劉海松 劉盛強(qiáng) 宋軍 付堯 于吳田 朱琳

摘要；針對某內(nèi)燃機(jī)車，本文研制了一臺勵磁斬波器。斬波器的主電路采用降壓斬波，為機(jī)車的主發(fā)電機(jī)提供勵磁電流?？刂齐娐返男酒捎肁RM STM32，通過軟件控制，接收頻率可變的方波信號，根據(jù)方波頻率發(fā)出相應(yīng)占空比的PWM，控制主電路中IGBT動作，實現(xiàn)了大功率直流降壓斬波的功能。通過MATLAB軟件搭建數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真計算，得到了輸出電壓和輸出電流波形。此外，在相同工況下對斬波器樣機(jī)進(jìn)行了大功率功能試驗，實測了輸出電壓和輸出電流波形。將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果相對比，證明了該產(chǎn)品功能的可靠性，以及設(shè)計方法的有效性。本文設(shè)計勵磁斬波器的方法亦可為其他類型機(jī)車的斬波器設(shè)計提供參考。

【關(guān)鍵詞】內(nèi)燃機(jī)車 勵磁斬波器 降壓斬波IGBT

勵磁斬波器作為機(jī)車主要核心部件之一，對其研究和設(shè)計是研發(fā)機(jī)車上其他變流器的基礎(chǔ)。斬波電路也應(yīng)用于直流傳動和供電電源等場合，是電力電子應(yīng)用領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)。許多專家學(xué)者已經(jīng)對斬波器進(jìn)行了大量的研究。在1989年，葉家金研究了輕軌車輛用GTO斬波器。在2003年，吳志紅等人進(jìn)行了地鐵車輛輔助系統(tǒng)中HVIGBT斬波器的研制，以實現(xiàn)靜止輔助系統(tǒng)的國產(chǎn)化。在2012年，李磊等人將Buck型三電平和Boost型兩電平交流變換器進(jìn)行組合，提出了一種新穎的級聯(lián)式交流斬波器。有些學(xué)者研究了直流斬波器的型式試驗裝置及其斬波器的失控保護(hù)等。但是用于內(nèi)燃機(jī)車主發(fā)勵磁的斬波器并不常見，由于電氣環(huán)境惡劣、運(yùn)用工況復(fù)雜、功率較大等原因。

本文針對某新型內(nèi)燃機(jī)車，設(shè)計了一臺勵磁斬波器，用于提供勵磁電流給主發(fā)電機(jī)，保證內(nèi)燃機(jī)車上用電設(shè)備的正常工作。通過對比軟件仿真和樣機(jī)試驗的結(jié)果，驗證了設(shè)計方法及該產(chǎn)品的有效性。通過對該產(chǎn)品合理的研發(fā)和設(shè)計，對機(jī)車內(nèi)相關(guān)變流器的研制有較大實際意義。

1.1 主電路設(shè)計

針對該內(nèi)燃機(jī)車的用電需求，給出了勵磁斬波器的基本參數(shù)，見表l所示。

斬波器的主電路采用降壓斬波，如圖1所示。其中，U_in，為直流輸入電壓；Cl為支撐電容，用來濾除直流電壓中的紋波；Rl為吸收電阻，在設(shè)備不工作時，短時間內(nèi)將電容兩端電壓降到安全電壓；U_out為直流輸出電壓；Dl為續(xù)流二極管；斬波器工作時，控制開關(guān)管Sl -直處于斷開狀態(tài)，開關(guān)管S2進(jìn)行周期性的通、斷，實現(xiàn)了輸出電壓U_out的斬波控制。

1.2 主電路器件選型

斬波器主電路的關(guān)鍵器件包括IGBT、支撐電容和放電電阻，根據(jù)斬波器主電路的電壓、電流、功率、耐壓等要求，對其選型。

IGBT選型：直流輸入電壓范圍450—650V，考慮2.5倍電壓裕量，選擇1700V、耐壓3400V的IGBT。斬波器最大輸出電流是180A，考慮2 5倍電流裕量，選450A的IGBT。

支撐電容選型：支撐電容作用是濾除輸入直流電壓中的紋波，使直流電壓保持穩(wěn)定，其大小主要由輸入電壓紋波決定。根據(jù)基本公式（1）和（2），推導(dǎo)出支撐電容的計算公式如式（3）所示。

P=UI

（1）

其中，P為輸入功率；U為中間直流電壓，取值450V；I為中間直流電流；△U為紋波電壓，取450*1%=4.5V；△f為紋波基波頻率，取值為5kHz；C為支撐電容。

經(jīng)計算支撐電容C=2173μF，即需要選擇容值不小于2173 μF電容。選用容值4700μF、耐壓400VDC的電容。在采用兩個串聯(lián)形式以保證容值和耐壓都滿足要求。由于產(chǎn)品在機(jī)車上運(yùn)行，要求電容壽命在5000小時以上。

放電電阻選型：設(shè)備不工作時，放電電阻必須在5分鐘之內(nèi)把電容兩端電壓降到50v之內(nèi)，計算公式如式（4）所示。

式中：U_max為最大輸入電壓，U（t）為50V，t為電壓降到50v的時間，=RC為時間常數(shù)。

根據(jù)公式，電阻20kΩ時，t=l20s，最大功率為21.1W。選擇阻值lOkΩ、功率50w的電阻。通過兩個電阻串聯(lián)使用，能夠滿足需求。并且兩個電阻的中間點(diǎn)與兩個電容的中間點(diǎn)相連接，對兩個電容均壓。

2 控制電路設(shè)計及軟件控制

2.1 控制電路設(shè)計

斬波器控制電路是基于ARM芯片平臺，主要利用其輸入捕獲、GPIO口、PWM、外部中斷、定時器中斷等外設(shè)。

輸入捕獲：用于捕獲微機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)的頻率信號，得到其頻率值。

GPIO口：用于控制指示燈和狀態(tài)碼等。

PWM：根據(jù)捕獲的頻率值，發(fā)出相應(yīng)占空比的PWM波。

外部中斷：用于處理驅(qū)動板的反饋信號。

定時器中斷：若50ms內(nèi)，未能捕獲到輸入信號的頻率，關(guān)斷控制板脈沖，斬波器停止工作。

2.2 斬波器軟件控制

斬波器軟件控制功能主要包括以下內(nèi)容：

（1）捕獲頻率可變的方波信號，根據(jù)其值確定斬波輸出PWM的占空比。由于控制電路和主電路位置相對較近，會存在一定電磁干擾，為了捕獲準(zhǔn)確，需要對信號進(jìn)行濾波。為了進(jìn)一步降低誤差，捕獲了多個數(shù)據(jù)，然后求其平均值，作為最終的頻率值。

（2）根據(jù)捕獲頻率值的范圍，控制ARM芯片發(fā)出相應(yīng)的狀態(tài)碼。包括停止工作、準(zhǔn)備工作、正常工作、故障保護(hù)等狀態(tài)。

（3）勵磁斬波器正常工作時，當(dāng)驅(qū)動板欠壓或IGBT短路，驅(qū)動板立即保護(hù)并封鎖脈沖，并反饋故障信號到控制板。控制板進(jìn)行保護(hù)處理，并反饋狀態(tài)代碼到機(jī)車的微機(jī)控制系統(tǒng)。若50ms后，仍有故障信號存在，將封鎖斬波器輸出PWM信號，而且不能自動復(fù)位。

（4）勵磁斬波器有3個信號指示燈，分別表示控制板上電、斬波器工作、斬波器故障。勵磁斬波器也具有程序調(diào)試端口。

（5）根據(jù)斬波器接收的輸入信號頻率，判斷斬波器的工作狀態(tài)，共有三種狀態(tài)，分別為停止、準(zhǔn)備、運(yùn)行。在運(yùn)行狀態(tài)時，斬波器控制板輸出的PWM信號，且占空比隨頻率線性變化，占空比達(dá)到最大值時，增加頻率，占空比維持最大值不在改變。

斬波器控制系統(tǒng)的軟件流程圖如圖2所示，控制板捕獲輸入信號的頻率，發(fā)出相應(yīng)占空比的PWM給驅(qū)動板。驅(qū)動板根據(jù)該信號控制主電路中IGBT動作，輸出需要的直流電壓。若驅(qū)動板檢測到電源欠壓或者IGBT短路后立即保護(hù)，并將故障信號反饋到控制板，控制板關(guān)斷PWM信號，同時將相應(yīng)狀態(tài)碼上傳到機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)。

3 斬波器仿真計算

3.1 搭建模型

根據(jù)樣機(jī)參數(shù)，在matlab/simulink中搭建仿真模型如圖3所示。其中，勵磁斬波器的輸入電壓為580V，模擬直流母線電壓，開關(guān)頻率為lkHz，上管無門極信號，下管門極信號占空比為17.1%，負(fù)載為ImH電感和0.5Q電阻串聯(lián)，模擬機(jī)車上發(fā)電機(jī)的勵磁繞組。

3.2 仿真分析

在上述工況下進(jìn)行了仿真計算，得到了輸出電壓和輸出電流波形。由于輸出電壓具有明顯的規(guī)律性，將其放大如圖4所示?？梢钥闯觯麻_關(guān)管導(dǎo)通時輸出電壓為580V，下開關(guān)管關(guān)斷時輸出電壓為ov。輸出電壓平均值波形如圖5所示，穩(wěn)定后輸出電壓的值為99V，滿足輸出電壓等于輸入電壓乘以占空比。輸出電流曲線如圖6所示，電流幅值在150A—250A之間線性波動。輸出電流有效值波形如圖7所示，穩(wěn)定后，輸出電流平均值為199A。

4 功能試驗與運(yùn)用考核

4.1 功能試驗

對斬波器進(jìn)行了大功率功能試驗，主電路輸入電壓580VDC，控制電壓110V，驅(qū)動信號為SV方波，負(fù)載為ImH電感和0.5Q電阻串聯(lián)，模擬勵磁繞組。利用高壓探頭和電流鉗測量輸出電壓及輸出電流曲線，調(diào)節(jié)方波信號的頻率，保證輸出電流在180A以上。

利用高壓探頭測量輸出電壓如圖8黃色曲線所示，電壓幅值580V，占空比17.1%，根據(jù)公式（5），輸出電壓平均值等于580*0.171=99.18V。利用電流夾測量輸出電流如圖5綠色曲線所示。IGBT中下開關(guān)管開通時，由于電感的作用，電流線性增加，下開關(guān)管關(guān)斷時，電流線性減小。輸出電流平均值為194A。

V₀=DV_s

（5）

式中：V₀為輸入電壓，D為占空比，V_s為輸出的電壓。

4.2 試驗結(jié)果與仿真計算相對比

將勵磁斬波器的試驗結(jié)果，與仿真計算結(jié)果相比較，斬波器輸出的電壓波形和電流波形都相一致，說明仿真正確、試驗合理，進(jìn)一步證明了勵磁斬波器的設(shè)計方法是有效的，能夠滿足內(nèi)燃機(jī)車上大功率運(yùn)行的需求。

4.3 裝車運(yùn)用

將勵磁斬波器安裝到機(jī)車電氣間如圖9所示，主電路端子和控制電路連接器均可靠連接。機(jī)車在調(diào)試和運(yùn)行階段，勵磁斬波器穩(wěn)定工作，產(chǎn)生勵磁電流，使主發(fā)電機(jī)正常啟動及發(fā)電。進(jìn)而保證機(jī)車正常運(yùn)行，無故障報出。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了某內(nèi)燃機(jī)車的新型勵磁斬波器，通過調(diào)節(jié)輸入信號頻率，改變PWM波占空比，進(jìn)而控制IGBT動作，實現(xiàn)了直流降壓斬波功能，為主發(fā)電機(jī)提供勵磁電流。并且向機(jī)車控制系統(tǒng)傳遞狀態(tài)代碼，實時監(jiān)控，突發(fā)故障時能夠及時保護(hù)，保證機(jī)車穩(wěn)定運(yùn)行。該產(chǎn)品通過試驗和仿真的方法，證明設(shè)計的合理性。通過裝車運(yùn)用，驗證了其運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。本文所利用的設(shè)計依據(jù)和方法對其他類型機(jī)車勵磁斬波器設(shè)計具有一定借鑒和實際意義。

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