CN101227149A - Dc/dc变换器输出电压纹波调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明所述的DC/DC变换器输出电压纹波调节装置，是应用在电力机车或动车组车辆上的直流24V充电机系统中输出电压纹波调节装置。涉及对目前国产电力机车或动车组车辆传统的充电机的改进。该充电机系统采用副边倍流整流的移相全桥零电压开关的电路拓扑结构，其结构在于去掉了传统充电机前端的大容量直流支撑电容，依靠增加输入电压传感器和输出电压传感器组成的传感器系统，和由输入电压调节、输出电压调节以及调整移相脉冲角度组成的纹波补偿环节获得稳定的直流输出电压。本发明具有结构新颖、体积小，重量轻，效率高，发热量小，运行可靠等特点，故属于一种集经济性与实用性为一体的新型DC/DC变换器输出电压纹波调节装置。

Description

DC/DC变换器输出电压纹波调节装置

技术领域

本发明所述的DC/DC变换器输出电压纹波调节装置，涉及电气自动控制整流电源。

背景技术

目前电力机车车辆用直流24V充电机系统是电力机车和动车组车辆的重要组成部分，它为机车车辆和动车组车辆的控制系统提供控制电源，为旅客提供安全的低压服务电源，同时为备用电源—蓄电池充电。

电力机车或动车组上的充电机系统其直流输入电源分为两种情况：一种为来自于机车四象限整流器输出的直流电压，一种为三相交流电压经过整流后得到的直流脉动电压。以第二种直流脉动电压为输入的充电机一般在输入侧都加有大容量的直流支撑电容，以平滑直流输入电压，获得稳定的输出电压。用普通的铝电解电容做支撑电容，只能使用于低于400V电压的场合，如果要用到更高的电压等级，就要将多个电容串联使用，以提高电压等级。而且铝电解电容容易发热，功率损耗大，可靠性也差。较先进的膜电容电压等级比较高，功率损耗也较小，但价格较高。而且，无论是铝电解电容还是膜电容，其体积都很庞大，这对于减小充电机的体积和提高功率密度来说，都是一个困难。所以，取消充电机直流输入侧的支撑电容有着很大的实际意义。对于前端有着可靠输入的机车或车辆充电机来说，取消直流支撑电容的一个弊端就在于直流脉动的电压会给输出造成很大的电压纹波。针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的DC/DC变换器输出电压纹波调节装置，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。

发明内容

鉴于上述现有技术中所存在的问题，本发明的目的是研究设计一种新型的DC/DC变换器输出电压纹波调节装置，从而解决整流电路取消滤波大电容，DC/DC变换后输出电压纹波较大的问题。本发明所述的DC/DC变换器输出电压纹波调节装置，是应用在电力机车或动车组车辆上的直流24V充电机系统中，充电机系统是由输入电路部分、逆变器、高频变压器、整流滤波器、输出电路部分、和控制电路系统所组成。该系统取消了滤波大电容，在控制电路系统中增加了输入电压传感器和输出电压传感器组成的传感器系统，和由输入电压调节、输出电压调节以及调整移相脉冲角度组成的纹波补偿环节。

本发明所述的输出电压的纹波调节步骤如下：

a、首先对输出电压的纹波信号和输入电压的脉动信号进行精确采样；

b、采样到的信号输送到信号处理板上的信号调理电路之中；

c、调理后的信号进入控制电路系统CPU后，由AD模块转换成相应的数字量。在控制程序高速的定时中断中，CPU不断将采样到的纹波电压值与给定输出电压作比较，给出一个输出电压调节值；

d、将采样到的输入电压脉动值与经过软件滤波后相对稳定的输入电压值做比较，给出一个输入电压调节值；

e、CPU再综合输入和输出电压调节值，实时地调整驱动脉冲移相角度的大小，也就调整了输出电压的大小。

本发明目的是提供一种新型的可供电力机车和动车组车辆使用的直流24V充电机系统，取消了传统充电机前端的大容量直流支撑电容，而在控制电路和控制方法上做了改进，根据对输入和输出电压的采样，依靠高速的DSP芯片实时调整输出电压的大小，达到减小输出纹波电压的目的。

本发明的具体工作原理为：

经过整流的三相交流电变成脉动的直流电压后，进入逆变器逆变成交流的方波电压，交流方波电压再经过高频变压器降压后，送到倍流整流电路中，整流成直流电压。逆变器、高频变压器和整流滤波器共同组成移相全桥零电压开关DC/DC变换器，完成零电压开关过程的谐振电感主要由高频变压器的漏感提供。这样输出的直流电压会因为输入电压的周期性脉动，而出现很大的纹波电压，无法满足系统的输出要求。本发明增加了纹波补偿环节的控制电路系统，可以对输出电压的纹波进行很好的抑制。控制电路系统通过其自身的传感器系统(包括一系列的电压和电流传感器)对输出电压的纹波和输入电压的脉动进行精确采样。采样到的模拟信号输送到信号处理板上的信号调理电路之中，调理之后的信号去除了干扰，而且幅值调整到合适的电平。控制系统的CPU为TI公司的TMS320F2812，为数字信号处理芯片，它采用数字化的方式处理采样信号和进行驱动控制。调理后的信号进入CPU后，由AD模块转换成相应的数字量。在控制程序高速的定时中断中，CPU不断将采样到的纹波电压值与给定输出电压作比较，给出一个输出电压调节值；同时将采样到的输入电压脉动值与经过软件滤波后相对稳定的输入电压值做比较，给出一个输入电压调节值。CPU再综合输入和输出电压调节值，实时地调整驱动脉冲移相角度的大小，也就调整了输出电压的大小。也就是说，当输入脉动电压处在正弦波形波峰处时，就减小输出电压的大小，当输出电压反馈值较大时，也减小输出电压的大小。而当输入脉动电压处于波谷时或输出电压反馈值较小时，就提高输出电压的大小。这样就可以通过软件控制将输出电压纹波限制在一个很小的允许范围之内。

本发明具有结构新颖、体积小，重量轻，效率高，发热量小，运行可靠等优点，其大批量投入市场必将产生积极的社会效益和显著的经济效益。

附图说明

本发明共有四张附图，其中

附图：1、机车车辆用的直流24V充电机系统的原理框图

附图：2、机车车辆用的直流24V充电机系统的主电路图

附图：3、控制电路系统6的原理框图

附图：4、控制电路系统6的纹波调节环节的示意图

图中：1、输入电路部分  2、逆变器  3、高频变压器  4、整流滤波器5、输出电路部分  6、和控制电路系统

具体实施方式

本发明的具体实施例如附图所示，附图1所示，是由输入电路部分1、逆变器2、高频变压器3、整流滤波器4、输出电路部分5和控制电路系统6所组成。取消了滤波大电容，在控制电路系统6中增加了输入电压传感器和输出电压传感器组成的传感器系统，和由输入电压调节、输出电压调节以及调整移相脉冲角度组成的纹波补偿环节。

本发明所述的输入电路1包括输入快熔及接触器等。逆变器2由四个开关管(IGBT)VTA～VTD，及和四个开关管并联的谐振电容Ca～Cd，隔直电容C4，吸收电容C1～C3组成。整流滤波器4由滤波电抗L2～L3，快恢复整流二极管VD2～VD3和输出滤波电容C6～C7组成。输出电路5包括输出快熔和防反向二极管。控制电路系统6由CPU板，信号处理板，驱动板，电源板和传感器系统组成。控制系统的CPU板采用TI公司的TMS320F2812作为信号处理芯片，主频可达到150MHz，芯片的高速处理能力保证了纹波调节的可靠性。同时芯片带有CAN通信模块，可通过CAN网络与机车或车辆的控制系统通信。试验证明，采用这样的方式控制输出电压纹波的大小非常有效。设计的样品符合铁路相关标准，被铁路装备制造企业所接受。

本发明所涉及的直流24V充电机系统具有体积小，重量轻，效率高，发热量小，运行可靠等优点，可以很好的适应我国新型铁路机车及动车组车辆应用。

Claims (2)

1.一种DC/DC变换器输出电压纹波调节装置，是应用在电力机车或动车组车辆上的直流24V充电机系统中，充电机系统是由输入电路部分(1)、逆变器(2)、高频变压器(3)、整流滤波器(4)、输出电路部分(5)和控制电路系统(6)所组成；其特征在于该系统取消了滤波大电容，在控制电路系统(6)中增加了输入电压传感器和输出电压传感器组成的传感器系统，和由输入电压调节、输出电压调节以及调整移相脉冲角度组成的纹波补偿环节。

2.根据权利要求1所述的DC/DC变换器输出电压纹波调节装置，其特征在于输出电压的纹波调节步骤如下：

a、首先对输出电压的纹波信号和输入电压的脉动信号进行精确采样；

b、采样到的信号输送到信号处理板上的信号调理电路之中；

c、调理后的信号进入控制电路系统(6)CPU后，由AD模块转换成相应的数字量。在控制程序高速的定时中断中，CPU不断将采样到的纹波电压值与给定输出电压作比较，给出一个输出电压调节值；

d、将采样到的输入电压脉动值与经过软件滤波后相对稳定的输入电压值做比较，给出一个输入电压调节值；

e、CPU再综合输入和输出电压调节值，实时地调整驱动脉冲移相角度的大小，也就调整了输出电压的大小。

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