地铁紧急通风变频器的研制.pdf

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1、南京理工大学硕士学位论文地铁紧急通风变频器的研制姓名：张哲申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：董健年;胡文斌20080626硕士论文地铁紧急通风变频器的研制摘要在研究国内地铁列车通风系统的技术要求和变频调速技术的基础上，设计了一台地铁紧急通风变频器，用于在地铁供电故障时为密闭车厢进行通风和换气。主功率电路采用单级B o o s t 升压电路和电压型三相全桥逆变电路组合串联方案，选用I P M 模块6 M B l 5 0 1 2 0 作为逆变电路的开关器件，重点讨论了辅助电源电路、B o o s t升压电路、隔离驱动、保护电路等电路模块，分析了硬件设计中每一部分电路的硬件构成及功

2、能，计算了变压器、B o o s t 升压电路等模块的参数。设计了以A T 8 9 S 5 2 单片机和S A 8 2 8 1 三相S P W M 发生器为主要框架的系统控制电路，着重讨论了三相S P W M 波的生成、S P W M 波的死区设置和S P W M 波的变频输出等问题。针对恒频S P W M 控制变频器的输出电压谐波问题，优化设计了系统输出滤波器，较好的解决了紧急通风变频器的输出谐波问题。搭建了紧急通风变频器实验样机，测得并分析了紧急通风变频器的输出波形。关键词：变频器，地铁，紧急电源，S A 8 2 8 1，S P W MA b s t r a c t硕士论文A b s t

3、r a c tO nt h eb a s i so fs t u d y i n gd e m e s t i cv e n t i l a t i o ns y s t e mi nm e t r oa n dd e v e l o p m e n to fV V V Ft e c h n o l o g y,as u b w a ye m e r g e n c yv e n t i l a t i o nc o n v e r t e ri sd e s i g n e d，w h i c hi su s e df o rv e n t i l a t i o ni n s i d ec

4、 o m p a r t m e n tw h e nM T Rp o w e rs u p p l yf a i l u r e s T h em a i np o w e rc i r c u i tU S e St h es e r i e sc o m b i n a t i o no fas i n g l e s t a g eb o o s tc i r c u i ta n dv o l t a g et h r e e-p h a s ef u l l-b r i d g ei n v e n t e rc i r c u i t T h eI P Mm o d u l e6

5、 M B l 5 0-12 0i sa d o p t e da st h es w i t c h i n gd e v i c eo fi n v e r t e rc i r c u i t T h ec i r c u i tm o d u l e ss u c ha ss u p p o r t i n gp o w e rs u p p l ym o d u l e，B o o s tc i r c u i tm o d u l e，p r o t e c t i n gc i r c u i tm o d u l ea r ed i s c u s s e d，t h ec o

6、n s t r u c t i o na n df u n c t i o no fa l lt h ec i r c u i t sa r ea n a l y s e d T h ef e a t u r e so ft r a n s f o r l n e ra n dB o o s tc i r c u i ta l ec a l c u l a t e d T h es y s t e mc o n t r o lc i r c u i ti se s t a b l i s h e db yt h em a i nf r a m e w o r ki n c l u d i n

7、gS C MA T 8 9 S 5 2a n dt h r e e p h a s eS P W Mg e n e r a t o rS A 8 2 81 T h eg e n e r a t i o na n dd e a dt i m eo fS P W Mw a v ea r er e s e a r c h e d A i m i n ga tt h eo u t p u tv o l t a g eh a r m o n i c so fS P W Mc o n s t a n tf r e q u e n c yc o n v e r t e r,as y s t e mo u t

8、 p u tf i l t e ri sd e s i g n e d，t h eo u t p u th a r m o n i cp r o b l e mo fe m e r g e n c yv e n t i l a t i o nc o n v e r t e ri Sr e s o l v e d T h es p e c i m e mo ft h ee m e r g e n c yv e n t i l a t i o nc o n v e r t e ri sd e s i g n e d T h er e s u l t so fe x p e r i m e n ta

9、 r eg o ta n da n a l y s e d K e yw o r d s：c o n v e r t e r,m e t r o，e m e r g e n c yp o w e rs u p p l y，S A 8 2 81，S P W M学位论文独创性声明本学位论文是我个人在导师指导下进行研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含我为获得任何其它学位而使用过的材料。其他人员对本学位论文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名主兰竺关于本学位论文使用授权的声明南京理工大学

10、有权保留本学位论文的复印件和电子文档，有权送交给有资质的信息档案机构存档。除在保密期内的保密论文外，本论文允许被查阅和借阅，可以公布论文的全部或部分内容。上述事项授权南京理工大学研究生院办理。作者签名丝皇硕士论文地铁紧急通风变频器的研制1 绪论1 1 引言当地铁这种新型交通方式在1 9 世纪的英国伦敦刚出现时，人们除了好奇外，还认识到它的重要性，因为正是它的出现，缓解了伦敦交通堵塞的现象。在这之后，布达佩斯、波士顿、巴黎、纽约等发达城市都相继引进这种高效快捷的交通工具。到二十世纪末，地铁已经在英国、法国、德国、美国、俄罗斯、日本等2 0 多个国家发展成熟，在城市交通中担负着重要的交通运输任务【

11、。截至2 0 0 6 年，中国先后有北京、天津、上海、广州、大连、长春、武汉、深圳、重庆、南京1 0 个城市建成了轨道交通，有2 0 多条线路在运营，里程达5 0 0 k m。上海市与德国合作的3 0 k m 磁悬浮示范运营线已建成。目前包括北京、上海、广州轨道交通线路在内，在建的项目有2 0 余项【2 J。目前我国地铁的主要设备基本依靠进口，中国是地铁需求的大国，世界上最大的地铁市场，但不能买来城市地铁化、交通轨道化，必须走自力更生、自我发展、自我完善、自成体系、自我供给的发展民族工业的国产化道路。随着地铁交通的不断发展，地铁的安全性也引起了人们的普遍关注。地铁空间密闭，通道少，疏散条件差，

12、一旦发生火灾，热气、烟气难以排除，乘客的生命安全就会受到威胁。因此，做好通风排烟工作保证人员安全疏散尤为重要。地铁通风系统分为两类：第一类是通风和排烟同为一个系统，由风机、消音器、管道、风口等组成，一般隧道通风多采用这种方式；第二类是通风系统和排烟系统分开设置，各自成为独立的系统。这种方式造价昂贵，采用的较少。火灾、爆炸等灾害性事件发生，极有可能导致地铁供电系统的瘫痪。因此，配备一套紧急情况下维持车内通风的设备至关重要。论文中研究的是车载设备中的地铁紧急通风变频器。地铁紧急通风变频器的研制是我国地铁工业中车载设备自主研发的一次尝试，它的功能是在地铁供电出现故障的情况下，为密闭车厢通风、换气。这

13、套紧急通风设备不同于正常运行时车厢内的空调系统，它必须在仅有车载电池供电情况下，尽量高效、节能的工作，保障车厢内的空气流通。1 2 变频调速技术发展概况早在本世纪2 0 年代，人们就认识到变频调速是交流电动机的一种很好的调速方法。变频器在电机系统中运用非常广泛，大多数需要调速控制的地方，都可用变频器达到节能、环保、保护设备及提高自动化程度的目的，市场需求空间非常大。同时，对变频器l 绪论硕士论文进行理论分析和实验研究，内容涉及控制理论、电力电子技术、传感器技术和计算机技术等诸多学科，具有较为重要的理论意义和应用价值1 3，4】。异步电动机诞生于1 9 世纪8 0 年代，而变频调速技术发展到迅速

14、普及的实用阶段，却是在2 0 世纪8 0 年代，整整经历了一个世纪。由于电动机绕组中反电动势的大小是和频率成正比的，因此在改变频率的同时还必须改变电压，故变频器常简写成V V V F(V a r i a b l eV o l t a g eV a r i a b l eF r e q u e n c y)。V V V F 的实现，虽然不像逆变电路一样对于开关器件具有强烈的依赖性，但简化到足以推广普及的阶段，却是在2 0 世纪7 0 年代提出了正弦波脉宽调制技术(S P W M)并不断完善之后。1 9 7 1 年，德国西门子公司布莱施克(F B l a s c h k e)第一次提出矢量控带t

15、J(S V P W M)的原理。随后，德国不伦瑞克工业大学教授莱昂哈特(W L e o n h a r d)系统化了矢量控制理论，从而在理论上使得交流传动系统的静动态性能可与直流传动系统相媲美。矢量控制技术模仿直流电机的控制方式，以转子磁场定向，采用矢量变换的方法，实现了对交流电动机的转速和磁链控制的完全解耦。这一理论具有划时代的意义，然而实际上由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电机参数的影响较大，在模拟直流电动机控制过程中矢量旋转变换比较复杂，实际的控制效果难以达到理论分析的结果。因而矢量控制技术在实际应用上存在不足。1 9 8 5 年，德国鲁尔大学教授戴潘布洛克(D e p e n b

16、r o c k M)首次提出了直接转矩控制的理论，接着于1 9 8 7 年又把它推广到弱磁调速范围。直接转矩控制是一种更先进的控制技术，它在很大程度上克服了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电机参数变化影响、实际性能难以达到理论分析结果的缺点。采用这种控制技术的交流电气传动系统，静动态性能更好。直接转矩控制技术从一诞生，就以新颖的控制思路、简捷明了的系统结构、优良的静动态性能受到了人们的普遍关注，并随之得到迅速发展。实践中，直接转矩控制技术成功地用于兆瓦级交流电气传动电力机车上。随着变频器应用领域深度和广度的不断开拓，变频调速技术越来越清楚地展示它在一个国家国民经济中的重要性。现代控制理论和人工

17、智能技术在变频调速技术的应用和推广，将赋予它更强的生命力和更高的技术含量。1 3 国内外研究现状从整体上看我国电气传动系统制造技术水平较国际先进水平落后1 0 -1 5 年。在大功率交一交变频、无换向器电动机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，而且在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当大的差距。而这方面的产品在诸如大容量风机、压缩机和矿井卷扬机等方面有很大需求【5】。在中小功率技术方面，国内学者做了大量变频理论的基础研究。早在8 0 年代，已成功引入矢量控制的理论，针对交流电机具有多变量、强耦合、非线性的特点，采用了线性解耦和非线性解耦的方法，探讨交流硕士论文地铁紧急通风变频器的研

18、制电机变频调速的控制策略。进入9 0 年代，随着高性能单片机和数字信号处理的应用，国内学者紧跟国外最新控制策略，针对交流电机感应特点，采用高次谐波注入S P W M 和空间磁通矢量P W M 等方法，在实现无速度传感器交流变频调速系统的研究上作了有益的基础研究。在新型电力电子器件应用方面，由于G T R、G T O、I G B T、I P M 等全控器件的使用，使得中小功率的变流主电路大大简化。大功率S C R、G T O、I G B T、I G C T 等器件的并联、串联技术的应用，使高电压、大电流变频器产品的生产及应用成为现实。在控制器件方面，实现了从1 6 位单片机到3 2 位D S P

19、 的应用。国内学者一直致力于变频调速新型控制策略的研究，但由于半导体功率器件和D S P 等器件依赖进口，使得变频器的制造成本较高，无法形成产品与国外的知名品牌相抗衡。因此，国内交流变频调速技术产业状况表现如下：1)变频器控制策略的基础研究与国外差距不大；2)变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模；3)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白；4)相关配套产业及行业落后：5)产销量少，可靠性及工艺水平不高1 6 7 1。1 4 变频器的结构和功能1 4 1 一变频器的基本结构变频器的基本结构如图1 4 1 所示，它主要

20、由整流电路、直流中间电路、逆变电路及：控制电路等部分组成。交流直流交流UVW图1 4 1 变频器的基本结构图1 4 2 变频器各部分的功能1)整流电路整流电路的主要作用是对电网的交流电源进行整流后给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。l 绪论硕士论文2)直流中间电路虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流，但是这种电压或电流含有六倍电源频率的电压电流纹波。此外，变频器逆变电路也将影响直流电压或电流的质量。因此，为了保证逆变电路和控制电源能够得到较高质量的直流电流或电压，必须对整流电路的输出进行平滑，以减少电压或电流波动，这就是直流中间电路的作用。3)逆变电路逆变电路是变频

21、器最主要的部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下将直流中间电路输出的直流电压(电流)转换为具有所需频率的交流电压(电流)。逆变电路被用来实现对异步电动机的调速控制。4)控制电路控制电路的主要作用是根据事先确定的变频器控制方式，为主电路提供所需的驱动信号。此外，变频器的控制电路还包括对电压、电流进行检测的信号检测电路，为变频器和电动机提供保护的保护电路和对外接口电路。1 5 变频器的控制方法变频器的控制方法指的是针对频率、电压、磁通、电磁转矩等参数的控制方式。在通用变频器中，常用的控制模式方法有U f 控制模式、转差频率控制模式、矢量控制模式和直接转矩控制模式。1)U 啦制方式模式恒压频比控

22、制是异步电动机变频调速的最基本的控制方法，它同时控制电动机的电压频率和变频器的输出电压，从而使电动机磁通基本保持恒定I 引。由电机学公式可知，当电机电源频率饺化时，若电机感应电动势不随着变化，那么电机的磁通将会出现饱和或欠励磁。由于电机设计时电机的磁通常处于接近饱和值，磁通进一步增大会导致电机出现饱和，造成很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗：而当电机出现欠励磁时，将会影响电机的输出转矩。因此在改变电机频率耐应对电机电势E 进行控制，以维持磁通恒定，即保持E l f 比恒定。由于电机的电势检测比较困难，考虑到电机正常运行时电机的电压和电势近似相等，常通过控制U f 比恒定以保持磁通恒定。2

23、)转差频率控制模式【吼1 0 l转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在U 啦制的基础上按照异步电动机的实际转速对应电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈对频率和电流进行控制。因此这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。当转差频率4硕士论文地铁紧急通风变频器的研制较小时，在保持U f j I 亘定的基础上，异步电动机的转矩基本上与转差率s 成正比。这就意味着只要调节变频器的输出频率正，就可以使异步电机具有某一转差频率Z

24、，从而使异步电动机输出一定的转矩，达到控制异步电动机输出转矩的目的。3)矢量控制模式【l L1 2 1矢量控制技术源于电机的磁场定向控制。电机磁场定向控制的目的是通过坐标变换，将原来强耦合的三相交流电机系统转化为两相直流系统【6】，这样耦合性大大降低，在两相坐标系下采用直流电机的控制方式进行控制，其控制也变得相对简单。它以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用静止坐标系与旋转坐标系之间的变换，把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量独立开来，分别进行控制。这样，通过坐标变换重建的电机模型就可以等效为一台直流电机，从而可像直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制。目前在变频器中应用的矢量控制方式主

25、要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式。基于转差频率控制的矢量控制方式通过坐标变换对定子电流的相位进行控制，能够消除转矩电流过渡过程中造成的波动。基于无速度传感器的矢量控制方式是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电机绕组上的电压、电流来达到控制励磁电流和转矩电流的目的。4)直接转矩控制模式【l2】与矢量控制并行发展的还有直接转矩控制方式。它以异步电动机的转矩直接作为被控制量，强调转矩的直接控制效果，并不极力追求理想正弦波。它与矢量控制技术并行发展但又有所不同，避免了矢量控制中二次坐标变换及求模和相角的复杂计算，直接在静止坐标系(定子坐标系)上

26、借助三相定子电压和电流计算电机的转矩和励磁，并与给定转矩和励磁进行比较，通过对转矩的B a n g B a n g 控制，使转矩响应迅速完成且无超调。这种直接转矩控制方法，系统结构简单，对电机参数变化不敏感。1 6 论文研究的主要内容第一章研究我国地铁工业的发展状况和存在的问题，说明地铁紧急通风变频器的作用，并探讨变频调速技术的发展概况和变频器的基本知识。第二章研究地铁紧急通风变频器的总体方案设计，首先叙述它的应用背景和特点，其次给出紧急通风变频器的技术指标，探讨变频器的控制策略，最后设计紧急通风变频器的总体结构。阐述地铁紧急通风变频器的D C D C 升压部分、D C A C 逆变部分和控制

27、部分的功能，给出了紧急通风变频器的电气接口图。第三章研究系统的硬件部分，包括设计D C D C 升压电路、D C A C 逆变电路、辅助电源电路、隔离驱动电路、保护电路、电池电量检测电路等。同时，选择主要器件，如主控芯片、功率开关、驱动芯片等，计算变压器参数、D C D C 升压电路参数、输出滤波器5I 绪论硕士论文6参数。第四章研究系统的软件部分，设计系统软件总体及各部分的程序流程。采用A T 6 8 S 5 2 单片机控制三相S P W M 波发生器S A 8 2 8 1 生成S P W M 波。研究A T 6 8 S 5 2 的中断系统，S A 8 2 8 1 的工作原理、参数设置方式和

28、编程方式，为输出波形设置死区时间等。最后实现S P W M 波的变频输出。第五章进行实验验证。首先以模块为单位进行调试，测试电路功能。根据系统的技术指标设置S A 8 2 8 1 的参数，给出S A 8 2 8 1 输出的S P W M 波形和变频器输出电压、电流波形，分析实验结果。第六章对全文进行总结并对今后的工作进行展望。硕士论文地铁紧急通风变频器的研制2 紧急通风变频器总体方案设计2 1 紧急通风变频器的应用背景随着地面交通的日益拥挤，人们将目光转到了地下，于是地铁交通应运而生。与此同时，地铁灾难也接踵而至。日本地铁毒气事件、英吉利海峡海底隧道火灾事件、韩国大邱地铁火灾等灾难事故都造成了

29、重大人员伤亡【1 3 l。在火灾、毒气、爆炸等重大险情发生时，为了保障乘客的生命和财产安全、降低昂贵设备及基础设施破损及毁坏，必须在车厢内配备火灾自动报警系统、紧急通风系统、紧急照明系统、紧急广播系统、紧急疏散系统等应急设备。其中，在地铁车辆内设置一套合理的空调、采暖、通风系统是提高乘坐安全性和舒适性必不可少的。列车正常运行时，车厢内通风换气系统从空气的温度、湿度、洁净度以及气流速度等方面对室内空气品质进行控制：当地铁供电系统中断时，空调系统应立即转入应急通风状态。紧急通风变频器是为风机设计的，当地铁供电出现故障时，它能将由蓄电池提供的1 1 0 V 直流电变换为交流电使风扇继续运转以向车厢内

30、提供足够的新鲜空气【1 4 1。2 2 紧急通风变频器的技术指标紧急通风变频器的主要技术指标有：额定输入电压输入电压范围额定三相输出电压额定输出频率输出电压波形额定输出容量效率(额定条件下)冷却方式噪声(1 米处测量)防护等级外形尺寸重量D C l l 0 VD C 7 7 V 1 1 7 V3X 2 2 0 V r m s 5 3 5 H z 1 正弦波2 k V A8 5 自然冷却弋2瓮Inn，sd尽oNNn硕上论文地铁紧急通风变频器的研制2 4 紧急通风变频器各部分的功能紧急通风变频器各部分的功能简介如下：1)D C D C 升压电路：将输入直流l1 0 V 斩波升压为4 5 0 V，该

31、部分要能提供足够的功率，并实现宽范围调压。即当输入电压由直流7 7 v 到直流1 1 7 v 变化时，输出电压可稳定在4 5 0 V。2)D C-A C 逆变电路：逆变电路采用电压型三相桥式逆变电路，功率器件采用智能功率模块I P M。I P M 中的I G B T 按照来自控制电路的驱动信号，将D C D C 升压电路得到的直流电压逆变成3 相P W M 电压。3)控制电路：控制电路以微处理器为核心，控制功率器件有规律的通断，调节输出波形的电压和频率【l 酬。控制电路包括驱动电路、保护电路、电池电量检测电路、电压电流反馈电路等等，分别叙述如下。(1)驱动电路：驱动电路接收控制芯片发出的S P

32、 W M 信号，经过电平和相位的转换，完成对I P M 的驱动，并且设置了死区环节。(2)电池电量在线检测电路：随着运行时间的增长，蓄电池的容量不断减少，为保证通风时间，电池电量在线检测电路实时检测电池容量的变化，调整输出功率。(3)保护电路：系统的保护分为输出过电流保护、短路保护、过热保护等。输出过流保护紧急通风变频器的输出功率最大值为2 2 k V A，变频器的输出电流最大限制为额定输出电流的1 1 倍，如果超负荷，模块自动调低输出电压和输出频率以保护模块。短路保护当逆变电路发生短路时，会产生很大的短路电流，在很短的时间内可能烧毁功率器件。因此，设置短路保护电路，在发生故障时及时让逆变电路

33、停止工作，以达到保护逆变电路的目的。过热保护过热保护主要是保护大功率变流器件，这些器件的结温和电流过载能力均有安全极限值，正常工作情况下，系统设计留有足够余量。在某些特殊环境下，如环境温度过高等情况下，模块检测散热器温度超过8 5o C 时自动关机保护，温度降低到6 5o C 时模块自动重新启动。2 5 紧急通风变频器的控制策略在通用变频器中，常用的控制模式方法有U f 控制模式、矢量控制模式和直接转矩控制模式，其中输出电压谐波较低的是U f f 控制模式。因此本文采用U f 控制模式【1 7 五。92 紧急通风变频器总体方案设计硕士论文2 5 1 基本U，啦制模式的原理根据电机学原理，异步电

34、机定子每相感应的电动势的有效值为：B=4。4 4 石虬k 府(2 5 1)式中，石为定子频率(H z)；虮为定子每相绕组匝数；为基波绕组系数；。为每极气隙磁通(W b)。由异步电机的T 型等效电路，异步电机端电压与感应电动势的关系式为=B+R s 乓(2 5 2)式中，匙为定子绕组阻抗：乓为流过定子绕组的电流。由式(2 5 1)可见，。的值是由B 和石共同决定的，对B 和石进行适当的控制，就可使气隙磁通。保持恒定不变。然而绕组中感应电动势是难以直接控制的，当定子频率石较高时，感应电动势的值也较大，因此可以忽略定子阻抗压降，认为定子相电压U s B，则得：瓦而g S 面再砑G 忑=K 鲁=c o

35、 r l 8 Kc o r L 譬，t(2 s 3)一一=门S1、4。4 4 f s N s K s4 4 4 s N s K sf s、“J其中，K=1 4 4 4 虬墨。通常，为了最大限度的利用电机出力，常采用气隙磁通恒定控制，即保持U f 比值不变。2 5 2U f 控制模式的电压补偿原理显然，基本U f 控制方式是一种运行效果不理想的方式，原因是电动机定子阻抗压降比例增加导致低频率时的磁通衰减，从而使低速转矩降低。为提高低速转矩，采取低频率下的电压补偿措施，电压补偿可以明显改善低频率区的特性。目前市售的U f 控制通用变频器被称为第二代变频器，都是采用数字控制的，要做1 0硕士论文地铁

36、紧急通风变频器的研制一个电压频率函数来实现电压补偿很容易，问题是这个函数怎么去做。在图2 5 1(a)中，实线是基本U f 线，虚线是计算的补偿线，在低频部分的曲率要明显一些。在实际系统中，采用折线设置方式来确定电压补偿的规律，即用几条直线组成的折线来拟合图2 5 1(a)中的电压频率曲线，如图2 5 1 所示。图2 5 IU f 控制模式下的电压补偿(a)电压频率关系(”U f 曲线设置图首先设定变频器的部分控制参数：1)输出频率上限为矗就=5 0 H z，用以限制输出频率上限以防止误操作造成“飞车”。2)额定输出频率一=3 5 H z，系统在0-一3 5 H z 恒磁运行，3 5 H z

37、以上弱磁运行。3)中间频率厶，在中高频区域，磁通衰减不明显，基本可以不作电压补偿，或者轻微补偿，中间频率就作为频率补偿的分界点。对风机等二次方转矩负载可选择为2 0 3 0 H z，实际系统中取2 0 H z。4)最低频率尼，这个频率是变频器实际输出频率的下限，设置为l 3 H z。5)补偿电压啡，这个参数直接影响补偿程度。对应于图2 5 1(a)中的A 点电压，二次方转矩负载取8 1 2 V。当最低频率不为零时，先按上述原则确定A 点电压叽，选取：l o y，：+五掣：2 1 5 V。则输出电压频率的近似函数为：u o=U o=华-6 2 8 L，L 厶峥工十2 5：5 2 正+2 s，无

38、们n 鲥 斜帕踟。能日鲥 砚c-每撕。二：删3 1 鼬一伽 麒暇鼬一l h 二：一钿，0 I 晴，鼬一_ t 图2 6 2 紧急通风变频器的电气接口(二)o，口27511营ntR匿夏鼋H田哿团萄芒萄曲翠沿蟊咒_ _ 腓啪_ _ _ 异蜜客萋U5|RH 十四器离淄团图2 6 3 紧急通风变频器的主回路图x套-12穹8-s一-f_o科乌巳=2 紧急通风变频器总体方案设计硕士论文2 7 本章小结本章研究了紧急通风变频器的总体方案设计，叙述了它的应用背景、工作原理和技术指标。在此基础上，设计了总体方案，分别阐述了紧急通风变频器的D C D C 部分、D C A C 部分和控制部分的功能，探讨了紧急通风

39、变频器的控制策略，最后给出了紧急通风变频器的电气接口图。1 6硕士论文地铁紧急通风变频器的研制3 系统硬件设计地铁紧急通风变频器有其特殊的应用环境，因而系统结构和通常的变频器系统略有不同。在地铁供电系统中，直流母线电压为15 0 0 V，直流母线电压经地铁主变流器产生三相交流电压。三相交流电经三相整流桥整流得到直流电。当地铁正常行驶和运转时，整流得到的直流电给车载蓄电池充电，电池电压工作范围为7 7 l1 7 V：当紧急情况出现地铁供电中断的情况下，将由车载蓄电池经地铁紧急通风变频器产生交流电源供给车厢内的通风换气设备，保证乘客的生命及财产安全。系统硬件主要包括以下几个部分：辅助电源电路、D

40、C D C 升压电路、D C A C 逆变电路和控制电路，控制电路包括隔离驱动电路、电池电量检测电路、保护电路(包括过流保护电路、短路保护电路、过热保护电路)等。3 1 主电路的设计系统的主功率电路的电路图如图3 1 1 所示。L 一，IIK 2L 1V D lJ忆弘弘子肾C l=1矿C=RV 1 1k】【：C 2=麓肛_ _ _I)举】【K-KJ_ 一UVW图3 1 1 系统的主功率电路图主功率电路包括D C D C 升压电路和D C-A C 逆变电路。D C D C 升压电路采用B o o s t升压，将电池电压升高送给逆变电路。逆变部分采用三相全桥逆变电路，经滤波器滤波后输出三相正弦波。

41、功率器件采用I G B T 集成模块I P M，输出滤波器采用星形连接。变频器刚接通电源时张1 闭合)，输入侧滤波电容器上的电压为0 V，接通瞬间产生的冲击电流可能对主功率电路造成损坏。因此，在电源输入和滤波器之间接入限流电阻R L，将滤波器的充电电流限制在一定范围内。当滤波电容器充电完毕后，由接触器K 2将电阻R L 短接。车载电池的输出侧并联电容C 和电阻R，它们可以给后级的逆变器部分提供相对恒定的直流电压。因为车载蓄电池输出的直流电压含有脉动成分，此外逆变部分产生的脉动电流及负载变化也使直流电压脉动，因此要加入大电容滤波环节；同时C 也为逆变1 73 系统硬件设计硕士论文器负载和直流电源

42、之间的无功功率提供缓冲。电解电容C 取C=1 0 0 F 4 5 0 V，电阻R 为停止工作后变频器直流侧的电解电容提供放电回路。电容C 1 和C 2 为逆变电路直流侧的滤波电容，由于升压后的电压达到4 5 0 V，为提高滤波电容工作可靠性，滤波电容器由两个电解电容串联而成。由于每个电容量不可能绝对相同，造成串联以后两个电容上的电压分配不均衡，因此在两个电容器的两端分别并联电阻值相等的均压电阻R 1 和R 2，以保证均压效果。3。2 辅助电源电路的设计系统的辅助电源分为两部分，第一部分采用由T O P 2 2 4 Y 组成的开关稳压电源，向包括C P U 在内的各个芯片供电。第二部分是由N E

43、 5 5 5 和高频变压器构成的开关电源，产生I P M 模块所需的6 组独立的2 0 V 电源。两部分均为反激式电源且工作原理有类似之处，这里只详细介绍第一部分电源。3 2 1 辅助电源主电源的结构第一部分电源采用由T O P S w i t c h I I 系列的T O P 2 2 4 Y 型器件为开关器件的开关稳压电源，原理图如图3 3 1 所示。工作输入电压范围D C 7 7 V-1 1 7 V，输出两路1 2 V、两路2 2 V和一路5 V，总功率大约2 4 W。T O P 2 2 4 Y 有控制端C(C o n t r 0 1)、源极S(S o u r c e)、漏极D(D m i

44、 n)-个端子，能完成开关电源的全部控制功能。整个开关电源所需的元件比较少，效率也比较高。同时，T O P 2 2 4 Y内含脉宽调制器、M O S F E T、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠2 2 1。高频变压器T 1 具备能量储存、隔离输出和电压变换三个功能。当T O P 2 2 4 Y 导通时，变压器初级绕组储存能量；当T O P 2 2 4 Y 关断时，初级绕组中储存的能量传递给次级绕组和反馈绕组，高频变压器能够快速储存、释放能量，经高频整流滤波后即可获得连续输出，C I 为输

45、入端滤波电容。直流电压加到T 1 一次绕组一端，一次绕组的另一端接到T O P 2 2 4 Y 芯片内高压M O S F E T 的漏极。T O P 2 2 4 Y 的漏源极最小击穿电压为7 0 0 V，而当T O P 2 2 4 Y 关断时，变压器原边的直流输入电压、原边绕组的感应电压以及由变压器的漏感产生的尖峰电压三者叠加在一起，电压值可能超过7 0 0 V，因此必须在T O P 2 2 4 Y 的漏极增加钳位电路，用以保护功率M O S F E T 不被损坏。钳位电路由R。、G 和Z D；组成，它把变压器漏感引起的脉冲前沿尖峰电压钳位到安全值。硕士论文地铁紧急通风变频器的研制图3 2 1

46、 辅助电源第一部分的原理图辅助电源的工作过程如下：电源接通后，芯片内部的电流源开始对C 6 充电，直到C 6两端电压上升到控制电压Z c 的上限值。此时，电流源关断，T O P 2 2 4 Y 开始工作。在初始几个周期内，芯片内的限流电路通过减小脉冲占空比来限制峰值漏极电流。同时，输出电压和偏置电压开始上升。当输出电压和偏置电压达到稳定值后，控制引脚电流由电容C 6 提供。在稳定工作状态下，C 6、B 和控制引脚动态阻抗完成控制回路的补偿作用。C 6 的容量应当保证C 6 放电时，两端电压下降到控制电压下限值以前，开关电源能达到稳定状态。如果因输出负载电流过大或输入电压过低，开关电源不能达到稳

47、定状态，那么e 放电到控制电压下限值时，输出M O S F E T 将关断，并且开始自动恢复过程。T I A 3 l 并联稳压器通过控制光耦中发光二极管的电流稳定开关电源的输出电压。正常工作时，应使T I A 3 1 并联稳压器输入引脚电压保持在2 5 V t 2 3 1。蜀和足组成的分压器决定精确的输出电压。C 7 和凡补偿频率响应。足限制光耦中发光二极管的电流，并且决l O3 系统硬件设计硕士论文定低频增益。3 2 2 辅助电源稳压原理圪=吃+攻其中：圪为输出电压；为T L 4 3 1 并联稳压器的稳压电压；为限流电阻两端的压降；伪线性光耦P 5 2 1 q b 发光二极管的导通压降。(3

48、 2 1)当由于某种原因升商时，咋随之升高，使得发光二极管的工作电流I F 增大，它通过光耦使T O P 2 2 4 Y 的控制端电流L 增大。由于T O P 2 2 4 Y 的输出占空比与L 成反比，所以占空比随着L 的增大而减小。这就迫使圪降低，达到稳压的目的。当圪减小时，稳压原理相同。3 2 3 变压器的设计变压器的设计是辅助电源中最主要的部分，设计如下：1)计算原边绕组绕组流过的峰值电流，p(设D 咖=0 4 5)：=厶=i 正2 o=了五2 五x i 2 正4 石=。9 7 彳(3 2 2)2)求最小占空比D。i n：输入电压最d 茭S D C 7 7 V，最大为D C l l 7

49、V，则比较因子K 为：K=等=等乩5 2凹，吃m j n7 7p 7。m 诅=F 瓦而t n a x=礤瓦0 西4 5 而=o 3 4(3 2 4)因此占空比的范围为O 3 4 o 4 5。3)计算初级绕组的电感厶=昔=熹器以5 肋日，硕士论文地铁紧急通风变频器的研制4)选择磁芯和骨架尺寸首先，计算磁芯面积乘积A P，A P 为句(磁芯窗1 2 1 面积)4(磁芯有效面积)的乘积。然后，在厂商资料目录中查出A P 的值，设计者科根据需要来选择磁芯和线圈骨架的型号。设原边绕组的线径为办，带绕组的磁芯所占的A P 值表示为彳0，可按式(3 2 6)计算。么。=鲤掣铡4)式(3 2 6)中，A B=

50、寺B，表明工作磁感应强度变化值取饱和值壤的一半。磁芯材料选择T D KH 7 C L 的材料，E E 型磁芯，1 0 0。C 时，B=3 9 0 0 G s=O 3 9 T，则A B=1 9 5 0 G s。设选择电流密度为4 0 0 c m A 的导线，则通过0 9 7 A 电流时需要的圆密耳为4 0 0 c 掰，Ax0 9 7 A=3 8 8 c 聊，可选取A W G 2 2#导线，其直径最大为0 2 81 英寸。所以彳B：(633x35x10-3x097x002812)x108：087cm(3 2 7)。1 9 5 0、7占窗口大部分面积的是副边绕组和绝缘材料，一般彳昂只占A P 的(1