引言

TMS320LF2407是一款價格低廉，應(yīng)用較多的DSP芯片，指令周期可達(dá)25ns（40MHz）。與單片機相比，TMS320LF2407的優(yōu)勢表現(xiàn)為：數(shù)據(jù)處理能力強；運算速度高；PWM分辨率高；能實時完成復(fù)雜計算控制；采樣周期更短。它有兩個事件管理器模塊EVA和EVB，能夠?qū)崿F(xiàn)：16通道A/D轉(zhuǎn)換；三相反相器控制；對稱和非對稱的PWM波形；死區(qū)殺喑痰取＜由隙ㄊ逼鞅冉鮮涑觶芄部商峁?6 路PWM 輸出，非常適用于電機控制和逆變器控制。

為了改善電力機車司機室工作條件，機車司機室內(nèi)一般都安裝空調(diào)器。由于機車司機室工作條件極為惡劣，機車運行時振動大，工作環(huán)境溫度高，供電品質(zhì)差，因此所安裝的空調(diào)器都應(yīng)配備專用的適用于機車空調(diào)器使用的逆變電源。

在電力機車上，通常電源品質(zhì)差表現(xiàn)在兩個方面。

（1）我國電力機車供電電網(wǎng)電壓波動大。其額定電壓為25kV，而實際電壓在18~31kV范圍內(nèi)波動，波動范圍有時甚至更大;電網(wǎng)電壓由機車內(nèi)變壓器降至單相交流396V，相應(yīng)的波動范圍為285~492V。

（2）電力機車是分段供電的，由一個供電區(qū)段換至另一個區(qū)段即跨過分相段時機車斷電數(shù)秒，機車內(nèi)周期性的停電會造成壓縮機頻繁起動，對空調(diào)壓縮機極為不利。因此在跨過分相段時，空調(diào)器必須由機車內(nèi)的110V蓄電池組經(jīng)逆變電源后供電。

根據(jù)技術(shù)條件要求，在單相交流電壓波動-30%~+24%和蓄電池組的電壓波動-30%~+20%范圍內(nèi)，逆變電源必須為空調(diào)器提供電壓波動不超過±5%、頻率在±1%范圍內(nèi)并且總的諧波含量小于15%基波有效值的三相380V交流電壓，該逆變電源的額定輸出容量為5kVA，轉(zhuǎn)換效率大于90%，并且在0℃~60℃工作環(huán)境下均能可靠地運行。

1、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

電力機車空調(diào)器逆變電源的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由控制部分和主電路部分組成。控制部分以DSP芯片TMS320LF2407為核心，外加檢測電路、顯示電路，控制按鍵輸入電路、邏輯控制輸出電路等。

圖1 電力機車空調(diào)逆變電源的總體結(jié)構(gòu)框圖
1.1 主電路

電力機車空調(diào)器逆變電源主電路原理如圖2所示，它由整流、濾波、升壓電路、推挽電路和逆變橋等組成。396V的單相交流電壓經(jīng)D1~D4組成的整流橋整流及L1、C1和C2濾波后送給升壓電路S1、L2和D10，為得到三相380V的交流電壓，在單相交流電壓波動范圍內(nèi)升壓電路的輸出電壓不得低于540V。由于單相交流電壓波動范圍較大，升壓電路的輸出電壓難以穩(wěn)定在540V，當(dāng)單相交流電壓向正方向波動時，即使升壓電路不工作，整流濾波后輸出電壓也會高于540V。

圖2 電力機車空調(diào)逆變電源主電路圖
推挽電路由S2、S3、T和D5~D9等組成，它輸出的直流電壓可略低于540V。升壓電路和推挽電路的開關(guān)管采用IGBT，逆變橋采用集驅(qū)動、檢測和保護于一體的六單元智能功率模塊（IPM）。IPM是先進(jìn)的混合集成功率器件，由高速低耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動及保護電路構(gòu)成。由于采用了能連續(xù)監(jiān)測功率器件電流的IGBT芯片，從而實現(xiàn)高效的過流保護和短路保護。并且由于IPM集成了過熱和欠壓鎖定保護電路，系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步提高。

在供電區(qū)段內(nèi)，逆變電源由AC 396V供電；在跨過分相段時，逆變電源由110V的蓄電池組供電。由于蓄電池組所提供的電流有限，而且不能長期工作，一旦電力機車進(jìn)入跨過分相段時，逆變電源開始降壓降頻至32Hz工作。在此方式下，工作時間超過15s或者蓄電池電壓低于82V時，逆變電源就停止工作。無論起動還是停機，逆變電源都工作在變頻方式下，而且變頻速度根據(jù)工作狀態(tài)自動改變。綜合考慮開關(guān)頻率對電流波形質(zhì)量和開關(guān)損耗的影響，升壓電路中開關(guān)管IGBT的開關(guān)頻率設(shè)定為l0kHz，推挽電路中開關(guān)管IGBT的開關(guān)頻率設(shè)定為7kHz，逆變橋中IPM的開關(guān)頻率設(shè)定為2kHz。接觸器K1~K3由TMS320LF2407小系統(tǒng)根據(jù)時序進(jìn)行控制。M1~M3分別為空調(diào)器的壓縮機、室內(nèi)通風(fēng)機、室外通風(fēng)機。

1.2 DSP TMS320LF2407小系統(tǒng)

DSP TMS320LF2407小系統(tǒng)主要完成逆變橋PWM驅(qū)動信號的產(chǎn)生、信號檢測及故障處理、故障顯示、升壓電路和推挽電路的控制、按鍵檢測以及邏輯控制等。

本逆變電源中PWM控制方案采用的是三次諧波注入PWM（THIPWM），在這種方式下，逆變器輸出的線電壓的基波幅值可以達(dá)到逆變橋直流母線電壓，它比正弦PWM的直流母線電壓利用率提高了15%。THIPWM是利用三相系統(tǒng)中線電壓具有自動消除相電壓中3k（k=1，2，3……）次諧波的能力，人為地在三相調(diào)制基準(zhǔn)正弦波中注入一定分量的3k次諧波，從而降低了調(diào)制波峰值，避免過調(diào)制。

信號檢測包括是否跨過分相段、逆變橋直流母線電壓、蓄電池電壓是否低于82V以及各種故障信號。跨過分相檢測判斷是否有單相396V，單相交流396V經(jīng)過一個小型隔離變壓器整流、濾波和比較后作為一個開關(guān)量送給DSP。一旦檢測到電力機車進(jìn)入分相段，DSP立即起動推挽電路工作。采用電壓傳感器檢測逆變橋直流母線電壓，得到的模擬信號送給DSP TMS320LF2407的A/D轉(zhuǎn)換器，用它來調(diào)整THIPWM的調(diào)制比M，使逆變器輸出電壓穩(wěn)定。在進(jìn)入分相段時，一旦檢測到蓄電池電壓低于82V，逆變電源立即停止工作。各種故障信號包括IPM的故障輸出、逆變橋的過流、逆變橋直流母線電壓過壓、欠壓、升壓管短路、過流、推挽管短路、過流、110V過壓、欠壓和逆變電源過熱等，所有這些故障信號都要送給DSP用于LED顯示，逆變橋直流母線電壓過壓、欠壓、110V過壓、欠壓由DSP來處理，升壓管和推挽管的故障信號經(jīng)DSP處理后決定升壓電路和推挽電路的通斷，其他故障信號送給DSP的功率驅(qū)動保護中斷輸入引腳PDPINT。

升壓電路和推挽電路的控制，即是控制升壓管和推挽管的通斷。由于DSP2407最多可輸出16路PWM信號，因此不再需要添加外部PWM控制器，大大簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計，降低了成本。升壓管S1的控制信號為T3PWM，開關(guān)頻率設(shè)定為l0kHz；推挽管S2、S3的控制信號為T4PWM，開關(guān)頻率設(shè)定為7kHz。

控制按鍵主要有起動/停止選擇、自動/手動選擇、通風(fēng)/制冷選擇等。根據(jù)操作選擇和空調(diào)器的工作過程，DSP TMS320LF2407進(jìn)行不同的邏輯控制。

1.3 THIPWM波形的數(shù)字化實現(xiàn)

利用DSP TMS320LF2407的EV模塊中的比較單元來產(chǎn)生THIPWM波形非常易于數(shù)字化實現(xiàn)。將通用定時器的計數(shù)模式設(shè)置為連續(xù)增/減計數(shù)模式，產(chǎn)生對稱的PWM波形，其中通用定時器的計數(shù)過程就形成了一個“虛擬”的三角波，如圖3所示。三角基準(zhǔn)波的表達(dá)式如式（1）~式（3）所列。