（电气工程专业论文）机车空调电源系统的研究与设计.pdf

原创性声明 吣i i i ll l l l l l l l l l lllllll l l l l l l l l t l l l l l l l l l l l y 1719 6 9 5 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 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 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 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：幺碰重日期：止年王月丛日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 期：2 望垒年互月丛日 摘要 机车司机室安装空调系统可以改善司机室的微气候条件，为机车司 机提供舒适的工作环境，在我国铁路高速发展的今天，对保证机车高速、 安全运行具有非常重要的现实意义，因此研制高效、可靠的机车空调系 统十分必要。与普通空调运行环境相比，机车司机室内气候环境恶劣， 空调的热负荷大，运行条件差，供电电源电压波动范围大，这些因素对 机车空调电源的设计、安装及调试都提出了更高的要求。为了改善机车 司机的工作环境，本文设计了一种稳定的机车空调电源系统，针对机车 空调的特殊运行工况采用先进控制策略以提高系统运行的稳定性。 本文首先介绍了机车空调的工作原理以及应用情况，并根据机车空 调电源系统的技术指标，提出了电源系统总体设计方案，包括主电路和 控制电路设计方案，同时对电源的硬件结构进行模块化设计，模块之间 用接插件进行连接，拆装方便。 本文设计了d c d c 变换主电路和控制电路，主电路采用b o o s t 升压 拓扑结构，对输入电压进行升压变换，控制电路包括p w m 脉冲发生电 路和电压负反馈电路。试验结果表明，所设计的d c d c 电路可以很好的 实现升压功能，可以保持输出电压的稳定。 本文进行了d c a c 逆变主电路与控制电路的设计，逆变电路使用 i p m 智能功率模块组成三相全桥逆变电路，使直流电逆变成交流电，再 将输出电源连接到空调机组，逆变控制电路以t m s 3 2 0 f 2 8 l2 为核心控制 芯片，采用正弦脉宽调制技术，并设计了i p m 驱动电路。 最后，本文以p i c 单片机为核心对主控制电路及故障保护电路进行 了软硬件设计，分析了故障保护的工作原理，对所设计的保护电路结构 进行了详细的介绍，并进行了电源系统的抗干扰设计。 关键词空调电源，升压斩波，逆变电路，i p m ，d s p a bs t r a c t l o c o m o t i v ec a ba i rc o n d i t i o ns y s t e m sc a ni m p r o v et h em i c r o - c l i m a t e c o n d i t i o n so ft h ed r i v e r sc a bf o rl o c o m o t i v ed r i v e r sw i t hac o m f o r t a b l e w o r k i n ge n v i r o n m e n t a tt h et i m eo f t h er a p i dd e v e l o p m e n to f r a i l w a y , i th a s v e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o re n s u r i n gl o c o m o t i v eh i g h s p e e d ， s a f eo p e r a t i o n t h e r e f o r ei ti s n e c e s s a r yt od e v e l o pe f f i c i e n ta n dr e l i a b l e l o c o m o t i v ea i rc o n d i t i o n s y s t e m c o m p a r e dw i t ho r d i n a r y a i rc o n d i t i o n r u n n i n ge n v i r o n m e n t ，t h ei n d o o re n v i r o n m e n to fl o c o m o t i v ec a bi sb a d ，a i r c o n d i t i o nh e a tl o a di sl a r g e ，o p e r a t i n gc o n d i t i o n sa r ep o o ra n dt h ev o l t a g eo f p o w e rs u p p l yf l u c t u a t e si n t e n s e l y t h e s ef a c t o r sh a v eh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o r t h ed e s i g n ，i n s t a l l a t i o na n dc o m m i s s i o n i n go ft h ea i rc o n d i t i o np o w e r s u p p l y i no r d e rt oi m p r o v et h ew o r k i n ge n v i r o n m e n to fl o c o m o t i v ed r i v e r s as t a b l e p o w e rs y s t e mi sd e s i g n e df o rl o c o m o t i v ea i rc o n d i t i o n a d v a n c e dc o n t r o l s t r a t e g i e s a r eu s e dt o i m p r o v es y s t e ms t a b i l i t yf o rt h es p e c i a lo p e r a t i n g c o n d i t i o n s f i r s t l yt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fl o c o m o t i v ea i rc o n d i t i o n a r ed e s c r i b e d t h ed e s i g np r o g r a mo fl o c o m o t i v ea i rc o n d i t i o np o w e r s y s t e m ， i n c l u d i n gt h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i ti sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h e s p e c if i c a t i o n s t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h ep o w e ri sd e s i g n e du s i n g m o d u l e s c o n n e c t o r sa r eu s e dt oc o n n e c tm o d u l e st of a c i l i t a t ea s s e m b l y d c d cm a i nt r a n s f o r m a t i o nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i ta led e s i g n e d i n o r d e rt ob o o s tt h ei n p u tv o l t a g e ，b o o s tt o p o l o g yi su s e di nt h em a i nc i r c u i t p w m p u l s ec i r c u i ta n dv o l t a g en e g a t i v ef e e d b a c kc i r c u i ta r eu s e di nt h e c o n t r o lc i r c u i t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e dd c - d cb o o s tc i r c u i th a s g o o dp e r f o r m a n c e ，c a nm a i n t a i no u t p u tv o l t a g es t a b i l i t y d c a cm a i nt r a n s f o r m a t i o nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i ta r ed e s i g n e d i n o r d e rt om a k ed ci n t oa ct os u p p l ya i rc o n d i t i o nu n i t ，t h r e e p h a s e f u l l b r i d g ei n v e r t e rc i r c u i ti sc o n s t i t u t e db yt h ei p mm o d u l ei nt h em a i n c i r c u i t t m s 3 2 0 f 2 812i su s e da sac o r ec o n t r o lc h i pi nt h ec o n t r o lc i r c u i t s p w m t e c h n i q u ei su s e d i p md r i v ec i r c u i ti sd e s i g n e d f i n a l l y , t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fm a i nc o n t r o lc i r c u i ta n df a u l t p r o t e c t i o nc i r c u i ta r ed e s i g n e d ，u s i n gt h ep i cm i c r o c o n t r o l l e ra st h ec o r e t h e w o r k i n gp r i n c i p l eo ff a u l tp r o t e c t i o ni sa n a l y z e d t h es t r u c t u r eo fp r o t e c t i o n c i r c u i ti sd e s c r i b e di nd e t a i l a n t i - i n t e r f e r e n c em e a s u r e sa r ed e s i g n e dt o p o w e rs y s t e m k e yw o r d sa i rc o n d i t i o np o w e rs u p p l y , b o o s t ，i n v e r t e r , i p m ，d s p 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 本课题研究的目的和意义l 1 2 机车空调机组工作原理1 1 3 机车空调电源应用状况2 1 4 空调电源技术的现状和发展趋势4 1 5 本文的主要工作4 第二章机车空调电源系统方案设计6 2 1 空调电源系统主要技术指标6 2 2 总体结构设计7 2 3 空调电源系统设计方案8 2 3 1d c d c 部分8 2 3 2d c a c 部分9 2 3 3 主控制电路及故障保护电路9 2 4 逆变电路输出电压调制方法9 2 4 1p w m 控制技术9 2 4 2 正弦脉宽调制s p w m 技术1 0 2 5 本章小结1 2 第三章机车空调电源系统d c d c 部分的设计1 3 3 1 基本d c d c 变换电路结构1 3 3 2d c d c 变换主电路设计1 4 3 2 1 电路工作过程分析1 5 3 2 2 主要计算公式1 6 3 2 3 主要元件的设计与选型1 9 3 3 升压斩波控制电路设计2 l 3 3 1u c 2 8 4 2 结构及特点2 2 3 3 2 控制电路设计2 3 3 3 3 斜坡补偿2 6 3 3 4 反馈回路设计2 8 3 4 升压电路试验波形2 9 i v 3 5 本章小结3 0 第四章机车空调电源系统d c a c 部分的设计3 1 4 1 逆变电路总体设计3 1 4 2d c a c 逆变电路的设计3 l 4 2 1 智能功率模块i p m 的特点3 2 4 2 2i p m 模块的选择3 2 4 3 控制电路的设计3 4 4 3 1d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的特点3 4 4 3 2s p w m 的d s p 实现3 4 4 3 3 控制程序流程图3 5 4 3 4 控制电路实现方案3 6 4 3 5 通讯接口电路3 9 4 4i p m 驱动电路的设计4 0 4 5 逆变电路输出波形4 1 4 6 本章小结4 2 第五章电源主控制电路及故障保护电路4 3 5 1 主控制电路及故障保护电路总体设计4 3 5 1 1 系统功能需求分析4 3 5 1 2 系统总体结构设计4 4 5 2 硬件电路设计4 4 5 2 1 输入电压检测4 5 5 2 2 机组压力和温度检测4 5 5 2 3 逆变输出检测4 6 5 2 4 升压及逆变电路故障保护4 7 5 2 5 故障显示电路4 7 5 3 系统软件设计4 8 5 3 1 控制信号的处理4 9 5 3 2 系统初始化子程序5 0 5 3 3a d 转换子程序5 0 5 3 4 状态显示子程序5 1 5 4 机车空调电源抗干扰设计5 2 5 4 1 电源系统的抗干扰措施5 2 5 4 2p c b 板的布局及布线5 3 5 4 3 软件抗干扰设计5 4 5 5 本章小结5 4 v 第六章总结与展望5 5 6 1 本文工作总结5 5 6 2 展望5 5 参考文献5 7 致谢6 1 攻读硕士期间发表的论文及科研情况6 2 v i 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 列车诞生于1 8 世纪2 0 年代，而用于实际使用的列车空调系统直到2 0 世纪3 0 年代才出现，机车空调则出现得更晚。由于技术水平和条件的限制，早期的蒸汽机 车不能在司机室安装空调设备，如今，随着内燃、电力机车的快速发展，机车司机 室的条件已经被大为改善，可以给司机室安装空调系统。当列车速度达到1 6 0 k m h 以上时，考虑运行原因需要关窗，这样空气就不能流通，而且司机室在列车的最前 面，它所在位置和条件的独特，造成了司机室的空间有限，室内的温度条件十分恶 劣，特别是在酷热的高温季节时，高温必然会影响司机的身心健康，从而影响了行 车安全l lj 。在夏季，我国南方地区大多属于高温炎热天气，加上内燃机车本身产生的 高温，机车司机室的室内温度高达4 0 。c 以上，长期以来影响着铁路的安全运行。为 了让机车乘务人员能有一个比较舒适的工作环境，使乘务人员工作时不受气温影响， 保障行车安全，因此有必要在机车上安装空调系统。 在实际运行中，机车运行环境有较大的流动性，艳阳高照、狂风暴雨、沙尘满 天等各种环境都有可能遇到，而且机车震动大，温度高，现场电磁干扰大，车门开 闭频繁，各种运行条件都有。同时司机室的空问有限，机车也经常运行在高速状态， 室内的气温变化比较反复，因此，要使司机室的气温能在1 8o c - - 2 3 范围内可以调 节，机车顶部的温度与地板的温度之间的温差不大于1 0 c ，能够给每位乘务人员提 供不少于3 0 m 3 h 的新鲜空气量，空调机组启停频繁f 2 1 。内燃机车由机车辅助发电机 提供供电电源，额定电压值为d c l l 0 v ，但是辅助发电机的容量不大，同时给机车上 众多设备提供电源，在其负载起动或停止时，电压会有较大波动。司机室内有很多 信号装置和控制装置，布局比较紧凑，空调电源的启停可能会造成对其它设备的电 磁干扰，使行车安全受到了影响。 由上可以知道，机车空调电源的使用环境决定了其功能具有很多特殊性，这是 普通的民用空调所不能做到的，机车空调电源要具有足够的功率，使其能满足制冷 要求，而且电源的耐高低温的性能也要优秀，能够承受一定的振动量，拥有稳定的 安全工作性能，电源输出的电压、电流能达到机车空调机组的技术指标，从而调节 司机室的室内气温，给乘务人员提供一个良好的工作环境。 1 2 机车空调机组工作原理 机车空调机组是用来调节司机室气温的调温装置，一般是装在机车司机室的顶 硕士学位论文 第一章绪论 硕士学位论文 第一章绪论 减小了制冷剂泄露的机会，提高t n 冷效果的可靠性。对于电力机车和内燃机车， 只要供电有保障，就应采用全封闭压缩机，降低制冷剂的泄露机会也减少了机组的 体积【6 】。 现在，顶部式、底部式、后部式机车空调机组在实际工作中都有应用。通过试 验和实际运行，我们可以发现它们的特点：机车在中低速时，顶部式空调机组的冷 凝器可以得到较足够的冷却，而且机车也不要做太大的结构改变，但是当机车时速 增加时，进入冷凝器的风量会随之减少，在时速高达1 8 0 k m h 以上时，几乎没有风 进入冷凝器；在中高速时，底部式空调机组的冷凝器冷却效果比顶部式好，可是要 做较大的机车车体结构改动，难度较大；后部式空调机组虽然不需要做太大的车体 机构改动，但是在后部空气流通不好，影响了冷凝器的冷却效果。现在国内没有前 置式空调机组，作为一种设想，在准高速以上情况下，冷凝器的冷却问题可以得到 解决，将空调装置安装在机车驾驶室的前端，空气从前面进入空调机组来冷却冷凝 器，再从下部流经导通板，流出空调机组【5 】。根据铁道部的要求，在选择机车空调机 组的安装位置时，要根据机车司机室的实际情况来选择，同时也要便于冷凝器的冷 却，也不能做太大的车体改动，综合以上要求和实际安装情况，本设计所讨论的机 车空调机组选用全封闭压缩机项部整体式空调机组，空调电源一般安装在司机室的 电气设备室内。 通过对几大主机厂和机务段进行空调电源市场调研后，发现国内的一部分内燃 机车在机车制造期间已经加装了空调系统，也有很大一部分内燃机车在机车制造期 间没有安装空调系统【_ 丌。安装了空调系统的主要是最近几年新制造的机车，而没有安 装空调系统的机车主要是以往制造的内燃机车，如东风2 、3 、4 系列机车，对于这 部分机车，根据新出的机车规范标准，各机务段必须对其进行空调系统安装。以保 守计算，目前国内的东风4 型内燃机车数量已不少于2 0 0 0 辆，按每辆机车需要安装 2 套空调装置来计算，这一部分内燃机车的空调电源市场需求是比较大的，同时，由 于运行环境的恶劣，空调电源的使用寿命也不是很长，即使在制造期间安装了空调 装置，在大修期间也是极有可能更换新的空调电源，所以，这部分的市场前景也是 非常大的。 在我国，机车空调电源的技术和市场是最近几年才起步的，但是发展十分迅速。 现在，国内主要有武汉正远和株洲时代电子两家公司生产制造大功率机车空调电源， 大部分市场占有率也主要由这两家公司占据，可是最近以来，由于其技术也很久没 有得到更新，生产的空调电源可靠性一直没有得到提高1 8 1 【钟，故障率和返修率都比较 高。随着市场需要的发展趋势以及技术水平的提高，尤其是电力电子技术和变频技 术的发展，空调电源的集成度会加大，以减小空调电源体积；也会更加智能，以方 便司机操作同时也提高电源效率1 1 0 l ，能够满足各种型号、各种情况的机车空调系统 的需要。 硕士学位论文 第一章绪论 1 4 空调电源技术的现状和发展趋势 随着科技水平和理论的发展，现在，变频控制技术在空调领域得到了广泛的使 用。变频控制技术通过改变电源频率，来对空调电机进行调速，使空调机组的运行 噪声大为减低，同时也节约了大量的电能。和传统的调速控制技术比较，不需要机 械变速装置，也减小了反复频繁启停过程的时间，增加了电机使用寿命，提高了电 源效率，降低了工作噪声。异步交流压缩机具有结构简单、转动惯量小、容量大、 成本低、寿命长等优点，在变频空调中大部分采用异步交流压缩机，使空调系统的 成本大大减少，极大地提高了性价比。随着技术的不断创新，变频控制技术将更大 地提高系统的性能，使系统更加智能化。由于变频控制技术的优越性能，这种技术 也在机车空调电源中得到了一定程度的应用【】。现在，国内的机车空调电源生产厂 硕士学位论文第一章绪论 拓扑结构和电路设计方法，提高了系统的安全性和可靠性，使此逆变电源系统能够 为机车空调机组提供符合要求的电压、电流和功率，并在电路调试、系统数字化和 e m c 设计方面做了一定工作。 具体工作如下： l 、根据实际技术条件指标，提出空调电源系统的设计思路，确定空调电源系统 的实现方案。 2 、完成机车空调电源系统d c d c 部分设计，分析了系统主电路( b o o s t 电路结 构) 的工作原理，对升压储能电感的设计进行了分析，并对功率器件进行选型。完成 升压变换控制电路部分设计、调试，主要有p m w 脉冲发生电路、电压负反馈控制 电路等。 3 、完成机车空调电源系统d c a c 部分设计，确定逆变器主电路以及控制电路 的设计方案，主电路采用智能功率模块，根据实际条件对功率模块进行选型。本系 统选用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为逆变控制电路的核心芯片，完成逆变电路控制板的硬件电 路设计，并完成变频调速程序的编译和调试，实现对空调机组的控制。 4 、设计机车空调电源系统主控制电路和故障检测保护电路，分析了电源的电磁 干扰原因，并设计了相应的抗干扰措施，使电源系统的电磁兼容性能得到进一步提 高，增强了电源的稳定安全运行能力。 硕士学位论文 第二章机车空调电源系统方案设计 第二章机车空调电源系统方案设计 硕士学位论文第二章机车空调电源系统方案设计 转换效率：8 5 ( 测量时辅发输入电压为d c l l 0 v ，额定负载工况) 5 、起动方式：变频起动 6 、e m c 要求：符合e n 5 0 1 2 1 3 2 7 、散热器表面温升：2 0 ( 测量时辅发输入电压为d c l1 0 v ，额定负载工况) 8 、电源箱噪声：r l 为不连续状态 a i z , ：，为临界状态 委屯 5 k 9 2 的时，振荡频率为： l7 2 _ ，2 r r c 由u c 2 8 4 2 芯片的数据手册可知实测得到的r t 、c t 与振荡频率的关系图，如图 3 1 0 所示。 1 庭 u j l 毒1 0 一 澄肇彭筹g g 参 3l 1 0 01k1 0k1 0 0k 1m f 一振荡器频率 图3 - 1 0 定时电阻与振荡器频率关系图 本次设计中开关器件的开关频率设定为1 0 k h z ，因此实际电路中取r - r = 1 7 k f z ， c 却0 1 l a f 2 5 v 。 2 、启动电路 该芯片内部集成了过压保护电路和欠压锁定电路，使输出端被驱动之前，集成 硕士学位论文第三章机车空调电源系统d c d c 部分的设计 电路己可以开始工作。在v 与地之间接有一个3 4 v 齐纳二极管作为并联稳压管。 当工作电压v 过小时，输出欠压锁定；当工作电压v 高于3 4 v 时，稳压管稳压， 使输出电路在小于3 4 v 下可靠工作。 u c 2 8 4 2 的启动电路如图3 8 所示，7 脚是电源输入端，启动电压为1 6 v ，启动 电流约为l m a ；启动后，正常工作电压为1 2 v - - 2 5 v ，- i - 作电流为3 0 m a 。当电路上 电工作时，对电容c 2 进行充电，由c 2 为芯片提供初始的启动电压，由于稳压管z l 、 z 3 的作用，使电压稳定在1 7 6 v 。电路正常工作后由来自逆变器的d c l 5 v 电源供电。 3 、输出驱动 u c 2 8 4 2 采用图腾柱输出电路，可直接驱动大功率场效应管【3 i 】。i g b t 为电压驱 动器件，当栅极电压达到阈值电压后i g b t 即导通。为了快速地开通或关断i g b t ， 要正确选取驱动电阻，驱动电阻太大将延长驱动时间，太小容易导致异常振荡。在 图3 8 所示的电路中，r 9 为驱动电阻，限制峰值驱动电流。r 8 的作用是可以在i g b t 关断时提供释放回路，使其快速关断；同时也可以稳定栅极电压，避免关断时处于 浮接状态。 3 3 3 斜坡补偿 u c 2 8 4 2 是电流控制型器件，当电路的占空比d 大于5 0 时，电路容易出现不 稳定现象【3 2 】，主要原因为：( 1 ) 占空比大于5 0 时，电路容易产生次谐波振荡，设越。 为第n 次开通前电流干扰信号，m ，与m 2 分别为电流上升率和下降率，实线为稳定情 况，虚线为加入干扰后的情况，可以推出：第肘1 个开关周期电流变化量为 a 斛l = 一a 。( 所2 m 1 ) ，当m 2 m l 时，即d o 5 时，干扰会在下一个周期增大，引起 不稳定或性能下降，其原理如图3 1 1 所示；( 2 ) 占空比大于5 0 时，电流的上升率小 于下降率，平缓的上升率使电感电流出现一个干扰会被放大，最终造成电路不稳定。 所以占空比大于5 0 时，必须进行斜坡补偿来改善其工作性能1 3 引。 a 图3 - 1 1 电流控制中的次谐波振荡 斜坡补偿可采用以下两种方法f 3 4 1 ： ( 1 ) 误差电压以处的斜坡补偿 若在以处进行斜坡补偿，能有效地防止发生次谐波振荡，原理图如图3 1 2 ( a ) 所示。补偿斜坡的斜率m 等于或略大于m 2 2 ，这时, 5 1 川= - a i 。( 聊2 一m ) ( m l m ) ， 硕十学位论文 第三章机车空调电源系统d c d c 部分的设计 在接下来的周期电流干扰将减小为零，系统以真正的电流模式运行，充分发挥电流 模式优越性。具体实现电路如图3 1 2 ( b ) f f i 示，在外接定时电阻、电容端( 4 脚) 和误差 放大器反相输入端( 2 脚) 之间接入电阻飚l ，把振荡器输出的锯齿波添加到误差放大 器的反相输入端，从而进行玩处的补偿斜坡。 缱， r 册卜荩卜 一确求 耻至伊uc2842i 。 ( b ) 图3 1 2 以处斜坡补偿 ( 2 ) 采样电压以处的斜坡补偿 当占空比大于5 0 时，电流采样电阻电流上升率平缓，稍有扰动，就会造成 误触发。加一个补偿斜坡到采样电压以处，便可提高电路的可靠性，其原理如图 3 1 3 ( a ) 所示。具体实现电路如图3 1 3 ( b ) 、( c ) 所示，图3 1 3 ( b ) 中从外接定时电阻、电 容端直接接一电阻到电流检测端，图3 1 3 ( c ) d ? 接入射极跟随器以减小外接定时电阻、 电容端输出阻抗。 2 7 硕士学位论文第二章机车空调电源系统d c d c 部分的设计 徽、以 荡器波形y y 蛳 盏 ( a ) 崭 v r e r r - r c - r 曝 百上r 陟比较饥米 t l u c 2 8 4 2 l 斜坡补偿后采样 信号波形 ：慝 v a e r r t c t 瞪 肓上r 口甩况米_ l 比较髻 j l 一 u c 2 8 4 2 图3 - 1 3 以处斜坡补偿 ( c ) 芯片电源端v 。的高频信号和参考电源v r e f 的高频叠加信号也可能引起电路工 作不稳定，可以在7 、8 两脚分别接一旁路瓷介电容到地。同时在布线时要特别注意， 不能介入电感成分，以免产生扰动，使电路工作不稳定；定时电容c t 、接入7 脚和 8 脚的旁路电容必须与芯片的接地端5 脚连接后再单点接地。 3 3 4 反馈回路设计 u c 2 8 4 2 是电流控制型p w m 控制器，可以构成电压电流双闭环控制，外环为电 压控制环，内环为电流控制环。电压外环由分压电阻采样输出电压，通过光耦隔离 后反馈到u c 2 8 4 2 的2 脚，即误差放大器的反相输入端。电流内环由霍尔电流传感 器采样电感峰值电流的变化并输入到电流取样比较器的输入端。因此，不管电压变 化还是电流变化，都会改变p w m 输出脉冲占空比。这种控制方式可提高系统的瞬 态响应速度，改善系统的电压调整率，增加系统的稳定性【3 5 。 为了使直流升压电路输出的d c 6 0 0 v 保持稳定，在电路中可以加入电压反馈回 路，当直流变换输出电压低于d c 6 0 0 v 时增加p w m 驱动脉冲的占空比，当输出电 压高于d c 6 0 0 v 时降低p w m 驱动脉冲的占空比。u c 2 8 4 2 芯片已经具有电压反馈控 制功能，但直接通过电阻分压、取样，将输出电压信号直接反馈到u c 2 8 4 2 电压反 馈输入端，无法有效实现所期望的控制要求。 在反馈控制系统实际应用中，通常采用串联校j 下方案，目前主要有比例积分( p i ) 、 比例微分( p d ) 和比例积分微分( p i d ) 三种调节器f 3 6 】【3 ，各自的特点如下：p i 调节器能 2 8 硕十学位论文 第三章机车空调电源系统d c d c 部分的设计 实现滞后校正，可以保证稳态精度，但系统快速响应性受到了限制；p d 调节器能实 现超前校正，可做到快速响应，但可能会影响稳态精度；p i d 调节器可以做到超前 滞后校正，可以使控制系统的整体性能得到极大改善，但是它的控制线路和调试比 较复杂1 3 8 1 。 在机车空调电源的设计中，主要是考虑电源在复杂条件下的稳定性，不需要很 高的快速反应能力，因此本设计中只选用了p i 调节器。因为芯片u c 2 8 4 2 自带有运 放，因此在反馈回路设计中在u c 2 8 4 2 的外围增加了一些元件，构成比例积分( p i ) 调 节回路 3 9 1 1 4 0 1 ，达到设计要求，电压反馈回路的电路图如下图所示。 v 延一 v 舯 带： v 脯 g 粕 图3 - 1 4 电压闭环控制电路 为了将主电路和控制电路进行隔离，选用了隔离运算放大器u l ，该芯片同时也 对输出电压反馈信号进行放大，隔离后的电压信号再通过运放u 2 进行放大，最后输 入到u c 2 8 4 2 的电压反馈输入端，从而调节u c 2 8 4 2 的输出p w m 驱动脉宽，控制功 率器件的开关时刻，调整了直流变换输出电压值，实现稳压功能。具体稳压过程如 下：当输出d c 6 0 0 v 减小时，输出电压反馈信号也减小，隔离运放u l 的输出端的电 压信号也随之减小，因此u c 2 8 4 2 反馈电压输入端的输入值也减小，因为u c 2 8 4 2 芯片采用的是负反馈设计，因此u c 2 8 4 2 输出的p w m 脉宽将增加，从而使直流输出 电压保持在d c 6 0 0 v 。同理，当输出d c 6 0 0 v 增大时，u c 2 8 4 2 输出的p w m 脉宽将 减小，同样使直流输出电压稳定在d c 6 0 0 v 。 3 4 升压电路试验波形 带负载运行时，升压电感的电流波形如图3 1 5 所示，电感电流连续工作。 硕十学位论文第三章机车空调电源系统d c d c 部分的设计 3 5 本章小结 图3 一1 5 升压电感的电流波形 本章介绍了d c d c 变换电路具体实现方案，包括升压斩波主电路、主要元器件 的设计与选型、升压斩波控制电路、输出电压反馈回路等电路，分析了它们的工作 原理、电路结构和调试方法，并详细介绍了p w m 脉宽调制器芯片u c 2 8 4 2 的特点和 使用。 硕十学位论文第四章机车空调电源系统d c a c 部分的设计 第四章机车空调电源系统d c a c 部分的设计 4 1 逆变电路总体设计 逆变电路的作用是把升压斩波电路输出的d c 6 0 0 v 逆变成频率电压可变的三相 交流电，提供给机车空调室外风机、室内风机及压缩机工作。空调电源d c a c 部分 的总体框图如图4 1 所示，分为主电路与控制电路两部分。主电路由升压斩波电路提 供直流电压，用输出滤波电容进行滤波后，再用三相逆变电路进行逆变，将逆变输 出的三相交流电用输出滤波器再滤波，最后通过接触器和连接器接入到空调机组的 电源输入端，为机车空调机组工作提供电能。控制电路包括以d s p 为核心的控制模 块、光耦隔离驱动模块、电压电流检测模块、显示模块和通信模块。 接 升 压 电 路 图4 - 1 逆变电路总体框图 由图4 _ 1 可以发现，d s p 采样输入直流电压值，并判断是否过压；采样输出各 相电流值，并判断电流是否平衡。由程序生成的s p w m 驱动信号用光耦进行隔离， 输入到i p m 的驱动电路，以控制逆变电路中i g b t 的开通与关断。而且，d s p 检测 变频调速系统的运行情况，还可通过l c d 显示当前电路各参数。当电路出现过压、 过流、短路、过热等异常情况时，d s p 将关断s p w m 输出信号，以保护电路不受损 坏，并利用指示灯进行显示。d s p 可利用r s 2 3 2 接口与上位机进行系统参数传递。 4 2d c a c 逆变电路的设计 本次设计中，空调电源的额定功率为5 k w ，由于空调机组是三相负载，逆变电 路采用三相桥式逆变电路，如图4 2 所示。由于在机车上机车空调电源的安装空间比 3 l 硕士学位论文第四章机车空调电源系统d c a c 部分的设计 较小，而且机车运行过程中的高温、高振动等恶劣条件，要求机车空调电源结构稳 定、系统的可靠性高。因此逆变电路采用s p w m 控制方式，功率开关器件选用智能 功率模块i p m l 4 。机车空调电源的逆变电路选用i p m 模块，简化了驱动电路和保护 电路的设计，调试也比较方便，减少了机车空调电源的研制时间。 葬 奄 路 图4 - 2d c - a c 主电路 4 2 1 智能功率模块i p m 的特点 i p m 是一种混合集成智能功率器件，将外围电路置于器件内部，包括高速、低 功耗的i g b t 芯片、优化的栅极驱动及欠压、过流、短路和过热保护电路，具有应用 简便、可靠性高的特点，既减小了系统的体积，减少了开发时间，也大大提高了电 路的可靠性，m m 己广泛应用在逆变器、u p s 及e p s 系统和伺服控制器等装置。 由于i p m 内部已有驱动和保护电路，使硬件电路设计简单、可靠，也使电源系 统的自我保护性能得到了很大提高。和一般i g b t 比较，口m 在可靠性以及整体性能 等方面都得到很大的提升。当i p m 模块中某一保护电路动作，i g b t 栅极驱动电路就 会关闭栅极驱动并输出一个故障信号【4 2 1 。i p m 内置的保护功能有：控制电压欠压锁 定、过热保护、过流保护、短路保护。 4 2 2i p m 模块的选择 在选取机车空调电源逆变电路i p m 模块时，需要在器件的额定值和正常工作值 之间留有一定的裕量，以确保器件能安全可靠地工作。 1 、额定电压值 在实际使用时，额定电压值可以参照以下的计算公式来选择，一般情况下，也 可参考稍大于直流侧电压的两倍来选择1 2 n 。 u 哪= 2 u 。+ 浪涌电压+ 再生电压增量( u ) + 裕量 ( 4 一1 ) 上式中：u c e s 是栅极发射极短路时，允许的集电极一发射极断态最大电压。 机车空调电源逆变电路的直流侧电压为6 0 0 v ，因为b o o s t 升压斩波电路的稳压 3 2 硕+ 学位论文第四章机车空调电源系统d c a c 部分的设计 作用，使直流侧电压保持稳定。因此，i p m 额定电压值选取为直流侧电压6 0 0 v 的两 倍，即1 2 0 0 v 。 2 、额定电流值 i p m 的集电极峰值电流i c m 要限定在安全工作区内，由于空调电源输出的三路三 相交流电分别提供给空调机组的压缩机、室内风机、室外风机使用，其中压缩机的 功率最大，对i p m 的要求最高，因此i c m 可以根据压缩机电机最大峰值电流来选择。 压缩机的最大峰值电流可以根据以下公式来计算： =糍1-1, ( 4 2 ) 玎q3 y r ， 式中：p 为电机功率，o l 为逆变电路最大过载系数，r 为电流脉动系数，r l 为 电机效率，p f 为电机功率因数，c 为交流线电压。 可是o l 、r 、，7 等参数不容易确定，在实际应用时，也可以根据机车空调电源 逆变电路的工作电流来选择。机车空调在正常工作条件下运行时，测得其压缩机电 流为9 5 a 左右。按照设计规定，机车空调电源的输入过压和欠压故障消除后，能实 现立即重启空调机组，在起动过程中，制冷回路中高低压不平衡，压缩机的电流是 额定工作电流的数倍。此外，还需考虑机车的特殊环境，在夏天时，内燃机车内部 温度很高，空调电源安装在机车电器室内，安装空间狭小，散热条件差。考虑到以 上情况，i p m 模块的额定集电极电流选择为5 0 a ，同时采用风扇对i p m 的散热器进 行强迫风冷。 综合上述情况，根据实际技术条件，选用三菱的i p m 模块p m 5 0 r s a l 2 0 ，该模 块的耐压值为1 2 0 0 v ，额定电流是5 0 a ，模块内部有7 个i g b t ，可组成三相全桥逆 变电路和直流制动电路。p m 5 0 r s a l 2 0 结构原理图如图4 3 所示。 善萎；爹考萋萎萋萋霎妻妻量萋 决w 模 o2asn n 3 o 3 5 h 眦3 4 图 硕十学位论文 第四章机车空调电源系统d c a c 部分的设计 4 3 控制电路的设计 4 3 1d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的特点 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司最新研制的3 2 位定点d s p 芯片，是目前控制领域最先 进的处理器之一，其工作频率高达1 5 0 m h z ，大大提高了控制系统的控制精度和芯片 的处理能力。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片基于c c + + 的高效3 2 位t m s 3 2 0 c 2 8 xd s p 内核， 并提供浮点数学函数库，从而可以在定点处理器上方便地进行浮点运算。该d s p 芯 片在高精度伺服控制、变频电源、u p s 电源等领域得到了广泛应用。它的主要特点 有【4 3 】【4 4 1 ： ( 1 ) 高性能3 2 位c p u ：1 6 x 1 6 位和3 2 x 3 2 位的乘法累加操作；1 6 x 1 6 位的双乘 法累加器；哈佛总线结构；快速中断响应和处理能力；统一寻址模式；4 m b 的程序 数据寻址空间；高效的代码转换功能( 支持c 和汇编) ；与1 m s 3 2 0 f 2 4 虮f 2 4 0 ) 【系列 d s p 代码兼容。 ( 2 ) 片上存储器：1 2 8 k 1 6 位的f l a s h 存储器；1 k 1 6 位的o t p r o m ；共1 8 k x l 6