机车空掉电源论文.doc

电力机车空调电源设计作者：钟美张侃谕王生学摘要：针对电力机车内特定的空调使用环境，设计一种新的机车空调逆变电源。实验结果表明，使用本设计方案的电力机车空调电源系统后，空调器工作可靠，并且不影响电力机车其他设备的正常运行。关键词：SPWM；波形发生器；IPM 1 概述随着铁路运输的快速发展，迫切需要在电力机车司机室安装空调系统，改善司机的工作条件，以确保行车安全。由于电力机车的供电电源为单相交流电，电压波动的范围很大，并且过一个供电区段会断电数秒。如果把该电源直接作为空调器电源，空调器不能正常工作。由于空调器功率为5KW左右，在空调启动和停止时会对电力机车的供电系统产生极大的干扰，严重影响了电力机车上其他设备的运行。为保证空调的正常运行，且在使用时不对机车其他设备产生影响，必须要对机车内空调电源进行设计。结合实际情况，本文设计出一种新的机车空调逆变电源，能够满足空调器运行的要求，实现空调器压缩机的软启动，并且调节温度精确。2硬件设计2.1结构介绍电源变频方式采用交直交电压型方式。电力机车降压变压器输出单相220 V交流电，经由整流器整流后输出直流电。经电容和电抗器滤波以后，逆变成电压和频率都可以调节的三相交流电，作为变频空调器的电源。控制器需要实现以下的功能：产生SPWM控制脉冲；检测逆变器输入电压值、输出电压和电流值；检测按钮状态；完成频率显示和故障指示；进行温度控制。电源系统硬件主要包括整流器、IPM逆变器及变频控制器构成，系统结构如图1所示。2.2 IPM逆变器逆变器中采用先进的IPM智能功率模块代替原来的IGBT。智能功率模块是以先进的第三代IGBT和续流二极管为基础，使用几个高速、低功耗的IGBT和先进的门驱动电路集成的器件。通过采用先进的电流检测型IGBT和与之匹配的门控电路，可以实现高效的自保护功能，如：欠压、过流、过热和短路保护。它还具有导通电阻小，开关速度快，驱动功率小，工作效率高，耐压高。当模块发生故障时，可以根据IPM故障输出端输出信号，进行故障判断。这些都大大提高了系统的可靠性，并使整个模块体积小，结构紧凑。2.3变频控制器电源系统采用INTEL公司的87C196MC芯片作为控制器，用于控制逆变器和进行温度控制。 87C196MC是设计用于三相交流感应电机和直流无刷电机的16位控制器。使用它内含的三相波形发生器WFC，可以大大简化产生逆变器中IPM的SPWM触发脉冲信号的硬件电路和软件。通过编程可产生独立的、具有相同频率和工作方式的三相6路PWM波形，并由P6口直接输出6路PWM信号给逆变器，且三相互补不重叠。每个引脚驱动电流达20mA，为防止同一桥臂上2个功率管发生直通造成短路，该发生器还可通过编程设置死区互锁时间，在16MHz晶振时，死区时间范围为0.125到125s之间。通过控制芯片原有I/O口扩展一个64kb存储器，用于存储程序和正弦表格。利用芯片I/O口，通过加一些隔离电路可以方便的实现模拟量、数字量的输入和数字信号的输出。3控制功能实现与软件系统3.1 SPWM脉冲生成系统中SPWM波形是通过87C196MC的脉冲发生器WFG生成。SPWM脉宽调制是在一个调制波周期内，每个脉冲的宽度按照正弦规律变化。常用的SPWM波形的方法有三种：自然采样法，规则采样法I，规则采样法II。在规则采样法II中，脉冲的计算公式：本系统中，采用了规则采样法，使用三角波作为载波，正弦波作为调制波。首先将正弦函数按照载波比离散化，存入EPROM。通过查表法和实时计算，得到脉冲宽度。将脉冲宽度值送到相位比较寄存器WG-COMPx中，在和加1/减1计数器WG-COUNT作比较。在WG-COUNT减1的过程中，WG-COMPx于WG-COUNT相等，输出一个触发信号WG-COUNT减1到0001H后，重新加1过程中，WG-COMPx于WG-COUNT相等，再输出一个触发信号。两个信号之间所对应的时间就是脉冲宽度。计算脉冲宽度的公式如下所示：3.2温度控制策略在软件中温度的控制是通过调节变频压缩机的逆变电源频率来实现的。因为在一定工况下，制冷量与制冷剂质量流量成正比，即 Q = q . m。式中：Q为制冷量；q为制冷剂单位质量制冷量；m为制冷剂质量流量。而制冷剂质量流量与压缩机转速成正比例函数关系，即m = f ( n )。式中：n为压缩机转速；f为制冷剂质量流量与压缩机转速的函数关系。这样可以通过调节压缩机转速就实现对空调制冷量的调节，从而实现调节司机室温度的目的。为了实现温度的高精度控制，根据设定温度于实际温度的差值，决定逆变电源的频率。例如，当实际温度于大大高于设定温度时，把逆变器设置频率变换到最高频率，此时空调系统的制冷能力最大，能够达到快速制冷的目的。当实际温度于设定温度的差值在控制误差要求范围内，逆变器设定频率保持不变，这样可以避免温度的波动。根据经验值，确定了设定温度和温差于设定频率之间的对应关系，实现了对温度的高精度控制。3.3宽电压适应技术由于电力机车供电系统的输入电压波动比较大，导致逆变器的直流输入电压会发生变化。为了使得逆变器的输出保持稳定，在软件中采用了电压适应技术来解决这个问题。在系统中采样直流母线电压，根据直流母线电压的大小和压频曲线来动态的改变调制度M。当整流以后的直流母线电压的值小于根据压频曲线计算的计算电压时，此时调制度M值为1；当实际的直流电压值大于计算电压时，此时可以根据公式计算出调制度M的值。使得系统在输入电压变化较大的情况下，逆变器的输出电压也符合空调系统的要求。3.4控制软件介绍系统的控制软件主要由系统主程序、波形发生器WFG中断服务程序、EXTINT中断服务程序等三个部分组成。图2为主程序的软件流程图：图2 主程序软件流程图主程序的功能主要有：完成芯片各功能部件的初始化，以及按钮状态的检测；采样逆变桥直流母线电压、逆变器输出电流，判断系统的输入电压和输出电流是否满足要求；采样司机室环境温度，根据环境温度和设定温度来决定逆变器的设定频率；根据设定频率和直流母线电压值，计算调制度M。WFG中断服务程序主要用于三相SPWM宽度的产生。在中断程序中通过调制度M和查表得到的正弦值，计算出SPWM脉宽，产生SPWM波形。需要在存储器中建立的正弦函数数据表，为了节约存储空间，只存放了0度到180度正弦值。根据正弦函数具有反对称性，需要在程序中判断出正弦值的正负，这样才可以保证，计算的脉冲宽度正确。EXTINT中断服务程序用于重大故障的处理及显示。当电源输出短路时，电流通过外部回路的比较器，和短路电流保护的门限值比较，EXTINT引脚产生一个触发信号，进入EXTINT中断程序。中断程序可以停止PWM输出，保护系统。4总结本空调系统实现了软起动,起动电流小,对电网与其它电源无干扰。并且功率连续调节,温度波动小,变化平滑。经过实验证明本系统的各项技术指标都达到了设计的要求,能满足电力机车司机室夏季制冷要求。本文章的创新点在于在电力机车变频空调电源系统上采用宽电压适应技术，解决了电压剧烈变化这一难题。同时采用先进的温度控制策略，克服了司机室热负荷变化这一困扰，实现了高精度温度控制要求。参考文献：1.张贻锋.一种新型全数字SPWM变频器的设计.北京：微计算机信息，2004(3).2.孙涵芳.Intel 16位单片机.北京：北京航天航空大学出版社，19953.王兆安,黄俊.电力电子技术(第3版).北京:机械工业出版社,1996.4.孟庆波.80C196MC在IPM变频器中的应用.电子技术应用,2002（5）.5KVA机车空调电源的设计与研究曲泰元，邱瑞昌（北京交通大学电气工程学院，北京100044）1 概述随着铁路运输的发展和工作生活条件的改善，机车乘务人员对工作环境和条件的要求越来越高，为此需对机车司机室安装空调系统。但由于空调机组是三相交流负载，而机车车载电源为DC110V，所以需设计一逆变电源，将DC 110V变换为AC 380v供给空调机组。考虑到机车运行环境的特殊性，如：震动较大；工作环境温度较高；车门开闭频繁，使得空调机组起停频繁；司机室内电气控制设备和信号设备密集，易与空调电源产生相互的电磁干扰等，因此对其空调电源的抗震性、抗电磁干扰性、运行的安全可靠性等方面提出了更高的要求。根据技术指标要求，在控制电源和辅发输入电压波动30的范围内，逆变电源必须为空调提供电压波动在+1 0一1 5，频率波动在5以内，额定输出电压相对谐波含量(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)小于5的三相380V交流电压，且在一257 0之间均能可靠运行。2 工作原理与硬件结构机车空调电源系统的结构框图如图1所示，由主电路部分和控制部分组成。升压斩波电路由PWM控制器SG3525进行控制，逆变电路以inte1公司的单片机87C196MC为核心进行控制。21 主电路逆变电源的主电路如图2所示，主要由DCD C、DCAC两部分组成。DC 1 1 0V输入电压经CI滤波后送至由Ll、T1、D7组成的升压电路，电压变为DC 540V。由VT 1V T 6及D 1一D 6组成的逆变电路将此DC 540V电压逆变为三相AC 3 80V。升压斩波电路采用B00 St变换器的拓扑结构，开关管采用I G B T。逆变桥的开关器件采用先进的智能功率模块IPM。IPM是以IGBT为基本功率开关器件，同时内部集成了优化的门极驱动及保护电路的功能模块，其保护功能主要有过流、控制电源欠压和管芯过热等保护。当模块发生故障时，可以根据IPM故障输出端的输出信号，进行故障判断。系统的可靠性得以进一步提高，结构更紧凑。22 升压电路的控制升压电路采用P W M控制器SG 3 5 2 5进行控制，其外围电路如图3所示。SG3 525是电压型的PWM控制器，即按照反馈电压来调整输出脉宽，内部由基准电压调整器、振荡器、误差放大器、比较器、PWM锁存器、欠压锁定电路、触发器、或非门、输出级、软启动和关闭电路组成。电路上电后，振荡器产生幅值在12v36v之间的连续三角波送至sG3525芯片内部的PWM比较器，同时产生供T触发器工作的同步方波脉冲。振荡器输出信号频率由电容CT和电阻RT、RD决定：隔离运放U1（A7408）和运放U2(C40 74G)组成比例积分(PI)调节器，升压电路的输出电压经过此P I调节器得到电压负反馈信号，输入到S G 3 5 2 5内部误差放大器的反相输入端，与同相端的芯片内部产生的基准电压经比较、放大，输出至PWM比较器，与振荡器的三角波比较，输出的方波与内部的T触发器的输出脉冲一起送至芯片内部的或非门，使两个输出驱动管交替导通，产生一路开关控制信号(1 1脚或1 4脚)。开关控制信号的脉宽由电压反馈信号控制，当输出电压高于540V时，经过运算放大器隔离和放大的电压反馈信号增大，由于SG3525的负反馈，使其输出的PWM波脉宽减小，斩波输出电压降低；反之，SG 3 5 2 5输出PWM波脉宽增大，斩波输出电压升高，从而使输出电压维持5 4 0 V的稳定。由于斩波电路中P W M波的占空比范围约为08 4。而SG3525单路输出的占空比最大只能达到50，所以这里将芯片的1 1引脚和1 4引脚输出的两路相位互差1 80。的PWM脉冲经外接的或非门U3以后输出给升压电路的开关管，使脉冲频率提高了一倍，满足了占空比的要求。23 逆变控制器87C196MH逆变电路采用i n t e l公司的8 7 C 1 9 6 M C作为控制器。8 7 C 1 9 6 M C是为三相交流感应电机和支流无刷电机而设计的1 6位单片机，由一个C1 96内核、一个AD转换器、一个事件处理阵列EPA、两个定时计数器、一个三相波形发生器WFG和一个脉宽调制单元PWM和七个IO口等组成。87C1 96MC片内三相波形发生器WFG大大简化了用于产生同步PWM波的控制软件和外部硬件。WFG共有三个同步的PWM模块，每个模块包含一个相位比较寄存器、一个无信号时间发生器和一对可编程的输出，产生一对互补的PWM波。故WFG可产生独立且互不重叠的具有相同频率和工作方式的三相六路PWM波，由P6口输出，每路驱动电流可达2 A。为防止同一桥臂上两个开关管同时导通而短路，可通过程序对WFG设置死区互锁时间，在使用1 6MH z晶振时，死区时间可在01 251 25s之间设置。逆变控制电路硬件原理框图如图4所示。启停控制电路为开关量控制，按下启动按钮，斩波电路先工作，经延时后向逆变控制电路发送启动信号，单片机开始输出PWM脉冲。故障反馈电路在逆变电路发生输出过流及输出缺相时，使单片机向逻辑保护电路发出故障信号，采用继电器输出。外部扩展E2PROM作为数据存储区存放按载波比不同设置的几个正弦真值表，用于SPWM波的生成。Rs232电路用以实现与键盘电路的接口。保护回路设有输出过流保护和缺相保护电路，故障保护采用中断触发方式，过流和缺相保护信号先接到P 2口，然后经与门接到87C196MH的EXTINT，这样CPU就可以及时的对故障中断做出响应，根据P2口检测的电平变化判断故障类型，使保护及时动作。3 系统软件设计31 SPWH脉冲宽度的计算目前生成SPWM波的控制算法主要有自然采样法，对称规则采样法，不对称规则采样法，面积等效法等。本设计采用对称规则采样法，以三角波作为载波，正弦波作为调制波。对称规则采样法中，脉冲宽度的计算公式为：式(2)中，Tt为三角波周期；M为调制度(OM1)；为正弦波频率，ts为采样时刻。用87C196MC的WFG产生SPWM波时，先将正弦波按载波比N离散化、制成表，并将半载波周期也制成表，存到E2PROM。为使三相SPWM波对称，N应为3的整数倍。从消除谐波考虑，N越大越好，但N值要受开关器件开关频率和单片机运算速度的限制。通过查表和实时计算，得到脉冲宽度值，送到相位比较寄存器WG_COMPx中去。WG_COMPx的值与每次计数后的加1减1计数器WG_COUNT相比较：WG_COUNT减1后，与WG_COMPx相等，输出一个触发信号；WG_COUNT减1到0001H后，重新加1，与WG_COMPx相等，再输出一个触发信号，这两个触发信号之间的时间间隔就是脉冲宽度。开关频率由重新装载寄存器WG_RELOAD确定。三相SPWM脉宽计算公式如下：系统软件主要由系统主型序、EXTINT故障中断子程序、WFG中断子程序、 AD采样中断子程序等组成。主程序主要功能有：对单片机各功能部件进行初始化和参数设置，对键盘和按钮状态进行检测，采样逆变电路输入电压与输出电流并判断是否满足要求，逻辑控制与故障处理，计算调制度M等。WFG中断子程序主要用来产生SPWM波，通过调制度M和查询存储在E2PROM里的正弦函数表，计算SPWM脉宽，生成SPWM波。EXTINT子程序主要用于故障分析与处理，当发生故障时，通过检测不同的IO口来确定是何种故障，并视故障性质完成故障报警、封锁出发脉冲或跳闸等保护动作。4 EHC设计为了能让机车空凋电源在恶劣的环境下能可靠地运行，合理有效的抗干扰措施是必不可少的。在硬件主电路中，对DC 11OV输入电压和DC 540V斩波输出电压都采用电容进行滤波，以减弱来自外部和斩波电路中产生的噪声，同时，逆变电路采用IPM模块，使结构紧凑，降低了电磁干扰。控制电路中，在电源输入端加设电源滤波器，电源变压器采用屏蔽变压器。控制电路的地是悬浮的，与主电路不共地，二者接口处采用高速光耦进行隔离。传输导线采用双绞线，且布线时使信号线尽量远离高压大电流的主电路线路。在印制电路板的设计中，将相互关联的器件就近摆放，把功率电路和控制电路的元件尽量隔开距离，并将输入和输出信号尽量放置在引线端口附近，各集成芯片的电源与地之间接入高频特性好的0.010.1F的CBB去耦电容等。5 结语经实验证明，本电源各技术指标都达到了设计的要求。在机车上可长时间满载运行，能够满足机车恶劣运行工况的要求，工作稳定可靠。机车空调逆变电源控制系统及其实现引言： 随着电力电子学科的发展，逆变器控制技术与工业现场总线应用范围越来越广，本系统成功应用这两项技术，设计了机车空调电源用逆变器控制系统。原有空调电源逆变器控制系统的缺点是：不能根据设定温度控制空调机组变频运行，体积大，各逆变器协调控制困难。本文设计了一种机车空调机组用多逆变器控制系统，与原有空调电源逆变器控制系统相比，有体积小、重量轻、数据交换方便、运行可靠、利于维修等优点。1 系统工作原理：由图1可知，上位微机控制电路是该系统的核心控制部分，通过CAN总线将控制指令传给逆变器控制电路，逆变器控制电路根据控制指令产生不同频率的SPWM信号控制逆变器工作；逆变器控制电路将各逆变器实际工作状态、故障信号等通过CAN总线上报给上位微机控制电路。图1 逆变器控制系统结构图2 逆变器控制电路及控制方案2.1 逆变器控制电路逆变器控制芯片选用凌阳科技公司2005年推出的新一代16位单片机SPMC75F2413A。其内部集成了能驱动电机的PWM发生器、多功能捕获比较模块、BLDC电机驱动专用位置侦测接口、两相增量编码器接口等硬件模块，以及多功能I/O口、同步和异步串行口、ADC、定时计数器等功能模块，利用这些硬件模块支持，SPMC75可以实现诸如家电用变频驱动器、标准工业变频驱动器、多环伺服驱动系统等复杂应用。SPMC75F2413A集成了两个电机控制PWM输出定时器MCP（Motor Control PWM）定时器：MCP3、MCP4。每一个MCP定时器都可以独立输出三相六路的PWM波形，非常适合于控制交流感应电机、无刷直流电机等各种电机。选用此款单片机可极大缩小控制电路体积，从而减小整个空调电源的体积，增加系统的集成性和可靠性。本系统选用定时器MCP4输出SPWM信号。2.2 SPWM脉宽调制信号的产生实行SPWM脉宽调制时，在一个调制信号（正弦波）周期内所包含的三角载波的个数称为载波频率比N（亦即载波比）。在变频过程中，即调制信号周期变化过程中，每个调制信号周期内载波个数不变的调制称为同步调制，载波个数相应变化的调制称为异步调制。同步调制在输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声，发热量增加；另外，这种调制由于载波周期随调制波周期连续变化而变化，在利用微处理机进行数字化技术控制时，带来极大不便，难以实现。为此，本逆变器采用异步调制原理，避免了上述现象的发生。在实际工程中，为方便单片机控制，采用查表法生成SPWM脉宽调制信号。应用工程软件Matlab编程计算所需正弦表，将一个周期正弦波分成4096个数据，预先存入单片机存储区中。由MCP4定时器产生周期溢出中断，并在该中断的中断服务程序中读取正弦表中的一个数据点，每次查表后正弦表指针加1，满周期后循环查询，一个MCP4定时器周期等于一个SPWM载波周期。根据冲量等效原理(大小、波形不同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同)可知，载波频率越高，逆变器输出SPWM波谐波含量越小，越接近正弦波。但是载波频率受开关器件（IPM）本身开关能力的限制，开关频率越高，器件发热量越大。综合考虑器件开关损耗和输出波形质量的要求，通过设置定时器周期寄存器（P_TMR4_TPR）确定一个载波周期为6000个系统周期，若系统时钟频率为24M，则载波周期为4K。单片机定时查询CAN总线传来的频率给定信号，计算出查正弦表时所用的步进值（查表时所用的步进值越大，输出SPWM波形频率越高）。查表所得值被载入比较匹配寄存器（P_TMR4_TGRA、P_TMR4_TGRB、P_TMR4_TGRC），与定时器计数寄存器值比较输出不同脉宽的调制波，具体原理如图2所示，当定时器计数寄存器计数值（P_TMR0_TCNT）与比较匹配寄存器（P_TMR0_TGRA）值相等时输出信号产生电平 翻转。查表时A、B、C三相通过引入数据表地址指针偏移量实现三相互差波形输出。图2 脉宽比较输出原理图通过定时查询CAN总线传来的工作模式给定信号，逆变器可输出不同频率的SPWM波，准确控制空调机组工作模式。逆变器输出波形如图3、图4所示。图3 未滤波逆变器输出波形图4 滤波后逆变器输出波形3 通讯系统控制方案为了适应机车上复杂的电磁环境，满足逆变器控制系统通讯的要求，本系统中使用工业现场总线（CAN总线）进行控制信号、反馈信号的传输。CAN总线特点： CAN采用多主方式工作模式，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从。 CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。 CAN节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。 CAN的直接通信距离最远可达10km；通信速率最高可达1Mbps。 CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。 CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。3.1 通讯系统硬件电路设计由图5可知，上位微机CAN总线节点硬件电路主要分为四个部分：单片机C8051F020、独立CAN通讯控制器SJA1000、CAN总线驱动器82C250和高速光耦6N137。单片机C8051F020负责SJA1000的初始化，通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通信任务。图5 通讯系统硬件电路框图为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接与82C250的TXD和RXD相连，而是通过高速光耦6N137后与82C250相连，这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个电阻与CAN总线相连，电阻可起到一定的限流作用，保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。逆变器CAN总线节点硬件电路与上位微机CAN总线节点硬件电路结构基本相同，只有CAN通讯控制器选用MCP2515代替了SJA1000，逆变器控制芯片SPMC75F2413A通过SPI接口与该器件连接。使用标准的SPI读/写指令以及专门的SPI命令来读/写所有的寄存器。通过SPI接口设置寄存器中的相应位或使用发送使能引脚均可启动发送操