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
　　
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／div。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。
　　
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。