DC600V车载逆变变频电源的制作方法

本实用新型涉及一种DC600V车载逆变变频电源，主要用于为机车交流设备(空调)供电。

背景技术：

DC600V车载逆变电源是将机车上自带的DC600V直流电通过逆变转化成三相AC380V的交流电，为机车交流设备(空调)供电。DC600V车载逆变电源主要有电力电子开关器件组成，以脉宽调制的方式把直流电逆变成交流电。现有DC600V车载逆变电源主要有以下两种方式：1)直流电通过三相逆变电路逆变成脉宽调制波形直接给机车供电。此方案采用变频起动方式，设备起动冲击小，同功率负载可以选配较小功率的电源。但是此方案的最大缺点是电源输出不是纯净的正弦波，使得逆变交流侧产生很大的谐波，降低电网供电质量。2)直流电通过三相逆变电路逆变成交流后再在后级添加三相变压器和电容对输出进行滤波，滤波完成后输出纯净的正弦波给机车进行供电。此方案虽然解决了输出波形非正弦的问题，但是也带来了新的问题，由于后级带有变压器，低频变压器体积大成本高，不能瞒足现场要求，所以后级只能选配50HZ工频变压器，这样电源就不能实现变频起动，且自身效率较低。同等功率的设备就要选择几倍以上的电源，增加成本。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种DC600V车载逆变变频电源，以解决现有技术存在的降低电网供电质量和增加成本的问题。

本实用新型的技术方案是：一种DC600V车载逆变变频电源，其特征在于，包括依次连接的直流输入空气开关、三相逆变模块、高频滤波电感、滤波电容、输出空气开关和双处理器核心控制器，在所述的直流输入空气开关与三相逆变模块之间设有防反接整流桥、预充电开关、预充电电阻和直流支撑电容，防反接整流桥的输出端分别串联预充电开关和并联直流支撑电容，在该预充电开关上并联预充电电阻；所述的三相逆变模块的输入端通过电压采集电路与该双处理器核心控制器的电压采样端连接，该双处理器核心控制器的一个输出端通过IGBT驱动电路与三相逆变模块的输入端连接，该双处理器核心控制器的电流采样端通过电流采集电路与所述的高频滤波电感的输出端连接；在该双处理器核心控制器的其他不同输出端分别连接有显示屏、标准MODBUS通讯电路、操作按键和状态指示灯。

所述的双处理器核心控制器包括DSP和FPGA，DSP和FPGA分别采用TMS320F2812集成电路和EP3C40Q240C8集成电路，还包括电压AD转换电路、电流AD转换电路、驱动接口电路和外部I/O电路，电压AD转换电路和电流AD转换电路的输入端分别为所述的电压采样端和电流采样端；电压AD转换电路和电流AD转换电路的输出端分别与FPGA的输入接口连接，FPGA通过驱动接口电路与所述的IGBT驱动电路连接；FPGA通过外部I/O电路与所述的显示屏、操作按键和状态指示灯连接；FPGA与DSP通过数据和地址总线进行数据交换；DSP的输出端与所述的标准MODBUS通讯电路连接。

所述的滤波电容采用薄膜滤波电容。

本实用新型的优点是：

1)DC600V直流输入加入防反接整流桥，使得输入可以任意接线，现场接线更方便。

2)双处理器核心控制器采用双CPU(DSP+FPGA)全数字SPWM控制方式，速度更快，控制精度更高，灵活性更好，更稳定。

3)采用变频变压起动方式，启动电流小，启动转矩大，对电源冲击小，同等功率的电机可以选择更小的变频电源，为客户节约很大的成本。

4)输出采用高频滤波电感和滤波电容组成的LC滤波器，输出波形纯正弦，消除输出测谐波，提高供电质量。

5)整台机器没有变压器，体积小重量轻、便于机车上安装。

6)标准modbus通讯电路，很容易与外部设备进行通讯，方便接入机车整车监控系统。

附图说明

图1是本实用新型的总体结构示意图；

图2是本实用新型双处理器核心控制器(DSP+FPGA)的组成示意图；

图3是本实用新型外部I/O电路的电路原理图；

图4是本实用新型电压和电流AD转换电路原理图；

图5是本实用新型驱动接口电路的电路原理图；

图6是本实用新型电流采集电路的电路原理图；

图7是本实用新型电压采集电路的电路原理图；

图8是本实用新型标准MODBUS通讯电路的原理图；

图9是本实用新型IGBT驱动电路的电路原理图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型一种DC600V车载逆变变频电源，其特征在于，包括依次连接的直流输入空气开关1、三相逆变模块6、高频滤波电感7、滤波电容8、输出空气开关9和双处理器核心控制器13，在所述的直流输入空气开关1与三相逆变模块6之间设有防反接整流桥2、预充电开关3、预充电电阻4和直流支撑电容5，防反接整流桥2的输出端分别串联预充电开关3和并联直流支撑电容5，在该预充电开关3上并联预充电电阻4；所述的三相逆变模块6的输入端通过电压采集电路10与该双处理器核心控制器13的电压采样端连接，该双处理器核心控制器13的一个输出端通过IGBT驱动电路11与三相逆变模块6的输入端连接，该双处理器核心控制器13的电流采样端通过电流采集电路12与所述的高频电感7的输出端连接；在该双处理器核心控制器13的其他不同输出端分别连接有显示屏14、标准MODBUS通讯电路15、操作按键16和状态指示灯17。

在工作时DC600V直接接入本设备，为了防止现场接线错误，DC600V直流电进入设备首先讲过单相整流模块，即使DC600V直流电接反同样可以通过整流桥给后级提供正负正确的直流电。整流模块后面是预充电模块，本模块主要起到供电缓冲作用。如果直流进入设备后直接接支撑电容，上电瞬间电容相当于短路，上电瞬间会有很大的冲击电流，可能导致前级空气开关跳闸，严重时可能影响供电安全。加入预充电模块以后，上电瞬间DC600V通过预充电电阻给后级直流支撑电容充电，充电到一定电压以后通过电控开关把预充电电阻切掉(控制器控制)。这样很好的避免上电瞬间的冲击。预充电后级是直流支撑模块，吸收来自于逆变器向直流支撑电容索取的高幅值脉动电流，阻止其在直流支撑电容的阻抗上产生高幅值脉动电压，使直流母线上的电压波动保持在允许范围。防止来自于直流支撑电容的电压过冲和瞬时过电压对IGBT的影响。直流支撑后级是三相逆变模块，主要功能是把DC600V直流电逆变成脉宽调制的交流电，供后级电网用。本模块采用SPWM控制方式，正弦波和调制波全数字合成，并且有三次谐波注入，控制速度更快，精度更高，直流电压利用率比常规单纯SPWM控制提高15％。通过控制器控制，产生互差120度的正弦波。逆变后级是LC滤波模块，本模块是本设备的最大亮点，采用高频电感代替工频变压器对逆变输出进行滤波。高频电感工作频率很宽，既可以工作在很低的频率，也可工作在很高的频率。这样既解决了输出波形非正弦的问题，又解决了机器不能变频起动和变压器体积大成本高的问题。很好综合了上面两方案的优点，避免了他们的缺点。

参见图2，所述的双处理器核心控制器13包括DSP和FPGA，分别采用TMS320F2812集成电路和EP3C40Q240C8集成电路，还包括电压AD转换电路131、电流AD转换电路131’、驱动接口电路134和外部I/O电路135，电压AD转换电路131和电流AD转换电路131’的输入端分别为所述的电压采样端和电流采样端；电压AD转换电路131和电流AD转换电路131’的输出端分别与FPGA的输入接口连接，FPGA通过驱动接口电路134与所述的IGBT驱动电路11连接；FPGA通过外部I/O电路135与所述的显示屏14、操作按键16和状态指示灯17连接；FPGA与DSP通过数据和地址总线进行数据交换；DSP的输出端与所述的标准MODBUS通讯电路15连接。

图2中，DSP负责通讯、故障保护等功能，FPGA负责模拟量(电压、电流)采集，驱动信号下发、故障处理等功能，TMS320F2812与EP3C40Q240C8通过数据和地址总线进行数据交换。双核处理器速度更快，灵活性更好。

各个模块电路图及说明如下：

1、外部I/O电路135：

如图3，EP3C40Q240C8的输出信号PL4通过U1整形和U24*的光电隔离后，驱动输出继电器K1*进行开关量信号的输出。PLA4和PLB4信号可以为各种电平的信号。外部输入到EP3C40Q240C8的信号首先经过U4*光电隔离和电平整形后输入到器件管教。其中：U1型号HT7407、U24*型号TLP127、U4*型号TLP127、K1*型号G5NB。R25*、R46*为配合光电耦合工作使用。D1*型号1N4007和R101*为继电器线圈电弧吸收电路。

2、电压AD转换电路131和电流AD转换电路131’：

如图4，外部各种模拟量信号通过前级电路处理后送到U14的模拟量端口CHx(X为0～7)，经AD转换成数字信号后通过AD1D0～AD1D13送到EP3C40Q240C8芯片内部处理。AD转换的时序通过EP3C40Q240C8给出的控制信号AD1CS、AD1RD、AD1WR、ADCONV控制。+AD5V为AD的模拟量供电电源，+AD3.3V为AD的数字量供电电源。电路中的电容C282、C283、C284、C287、C309、C310、C308、C312、C313、C314为配合AD转换用。

3、驱动接口电路134：

如图5，EP3C40Q240C8输出的PWM驱动信号TDx通过U26后驱动能力整大，经电阻上拉后输出到逆变模块控制住电路IGBT的通断。其中：U26型号ULN2003D，R0031、R0032、R0033、R0034、R0035、R0036为输出上拉电阻。

4、电流采集电路12：

所有电流采样都有图6所示电流采样电路来完成。主要有电流互感器J47，采样电阻R498和RW27和若干电容、电感、二极管组成。大电流通过电流互感器J47转换成小电流信号(或电压信号)，电流信号通过采样电阻R498和RW27转化成电压信号。电压信号通过处理后输入到AD采样电路的CHX进行模数转换。L17、L45、C500、C501、C511、C508、C392、C393、C400、C401作用是对电源进行滤波，使互感器的供电纹波尽量小。TVS管的作用是避免高压损坏电流互感器和AD采样电路。其中：J47型号HAT1000-S，TVS型号P6CE18CA。

5、电压采集电路10：

所有电压采集都是通过图7电压采样电路来实现的(以R相电压测量为例)，电压采集采集电路由线性光耦U1和运放U5B以及若干电阻、电容组成。高压首先通过R1、R9、R10、R81、R82、R31、R39、R40几个电阻分压，在R81、R82两端得到与输入等比例的电压值。降压后的电压通过线性光耦U1隔离放大后输出再经U5B放大后输出到后级模数转换电路CHX端。其中：U1型号A7840，U5B型号TL064C。

6、标准MODBUS通讯电路15：

如图8，TMS320F2812输出的通讯信号CTXA485、CRXA485、RE485分别为串口发送信号、串口接收信号和方向使能信号。三个信号均为TTL信号，通过U146的整形和U114的光电隔离后再通过U148转换成标准RS485信号经接口J66与外部设备进行通讯。其中：U146型号LS07，U114型号6N137，U148型号SN75LBC184，J66型号DB9母头。R453、R464、R458、R467、R459、R462、R451、R508为配合U146和U114工作电阻。R474、R510、R473、TVS58、L64、L65为总线防浪涌电路。

7、IGBT驱动电路11：

如图9，控制器发送的PWM信号通过专用驱动芯片IC6后驱动IGBT模块的开通和关断。CN7为驱动电路与IGBT的接口。IGBT过流故障通过PC5光电隔离后送入到CPU进行处理。其中IC6型号M57962AL，PC5型号TP521，R32、R36、R40、ZD4、D18、D18*、ZD8、ZD12为IC6外围辅助器件。ZD430V稳压管D18和D18*型号为FR107，ZD810V稳压管ZD1224V稳压管。