基于DSP的铁路客车辅助电源系统的设计

引言

随着国民经济的发展,铁路客车在确保安全的前提下,如何利于环保,提高客车服务质量也越来越引起人们的关注。旅客列车的主要辅助设备有空调系统、影视系统及车内照明等,这些装置的配备能改善乘车环境,使旅途更加舒适。

目前,我国电气化铁路旅客列车辅助电源系统大都采用DC 600V供电制式,即机车通过受电弓从高架线上输入25 kV交流电,经过变压器降压后再整流为DC600V,采用母线方式提供给各节车厢。本文介绍的辅助电源系统就适用于DC 600V供电制式的空调客车以及具有相应供电制式的动车组。其主电路采用高频变压器使输出与输入600V母线隔离,其控制芯片采用了先进的DSP控制器。系统中的DC/DC变换器采用两级转换,前级采用Boost变换器控制系统的输出,后级采用谐振开关,提高了整个系统的效率。该系统具有实时控制、自保护、自诊断、自恢复、CAN、RS485/232通讯等功能。系统对短路、过压、欠压、过流、过热、接地等故障具有功能强大的诊断系统,从而提高了系统的安全性和可靠性,同时也增强了系统的可维护性。

l 基于DSP的机车辅助电源系统软硬件设计

1.l 主电路

主电路由一个DC/DC变换器和一个三相逆变器构成。DC/DC变换器采用了带高频变压器的充电技术,一路输出直接给蓄电池充电,另一路输出600 V供给三相逆变器。三相逆变器采用的是空间矢量逆变技术。系统主电路如图l所示。

 

l.2控制电路结构

控制电源由DC llOV电源供电,通过系统内部的电源模块将DC llOV分别变换为DC 24 V,DC±15V,DC 5 V,为控制芯片提供5V电源,为测量系统提供±15V电源,为驱动电路提供24V电源。系统工作时DSP,根据采集到的输入电压、电流、输出电压、电流、散热器温度以及频率设定自动选择工作模式进行工作,控制系统的电路结构如图2所示。

 

1.3 系统工作原理及软件说明

l.3.1 DC/DC模块的工作原理

 

如图3所示,DC/DC模块由3部分组成,分别为升压电路,谐振电路和整流电路。在系统启动阶段,S1、S2的占空比保持在50%,系统根据检测到的蓄电池充电电流和电池电压逐步调整S3、S4的占空比,使输出到蓄电池上的电压稳定在设定值(一般为DC 120 V)。启动结束后,系统将固定S3、S4的占空比,并根据蓄电池充电电流和蓄电池电压、600 V输入电压、蓄电池温度补偿特性等动态地调整S1、S2的占空比,使蓄电池的电压严格符合充电特性曲线。充电特性曲线由蓄电池厂家提供,不同厂家要求的充电特性曲线不尽相同。DC/DC模块程序流程简图如图4所示。

 

1.3.2 三相逆变器的工作原理

三相逆变器电路图如图l所示。其输入600V由DC/DC模块提供,由于DC/DC变换器缓慢启动,其输出电压也是缓慢上升,所以逆变器输入电压(变压器输出整流后)也缓慢上升,因此该三相逆变器节省了传统逆变器前级预充电电路。在系统工作时,逆变器检测到DC 600 V输入大于等于600V时,三相逆变器根据系统输出模式要求(模式决定电压和频率)启动三相逆变器,输出三相380 V供给客车空调。三相逆变器根据DC/DC直流电压输入值,采用空间矢量的方式对600V直流进行逆变。空间矢量逆变方式的电压利用率最高。三相逆变器的简明程序流程如图5所示。

 

2 试验与改进

在进行实际装车试验时,发现系统与机车DC600V整流电源不相匹配,从而在设备启动时引起600 V干线电压和电流的波动,影响了辅助电源系统的正常运行。试验波形如图6所示。

 

图6中,纵坐标200V/diV,横坐标50ms/p。上面的曲线为辅助电源启动时,DC600V母线电压的波形,波动幅度超过了200V,波动频率约在6Hz。下面的曲线为DC 600V母线电流的波形,波动幅度将近40A。并且电压、电流波形的相位差接近90°,即辅助电源系统表现出的功率因数很低。这样的波动使母线电压瞬间超过了辅助电源系统的过压值和欠压值,设备进行保护从而无法正常工作。分析原因,一方面机车DC600V整流电源冗余量不够,各节车厢设备同时启动时的电流较大,造成DC600V电压波动,另一方面,辅助电源的功率因数较低,也影响了DC 600V电源的利用率。[!--empirenews.page--]

针对这种情况,对机车DC600V整流电源进行了改造,并对辅助电源系统的控制部分也进行了改造,在软件中加入了PFC(功率因数校正)控制,使系统呈现出阻性负载的特征,即运行中DC600V电压和电流几乎同相位,波动控制在允许的范围之内,系统的启动和运行有了根本的好转。改进后的输入电压、电流波形如图7所示。

 

3 结语

本系统为我公司与德国SMA公司联合开发研制的新型DC600V客车辅助电源系统,已在郑州铁路局武昌车辆段,武昌-西安、汉口-深圳的客运列车上使用,目前运行状况良好。