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      用于機(jī)車空調(diào)的DC/DC變換器

      時(shí)間:2024-06-16 07:16:31 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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      用于機(jī)車空調(diào)的DC/DC變換器

      摘要:為改善機(jī)車司機(jī)的工作環(huán)境及節(jié)能,鐵路部門目前正在大力推廣機(jī)車變頻空調(diào)。由于機(jī)車供電電壓為DC110V,不能滿足機(jī)車空調(diào)的要求,所以首先要通過(guò)DC/DC變換,將電壓升高到300V,然后通過(guò)逆變變成滿足空調(diào)要求的交流電壓。主要討論了用于機(jī)車空調(diào)的DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

      1 概述

      機(jī)車常年運(yùn)行于鐵路線上,為了改善機(jī)車司機(jī)的工作環(huán)境,鐵路部門正逐步在機(jī)車上配備空調(diào)系統(tǒng)。早期安裝的一般都是三相定頻空調(diào)系統(tǒng)。內(nèi)燃機(jī)車上的電源是由一臺(tái)三相380V發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的,由于容量的限制和空調(diào)器頻繁起停的沖擊,嚴(yán)重影響了發(fā)電機(jī)其它負(fù)載的正常工作。為此鐵路部門規(guī)定安裝空調(diào)器必須解決沖擊問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。目前大多數(shù)廠家采用通用變頻器進(jìn)行軟起動(dòng),雖然解決了沖擊的問(wèn)題,但采用通用變頻器僅僅為實(shí)現(xiàn)空調(diào)的軟起動(dòng)顯然非常“浪費(fèi)”,而通用變頻器又不能滿足變頻空調(diào)的特殊要求,所以開(kāi)發(fā)機(jī)車空調(diào)專用變頻調(diào)速系統(tǒng)非常有意義,既可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng),又可通過(guò)變頻空調(diào)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié),達(dá)到節(jié)能的目的。

      目前,變頻壓縮機(jī)一般由三相200V左右異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng),工作頻率范圍是0~120Hz。對(duì)此適用的逆變器通常是DC300V的電壓級(jí)別。內(nèi)燃機(jī)車上的一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)能夠提供DC110V的電源,因此必須使用升壓裝置,使DC110V電壓經(jīng)升壓變換為DC300V,然后再經(jīng)逆變器變換成滿足要求的交流電壓。機(jī)車變頻空調(diào)控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      本文主要討論機(jī)車空調(diào)用DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。首先選擇了易于實(shí)現(xiàn)的變換器結(jié)構(gòu),然后設(shè)計(jì)電路,最后給出了滿足設(shè)計(jì)要求的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

      2 DC/DC變換器主電路結(jié)構(gòu)選擇及設(shè)計(jì)

      2.1 主電路結(jié)構(gòu)選擇

      對(duì)于DC/DC升壓變換器,可以采用的結(jié)構(gòu)形式很多。通常在1kW以上選用帶變壓器隔離的全橋DC/DC變換電路,但這種變換電路需要4個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件,使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同時(shí)在電路設(shè)計(jì)中必須考慮克服隔離變壓器的直流偏磁問(wèn)題,這無(wú)疑增加了控制的難度。由于機(jī)車變頻空調(diào)控制器的惡劣工作環(huán)境,希望電路結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單,通過(guò)分析和試驗(yàn),認(rèn)為采用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種較好的實(shí)現(xiàn)方案。該結(jié)構(gòu)只需要一只開(kāi)關(guān)器件和一只升壓用二極管以及升壓電感,其控制電路也比較簡(jiǎn)單。當(dāng)然該結(jié)構(gòu)在功率較大時(shí)要求開(kāi)關(guān)管的容量較大[1],這是一般大功率DC/DC變換器不選擇這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原因。考慮到本系統(tǒng)的實(shí)際情況以及目前器件的水平,選用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還是可行的,其原理如圖2所示。

      機(jī)車空調(diào)的功率為5kW。根據(jù)機(jī)車空調(diào)的要求,DC/DC變換電路需要將DC110V變換成為DC300V。變換器主電路為典型的Boost結(jié)構(gòu),控制電路由通用PWM控制芯片SG3524實(shí)現(xiàn)。控制電路輸出的PWM信號(hào)經(jīng)HCPL316J隔離放大去驅(qū)動(dòng)IGBT。HCPL316J是IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路,通過(guò)檢測(cè)IGBT的飽和壓降實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。與一般帶過(guò)流保護(hù)的IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路相比,具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。Boost電路在電流連續(xù)及斷續(xù)情況下電感中電流及IGBT兩端電壓波形如圖3所示。

      2.2 主電路參數(shù)計(jì)算

      2.2.1 工作頻率的選擇

      通常小功率開(kāi)關(guān)電源工作頻率高達(dá)幾十kHz甚至幾百kHz。但在本電路中,由于功率較大,導(dǎo)通時(shí)開(kāi)關(guān)管中流過(guò)的電流很大,開(kāi)關(guān)損耗非常大,所以開(kāi)關(guān)管不宜工作在很高的頻率。考慮實(shí)際情況,選擇開(kāi)關(guān)頻率為15kHz。

      2.2.2 電感量的計(jì)算

      已知壓縮機(jī)負(fù)載功率為5kW,Boost電路的輸出電壓Vo=300V,這樣Boost變換器的等效負(fù)載電阻RL=18Ω,等效輸出負(fù)載電流Io=17A。

      在大功率場(chǎng)合,一般希望工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)。由圖3(a),根據(jù)電感兩端電壓在一周期內(nèi)伏秒平衡的原則,可得

      Viton-(Vo-Vi)(T-ton)=0 (1)

      由式(1)可得

      Vo/Vi=1/(1-D) (2)

      電感中電流紋波為

      ΔI=(Vi/L)ton=(Vi/L)DT (3)

      忽略變換器損耗,變換器輸入功率等于輸出功率,即

      ViIL(AV)=VoIo (4)

      式中:IL(AV)為電感電流的平均值。

      由式(4)得

      IL(AV)=(Vo/Vi)Io=(1/I-D)Io (5)

      為保證電流連續(xù),電感電流應(yīng)滿足式(6)。

      IL(AV)≥ΔI/2 (6)

      考慮到式(3)及式(6),可得到滿足電流連續(xù)情況下的電感值為

      應(yīng)在所有占空比情況下滿足式(7),同時(shí)考慮

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