電力機車新型高頻電源研究

1 機車控制電源的最新發(fā)展

電力機車采用直流110v作為機車的控制電源。近年來，在我國最新研制的電力機車中，已經開始使用高頻開關電源，如ss7d、ss8、ss9等。高頻開關電源在體積、重量、效率等指標上，都遠遠優(yōu)于相控電源。并且功率大，精度高，紋波小，抗干擾能力強，可靠性高。

高頻開關電源與目前我們大部分機車所采用的相控整流電源的性能比較見表1。

表1 高頻開關電源與相控整流電源性能比較

從電力機車設計的發(fā)展來看，相控整流電源必將被開關電源所取代。

2 高頻開關電源設計原理

目前，電力機車控制電源的輸入為機車主變壓器的副邊396v繞組，其波動范圍為ac396v(-30%-+25%)，今后輸入變?yōu)?dc600v(500v-660v)。所以電源設計時應考慮輸入電壓的大范圍變化。另外，根據(jù)機車設計的總體要求，系統(tǒng)應有完善的自我診斷及保護功能。

本次設計的高頻開關電源，主電路為全橋dc/dc變換器結構，采用電流型控制方式，主開關器件采用智能功率模塊ipm，由于ipm有完善的保護功能，使系統(tǒng)的故障率下降。另外，系統(tǒng)預留通訊接口，使其工作狀態(tài)能直接通知給機車，從而確保行車安全。由于機車的電磁兼容環(huán)境比較惡劣，故系統(tǒng)設計時充分考慮電磁兼容問題，確保系統(tǒng)工作安全可靠。

機車控制電源的框圖如圖1所示。

圖1 機車控制電源的原理框圖

3 dc/dc變換器拓撲與控制研究

3.1 拓撲選擇

直流變換器按輸入與輸出間是否有電氣隔離可分為兩類：沒有電氣隔離的稱為不隔離的直流變換器，有電氣隔離的稱為有隔離的直流變換器。

有隔離的直流變換器通過變壓器實現(xiàn)電氣隔離。具體說來，全橋變換器只需要一個原邊繞組，通過正、反向的電壓得到正反向磁通，副邊繞組結構靈活，能夠使變壓器鐵心和繞組得到最佳利用，使效率、功率密度得以提高。另外一個優(yōu)點是功率開關在非常安全的情況下運行。在一般情況下，最大的反向電壓不會超過電源電壓vs，四個能量恢復二極管能消除一部分由漏感產生的瞬時電壓。這樣，無需設置能量恢復繞組，反激能量便能得到恢復利用。本電源輸入電壓為 396v(-30%-+255%)，中間直流支撐電壓大約在300v～700v之間變動，所以主電路采用全橋變換器結構。

當輸出電壓比較低、輸出電流比較大時，為了減少整流橋的通態(tài)損耗，提高變換器的效率，一般選用全波整流方式。本電源輸出電壓為dc110v，輸出電流為80a，故選擇全波整流方式比較合適。

3.2 控制方法

dc/dc變換器從控制方式上可以分為兩種，即電壓型控制方式(voltage mode control)和電流型控制方式(current mode control)，電壓型控制方式的基本原理就是通過誤差放大器輸出信號與一固定的鋸齒波進行比較，產生控制用的pwm信號。

電流型控制則是指將誤差放大器輸出信號與采樣到的電感峰值電流進行比較，來控制輸出脈沖的占空比，使輸出的電感峰值電流隨誤差電壓變化。

我們選擇比較先進的電流型變換器，它既保留了電壓控制的輸出電壓反饋控制部分，又增加了一個電流反饋環(huán)節(jié)，形成雙環(huán)反饋系統(tǒng)。具有優(yōu)良的瞬態(tài)響應;逐脈沖控制，使保護機制簡化;利于多電源并聯(lián)運行;限制偏磁等優(yōu)點。但是電流型控制原理有缺點，當占空比大于50%時，電流擾動會被放大，使控制環(huán)變得不穩(wěn)定;功率級諧振會給控制環(huán)帶來噪聲;電流控制是要使電流呈現(xiàn)恒流特性，會使電路的負載效應變差。

3.3 電流型dc/dc變換器的斜坡補償

對于上述問題，斜坡補償是一種簡單但非常有效的方法。如圖2所示。在a)中，對于一個電流擾動δi0，當d小于50%時，這個擾動將逐漸變小，最后衰減為零;在b)中，d大于50%，這個擾動將被放大，從而導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以，我們引入斜坡補償，它能有些克服以上的問題。在c)中，通過加一個斜率為-m的信號在ve或il上，經推導有：δi1=-δi0[(m2+m)/ (m1+m)]。若使擾動衰減，則應有：

(1)

在穩(wěn)態(tài)時，輸出電壓不變，m2為一恒值，當m>-0.5(m1+m2)>-0.5m2時能保證3-1式恒成立。