基于DSP的鐵路客車(chē)輔助電源系統的設計

引言
　　
隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展，鐵路客車(chē)在確保安全的前提下，如何利于環(huán)保，提高客車(chē)服務(wù)質(zhì)量也越來(lái)越引起人們的關(guān)注。旅客列車(chē)的主要輔助設備有空調系統、影視系統及車(chē)內照明等，這些裝置的配備能改善乘車(chē)環(huán)境，使旅途更加舒適。
　　
目前，我國電氣化鐵路旅客列車(chē)輔助電源系統大都采用DC 600V供電制式，即機車(chē)通過(guò)受電弓從高架線(xiàn)上輸入25 kV交流電，經(jīng)過(guò)變壓器降壓后再整流為DC600V，采用母線(xiàn)方式提供給各節車(chē)廂。本文介紹的輔助電源系統就適用于DC 600V供電制式的空調客車(chē)以及具有相應供電制式的動(dòng)車(chē)組。其主電路采用高頻變壓器使輸出與輸入600V母線(xiàn)隔離，其控制芯片采用了先進(jìn)的DSP控制器。系統中的DC／DC變換器采用兩級轉換，前級采用Boost變換器控制系統的輸出，后級采用諧振開(kāi)關(guān)，提高了整個(gè)系統的效率。該系統具有實(shí)時(shí)控制、自保護、自診斷、自恢復、CAN、RS485／232通訊等功能。系統對短路、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱、接地等故障具有功能強大的診斷系統，從而提高了系統的安全性和可靠性，同時(shí)也增強了系統的可維護性。
　　
l 基于DSP的機車(chē)輔助電源系統軟硬件設計
　　
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)。系統主電路如圖l所示。
　　
l.2控制電路結構
　　
控制電源由DC llOV電源供電，通過(guò)系統內部的電源模塊將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，為測量系統提供±15V電源，為驅動(dòng)電路提供24V電源。系統工作時(shí)DSP，根據采集到的輸入電壓、電流、輸出電壓、電流、散熱器溫度以及頻率設定自動(dòng)選擇工作模式進(jìn)行工作，控制系統的電路結構如圖2所示。
　　
1.3 系統工作原理及軟件說(shuō)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。在系統啟動(dòng)階段，S1、S2的占空比保持在50％，系統根據檢測到的蓄電池充電電流和電池電壓逐步調整S3、S4的占空比，使輸出到蓄電池上的電壓穩定在設定值(一般為DC 120 V)。啟動(dòng)結束后，系統將固定S3、S4的占空比，并根據蓄電池充電電流和蓄電池電壓、600 V輸入電壓、蓄電池溫度補償特性等動(dòng)態(tài)地調整S1、S2的占空比，使蓄電池的電壓嚴格符合充電特性曲線(xiàn)。充電特性曲線(xiàn)由蓄電池廠(chǎng)家提供，不同廠(chǎng)家要求的充電特性曲線(xiàn)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省了傳統逆變器前級預充電電路。在系統工作時(shí)，逆變器檢測到DC 600 V輸入大于等于600V時(shí)，三相逆變器根據系統輸出模式要求(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(chē)空調。三相逆變器根據DC／DC直流電壓輸入值，采用空間矢量的方式對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 試驗與改進(jìn)
　　
在進(jìn)行實(shí)際裝車(chē)試驗時(shí)，發(fā)現系統與機車(chē)DC600V整流電源不相匹配，從而在設備啟動(dòng)時(shí)引起600 V干線(xiàn)電壓和電流的波動(dòng)，影響了輔助電源系統的正常運行。試驗波形如圖6所示。
　　
圖6中，縱坐標200V／diV，橫坐標50ms／div。上面的曲線(xiàn)為輔助電源啟動(dòng)時(shí)，DC600V母線(xiàn)電壓的波形，波動(dòng)幅度超過(guò)了200V，波動(dòng)頻率約在6Hz。下面的曲線(xiàn)為DC 600V母線(xiàn)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°，即輔助電源系統表現出的功率因數很低。這樣的波動(dòng)使母線(xiàn)電壓瞬間超過(guò)了輔助電源系統的過(guò)壓值和欠壓值，設備進(jìn)行保護從而無(wú)法正常工作。分析原因，一方面機車(chē)DC600V整流電源冗余量不夠，各節車(chē)廂設備同時(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較低，也影響了DC 600V電源的利用率。
　　
針對這種情況，對機車(chē)DC600V整流電源進(jìn)行了改造，并對輔助電源系統的控制部分也進(jìn)行了改造，在軟件中加入了PFC(功率因數校正)控制，使系統呈現出阻性負載的特征，即運行中DC600V電壓和電流幾乎同相位，波動(dòng)控制在允許的范圍之內，系統的啟動(dòng)和運行有了根本的好轉。改進(jìn)后的輸入電壓、電流波形如圖7所示。
　　
3 結語(yǔ)
　　
本系統為我公司與德國SMA公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)研制的新型DC600V客車(chē)輔助電源系統，已在鄭州鐵路局武昌車(chē)輛段，武昌-西安、漢口-深圳的客運列車(chē)上使用，目前運行狀況良好。