段　煉

摘要:文章首先分析了電力機車對DC110V電源的性能要求和技術(shù)指標,采用零電壓開關(guān)(ZVS)PWM全橋變換電路作為主拓撲電路設(shè)計了一種新型的機車控制電源。其次對所設(shè)計的軟開關(guān)電源的主電路進行了參數(shù)計算及關(guān)鍵元器件的選型。最后對所設(shè)計的電路建立了PSPICE環(huán)境下的仿真模型,仿真結(jié)果表明該設(shè)計是正確和有效的。

關(guān)鍵字:移項控制變換器;零電壓開關(guān);PWM

中圖分類號:TM91文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)10-0028-02

1引言

在鐵路牽引動力中,電力機車具有其他機車無可比擬的優(yōu)勢。電力機車的控制電源為直流110V,供機車低壓控制電路使用,另外再給機車蓄電池充電 ,并經(jīng)逆變,整流,濾波,產(chǎn)生+15V、24V、48V、電壓,分別供給司機臺信號顯示屏、儀表照明及三項設(shè)備之用。

國內(nèi)現(xiàn)在廣泛采用的電力機車和電動車組用DC110V控制電源是相控式晶閘管直流穩(wěn)壓電源,它與機車蓄電池并聯(lián)充電,為機車控制電路提供DC110V的穩(wěn)定電壓。該DC110V電源裝置的工頻整流變壓器原邊從主變壓器輔助繞組的副邊輸入396V單相交流電源,次邊輸出為220V,經(jīng)晶閘管半控橋整流器整流,并通過由平波電抗器濾波電容器和蓄電池組并聯(lián)組成的LC濾波電路濾波后,輸出110V±5%直流電壓,電壓脈動有效值≤5V。其工頻整流變壓器及直流濾波電抗器非常笨重,使得整個電源柜的體積和質(zhì)量都大(為400kg以上),這對減小電力機車的質(zhì)量和縮小有限的設(shè)備安裝空間都是不利的。

隨著電力電子技術(shù)的進步,傳統(tǒng)的直線線性穩(wěn)壓電源發(fā)展到現(xiàn)在的高頻直流開關(guān)穩(wěn)壓電源,數(shù)字高頻開關(guān)電源在體積、重量、效率等指標上,都遠遠優(yōu)于相控電源,因此用大功率高頻開關(guān)電源來替代傳統(tǒng)的相控電源已成為一種發(fā)展趨勢,相控整流電源必將被開關(guān)電源所取代。

2機車DC110V電源系統(tǒng)的性能指標

設(shè)計標準采用國家和鐵道部相關(guān)標準。 既要為電力機車提供控制電源,又能為機車蓄電池充電。其中還應包括了過壓、欠壓、過流、短路、過熱等保護功能。機車用DC110V電源的技術(shù)指標如下:

①電源額定輸入電壓。

輸入電壓:AC396V,輸入電壓變化范圍:277.2V～495V。

②控制電源輸入電壓。

控制電源電:DC110V,電源變化范圍:DC77V～DC137.5V。

③輸出電壓。

標稱輸出電壓范圍:直流110V;輸出電壓變化范圍:108.9V～111.1V。

④輸出紋波電壓有效值。

輸出紋波電壓有效值≤2V。

⑤標稱輸出電流。

標稱輸出電流:75A。

⑥輸出電流限制值。

輸出電流限制值≤82.5A。

⑦轉(zhuǎn)換效率。

額定工況下,轉(zhuǎn)換效率≥90%。

⑧主要功率散熱器溫升。

主要功率散熱器溫升≤40K。

⑨電源工作頻率。

電源工作頻率f≥20KHz。

⑩開關(guān)電源柜輸入電壓和欠壓的保護功能:當輸入交流電壓小于277V時或大于496V時,開關(guān)電源柜停止輸出。

3機車開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)方案

開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

其電路的工作過程為:機車變壓器輸出的396V交流電經(jīng)整流濾波變成高壓直流電送入功率變換電路(DC/DC),功率變換電路在控制電路的檢測控制下通過脈沖寬度調(diào)制控制原理(PWM)輸出穩(wěn)定的直流電壓?？刂齐娐纷詣訉﹄娫摧敵鲭妷汉碗娏鬟M行數(shù)據(jù)采樣,并與用戶給定數(shù)據(jù)進行比較,然后根據(jù)設(shè)置的調(diào)整算法控制開關(guān)調(diào)整電路,使電源輸出電壓符合給定值?？刂齐娐吩谡{(diào)整電源輸出電壓的同時還要檢測電路的輸出電流,當輸出電流超過給定值時,就啟動保護電路,實現(xiàn)保護功能。

4機車控制電源變換器主電路拓撲及工作原理

圖2為ZVS-PWM變換器的主電路。

全橋電路的控制方式一般分為四種:雙極性控制方式;有限雙極性控制方式;不對稱控制方式;移項控制方式。從實現(xiàn)大功率變換器的小型化和輕量化的角度來看,移項控制方式具有更多的優(yōu)越性。移項控制方式的拓撲結(jié)構(gòu)簡潔,與普通全橋電路相比僅增加了一個諧振電感,成本和電路的復雜程度基本沒有增加。移項控制方式簡單,開關(guān)頻率恒定,利于電源濾波器的優(yōu)化設(shè)計,而且實現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓開關(guān),減小了開關(guān)損耗,從而可以提高開關(guān)頻率,其元器件的電壓和電流應力小,電壓應力為電源電壓Vin,電流應力與傳統(tǒng)的全橋電路一樣,等于折算到原邊的負載電流。

4.1超前橋臂軟開關(guān)的實現(xiàn)

在t0時刻前,Q1和Q4同時導通,VAB=Vin,原邊電流流過Q1和Q4。在t0時刻先關(guān)斷Q1,原邊電流從Q1中轉(zhuǎn)移到C1和C3支路中,給C1充電,同時C3被放電。由于有C3和C1,Q1是零電壓關(guān)斷。在這個時段里,陋感LIK和濾波電感Lf是串聯(lián)的,而且Lf很大,因此可以認為原邊電流ip近似不變,類似一個恒流源。這樣C1的電壓線性上升,同時C3的電壓線性下降。在t1時刻,C3的電壓下降到零,Q3的反并二極管D3自然導通,此時開通Q3,Q3就是零電壓開通。同樣當Q3關(guān)斷時,其工作原理完全類似。

4.2滯后橋臂的軟開關(guān)實現(xiàn)

當Q4關(guān)斷時,原邊電流從Q4中轉(zhuǎn)移到C2和C4支路中,給C4充電,同時C2被放電。由于有C2和C4,Q4是零電壓關(guān)斷。當C2的電壓下降到零,Q2的反并二極管D2自然導通,此時開通Q2,Q2就是零電壓開通。同樣當Q2關(guān)斷時,其工作原理完全類似。在此開關(guān)過程中C4電壓增加,VAB為負電壓,使DR2也導通,將變壓器副邊短接,變壓器原邊電壓為零,VAB電壓全部加在漏感上,使原邊電流減少,如果漏感能量太小,Q2就難以實現(xiàn)零電壓開通。

5基于單片機控制方案的設(shè)計

本電源利用零電壓零電流PWM軟開關(guān)理論,以高性能微控制器為控制核心,組成數(shù)據(jù)處理電路。DSP類單片機速度夠高,但目前價格也很高,從成本考慮,占電源成本的比例太大,不宜采用。單片機中AVR系列最快,具有PWM輸出,因此控制電路采用ATmega128單片機,利用芯片自帶的ADC及硬件PWM模塊,完成外部數(shù)據(jù)的采集、移相脈沖的形成?？刂葡到y(tǒng)通過I/O輸出端口OCO,OC2,OC1A,OC3A分別輸出4路有相位差的PWM信號控制功率轉(zhuǎn)換開關(guān)IGBT的導通與關(guān)斷時間,通過設(shè)置寄存器ICR1A和ICR3A來改變占空比,完成對輸出電壓的穩(wěn)定,通過單片機內(nèi)部的10位A/D轉(zhuǎn)換模塊完成對開關(guān)電源輸出電壓和電流的采樣,通過系統(tǒng)軟件實現(xiàn)了過壓、過流保護及限流功能。采用閉環(huán)控制系統(tǒng),開關(guān)電源工作時,采用電壓反饋由PWM控制實現(xiàn)對輸出電壓的穩(wěn)壓功能,控制閉環(huán)為電壓環(huán)。單片機把給定值與傳感器采集的信號進行比較,產(chǎn)生誤差信號。根據(jù)PID控制算法設(shè)置ATmega128產(chǎn)生不同移項角的PWM波信號,經(jīng)過IGBT的專用驅(qū)動模塊,控制開關(guān)調(diào)整電路電壓輸出。

DC110V電源軟件主要完成軟啟動、對外部數(shù)據(jù)的采集、閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)計算、移相脈沖的形成、過壓過流保護以及等工作,系統(tǒng)軟件主要包括故障判別子程序、中斷檢測子程序、計算子程序等。

在初始化過程中,先是將ATMEGA128各個輸入端口復位,初始化完成后,開中斷程序。若有中斷請求則響應,否則進行數(shù)據(jù)采樣并讀取給定值,然后進行數(shù)據(jù)處理,計算PWM的占空比,輸出相應控制;若有欠壓、過壓、短路或過流情況發(fā)生,則進行故障處理(如圖3)。

6電源電路的仿真分析

針對以上設(shè)計的電路,采用了PSPICE軟件對電路做了仿真分析,在所設(shè)計的ZVS PWM DC/DC全橋變換器主電路中加入了4個激勵源,這4個激勵源按4節(jié)計算出來控制時間參數(shù)設(shè)置,分別驅(qū)動4個IGBT,圖4為PSPICE軟件模擬控制該電源變換器的仿真電路。

該電源電路的PSPICE仿真實現(xiàn)了IGBT的零電壓開關(guān),驗證了文章電源設(shè)計的正確性。

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