CN104391536B - 列车供电装置负载试验台电流无级调节器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车供电装置负载试验台电流无级调节器，其包括通过PWM信号控制将列车供电装置的负载电流调节至规定的电流值的直流斩波电路；直流斩波电路包括：主电路模块用于按照驱动电路模块输出的PWM信号控制模块内电力半导体开关器件的开通与关断时间占空比来输出相应的电压值，进而调节负载电流值；控制电路模块，用于产生电压脉冲占空比可调的控制信号送至驱动电路模块；以及驱动电路模块，用于按照控制电路模块输出的控制信号驱动控制主电路模块内的电力半导体开关器件开通与关断时间。本发明利用直流斩波原理来调节供电装置负载电流，以达到无级调试供电装置功率的目的，为列车供电装置的出厂功率试验提供了一种便捷准确的试验检测手段。

Description

列车供电装置负载试验台电流无级调节器

技术领域

本发明涉及一种电流调节器，具体地说是涉及一种电力机车用列车供电装置负载试验台电流无级调节器。

背景技术

电力机车(如DC600V等)列车供电装置通过调试试验台进行功率试验过程中，其所需的负载电流往往为阶跃式的，不能无级变换，这样只能在列车供电装置的几个特殊功率点进行考核；尤其是对于列车供电装置的满负载工作点，现有调试试验台无法准确的将负载电流调节在满功率状态，进而影响电力机车(DC600V)列车供电装置试验效果。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种列车供电装置负载试验台电流无级调节器，该电流无级调节器利用直流斩波原理来调节供电装置负载电流，以达到无级调试供电装置功率的目的，该电流无级调节器为列车供电装置的出厂功率试验提供了一种便捷准确的试验检测手段。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

列车供电装置负载试验台电流无级调节器，其特征在于：

包括连接列车供电装置负载试验台，通过PWM控制信号将列车供电装置的负载电流调节至相应的电流值的直流斩波电路；

所述直流斩波电路包括：

主电路模块，包括电力半导体开关器件，用于按照驱动电路模块输出的PWM控制信号控制模块内电力半导体开关器件的开通与关断时间占空比来输出相应的电压值，进而调节负载电流值；

控制电路模块，用于产生电压脉冲占空比可调的PWM控制信号送至驱动电路模块；

以及驱动电路模块，用于按照控制电路模块输出的PWM控制信号驱动控制主电路模块内的电力半导体开关器件开通与关断时间。

所述的直流斩波电路还包括保护电路模块，用于实时检测负载电流值，在负载电流值超过预设报警值时产生报警信息至控制电路模块，使得所述控制电路模块截止输出PWM控制信号。

所述保护电路模块优选霍尔电流传感器。

所述主电路模块中的电力半导体开关器件优选IGBT器件。

所述控制电路模块包括用于进行电压信号AD采样的电位器以及按照AD采样值转换为对应的PWM值后输出PWM控制信号的DSP模块。

所述驱动电路模块包括光电耦合器、电源芯片1、电源芯片2以及供电电源；其中所述供电电源用于为所述驱动电路模块整个电路供电；所述电源芯片1、电源芯片2分别用于输出高、低两种不同电压值的电源芯片，使得所述光电耦合器随着PWM控制信号导通或者截止时，控制电力半导体开关器件开通与关断。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明结构简单，操作简易，适用于列车供电装置的出厂功率试验，特别是适用于DC600V列车供电装置负载试验台，其基于直流斩波原理，利用控制电路模块输出PWM控制信号后通过所述驱动电路模块控制主电路模块内电力半导体开关器件的开通与关断时间占空比来输出相应的电压值，进而调节供电装置负载电流，最终达到无级调试供电装置功率的目的。

附图说明

图1为本发明电路原理示意图；

图2为本发明连接至列车供电装置负载试验台时电路原理示意图；

图3为本发明驱动电路模块电路原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

鉴于现有机车供电试验台其考核点只能提供整百安培的负载电流的缺陷，本发明设计了一种电流无级调节器，该电流无级调节器利用PWM控制直流斩波电路，将负载电流调节至规定的电流值，以便考核列车供电装置在各工况下的工作性能。其重要意义就在于起到电流补充的作用，当列车供电装置的考核点负载电流非整百安培时，例如120A时；其中20A的负载电流就可以通过本电流无级调节器调节得到。

如图1所示，本发明主要包括连接列车供电装置负载试验台，通过PWM控制信号将列车供电装置的负载电流调节至规定的电流值的直流斩波电路；

所述直流斩波电路包括：

主电路模块，包括电力半导体开关器件-IGBT，用于按照驱动电路模块输出的PWM控制信号控制模块内IGBT的开通与关断时间占空比来输出相应的电压值，进而实现调节负载电流大小的目的；

控制电路模块，包括用于进行电压信号AD采样的电位器以及按照AD采样值转换为对应的PWM值后产生电压脉冲占空比可调的PWM控制信号送至驱动电路模块的DSP模块；

驱动电路模块，用于按照控制电路模块输出的PWM控制信号驱动控制主电路模块内的电力半导体开关器件开通与关断时间。

以及保护电路模块，用于实时检测负载电流值，在负载电流值超过预设报警值时产生报警信息至控制电路模块，使得所述控制电路模块截止输出PWM控制信号。所述保护电路模块优选霍尔电流传感器，以防止电路中产生过电流现象进而损害电路设备。

所述驱动电路模块包括光电耦合器、电源芯片1、电源芯片2以及供电电源；其中所述供电电源用于为所述驱动电路模块整个电路供电；所述电源芯片1、电源芯片2分别用于输出高、低两种不同电压值的电源芯片，使得所述光电耦合器随着PWM控制信号导通或者截止时，控制电力半导体开关器件开通与关断。

下述结合具体实施例1以及图2、图3做具体说明：

将所述电流无级调节器也就是直流斩波电路，连接至列车供电装置负载试验台，本例为DC600V列车供电装置负载试验台，如图2所示，整百安培的负载电流由DC600V列车供电装置负载试验台若干并联的电阻开关电路实现，其非整百安培则由直流斩波电路补充。

如图2，具体过程为：

当仅闭合S7时，通过对DSP(优选2812)的PWM输出占空比的控制，可以将负载电流无级调节在0-100A的区间；

将S1、S7闭合时，可以将负载电流调节在在100-200A的区间；

将S1、S2、S7闭合时，可以将负载电流调节在在200-300A的区间；

以此例推；

将S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7闭合时，可以将负载电流调节在600-700A的区间。

通过各路负载开关以及DSP2812的配合控制，可以使得负载电流可以在零到满载电流区间，平滑的过渡。

同时所述主电路模块的电力半导体开关器件-IGBT参数选择可按实际的实验需要进行选择，如1)IGBT额定电压的选择：直流输入电压为600V±5％，在开关工作的条件下，IGBT的额定电压一般要求高于直流电压的两倍，根据IGBT规格的电压等级，可选择1700V电压等级的IGBT。2)IGBT额定电流的选择由于负载电气启动或加速时，电流过载，一般要求IGBT在1分钟的时间内，承受1.5倍的过流。IGBT支路电流约为100A，IGBT最大负载电流约为150A，出于安全考虑，此处选择400A电流等级的IGBT。3)IGBT开关参数的选择：在实际工作的过程中，IGBT的开关损耗随开关频率的上升成比例的增长。所以限制驱动模块的工作频率为1K Hz，选择最高允许工作频率大于1K Hz的IGBT。

所述控制电路模块主要用于产生PWM控制信号，以控制斩波电路中IGBT的通断，同时能够通过对占空比的调节达到控制输出电流大小的目的。对应的所述控制电路模块包括电位器和DSP芯片，以及电源(5V左右的电源用电位器以及对应的电阻进行分压，确保能够给DSP芯片AD接口提供0-3V的电压)。基于PWM控制原理，本发明利用DSP芯片通过对电位器0-3V的电压信号进行AD采样，根据AD采样值将其转化为对应的PWM的占空比取值，从而产生占空比可调的PWM控制信号。

对应的，所述DSP芯片包括ADC模块与EVA事件管理器模块：

ADC模块与EVA事件管理器模块两者的配合产生PWM控制信号；所述ADC模块用于对电位器两端分得的0—3V范围的电压进行顺序采样，将采样结果转化为相应的16进制数，并赋给EVA事件管理器模块中的比较寄存器T1CMPR，用来控制占空比；所述EVA事件管理器模块包括3个寄存器：分别为计数器寄存器T1CNT，周期寄存器T1PR，比较寄存器T1CMPR；通过这3个寄存器的设置，产生占空比，周期频率可调的PWM控制信号，其具体是现实方式：

设置T1CNT初值为0，设置T1PR初值(具体值与EVA时钟周期相关)，确定PWM周期；T1CNT每经过一个时钟周期，数值增加1，当T1CNT的值与T1PR值相等时，发生周期匹配事件，同时DSP会对ADC模块发出一个启动指令，ADC模块开始进行采样；采样结束后，DSP进入AD中断即对采样结果进行数据处理，并将数据处理结果赋给T1CMPR(0-3V的电压分别对应0—100％的占空比)；退出中断后，T1CNT归零，然后递增，当T1CNT＝T1CMPR，EVA事件管理器输出电压发生翻转，T1CNT继续递增，当T1CNT＝T1PR，AD采样，赋值给T1CMPR；T1CNT归零，然后递增，重复上述步骤，最终产生占空比，周期频率可调的PWM控制信号。

所述驱动电路模块，用于将PWM控制信号转换后，加载到IGBT控制端和公共端之间，用来驱动IGBT的开通与关断：

鉴于IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以直接驱动IGBT，因此需要外加驱动电路。驱动电路是连接控制部分和主电路的桥梁，驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败，具体来讲IGBT的驱动要求动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则IGBT会在开通及关延时，同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。其次能向IGBT提供适当的正向和反向栅压，而且要具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿；最后当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。

具体驱动电路实例如图3所示，所述驱动电路模块包括光电耦合器、电源芯片1、电源芯片2以及供电电源；整个电路由24V电源供电，PWM控制信号由驱动电路输入端口P1的输入。OC为光耦,U1为高电压24V输出的电源芯片，U2为低电压8V输出电源芯片。

当PWM控制信号为高时，光耦OC导通，U1输出+24V，U2输出+8V，所以驱动电路输出端口P2加在IGBT上Uge＝+16V，此时IGBT导通。

当PWM控制信号为低时，光耦OC截止，U1没有输出，U2输出+8V，所以驱动电路输出端口P2加在IGBT上Uge＝-8V，此时IGBT截止。

此外，OC光耦起到隔离控制电路与驱动电路的作用；在驱动电路输出端口P2前，加一个18V的双向稳压管，起到栅压限幅的作用，保证IGBT的栅极电压不会超过其极限栅极电压，从而起到保护作用。

所述保护电路模块采用霍尔电流传感器，来检测IGBT所在的负载支路电流，当支路电流大于预设报警值如120A时候，将所得的电压信号处理反馈给DSP芯片，DSP芯片将截止PWM输出，从而关断IGBT，达到过流保护的作用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.列车供电装置负载试验台电流无级调节器，其特征在于：

包括连接列车供电装置负载试验台，通过PWM控制信号将列车供电装置的负载电流调节至相应的电流值的直流斩波电路；

所述直流斩波电路包括：

主电路模块，包括电力半导体开关器件，用于按照驱动电路模块输出的PWM控制信号控制模块内电力半导体开关器件的开通与关断时间占空比来输出相应的电压值，进而调节负载电流值；

控制电路模块，用于产生电压脉冲占空比可调的PWM控制信号送至驱动电路模块；

以及驱动电路模块，用于按照控制电路模块输出的PWM控制信号驱动控制主电路模块内的电力半导体开关器件开通与关断时间。

2.根据权利要求1所述的列车供电装置负载试验台电流无级调节器，其特征在于：所述的直流斩波电路还包括保护电路模块，用于实时检测负载电流值，在负载电流值超过预设报警值时产生报警信息至控制电路模块，使得所述控制电路模块截止输出PWM控制信号。

3.根据权利要求2所述的列车供电装置负载试验台电流无级调节器，其特征在于：所述保护电路模块优选霍尔电流传感器。

4.根据权利要求1所述的列车供电装置负载试验台电流无级调节器，其特征在于：所述主电路模块中的电力半导体开关器件优选IGBT器件。

5.根据权利要求1所述的列车供电装置负载试验台电流无级调节器，其特征在于：所述控制电路模块包括用于进行电压信号AD采样的电位器以及按照AD采样值转换为对应的PWM值后输出PWM控制信号的DSP模块。

6.根据权利要求1所述的列车供电装置负载试验台电流无级调节器，其特征在于：所述驱动电路模块包括光电耦合器、电源芯片1、电源芯片2以及供电电源；其中所述供电电源用于为所述驱动电路模块整个电路供电；所述电源芯片1、电源芯片2分别用于输出两种不同电压值的电源芯片，且所述电源芯片1所输出的电压值高于电源芯片2所输出的电压值，使得所述光电耦合器随着PWM控制信号导通或者截止时，控制电力半导体开关器件开通与关断。