牵引变流器开关器件限制结温与降低损耗的装置及方法与流程

本发明涉及铁路列车领域，具体涉及一种列车牵引变流器开关器件限制结温与降低损耗的装置及其方法。

背景技术：

铁路运输在我国发展进程中发挥着不可或缺的作用，促进我国铁路向着信息化、智能化的方向发展，已成为当前铁路建设的重要发展要素。列车的牵引变流器作为列车传动系统中的重要组成部分，因其核心部件igbt较为精密易损，致使其故障占比始终居高不下。而igbt的故障与其发热功率过大，结温过高有着密切联系，大部分igbt的故障是由igbt发热功率过大结温过高引起的。故而很有必要实时监测igbt的发热功率，使铁路电务部门更清楚地了解设备的运行状态，并在igbt发热功率过大时，对其及时进行控制，以实现降低损耗和限制igbt最高结温的目的。然而目前针对列车牵引变流器中igbt发热功率的监测方面还存在诸多问题，同时既有的监测手段无法达到在监测igbt发热功率的同时限制igbt的最高结温的目的。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于vvvf(variablevoltageandvariablefrequency)的列车牵引变流器开关器件限制结温与降低损耗的装置。主要是通过热阻模型，在牵引变流器运行过程中实时检测igbt的发热功率，继而完成igbt结温的间接计算。通过降低igbt的开关频率，实现降低损耗与限制igbt最高结温。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种牵引变流器开关器件限制结温与降低损耗的装置，包括：电源模块、dsp和cpld，dsp的型号为ti的f2812系列，cpld的型号为epm3256ati144-10；

电源模块的+3.3v/-3.3vdc电源接入dsp，电源模块的+1.8v/-1.8vdc电源接入dsp；dsp的4路ad转换器的采样通道adin1～adin4分别与牵引变流器的三相输出电流的检测与调理电路的输出和散热器的温度传感器的调理电路的模拟输出端连接；dsp的地址总线与数据总线均连接至cpld；

牵引变流器的牵引控制单元与cpld的六个io引脚连接，cpld的另外六个io引脚分别与六个igbt的驱动单元的信号输入通道连接。

牵引变流器的牵引控制单元输出6路svpwm输入信号，并将6路svpwm输入信号传输至cpld，cpld对6路svpwm输入信号的频率进行控制，然后输出6路svpwm输出信号，并将输出的6路svpwm输出信号传输至六个igbt。

一种牵引变流器开关器件限制结温与降低损耗的方法，包括以下步骤：

s1、dsp采集三相输出电流信号ioutuvw与散热器温度信号tamp，cpld根据6路svpwm输入信号测算出igbt的开关频率fs；

s2、dsp根据三相输出电流信号ioutuvw计算得到igbt导通过程中的集电极电流ic，根据ic计算得到通态损耗pon和开关损耗ps；

s3、dsp根据通态损耗pon和开关损耗ps计算得到igbt的发热功率pigbt；

s4、将计算出的发热功率pigbt导入热阻模型之中，从而得到igbt的实时结温数据tvj；

s5、若结温数据tvj高于设定的阈值，则通过cpld对igbt的开关频率fs进行控制，降低igbt的开关频率，从而实现降低损耗与限制igbt最高结温的目的，控制fs的实现公式如下：

fs-out＝αfs(5)

fs-out为控制后igbt的开关频率，cpld通过控制α来实现对输出fs的控制，α的数值函数为：

步骤s2中，以u相为例，u相的ic具体计算方法为：假设u相输出电流ioutu，如果根据当前驱动脉冲，已知u相上管触发脉冲有效，且u相输出电流ioutu方向为流出列车牵引变流器的方向，呈现增加趋势，则u相上管的ic＝ioutu；如果根据当前驱动脉冲，已知u相下管触发脉冲有效，且u相输出电流ioutu方向为流入列车牵引变流器的方向，呈现增加趋势，则u相下管的ic＝-ioutu，需要指出的是，ioutu方向为流出列车牵引变流器的方向时为正值，否则为负值。v相和w相的ic具体计算方法同上。

步骤s2中，pon和ps的表达式分别为公式(1)和公式(2)：

pon＝(vce+kic)ic(1)

ps＝fsf(iigbt)(2)

其中，vce为igbt的饱和压降，k为系数，k通过igbt的数据手册得到；vce和iigbt的函数f(iigbt)通过生产厂商提供的资料得到。

步骤s4中，igbt的发热功率pigbt的计算公式如下：

pigbt＝ps+pon(3)。

步骤s4中，tvj的计算公式如下：

式中ri与τi分别为等效热阻和时间常数，ri与τi通过生产厂商提供的资料得到，*号为卷积符号，t为时间的自变量。

本发明的有益效果：

本专利所述的装置，可以对igbt的温度进行实时监测，并能够在其结温超过阈值的第一时间进行反应，限制其温度的上升。

本装置不需要额外的传感器，只需采集现有的波形信号数据即可完成结温限制。

1.本装置可以通过对三相电流和驱动脉冲的检测，实现对igbt的发热及损耗的计算。

2.本装置可以通过igbt发热及损耗的数据，实现对igbt结温的计算。

3.本装置可以根据igbt的结温实现对驱动脉冲的微调，来限制igbt的最高结温。

附图说明

本发明有如下附图：

图1本发明的结构示意图；

图2dsp检测ioutuvw与tamp的电路原理图；

图3α的数值函数示意图；

图4(a)电流调理电路一；

图4(b)电流调理电路二；

图4(c)电流调理电路三；

图4(d)温度调理电路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述的列车牵引变流器开关器件限制结温与降低损耗的装置的核心在于基于dsp与cpld的igbt功耗监测。该装置的基本构造如图1所示，牵引变流器的牵引控制单元与cpld的六个io引脚连接，cpld的另外六个io引脚分别与六个igbt的驱动单元的信号输入通道连接；

牵引变流器的牵引控制单元输出6路svpwm输入信号，并将6路svpwm输入信号传输至cpld，cpld对6路svpwm输入信号的频率进行控制，然后输出6路svpwm输出信号，并将输出的6路svpwm输出信号传输至六个igbt。

6路svpwm输出信号与6路svpwm输入信号的频率不同，cpld对6路svpwm输出信号频率的控制按照公式(5)进行。

牵引变流器的三相输出电流信号ioutuvw与散热器温度信号tamp由dsp采集检测后，由数据总线传输至cpld，dsp检测ioutuvw与tamp的原理图如图2所示。图中dsp参考型号为ti的f2812系列dsp，图中，电源模块的+3.3v/-3.3vdc电源接入dsp，电源模块的+1.8v/-1.8vdc电源接入dsp；dsp的4路ad转换器的采样通道adin1～adin4分别与牵引变流器的三相输出电流的检测与调理电路的输出和散热器的温度传感器的调理电路的模拟输出端连接；dsp的地址总线与数据总线均连接至cpld，cpld的参考型号为epm3256ati144-10。

cpld根据6路svpwm输入信号测算出igbt的开关频率fs，由此可得通态损耗pon和开关损耗ps的表达式：

pon＝(vce+kic)ic(1)

其中，vce为igbt的饱和压降，通过生产厂商提供的资料得到，ic为igbt导通过程中的集电极电流，可以通过三相输出电流信号ioutuvw计算得到。

ic具体计算方法为：以u相为例，假设u相输出电流ioutu，如果根据当前驱动脉冲，已知u相上管触发脉冲有效，且u相输出电流ioutu方向为流出列车牵引变流器的方向，呈现增加趋势，则u相上管的ic＝ioutu；如果根据当前驱动脉冲，已知u相下管触发脉冲有效，且u相输出电流ioutu方向为流入列车牵引变流器的方向，呈现增加趋势，则u相下管的ic＝-ioutu，需要指出的是，ioutu方向为流出列车牵引变流器的方向时为正值，否则为负值。v相和w相的ic具体计算方法同上。

系数k在igbt的数据手册上，基于vce-ic曲线可以查得。

ps＝fsf(iigbt)(2)

其中，vce和iigbt的函数f(iigbt)通过查阅生产厂商提供的资料得到。故而可以得出igbt的发热功率pigbt：

pigbt＝ps+pon(3)

将计算出的发热功率pigbt导入热阻模型之中，从而得到igbt的实时结温数据tvj，计算公式如下。

上式中ri与τi分别为等效热阻和时间常数，ri与τi可从厂商给出的资料中查到，*号为卷积符号，t为时间的自变量。

若结温数据tvj高于设定的阈值，则通过cpld对igbt的开关频率fs的控制，降低igbt的开关频率，从而实现降低损耗与限制igbt最高结温的目的，控制fs的实现公式如下。

fs-out＝αfs(5)

fs-out为控制后igbt的开关频率，cpld通过控制α来实现对输出fs的控制，α的数值函数为：

电流调理电路与温度调理电路如图4所示，其中图4(a)、图4(b)、图4(c)所示的三个电路为电流调理电路，图4(d)为温度调理电路。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。