ＺＶＳ　ＰＷＭ大功率機車控制電源設計

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指標,采用零電壓開關(ZVS)PWM全橋變換電路作為主拓撲電路設計了一種新型的機車控制電源。其次對所設計的軟開關電源的主電路進行了參數計算及關鍵元器件的選型。最后對所設計的電路建立了PSPICE環境下的仿真模型,仿真結果表明該設計是正確和有效的。

關鍵字:移項控制變換器;零電壓開關;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 ,并經逆變,整流,濾波,產生+15V、24V、48V、電壓,分別供給司機臺信號顯示屏、儀表照明及三項設備之用。

國內現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壓電源,它與機車蓄電池并聯充電,為機車控制電路提供DC110V的穩定電壓。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量都大(為400kg以上),這對減小電力機車的質量和縮小有限的設備安裝空間都是不利的。

隨著電力電子技術的進步,傳統的直線線性穩壓電源發展到現在的高頻直流開關穩壓電源,數字高頻開關電源在體積、重量、效率等指標上,都遠遠優于相控電源,因此用大功率高頻開關電源來替代傳統的相控電源已成為一種發展趨勢,相控整流電源必將被開關電源所取代。

2機車DC110V電源系統的性能指標

設計標準采用國家和鐵道部相關標準。 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轉換效率。

額定工況下,轉換效率≥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,開關電源柜停止輸出。

3機車開關電源的結構方案

開關電源結構圖如圖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制控制原理(PWM)輸出穩定的直流電壓。控制電路自動對電源輸出電壓和電流進行數據采樣,并與用戶給定數據進行比較,然后根據設置的調整算法控制開關調整電路,使電源輸出電壓符合給定值。控制電路在調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越性。移項控制方式的拓撲結構簡潔,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,開關頻率恒定,利于電源濾波器的優化設計,而且實現了開關管的零電壓開關,減小了開關損耗,從而可以提高開關頻率,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超前橋臂軟開關的實現

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時刻先關斷Q1,原邊電流從Q1中轉移到C1和C3支路中,給C1充電,同時C3被放電。由于有C3和C1,Q1是零電壓關斷。在這個時段里,陋感LIK和濾波電感Lf是串聯的,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關斷時,其工作原理完全類似。

4.2滯后橋臂的軟開關實現

當Q4關斷時,原邊電流從Q4中轉移到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關斷時,其工作原理完全類似。在此開關過程中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就難以實現零電壓開通。

5基于單片機控制方案的設計

本電源利用零電壓零電流PWM軟開關理論,以高性能微控制器為控制核心,組成數據處理電路。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,完成外部數據的采集、移相脈沖的形成。控制系統通過I/O輸出端口OCO,OC2,OC1A,OC3A分別輸出4路有相位差的PWM信號控制功率轉換開關IGBT的導通與關斷時間,通過設置寄存器ICR1A和ICR3A來改變占空比,完成對輸出電壓的穩定,通過單片機內部的10位A/D轉換模塊完成對開關電源輸出電壓和電流的采樣,通過系統軟件實現了過壓、過流保護及限流功能。采用閉環控制系統,開關電源工作時,采用電壓反饋由PWM控制實現對輸出電壓的穩壓功能,控制閉環為電壓環。單片機把給定值與傳感器采集的信號進行比較,產生誤差信號。根據PID控制算法設置ATmega128產生不同移項角的PWM波信號,經過IGBT的專用驅動模塊,控制開關調整電路電壓輸出。

DC110V電源軟件主要完成軟啟動、對外部數據的采集、閉環系統調節器的PID參數計算、移相脈沖的形成、過壓過流保護以及等工作,系統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,否則進行數據采樣并讀取給定值,然后進行數據處理,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

針對以上設計的電路,采用了PSPICE軟件對電路做了仿真分析,在所設計的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節計算出來控制時間參數設置,分別驅動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仿真實現了IGBT的零電壓開關,驗證了文章電源設計的正確性。

參考文獻:

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