DC1500V架线车用高压逆变器的研制

贾 云,郭爱军

(神东煤炭集团,陕西 神木 719315)

现阶段,全国的各大煤矿系统井下运输以及军民两用的特种车辆基本上都是用电机车,对于煤矿系统来说,这里的电机车主要指那些窄弯道电力机车,其在煤矿的运输过程中发挥着很大的作用,窄弯道电力机车是煤矿井下作业运输物资、人员、机械设备的重要工具[1],而一般的电力机车是架线式的,对于井下这种特殊的机车,母线直流侧1 500 V,为了给控制系统提供合适的电源,需要将直流侧进行逆变,因此,安全、可靠、效率高的高压逆变器的研制非常重要。本文以煤矿井下架线车为应用对象,进行了高压逆变器的设计研究,并将其应用于煤矿井下架线车的电控系统,通过实际的操作运行,验证了本文所设计逆变器的可靠性。

1 高压逆变器系统硬件设计

1.1 逆变器主体框架

图1所示为高压逆变器的整体系统结构框图,它由主电路以及控制电路两部分组成,主电路包括滤波电路防冲击电路、控制器辅助供电电路、高频变压器(包括高频斩波、高压隔离变压器、高频整流器)、滤波器、MOSFET桥式逆变电路、RCD缓冲电路、滤波电路等部分,而控制电路主要包括电流电压采样处理单元、过温保护电路、PWM信号的产生及驱动电路以及控制芯片等部分。

图1 Inverter整体系统结构框图Fig.1 Block diagram of inverter

1.2 主电路工作原理

逆变器主电路的工作原理如图2所示,其中高频斩波的功率开关管选用MOSFET,且采用串联分压的方式,不仅选型容易,而且开关管在实际斩波中损耗小,有助于提高整机效率。

图2的U1为直流母线电压1 500 V,在经过滤波-高压变压器(高频斩波-变压隔离-高频整流滤波)后得到直流电压U2,将U2加到全桥式逆变器上。其中S3-S6为逆变功率开关器件,D1-D4二极管分别与功率开关管S3-S6并联,起到承受负载反相电流的作用,即通过续流来保护功率开关器件。而电容C5-C8、二极管D5-D8、电阻R3-R6用来吸收功率开关管在关断过程中产生的电压能量,同时减少管子的关断损耗,避免在关断瞬间因过大的电压而损坏功率器件。通过控制S3、S6与S4、S5两组功率开关器件的开关频率(占空比),就可以得到脉宽可调的矩形波交流电压[2],然后经过滤波处理得到单相交流电压给系统供电。

图2 逆变器主电路原理图Fig.2 Main circuit diagram of inverter

2 高压逆变器控制器的设计

2.1 DSP控制器

为了能够使整个高压逆变系统具有较高的处理性能,选用DSP TMS320F28335作为控制芯片,即在逆变器工作时,DSP一方面定时采集实际负载运行时的电流电压值,通过A/D转换通道输入DSP芯片,采用PID算法得出控制量Uk,采用改变PWM占空比的方式来控制逆变器的输出。另外,采用人机交互模块, DSP处理后得到的电压、电流等信息作为控制的依据,通过串口实时传递给上位机。如果遇到短路、过温、过压、过流等故障,能够及时的将故障信息传递给上位机,以此来作出警告,从而使逆变器投入或者退出工作[3-4]。

2.2 系统软件设计

本系统设计的程序主要包括主程序、定时中断子程序以及串口通信子程序等,本文只讨论主程序和定时中断子程序。主程序流程图如图3所示,定时中断子程序流程图如图4所示。

从图3可以看出,主程序主要进行各个模块的初始化、系统参数的初始化以及定时器的初始化等工作,而图4定时器中断中,主要进行电压电流的采样、检测,并作为系统闭环输出PWM波的依据,同时进行故障、短路等信息的处理。

3 现场实验测试分析

实验的条件:煤矿井下架线车,高压直流侧输入电压1 500 V。

实验的结果:图5为逆变器PWM输出波形,图6为逆变器输出波形经滤波后得到的单相交流电波形与实际的交流220 V电压的对比图。图6中黄色波形为滤波后的波形,输出的电压波形与实际的单相交流电(蓝色波形)相符。

图3 主程序流程图Fig.3 Main program flow chart

图4 定时中断子程序流程图Fig.4 Timed interrupt subroutine flow chart

图5 逆变输出波形Fig.5 Output wave of inverter

图6 逆变输出滤波后的波形Fig.6 Output waveform of inverter after filtering

4 结论

通过现场的实验测试,验证了本文所研制的高压逆变器的可靠性,并且有以下优势:

1)能够输出纯正弦波,具有较好的负载特性以及较好的短路保护和过温保护功能。

2)输入输出隔离,并且有着良好的绝缘标准特性,非常适合应用于煤矿井下这种特殊的环境。

3)转换效率高达90%以上。

4)高频斩波开关管采用双管并联的方式,降低了开关管承受的电压,而且具备开关损耗减小,能够提高整机的效率的特点,进而可以提高架线车系统整体的可靠性。