望。 5 北京交通大学硕十学位论文 2 辅助逆变器主电路及驱动电路设计 本章主要介绍电力机车辅助逆变器主电路及驱动电路相关电气参数的设计， 另外介绍了基于驱动模块2 s d 3 1 5 a 大功率i g b t 驱动电路设计。 2 1 辅助逆变器的结构设计 2 1 1 辅助逆变器主电路结构设计 整个辅助系统结构如图2 1 所示。 图2 - 1 辅助逆变器结构图 f i g 。2 1s t r u c t u r eo f a u x i l i a r yi n v e r t e r 在一个机柜内配置有两套辅助变流器，单套容量为1 5 0 k v a ，每套辅助变流器 有p w m 整流器、中间直流支撑环节、逆变器、输出滤波器和控制系统等几部分 组成。两套辅助变流器以同一个主变压器绕组作为其输入，而变流器的输出则各 自带不同的负载。其中一套做恒压恒频运行，输出为5 0 h z 3 8 0 v ，负载主要是变 压器油泵、逆变器水泵、机械问风机、逆变器风机、空调加热器等；另外一套做 变压变频运行，参数为：1 9 0 v 2 5 h z ，3 0 4 v 4 0 h z ，3 8 0 v 5 0 h z ，负载主要是牵 6 2 辅助逆变器主电路及驱动电路设计 引风机、冷却塔风机。辅助变流器的主要技术参数如下： 辅助变流器主要参数如下： 额定输出容量 输入电压 中间直流回路电压 辅助变流器输出( 变频变压) 输出电压( 可变) 输出频率( 可变) 辅助变流器输出( 恒频恒压) 输出电压 频率 1 5 0k v a 3 4 0v d c 6 0 0v 1 9 0 v 3 8 0 v 2 5 5 0h z 3 8 0 v 5 0 h z 为了考虑系统的冗余，便于以后的维修方便，每套逆变器主电路结构考虑如图 2 2 所示，一旦一个桥臂的i g b t 出现故障，为了尽快恢复电力机车的正常运行， 可以直接使用与其并联的那个桥臂。 图2 - 2 辅助逆变器结构图 f i g2 - 2s t r u c t u r eo fa u x i l i a r yi n v e r t e r 2 1 2 继电器延时电路设计 逆变器上电瞬间，直流母线电容会被短路，流过的电流很大，会大大降低电 容寿命。所以需要设计一个继电器延时电路，如图2 3 所示。 7 北京交通大学硕十学位论文 蝴丽一 芝丁面磊 整流输出i 直流端电容 图2 - 3 继电器延时电路 f i g 2 3s c h e m a t i co fr e l a yc i r c u i t 如图2 3 所示，在上电一段时间之内，整流输出的电流通过r 1 对电容充电， 当控制信号输入高电平，经限流电阻r 3 驱动开关管q 1 ，导通后，发光二极管阴极 接地，在v l 、v 2 正常供电的情况下，q 2 导通，继电器通电，开关闭合，主电路接 通。 2 2 辅助逆变器主电路参数选择 根据电力机车辅助逆变器相关的国际标准，北车集团给定了技术规范。其中逆 变器额定输出参数如下： 容量：2 1 5 0 k v a 基波电压有效值：3 3 8 0 v 基波电压频率：5 0 1 h z 电压波动范围：一5 + 5 三相电压对称时，三相基波电压有效值相差最大不超过5 v 电压上升斜率：d u d t 5 0 0 v u s 最大尖峰电压：u p k _ 丝! 生二盘堡( 2 1 4 ) 2 c , 通过以上理论分析及仿真验证可以估算出辅助变流器支撑电容的电容值取 2 5 m f 。 综上所述，电力机车辅助逆变器的容量为1 5 0 k v a ；每个逆变器主要由一个i g b t 模块组成，采用6 个1 2 0 0 v 6 0 0 a 单模块封装；中间直流支撑电容取2 5 m f ，耐压为 8 0 0 v 。为了能够对主电路进行监控，直流端装有电压、电流传感器；三相输出端 各装有电流传感器。 2 3 驱动电路的设计 在2 0 0 k m h 电力机车辅助逆变器的研制中，为解决大功率i g b t 的驱动问题， 选用了新型实用的中大功率i g b t 驱动模块2 s d 31 5 a 。该模块能驱动6 0 0 1 2 0 0 v 及以上等级的i g b t 模块。本节详细介绍了这种模块的内部结构、重要性能和以 2 s d 3 1 5 a 为核心的实用驱动电路，研究结果表明该模块电路稳定可靠，达到了设 计要求。 觚一正 咄一疋 c c l i = 出 缸 匕 k 一 一 o 辨 北京交通大学硕十学位论文 2 3 12 s d 3 15 a 简介 s c a l e 系列驱动器是瑞士c o n c e p t 公司生产的用来驱动和保护i g b t 或功率 m o s f e t 的专用集成驱动模块，内部集成有过流保护电路。2 s d 3 1 5 a 能输出很大的 峰值电流，具有很强的驱动能力和很高的隔离电压能力，它有两个驱动输出通道， 适合驱动1 2 0 0 v 或1 7 0 0 v 等级的2 个单管或一个半桥式的双单元i g b t 模块。其中在作 为半桥驱动器的时候，可以非常方便的设置死区时间。2 s d 3 1 5 a 的工作温度为0 7 0 ，存储温度为4 0 8 5 。 2 s 0 3 1 5 a 的内部电路主要可分为三大功能模块，如图2 3 所示。第一块是 l d i ( l o g i ct od r i v e ri n t e r f a c e ，逻辑驱动转换接口) ，它主要用于接收“控制侧”的 p w m 信号，经过处理后传送给下一级；第二块是i g d ( i n t e l l i g e n tg a t ed r i v e r ，智能 门极驱动) ，它通过高频隔离变压器从上一级( l d i ) 接收控制信号，经放大等处理 后输出1 5 v 1 5 a ( 瞬时电流) 的驱动信号，用于“驱动侧”大功率i g b t 的控制， 每只2 s d 3 1 5 a 内部包含两个i g d 模块；第三块是输入与输出相互绝缘的d c d c 转换 器，它的主要功能是给两路输出通道提供彼此隔离的供电。图中的v d d 和v d c 都为 + 1 5 v ，分别为控制侧输入电路和d c d c 转换器供电，驱动模块使用单一的1 5 v 电源 产生+ 1 5 v 和一1 5 v 电压，用于驱动外部i g b t 。它采用变压器耦合隔离，工作频率可 高于1 0 0 k h z ，输入输出间交流耐压可达4 0 0 0 v 。 1 2 2 辅助逆变器主电路及驱动电路设计 l d i 黼离 2 s f f 3 1 5 耀动援块 l - 、厂一 l 棼镪元件 l 图2 32 s d 3 1 5 a 内部结构图 f i g 2 3i n s i d es t r u c t u r eo f2 s d 3 15 a 2 3 22 s d 3 15 a 工作原理及特点 2 s d 3 1 5 a 共有4 2 个有效引脚，其中除了“驱动侧”的2 0 个引脚外，其他比较重 要的引脚及其功能如下：m o d ( 模式定义) ，r c l r c 2 ( r c 网络) ，v d d v d c ，g n d ( 电 源和地) ，v l ( 逻辑电平定义) ，1 1 1 a i n b ( a ，b 两路控制信号) ，s o l s 0 2 ( 两路状 态输出信号) 。 1 ) 可选择的工作模式与死区时间 通过对m o d 引脚电平的定义，2 s d 3 1 5 a 可产生两种工作模式供用户选择：独立工 作模式与半桥工作模式。在独立工作模式下，驱动器的两路输出信号相互之间没 有任何逻辑联系。具体接线是：输入引脚m o d 接v d d ，输入引脚r c l 与r c 2 接地。在 半桥工作模式下，驱动模块本身可以直接产生所需要的死区时间，使驱动的两路 输出信号不会同时为高电平。对于半桥工作模式：输入引脚m o d 接g n d ，输入引脚 r c i 和r c 2 分别外接一个r c 网络，用于产生所需的死区时间，以保证半桥电路上、 下两只i g b t 不会直通。 北京交通大学硕士学位论文 2 ) 可选择的控制逻辑电平 2 s d 3 1 5 a 驱动模块采用1 5 v 单电源供电，引脚v l 用于选择控制信号的逻辑电平： v l 端采用不同的接法，输入控制信号i n a 与i n b 可以分别采用t t l 电平与+ 1 5 v 电平两 种模式工作。 3 ) 可选模式的信号输入与状态输出 控制侧的两路信号分别从引脚i n a 与i n b 输入。在不同的工作模式下，这两路信 号有着不同的功能。在直接模式下( m o d 弓 脚接v d d ) ，输入信号i n a 直接控制通道1 ， 输入信号i n b 直接控制通道2 ；在半桥工作模式下( m o d 弓i 脚接g n d ) ，p w m 信号从引脚 i n a 输入，而引脚i n b 输入的信号被定义为“允许”信号，同时对两个通道起作用： 当i n b 输入为高电平时，两通道处于正常工作状态，当i n b 输入为低电平时，两通道 同时被封锁。模块处于封锁状态时，模块输出的两路门极控制电压都为- 1 5 v ，以 确保被控制的两只i g b t 都处于安全关断状态。2 s d 3 1 5 a 有两个引脚( s o l 与s 0 2 ) 专门 用于输出模块的工作状态，其输出端结构皆为集电极开路输出，因此可通过外接 上拉电阻以适用于各种电平逻辑。在正常工作时，两路s 0 状态输出都为高电平； 当某一通道被检测出有故障信号产生时，它所对应的s o 引脚的输出电平立刻被拉 低至u g n d 。 4 ) 短路与过流保护 2 s d 3 1 5 a 的两通道输出端都配备有u 。滥测电路。当某一路或两路的驱动侧电力 器件出现短路或过流现象时，监测电路会立刻将异常状态回馈到驱动模块，产生 故障信号并将它锁存，驱动模块内部会同时产生一个典型值为1 秒钟的封锁时间， 在封锁期间，驱动模块处于封锁状态，将两组 g b t 及时截止。同时，状态输出端 对应的s o 引脚也输出代表出现故障的低电平信号，可以用于其他保护控制。 5 ) 智能型电源监控 若给驱动模块供电的电源电压过低，将会影响驱动电路可靠性，甚至使驱动的 i g b t 处于放大状态，功耗过大，温升高，造成器件损坏。2 s d 3 1 5 a 驱动模块内集成 了低电压监控电路，一旦电源输入电压低于1 0 v ，监控电路就向模块内部发送故障 信号，使整个模块处于封锁状态，以保系统安全。 2 3 32 s d 3 15 a 的应用 本文设计的2 0 0 k 觚电力机车辅助逆变器，逆变器的主开关器件采用e u p e c 公 司的i g b t 模块6 0 0 a 1 2 0 0 v 。根据该i g b t 对驱动保护电路的要求以及2 s d 3 1 5 a 驱动 模块性能的特点，设计- j i g b t 的驱动电路如图2 4 所示。 1 4 2 辅助逆变器主电路及驱动电路设计 只1 g 1 g 1 c o m 、 们 v i s o l l l r 珐l c l l s l g 2 g 2 c o m 2 c o m 2 0 2 2 e 2 r 胁2 c 2 l s 2 若悔 驵篙 比1 只 v d 3 v d 4 胁5 。 卜l 卜l 卜ll l c 6 r 1 4 v l e 2 上 图2 _ 42 s d 3 1 5 a 外围电路设计图 f i g 2 4c i r s u i td e s i g no f 2 s d 31 5 a 他 m o d 接的是+ 1 5 v 是选择了直接模式。过电流检测管脚c x 不能直接连在i g b t 的集电极，而是通过三个二极管连接起来。为了保证门极与发射极间的电压稳定， 加了两个反向稳压管( 图2 - 4 中v s 2 ，v s 3 和v s 4 ，v s 5 ) 。门极电阻对电路影响很大， 合适的门极电阻使i g b t 触发关断迅速，并能保护i g b t ，在此选择的是一个电阻与 一个二极管并联后再与一个同样的电阻串联，开通时经过一个电阻和二极管，关 断时二极管反向截止，只经过两个电阻。门极和发射极间的电容c 2 ，c 5 是为了滤 波。但是选择不合适时，因充放电会导致门极电阻发热甚至烧毁，为了安全可选 用较大的功率电阻代替。s o x 为状态输出，实际是内部集成的集电极开路输出，当 功率管工作j 下常时，s o x 为高电平，三极管开通无过流信号输出，即发光二极管不 发光；当发生异常时，s o x 变为低，三极管截止，光耦导通，发光二极管发亮。不 论哪一路信号出现异常，都会有过流信号出现，然后传送给d s p 信号处理器。图2 4 中的稳压管v s l 具有欠压保护功能，当+ 1 5 v 正常时，稳压管反向击穿，v l 为低电 平，驱动器开通；当+ 1 5 v 不正常( 小于+ 1 5 v ) ，稳压管不能击穿，v l 为高电平， 驱动器关断。图2 4 中u l ，u 2 为光耦，起隔离作用。 1 5 啪啪鼢儿朐舫肥一喜|m啪眦眦眦啪伽 北京交通大学硕+ 学位论文 2 4 本章小结 本章主要介绍电力机车辅助逆变器主电路的拓扑结构及相关电气参数的设计 选型，并介绍了驱动模块2 s d 315 a 原理和基于该模块的大功率i g b t 驱动电路设 计。 1 6 3 辅助逆变器的控制技术 3 辅助逆变器的控制技术 现代电力电子技术，特别是数字信号处理技术的不断发展，促进了电力机车 辅助逆变器系统及其控制技术的发展。各种先进的控制方式如正弦脉宽调制 ( s p w m ) ，空间矢量脉宽调制( s v p w m ) ，关联指令脉宽调制等日趋成熟。使用 这些先进的控制方式可以很大程度的提高辅助逆变器的工作效率。 图3 1 逆变器原理图 f i g 3 - 1i n v e r t e rs c h e m a t i cd i a g r a m 辅助逆变器系统中的功率变换目前应用最广的是电压型逆变器如图3 1 ，正弦 p w m ( s p w m ) 和电压空间矢量p w m ( s v p w m ) 是应用最多的两种辅助逆变器 控制技术。鉴于s v p w m 直流电压利用率较高，输出谐波含量少，而且更适合于 数字化系统。本章详细的介绍了基于s v p w m 原理的辅助逆变器控制策略，并将 其与s p w m 控制策略做了简要的对比，最后给出了辅助逆变器s v p w m 软件设计 流程。 3 1s p w m 的原理与特点 实现s p w m 的方法有两种，自然采样法和规则采样法，只讨论后者，其出发 点是使s p w m 波形的每一个脉冲都与三角载波的中心线对齐，使得两侧的间隙时 间相等。 1 7 北京交通人学硕十学位论文 。 。 沙乡 l 上8 i n c o t t ? 。 以 j口v 阿 、 口 t l p t o f n 1 t o mt o n l t o n l 一 ll 、，、 2 c l 图3 - 2 对称规则采样法生成s p w m 波 f i g 3 - 2s p w m o fs y m m e t r i c a lr e g u l a t i o ns a m p l i n g 本文采用的是单极性控制的对称规则采样法产生的电压s p w m 波。对称规则