DC1500V架線車用高壓逆變器的研制

賈 云,郭愛軍

(神東煤炭集團,陜西 神木 719315)

現階段,全國的各大煤礦系統井下運輸以及軍民兩用的特種車輛基本上都是用電機車,對于煤礦系統來說,這里的電機車主要指那些窄彎道電力機車,其在煤礦的運輸過程中發揮著很大的作用,窄彎道電力機車是煤礦井下作業運輸物資、人員、機械設備的重要工具[1],而一般的電力機車是架線式的,對于井下這種特殊的機車,母線直流側1 500 V,為了給控制系統提供合適的電源,需要將直流側進行逆變,因此,安全、可靠、效率高的高壓逆變器的研制非常重要。本文以煤礦井下架線車為應用對象,進行了高壓逆變器的設計研究,并將其應用于煤礦井下架線車的電控系統,通過實際的操作運行,驗證了本文所設計逆變器的可靠性。

1 高壓逆變器系統硬件設計

1.1 逆變器主體框架

圖1所示為高壓逆變器的整體系統結構框圖,它由主電路以及控制電路兩部分組成,主電路包括濾波電路防沖擊電路、控制器輔助供電電路、高頻變壓器(包括高頻斬波、高壓隔離變壓器、高頻整流器)、濾波器、MOSFET橋式逆變電路、RCD緩沖電路、濾波電路等部分,而控制電路主要包括電流電壓采樣處理單元、過溫保護電路、PWM信號的產生及驅動電路以及控制芯片等部分。

圖1 Inverter整體系統結構框圖Fig.1 Block diagram of inverter

1.2 主電路工作原理

逆變器主電路的工作原理如圖2所示,其中高頻斬波的功率開關管選用MOSFET,且采用串聯分壓的方式,不僅選型容易,而且開關管在實際斬波中損耗小,有助于提高整機效率。

圖2的U1為直流母線電壓1 500 V,在經過濾波-高壓變壓器(高頻斬波-變壓隔離-高頻整流濾波)后得到直流電壓U2,將U2加到全橋式逆變器上。其中S3-S6為逆變功率開關器件,D1-D4二極管分別與功率開關管S3-S6并聯,起到承受負載反相電流的作用,即通過續流來保護功率開關器件。而電容C5-C8、二極管D5-D8、電阻R3-R6用來吸收功率開關管在關斷過程中產生的電壓能量,同時減少管子的關斷損耗,避免在關斷瞬間因過大的電壓而損壞功率器件。通過控制S3、S6與S4、S5兩組功率開關器件的開關頻率(占空比),就可以得到脈寬可調的矩形波交流電壓[2],然后經過濾波處理得到單相交流電壓給系統供電。

圖2 逆變器主電路原理圖Fig.2 Main circuit diagram of inverter

2 高壓逆變器控制器的設計

2.1 DSP控制器

為了能夠使整個高壓逆變系統具有較高的處理性能,選用DSP TMS320F28335作為控制芯片,即在逆變器工作時,DSP一方面定時采集實際負載運行時的電流電壓值,通過A/D轉換通道輸入DSP芯片,采用PID算法得出控制量Uk,采用改變PWM占空比的方式來控制逆變器的輸出。另外,采用人機交互模塊, DSP處理后得到的電壓、電流等信息作為控制的依據,通過串口實時傳遞給上位機。如果遇到短路、過溫、過壓、過流等故障,能夠及時的將故障信息傳遞給上位機,以此來作出警告,從而使逆變器投入或者退出工作[3-4]。

2.2 系統軟件設計

本系統設計的程序主要包括主程序、定時中斷子程序以及串口通信子程序等,本文只討論主程序和定時中斷子程序。主程序流程圖如圖3所示,定時中斷子程序流程圖如圖4所示。

從圖3可以看出,主程序主要進行各個模塊的初始化、系統參數的初始化以及定時器的初始化等工作,而圖4定時器中斷中,主要進行電壓電流的采樣、檢測,并作為系統閉環輸出PWM波的依據,同時進行故障、短路等信息的處理。

3 現場實驗測試分析

實驗的條件:煤礦井下架線車,高壓直流側輸入電壓1 500 V。

實驗的結果:圖5為逆變器PWM輸出波形,圖6為逆變器輸出波形經濾波后得到的單相交流電波形與實際的交流220 V電壓的對比圖。圖6中黃色波形為濾波后的波形,輸出的電壓波形與實際的單相交流電(藍色波形)相符。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Main program flow chart

圖4 定時中斷子程序流程圖Fig.4 Timed interrupt subroutine flow chart

圖5 逆變輸出波形Fig.5 Output wave of inverter

圖6 逆變輸出濾波后的波形Fig.6 Output waveform of inverter after filtering

4 結論

通過現場的實驗測試,驗證了本文所研制的高壓逆變器的可靠性,并且有以下優勢:

1)能夠輸出純正弦波,具有較好的負載特性以及較好的短路保護和過溫保護功能。

2)輸入輸出隔離,并且有著良好的絕緣標準特性,非常適合應用于煤礦井下這種特殊的環境。

3)轉換效率高達90%以上。

4)高頻斬波開關管采用雙管并聯的方式,降低了開關管承受的電壓,而且具備開關損耗減小,能夠提高整機的效率的特點,進而可以提高架線車系統整體的可靠性。