The design of power supply for air-condition of the locomotive
Abstract: A design of power supply for air-condition of the locomotive is provided in this paper.The results of experimental test show that the power system for the air-condition can work well without disturbing the other device of the locomotive.
Key words: SPWM；Waveform Generator；IPM
摘要：针对电力机车内特定的空调使用环境，设计一种新的机车空调逆变电源。实验结果表明，使用本设计方案的电力机车空调电源系统后，空调器工作可靠，并且不影响电力机车其他设备的正常运行。
关键词：SPWM；波形发生器；IPM
1 概述
随着铁路运输的快速发展，迫切需要在电力机车司机室安装空调系统，改善司机的工作条件，以确保行车安全。由于电力机车的供电电源为单相交流电，电压波动的范围很大，并且过一个供电区段会断电数秒。如果把该电源直接作为空调器电源，空调器不能正常工作。由于空调器功率为5KW左右，在空调启动和停止时会对电力机车的供电系统产生极大的干扰，严重影响了电力机车上其他设备的运行。为保证空调的正常运行，且在使用时不对机车其他设备产生影响，必须要对机车内空调电源进行设计。结合实际情况，本文设计出一种新的机车空调逆变电源，能够满足空调器运行的要求，实现空调器压缩机的软启动，并且调节温度精确。
2硬件设计
2.1结构介绍
电源变频方式采用交－直－交电压型方式。电力机车降压变压器输出单相220 V交流电，经由整流器整流后输出直流电。经电容和电抗器滤波以后，逆变成电压和频率都可以调节的三相交流电，作为变频空调器的电源。控制器需要实现以下的功能：产生SPWM控制脉冲；检测逆变器输入电压值、输出电压和电流值；检测按钮状态；完成频率显示和故障指示；进行温度控制。电源系统硬件主要包括整流器、IPM逆变器及变频控制器构成，系统结构如图1所示。
2.2 IPM逆变器
逆变器中采用先进的IPM智能功率模块代替原来的IGBT。智能功率模块是以先进的第三代IGBT和续流二极管为基础，使用几个高速、低功耗的IGBT和先进的门驱动电路集成的器件。通过采用先进的电流检测型IGBT和与之匹配的门控电路，可以实现高效的自保护功能，如：欠压、过流、过热和短路保护。它还具有导通电阻小，开关速度快，驱动功率小，工作效率高，耐压高。当模块发生故障时，可以根据IPM故障输出端输出信号，进行故障判断。这些都大大提高了系统的可靠性，并使整个模块体积小，结构紧凑。
2.3变频控制器
电源系统采用INTEL公司的87C196MC芯片作为控制器，用于控制逆变器和进行温度控制。 87C196MC是设计用于三相交流感应电机和直流无刷电机的16位控制器。使用它内含的三相波形发生器WFC，可以大大简化产生逆变器中IPM的SPWM触发脉冲信号的硬件电路和软件。通过编程可产生独立的、具有相同频率和工作方式的三相6路PWM波形，并由P6口直接输出6路PWM信号给逆变器，且三相互补不重叠。每个引脚驱动电流达20mA，为防止同一桥臂上2个功率管发生直通造成短路，该发生器还可通过编程设置死区互锁时间，在16MHz晶振时，死区时间范围为0.125到125μs之间。通过控制芯片原有I/O口扩展一个64kb存储器，用于存储程序和正弦表格。利用芯片I/O口，通过加一些隔离电路可以方便的实现模拟量、数字量的输入和数字信号的输出。
3控制功能实现与软件系统
3.1 SPWM脉冲生成
系统中SPWM波形是通过87C196MC的脉冲发生器WFG生成。SPWM脉宽调制是在一个调制波周期内，每个脉冲的宽度按照正弦规律变化。常用的SPWM波形的方法有三种：自然采样法，规则采样法I，规则采样法II。在规则采样法II中，脉冲的计算公式：
本系统中，采用了规则采样法，使用三角波作为载波，正弦波作为调制波。首先将正弦函数按照载波比离散化，存入EPROM。通过查表法和实时计算，得到脉冲宽度。将脉冲宽度值送到相位比较寄存器WG-COMPx中，在和加1/减1计数器WG-COUNT作比较。在WG-COUNT减1的过程中，WG-COMPx于WG-COUNT相等，输出一个触发信号WG-COUNT减1到0001H后，重新加1过程中，WG-COMPx于WG-COUNT相等，再输出一个触发信号。两个信号之间所对应的时间就是脉冲宽度。
计算脉冲宽度的公式如下所示：
3.2温度控制策略
在软件中温度的控制是通过调节变频压缩机的逆变电源频率来实现的。因为在一定工况下，制冷量与制冷剂质量流量成正比，即 Q = q . m。式中：Q为制冷量；q为制冷剂单位质量制冷量；m为制冷剂质量流量。而制冷剂质量流量与压缩机转速成正比例函数关系，即m = f ( n )。式中：n为压缩机转速；f为制冷剂质量流量与压缩机转速的函数关系。这样可以通过调节压缩机转速就实现对空调制冷量的调节，从而实现调节司机室温度的目的。
为了实现温度的高精度控制，根据设定温度于实际温度的差值，决定逆变电源的频率。例如，当实际温度于大大高于设定温度时，把逆变器设置频率变换到最高频率，此时空调系统的制冷能力最大，能够达到快速制冷的目的。当实际温度于设定温度的差值在控制误差要求范围内，逆变器设定频率保持不变，这样可以避免温度的波动。根据经验值，确定了设定温度和温差于设定频率之间的对应关系，实现了对温度的高精度控制。
3.3宽电压适应技术
由于电力机车供电系统的输入电压波动比较大，导致逆变器的直流输入电压会发生变化。为了使得逆变器的输出保持稳定，在软件中采用了电压适应技术来解决这个问题。在系统中采样直流母线电压，根据直流母线电压的大小和压频曲线来动态的改变调制度M。当整流以后的直流母线电压的值小于根据压频曲线计算的计算电压时，此时调制度M值为1；当实际的直流电压值大于计算电压时，此时可以根据公式计算出调制度M的值。使得系统在输入电压变化较大的情况下，逆变器的输出电压也符合空调系统的要求。
3.4控制软件介绍
系统的控制软件主要由系统主程序、波形发生器WFG中断服务程序、EXTINT中断服务程序等三个部分组成。图2为主程序的软件流程图：
图2 主程序软件流程图
主程序的功能主要有：完成芯片各功能部件的初始化，以及按钮状态的检测；采样逆变桥直流母线电压、逆变器输出电流，判断系统的输入电压和输出电流是否满足要求；采样司机室环境温度，根据环境温度和设定温度来决定逆变器的设定频率；根据设定频率和直流母线电压值，计算调制度M。
WFG中断服务程序主要用于三相SPWM宽度的产生。在中断程序中通过调制度M和查表得到的正弦值，计算出SPWM脉宽，产生SPWM波形。需要在存储器中建立的正弦函数数据表，为了节约存储空间，只存放了0度到180度正弦值。根据正弦函数具有反对称性，需要在程序中判断出正弦值的正负，这样才可以保证，计算的脉冲宽度正确。
EXTINT中断服务程序用于重大故障的处理及显示。当电源输出短路时，电流通过外部回路的比较器，和短路电流保护的门限值比较，EXTINT引脚产生一个触发信号，进入EXTINT中断程序。中断程序可以停止PWM输出，保护系统。
4总结
本空调系统实现了软起动,起动电流小,对电网与其它电源无干扰。并且功率连续调节,温度波动小,变化平滑。经过实验证明本系统的各项技术指标都达到了设计的要求,能满足电力机车司机室夏季制冷要求。
本文章的创新点在于在电力机车变频空调电源系统上采用宽电压适应技术，解决了电压剧烈变化这一难题。同时采用先进的温度控制策略，克服了司机室热负荷变化这一困扰，实现了高精度温度控制要求。
参考文献：
1.张贻锋.一种新型全数字SPWM变频器的设计.北京：微计算机信息，2004(3).
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4.孟庆波.80C196MC在IPM变频器中的应用.电子技术应用,2002（5）.
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