基于DSP的鐵路客車輔助電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言
　　
隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路客車在確保安全的前提下，如何利于環(huán)保，提高客車服務(wù)質(zhì)量也越來越引起人們的關(guān)注。旅客列車的主要輔助設(shè)備有空調(diào)系統(tǒng)、影視系統(tǒng)及車內(nèi)照明等，這些裝置的配備能改善乘車環(huán)境，使旅途更加舒適。
　　
目前，我國電氣化鐵路旅客列車輔助電源系統(tǒng)大都采用DC 600V供電制式，即機(jī)車通過受電弓從高架線上輸入25 kV交流電，經(jīng)過變壓器降壓后再整流為DC600V，采用母線方式提供給各節(jié)車廂。本文介紹的輔助電源系統(tǒng)就適用于DC 600V供電制式的空調(diào)客車以及具有相應(yīng)供電制式的動(dòng)車組。其主電路采用高頻變壓器使輸出與輸入600V母線隔離，其控制芯片采用了先進(jìn)的DSP控制器。系統(tǒng)中的DC／DC變換器采用兩級(jí)轉(zhuǎn)換，前級(jí)采用Boost變換器控制系統(tǒng)的輸出，后級(jí)采用諧振開關(guān)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)控制、自保護(hù)、自診斷、自恢復(fù)、CAN、RS485／232通訊等功能。系統(tǒng)對(duì)短路、過壓、欠壓、過流、過熱、接地等故障具有功能強(qiáng)大的診斷系統(tǒng)，從而提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時(shí)也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。
　　
l 基于DSP的機(jī)車輔助電源系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
　　
1.l 主電路
　　
主電路由一個(gè)DC／DC變換器和一個(gè)三相逆變器構(gòu)成。DC／DC變換器采用了帶高頻變壓器的充電技術(shù)，一路輸出直接給蓄電池充電，另一路輸出600 V供給三相逆變器。三相逆變器采用的是空間矢量逆變技術(shù)。系統(tǒng)主電路如圖l所示。
　　
l.2控制電路結(jié)構(gòu)
　　
控制電源由DC llOV電源供電，通過系統(tǒng)內(nèi)部的電源模塊將DC llOV分別變換為DC 24 V，DC±15V，DC 5 V，為控制芯片提供5V電源，為測(cè)量系統(tǒng)提供±15V電源，為驅(qū)動(dòng)電路提供24V電源。系統(tǒng)工作時(shí)DSP，根據(jù)采集到的輸入電壓、電流、輸出電壓、電流、散熱器溫度以及頻率設(shè)定自動(dòng)選擇工作模式進(jìn)行工作，控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
　　
1.3 系統(tǒng)工作原理及軟件說明
　　
l.3.1 DC／DC模塊的工作原理
　　
DC／DC模塊由3部分組成，分別為升壓電路，諧振電路和整流電路。在系統(tǒng)啟動(dòng)階段，S1、S2的占空比保持在50％，系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的蓄電池充電電流和電池電壓逐步調(diào)整S3、S4的占空比，使輸出到蓄電池上的電壓穩(wěn)定在設(shè)定值(一般為DC 120 V)。啟動(dòng)結(jié)束后，系統(tǒng)將固定S3、S4的占空比，并根據(jù)蓄電池充電電流和蓄電池電壓、600 V輸入電壓、蓄電池溫度補(bǔ)償特性等動(dòng)態(tài)地調(diào)整S1、S2的占空比，使蓄電池的電壓嚴(yán)格符合充電特性曲線。充電特性曲線由蓄電池廠家提供，不同廠家要求的充電特性曲線不盡相同。DC／DC模塊程序流程簡(jiǎn)圖如圖4所示。
　　
1.3.2 三相逆變器的工作原理
　　
三相逆變器電路圖如圖l所示。其輸入600V由DC／DC模塊提供，由于DC／DC變換器緩慢啟動(dòng)，其輸出電壓也是緩慢上升，所以逆變器輸入電壓(變壓器輸出整流后)也緩慢上升，因此該三相逆變器節(jié)省了傳統(tǒng)逆變器前級(jí)預(yù)充電電路。在系統(tǒng)工作時(shí)，逆變器檢測(cè)到DC 600 V輸入大于等于600V時(shí)，三相逆變器根據(jù)系統(tǒng)輸出模式要求(模式?jīng)Q定電壓和頻率)啟動(dòng)三相逆變器，輸出三相380 V供給客車空調(diào)。三相逆變器根據(jù)DC／DC直流電壓輸入值，采用空間矢量的方式對(duì)600V直流進(jìn)行逆變?？臻g矢量逆變方式的電壓利用率最高。三相逆變器的簡(jiǎn)明程序流程如圖5所示。
　　
2 試驗(yàn)與改進(jìn)
　　
在進(jìn)行實(shí)際裝車試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)與機(jī)車DC600V整流電源不相匹配，從而在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)引起600 V干線電壓和電流的波動(dòng)，影響了輔助電源系統(tǒng)的正常運(yùn)行。試驗(yàn)波形如圖6所示。
　　
圖6中，縱坐標(biāo)200V／diV，橫坐標(biāo)50ms／div。上面的曲線為輔助電源啟動(dòng)時(shí)，DC600V母線電壓的波形，波動(dòng)幅度超過了200V，波動(dòng)頻率約在6Hz。下面的曲線為DC 600V母線電流的波形，波動(dòng)幅度將近40A。并且電壓、電流波形的相位差接近90°，即輔助電源系統(tǒng)表現(xiàn)出的功率因數(shù)很低。這樣的波動(dòng)使母線電壓瞬間超過了輔助電源系統(tǒng)的過壓值和欠壓值，設(shè)備進(jìn)行保護(hù)從而無法正常工作。分析原因，一方面機(jī)車DC600V整流電源冗余量不夠，各節(jié)車廂設(shè)備同時(shí)啟動(dòng)時(shí)的電流較大，造成DC600V電壓波動(dòng)，另一方面，輔助電源的功率因數(shù)較低，也影響了DC 600V電源的利用率。
　　
針對(duì)這種情況，對(duì)機(jī)車DC600V整流電源進(jìn)行了改造，并對(duì)輔助電源系統(tǒng)的控制部分也進(jìn)行了改造，在軟件中加入了PFC(功率因數(shù)校正)控制，使系統(tǒng)呈現(xiàn)出阻性負(fù)載的特征，即運(yùn)行中DC600V電壓和電流幾乎同相位，波動(dòng)控制在允許的范圍之內(nèi)，系統(tǒng)的啟動(dòng)和運(yùn)行有了根本的好轉(zhuǎn)。改進(jìn)后的輸入電壓、電流波形如圖7所示。
　　
3 結(jié)語
　　
本系統(tǒng)為我公司與德國SMA公司聯(lián)合開發(fā)研制的新型DC600V客車輔助電源系統(tǒng)，已在鄭州鐵路局武昌車輛段，武昌-西安、漢口-深圳的客運(yùn)列車上使用，目前運(yùn)行狀況良好。