机车新型空调电源系统的设计

设计·制造机车新型空调电源系统的设计白锡彬,张全柱,王　磊,史雪明(北京交通大学电气工程学院,北京100044) 摘要:根据机车变频空调的特点,设计了满足内燃、电力机车应用的空调电源系统,包括主电路结构、工作原理、控制系统硬件及软件等,突出了与空调机组一体化设计、节能、变频运行、智能控制等特点。设计方案取得了实验验证,样机满足机车运用要求。

关键词:机车变频空调;电源;一体化设计中图分类号:U262.7+2 文献标识码:B 文章编号:1003-1820(2007)10-0009-04

收修回稿日期:2007-05-28作者简介:白锡彬(1982—),男,辽宁丹东人,在读硕士;张全柱(1965—),男,内蒙古乌兰查布人,副研究员;王　磊(1982—),男,山东烟台人,在读硕士;史雪明(1978—),男,山西忻州人,在读硕士。

为了改善司乘人员的工作环境,机车上安装了三相空调设备,空调电源是空调设备的供电装置。我国从20世纪90年代初就研制各种类型的机车空调电源,其缺点是:与空调机组分体布置,不能根据设定温度变频运行,体积大,散热困难,可靠性受到影响,控制比较困难。本文设计了一种与机车空调一体化安装的变频空调电源,与原有空调电源相比,具有体积小,质量小,运行可靠、舒适,价格便宜,利于维修保养等优点。1　新型空调电源系统结构及特点1.1　空调电源系统结构空调电源系统结构如图1所示。上位微机与下位微机进行指令、数据交换,由下位微机向斩波控制电路和逆变器控制电路下达控制指令;斩波控制电路为Boost电路提供PWM控制信号;逆变器控制电路产生SPWM控制信号,经IPM驱动电路产生驱动信号供给逆变器,逆变器将直流电压逆变为三相交流电供空调机组使用;传感器检测电路将电压、温度、电流等检测信号传给各部分控制电路。空调电源系统采用模块化设计结构,各部分电路分工明确,从而提高系统整体运行的可靠性,便于维护和管理。1.2　机车变频空调特点及控制特性(1)变频空调与普通空调相比有节能的优点。变频空调能实时改变工作模式,调节空调机组的运行模式,能在实际的工作环境中达到较高的工作效率。该空调可以自动改变工作模式,克服了普通空调频繁开停的工作方式带来的能量消耗,提高了系统的制冷 制热效率。(2)变频空调机组采用变频变压起动,可以有效控制起动电流,减轻了对电网的冲击,采用恒压 频比起动的电压补偿技术,增强了起动力矩。变频空调机组的连续运行方式减少了压缩机的起停次数,延长了其使用寿命。(3)变频空调机组能实时调整运行模式,便于实现智能控制,以提高对司机室温度和空气的调节效率,使室内环境更舒适。(4)机车空调电源置于机组内,与机组一体化设计,体积小,质量小,结构紧凑。空调电源体积设计为600mm×360mm×110mm,便于安装于司机室内,对外引出两根电源线,便于安装、调试、维护。(5)配合空调机组的不同工作频率,空调电源可以有多种运行模式,运行模式转换如图2、图3所示。空调电源综合考虑了节能和提高舒适度等因素,设计了手动和自动挡位功能。在自动挡制冷运行模式下,有通风(M1)、弱冷(M2)、中冷(M3)、强冷(M4)4种模式;在自动挡制热运行模式下,有通风、制热两种工作模式。

第10期(总第404期) 内燃机车 2007年10月图2　自动挡制冷运行模式　

图3　自动挡制热运行模式　

当自动挡开启时,控制器检测室内外温度,确

定给定温度T,如果室外温度高于19℃,确定制冷目标温度为T=22+0.25(外界温度-19),更新周期为3min。如果室外温度≤19℃,确定加热目标温度为18℃。当温度高于制冷设定温度,在某一运转模式上连续运转3min以上时,控制器就将运转模式提升一格,此种运行方式一直持续到车内温度下降到设定值为止。在本控制模式中,如果室内温度上升,有提高运行模式的要求时,则将工作模式提高一格。该空调系统不但可以实现机车长途运行时自动调节运行模式,准确控制司机室内温度,而且可以防止人为设定温度过高或过低,造成能源浪费。2　空调电源主电路的设计图4所示为新型空调电源主电路。输入电压(AC220V DC110V)经升压斩波器变换后,送入三相逆变器,由三相逆变器输出交流电供电机使用。为增加空调电源的通用性,在升压斩波器前加单相二极管不可控整流桥Dz,将电力机车电源(AC220V)整流为直流电压,接内燃机车电源(DC110V)时起防反接作用。开关Jc与电阻Rc构成预充电电路,用预充电电阻Rc对电容的充电电流进行了限制,防止大电流冲击。升压斩波器采用Boost电路结构,由电感L1、开关管T1、续流二极管D1组成,开关管的脉冲信号由PWM波形发生器提供。三相逆变器将升压后的直流电逆变为三相对称、平衡、基波频率和电压可调的SPWM波,分别供给空调机组中压缩机、室内通风机、冷凝风机使用。本设计中升压斩波器Boost电路中储能电感的选择对主电路的工作性能起着至关重要的作用,要根据不同负载功率进行电感的设计。系统中电感采用铁基非晶态铁心,相对于铁氧体材料有高频特性好、损耗小、发热量低等优点。取Boost电路输入电压Vi,输出电压V0,占空比为D。设输出端等效负载电阻为RL,斩波电路输出功率为P,则V20 RL=P,从而导出RL=V20 P。若等效输出负载电流为I0,则有I20RL=P,I0=(P RL)1 2。当

Boost电路开关管导通时,由式L(di dt)=Vi得:

ΔI=di=ViLdt=Vi

LDT　(dt=DT)(1)

10 内燃机车2007年图4　新型空调电源主电路　

若忽略损耗,升压变换器输入、输出侧功率大小相同。设电感电流平均值为IL,则ViIL=V0I0,导出IL=1 (1-D)I0(2)在大功率场合,要求电感工作在电流连续的工作模式下,则IL≥ΔI 2(3)将式(1)和式(2)代入式(3)得:L≥ViD(1-D)2fI0(4)式中:f为系统开关频率。由式(4)可知,在斩波器输入、输出电压以及开关管工作频率一定的条件下,输入电压Vi、占空比D、开关频率f一定,则负载输出电流I0越小,所需电感的电感量越大,从此式可估算出系统所需电感的大小。3　新型空调电源控制系统空调电源控制系统主要分为上、下位微机控制部分、硬件斩波控制部分和逆变器控制部分。3.1　上、下位微机控制电路为方便用户对空调进行控制,上位微机控制部分提供了良好的人机接口界面,主要包括数码管显示、按键操作和通讯功能。以单片机C8051F020为上位微机控制电路的核心芯片,通过C8051F020的UART串行总线控制移位寄存器74HC595扩展数码管显示功能,分配单片机5个数字I O引脚做为控制按键的输入端,以检测操作者下达的指令。为实现上、下位微机之间进行数据交换,扩展了CAN总线通讯功能。CAN总线控制器选用的是Philips半导体公司的SJA1000,它是一种独立的CAN控制器,是Philips半导体公司PCA82C200CAN控制器的替代品。它增加了一种新的操作模式———Peli-CAN,这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。单片机C8051F020外扩了数据、地址总线,可以与SJA1000芯片连接进行并行CAN信号数据传输,加快信息传输速度。

如图5所示,下位微机控制电路以单片机C8051F020为核心芯片,负责接收传感器采集的电压、电流等控制信号,与上位微机通过CAN总线进行数据交换,同时将上位微机下达的控制指令发送给3个逆变器和斩波控制电路。3.2　斩波控制电路该部分电路主要是为升压斩波器开关管提供PWM控制信号。PWM驱动信号的产生选用电压型PWM集成控制芯片SG1525。SG1525具有外围电路元器件少、性能好的特点。其包括开关稳压所需的全部控制电路。主要特性包括:软起动功能、死区调节功能、欠压锁定功能、误差放大以及关闭输出驱动功能,关闭速度快,可提供(5±1%)V的基准电压,开关频率可设定,其应用电路如图6所示。

11第10期(总第404期)白锡彬等:机车新型空调电源系统的设计 脉宽调制信号经二极管D1、D2后接缓冲器进行信号整理,然后经光耦HCPL4504进行信号隔离和电平转换后输出。R4阻值的大小决定了脉宽调制信号死区时间的大小,电阻R5和电容C2值的乘积为输出信号的震荡周期。SG1525输出端信号占空比D被限制在50%以下,由Boost升压斩波电路变比公式U0 Ui=1 (1-D)可知:要实现本设计需要的输入电压(Ui)DC110V、输出电压(U0)DC300V,占空比D必须达到50%以上。为实现50%以上的占空比,通过二极管D1、D2对11、14管脚输出的两路互补信号进行调理,使得信号占空比达到90%以上。如图7所示,上路信号波形为未经二极管D1、D2调理的单路信号输出波形,最大占空比小于50%;下路信号波形为经过二极管D1、D2调理后的信号输出波形,占空比达到90%以上。图7　SG1525输出信号波形　此电路配合硬件PI控制器,可实现对主电路输出电压和电流的闭环控制,减轻了逆变器的负担。3.3　逆变器控制电路逆变器控制芯片选用凌阳科技公司2005年推出的新一代16位单片机SPMC75F2413A。SPMC75F2413A集成了两个电机控制PWM输出定时器—MCP定时器(MCP3、MCP4)。每一个MCP定时器都可以独立输出三相六路的PWM波形,非常适合于控制交流感应电机、无刷直流电机等各种电机。选用此款单片机可极大缩小控制电路体积,从而减小整个空调电源的体积,增加系统的集成性和可靠性。逆变器控制软件流程图如图8所示。

逆变器通过单片机硬线接收下位微机的控制指令,包括起动、停止、运行模式等。SPWM信号生【下转第16页】

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