DC1500V架線車用高壓逆變器的研制

賈 云,郭愛軍

(神東煤炭集團(tuán),陜西 神木 719315)

現(xiàn)階段,全國的各大煤礦系統(tǒng)井下運(yùn)輸以及軍民兩用的特種車輛基本上都是用電機(jī)車,對(duì)于煤礦系統(tǒng)來說,這里的電機(jī)車主要指那些窄彎道電力機(jī)車,其在煤礦的運(yùn)輸過程中發(fā)揮著很大的作用,窄彎道電力機(jī)車是煤礦井下作業(yè)運(yùn)輸物資、人員、機(jī)械設(shè)備的重要工具[1],而一般的電力機(jī)車是架線式的,對(duì)于井下這種特殊的機(jī)車,母線直流側(cè)1 500 V,為了給控制系統(tǒng)提供合適的電源,需要將直流側(cè)進(jìn)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(yīng)用對(duì)象,進(jìn)行了高壓逆變器的設(shè)計(jì)研究,并將其應(yīng)用于煤礦井下架線車的電控系統(tǒng),通過實(shí)際的操作運(yùn)行,驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)逆變器的可靠性。

1 高壓逆變器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 逆變器主體框架

圖1所示為高壓逆變器的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(hù)電路、PWM信號(hào)的產(chǎn)生及驅(qū)動(dòng)電路以及控制芯片等部分。

圖1 Inverter整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(guān)管選用MOSFET,且采用串聯(lián)分壓的方式,不僅選型容易,而且開關(guān)管在實(shí)際斬波中損耗小,有助于提高整機(jī)效率。

圖2的U1為直流母線電壓1 500 V,在經(jīng)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(guān)器件,D1-D4二極管分別與功率開關(guān)管S3-S6并聯(lián),起到承受負(fù)載反相電流的作用,即通過續(xù)流來保護(hù)功率開關(guān)器件。而電容C5-C8、二極管D5-D8、電阻R3-R6用來吸收功率開關(guān)管在關(guān)斷過程中產(chǎn)生的電壓能量,同時(shí)減少管子的關(guān)斷損耗,避免在關(guān)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(guān)器件的開關(guān)頻率(占空比),就可以得到脈寬可調(diào)的矩形波交流電壓[2],然后經(jīng)過濾波處理得到單相交流電壓給系統(tǒng)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(shè)計(jì)

2.1 DSP控制器

為了能夠使整個(gè)高壓逆變系統(tǒng)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(shí),DSP一方面定時(shí)采集實(shí)際負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電流電壓值,通過A/D轉(zhuǎn)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(jī)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(jù),通過串口實(shí)時(shí)傳遞給上位機(jī)。如果遇到短路、過溫、過壓、過流等故障,能夠及時(shí)的將故障信息傳遞給上位機(jī),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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序主要包括主程序、定時(shí)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(shí)中斷子程序。主程序流程圖如圖3所示,定時(shí)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(jìn)行各個(gè)模塊的初始化、系統(tǒng)參數(shù)的初始化以及定時(shí)器的初始化等工作,而圖4定時(shí)器中斷中,主要進(jìn)行電壓電流的采樣、檢測(cè),并作為系統(tǒng)閉環(huán)輸出PWM波的依據(jù),同時(shí)進(jìn)行故障、短路等信息的處理。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

實(shí)驗(yàn)的條件:煤礦井下架線車,高壓直流側(cè)輸入電壓1 500 V。

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果:圖5為逆變器PWM輸出波形,圖6為逆變器輸出波形經(jīng)濾波后得到的單相交流電波形與實(shí)際的交流220 V電壓的對(duì)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(shí)際的單相交流電(藍(lán)色波形)相符。

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

圖4 定時(shí)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(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,驗(yàn)證了本文所研制的高壓逆變器的可靠性,并且有以下優(yōu)勢(shì):

1)能夠輸出純正弦波,具有較好的負(fù)載特性以及較好的短路保護(hù)和過溫保護(hù)功能。

2)輸入輸出隔離,并且有著良好的絕緣標(biāo)準(zhǔn)特性,非常適合應(yīng)用于煤礦井下這種特殊的環(huán)境。

3)轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%以上。

4)高頻斬波開關(guān)管采用雙管并聯(lián)的方式,降低了開關(guān)管承受的電壓,而且具備開關(guān)損耗減小,能夠提高整機(jī)的效率的特點(diǎn),進(jìn)而可以提高架線車系統(tǒng)整體的可靠性。