城轨车辆用静止逆变电源装置设计研究

城轨车辆用静止逆变电源装置设计研究

摘要:介绍了城市轨道电动车辆用静止辅助逆变电源装置的设计研究,静止逆变电源装置给城道车辆控制及辅助用电设备提供稳定的三相、单相交流和直流电源。该装置电路由主电路和控制电路两部分构成。对主电路构成、特点和工作原理进行了论述。主电路为斩波降压逆变型电路结构,主电路斩波器和逆变器选择用性能优良的电压控制型大功率电力电子器件IGBT模块作为功率开关。控制电路的核心为微机控制系统,其中CPU采用80C196KC 16位单片机,描述了控制系统电路设计及控制电路框图,控制系统软件流程及软件保护功能。给出了静止逆变电源装置主要电气性能试验内容及试验结果。实际应用表明该装置运行稳定、可靠,可完全满足城轨车辆运行的要求,具有广阔的市场应用前景。

关键词:静止逆变电源IGBT模块微机控制城轨车辆

Abstract:This paper presents design and research of a statical inverter equipmemt used in city vehicle,Statical inverter equipmemt supply stable three phase \single phase AC power & DC power for control and auxiliary electric devices of city vehicl,The equipmemt circuit is comprised of main circuit and control circuit．Discusses main circuit structure,properties and work principle．Main circuit structure is chopper and inverter circuit type,IGBT module - voltage control type power electronic devices of having fine properties are used for power switch in

chopper circuit and inverter circuit．Microprocessor-control system is the core of control circuit that use 16bits single-chip 80C196KC as CPU．Describes control system circuit design and control circuit diagram,also control system program flow diagram and software protection functions．The paper is given electrical properties test contents and results of the statical inverter equipmemt．The practical application shows that the operation of the equipmemt is stable,reliable and it can completely meet city vehicle operation requirements,possess wide market application vistas．

Keywords:statical inverter、IGBT module、microprocessor-control、city vehicle

以前,城市轨道电动车辆使用直流电动机—交流发电机组提供交流电源,但车辆机组供电存在着噪声和振动较大、日常运行中出现故障难于维修等问题。随着电力电子技术和微电子控制技术的快速发展,开始研究使用静止逆变电源装置替代电动—发电机组为车辆供电。先期开发的静止逆变电源装置采用GTO等作为斩波及逆变的功率开关元件。GTO是一种电流控制型器件,且开关速度不高,在高频下很难操作,因此用GTO作为逆变器功率器件,存在驱动控制功率大、逆变器噪声大、体积大等问题。随着性能优异大功率电力电子器件IGBT(电压控制型器件,驱动控制功率小,开关速度高)的研制成功,IGBT的应用迅速发展,车辆静止逆变电源装置使用IGBT作为功率器件已是大势所

趋。

1 概述

静止辅助逆变电源装置(SIV)设计研究的目的是为城市轨道电动车辆(地铁车辆、轻轨车、有轨电车等)控制及辅助用电设备提供稳定的电源,用技术先进、性能优良的IGBT静止逆变电源装置替代传统的直流电动—发电机组以及难于控制的GTO逆变电源装置。本文论述的装置为车辆电控系统提供低压110VDC控制电源;为车辆空调系统、采暖、照明、通风等提供三相380V AC或单相AC220V AC电源。IGBT 属于电压控制型器件,控制功率非常小,开关速度快、工作效率高。由于采用IGBT作为功率开关元件,因此装置具有电路元件少、线路简单、无换流电路、效率高、噪声低等优点,而且装置整体体积小,重量轻,可靠性高。

2 静止逆变电源装置电路

静止逆变电源装置电路结构分主电路和控制电路两部分。

2.1 主电路

2.1.1 主电路构成

静止逆变电源装置主电路构成如图1所示,采用斩波降压逆变型

电路结构。主电路由电网电源接入电路,预充电电路、直流输入滤波电路、直流输入斩波电路、直流输出滤波电路、逆变电路、交流输出滤波电路、交流升压电路及输出110VDC的降压整流电路所组成。主电路输入额定直流电压为750VDC(波动范围500V～900V),斩波电路及逆变电路功率开关主元件采用IGBT全控型功率器件模块。

此主电路具有(1)三相逆变器输出电压不受输入电网电压波动的影响,斩波器的闭环控制可以保持逆变器输入电压的恒定;(2)逆变器输入电压恒定,通过CVCF控制,可保证逆变器输出稳定的脉宽调制电压,谐波含量小;(3)隔离变压器的使用实现了电网输入与输出负载之间的电气隔离等特点。

2.1.2 主电路工作原理

直流接触器KM1接入牵引网络直流电压,在车辆停车或本装置故障时断开,正常时闭合;KM2、R1组成上电缓充电电路,避免装置启动时电流过大,并防止在滤波电容上产生过电压;R2、L1、C1组成输入滤波器,防止对电网产生高频干扰。斩波型IGBT模块VT10形成斩波电路,L2、C3组成斩波输出平波电路,将输入直流电压通过斩波、平波电路,使输出电压保持稳定;VT11、VT12、VT13三个两个单元IGBT 模块组成三相正弦波逆变电路,采用高频SPWM调制方法,形成三相交流输出。L3-1、L3-2、L3-3、C7、C8、C9组成交流滤波电路,将SPWM 高次谐波滤掉,使输出电压、电流波形更接近50Hz正弦波;TB1为隔离变压器,其作用为输入输出隔离,并将输入交流电压升压至交流