阮　錚

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京　100081)

牽引變流器(簡(jiǎn)稱(chēng)變流器)是城軌車(chē)輛牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的核心設(shè)備，其控制方式通常是基于脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，將直流電源轉(zhuǎn)化為調(diào)壓調(diào)頻的電源以驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)電機(jī))?？刂茊卧亲兞髌鞯闹匾M成部件，其作用是通過(guò)采集供電直流電壓、電機(jī)相電流以及功率模塊溫度，從而控制、監(jiān)控、保護(hù)變流器。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，城軌車(chē)輛部件正在向輕量化、小型化、集成化發(fā)展，如復(fù)合牽引功率模塊，需將逆變器功率部件和制動(dòng)斬波器功率部件及驅(qū)動(dòng)、直流環(huán)節(jié)電容等通過(guò)復(fù)合母排進(jìn)行安裝，同時(shí)集成電壓電流傳感器和變流器控制單元共同作為變流器的核心部件。

傳統(tǒng)的控制單元一般采用模塊化設(shè)計(jì)，將模塊的功能通過(guò)不同類(lèi)型的板卡實(shí)現(xiàn)，并將這些板卡統(tǒng)一安置于1臺(tái)控制單元機(jī)箱內(nèi)，然后通過(guò)各板卡的對(duì)外接口與變流器的各類(lèi)信號(hào)線(xiàn)連接，再通過(guò)背板總線(xiàn)的方式實(shí)現(xiàn)板卡的內(nèi)部連接，統(tǒng)一完成控制功能。這種結(jié)構(gòu)非常成熟，并且具有良好的擴(kuò)展性，可依據(jù)機(jī)組要求的不同增減相應(yīng)板卡，但其對(duì)空間的需求較高，在變流器設(shè)計(jì)時(shí)需要預(yù)留控制單元室。因而，這種控制單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和接線(xiàn)方式?jīng)Q定了其不適合與復(fù)合牽引功率模塊配合使用。

本文在分析變流器控制單元功能需求的基礎(chǔ)上，針對(duì)采用復(fù)合牽引功率模塊的城軌牽引變流器，研究1種采用底板加少量扣板的緊湊型控制單元設(shè)計(jì)方法，并用于DC1 500 V供電制式的牽引變流器。

1　控制單元的設(shè)計(jì)需求分析和基本架構(gòu)

城軌車(chē)輛典型DC1 500 V牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中：虛線(xiàn)箭頭標(biāo)出的是控制單元需要采集或控制的信號(hào)。該牽引傳動(dòng)系統(tǒng)為架控模式，由高速斷路器、變流器和電機(jī)組成。變流器采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式，冷卻風(fēng)機(jī)安裝在箱體內(nèi)部。

圖1　城軌車(chē)輛典型1 500 V牽引傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

變流器的主電路包括功率輸入電路和牽引功率模塊。

運(yùn)行過(guò)程中，控制單元需對(duì)圖1中的各類(lèi)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控，驅(qū)動(dòng)各類(lèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成對(duì)變流器的控制。根據(jù)上述分析，可將變流器控制單元的需求概括為：接收上位機(jī)或列車(chē)網(wǎng)絡(luò)的控制指令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成如閉合斷開(kāi)各類(lèi)接觸器、啟停逆變器和制動(dòng)斬波裝置等變流器系統(tǒng)級(jí)操作；執(zhí)行牽引控制算法，產(chǎn)生牽引功率模塊的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖，完成電機(jī)轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)調(diào)節(jié)；在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)壓、直流側(cè)電壓、直流側(cè)電流、電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、變流器模塊溫度、各接觸器狀態(tài)反饋等信息，執(zhí)行軟件故障判斷、保護(hù)。

控制單元的需求可從功能上分解為3個(gè)模塊加以實(shí)現(xiàn)：控制系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控模塊以及信號(hào)處理模塊。

(1)控制系統(tǒng)模塊，包括系統(tǒng)級(jí)控制和逆變器級(jí)控制兩部分：系統(tǒng)級(jí)控制，包括與車(chē)輛總線(xiàn)進(jìn)行通訊，從車(chē)輛總線(xiàn)接收當(dāng)前車(chē)輛運(yùn)行方向、當(dāng)前載荷以及手柄力矩指令值，從而結(jié)合設(shè)計(jì)特性曲線(xiàn)、給出電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的正負(fù)和大小，執(zhí)行各種邏輯控制，包括接觸器閉合斷開(kāi)，逆變器和制動(dòng)斬波器激活封鎖等指令，完成故障診斷等任務(wù)；逆變器級(jí)控制，包括逆變器驅(qū)動(dòng)控制和對(duì)制動(dòng)斬波裝置的控制，是牽引傳統(tǒng)系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)轉(zhuǎn)矩、磁鏈預(yù)置值，結(jié)合采集到的電壓、電流、速度等數(shù)據(jù)，執(zhí)行控制算法，實(shí)現(xiàn)PWM控制和脈沖生成、電機(jī)控制、黏著控制、參數(shù)辨識(shí)等功能，執(zhí)行牽引算法，驅(qū)動(dòng)逆變器和電機(jī)，控制制動(dòng)斬波電路等。

(2)數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控模塊：是連接控制系統(tǒng)模塊和信號(hào)處理模塊的橋梁，并行處理和執(zhí)行控制系統(tǒng)模塊發(fā)出的針對(duì)不同控制對(duì)象的控制指令，同時(shí)對(duì)信號(hào)處理模塊的輸出進(jìn)行統(tǒng)一處理，將其轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)模塊可讀的數(shù)據(jù)。

(3)信號(hào)處理模塊，包括3部分：開(kāi)關(guān)量處理電路、功率半導(dǎo)體器件的驅(qū)動(dòng)控制和反饋狀態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)觸點(diǎn)控制各類(lèi)斷路器和接觸器；模擬量處理電路，負(fù)責(zé)各類(lèi)模擬量的采集和處理，將系統(tǒng)中傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換為處理器可讀的數(shù)字量，以完成牽引計(jì)算，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵模擬量進(jìn)行監(jiān)控，用以系統(tǒng)保護(hù)；脈沖輸出及反饋處理電路，將控制脈沖從控制單元發(fā)送至功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)部件，驅(qū)動(dòng)各開(kāi)關(guān)管，并通過(guò)讀取反饋狀態(tài)對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行監(jiān)控。

綜合考慮上述功能，1個(gè)基本的控制單元的架構(gòu)如圖2所示。

圖2　城軌車(chē)輛變流器控制單元架構(gòu)

2　控制單元的硬件設(shè)計(jì)

控制單元各模塊的硬件設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上采用底板加扣板的方式，底板直接面向變流器，集成各類(lèi)信號(hào)處理電路和對(duì)外通訊接口；功能相對(duì)獨(dú)立的部分可設(shè)計(jì)為扣板。統(tǒng)一的硬件平臺(tái)可節(jié)約成本，便于維護(hù)。

2.1　控制系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)級(jí)控制和逆變器級(jí)控制要求的是2種不同的能力。系統(tǒng)級(jí)控制要求的是較強(qiáng)的邏輯處理能力和處理通訊協(xié)議的能力，為此使用具備順序執(zhí)行程序結(jié)構(gòu)和豐富外設(shè)、廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域的微控制單元(Micro Controller Unit，MCU)完成系統(tǒng)級(jí)控制；逆變器級(jí)控制要求的是強(qiáng)大的實(shí)時(shí)計(jì)算能力，為此使用具備專(zhuān)門(mén)的乘加結(jié)構(gòu)、大量運(yùn)算單元、實(shí)時(shí)計(jì)算能力強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)，逆變器驅(qū)動(dòng)控制處理器之間的通信可通過(guò)共享RAM完成，共享RAM和數(shù)據(jù)采集處理可在數(shù)據(jù)采集處理和監(jiān)控模塊中一并實(shí)現(xiàn)。

出于行車(chē)安全和故障診斷的考慮，使用非易失性存儲(chǔ)器存儲(chǔ)故障數(shù)據(jù)，以配合MCU存儲(chǔ)故障信息。此外，視處理器芯片類(lèi)型，考慮配備相應(yīng)的程序存儲(chǔ)器。

目前主流的MCU和DSP芯片的接口電壓均為3.3 V，內(nèi)核電壓一般為1.2和1.8 V等級(jí)，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使用帶有電壓監(jiān)測(cè)功能的穩(wěn)壓器為處理器供電，在任何電壓等級(jí)發(fā)生異常時(shí)都應(yīng)觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)。同時(shí)為防止軟件故障引起系統(tǒng)工作異常，控制系統(tǒng)的復(fù)位源也應(yīng)包括從MCU和DSP引出的看門(mén)狗信號(hào)。2個(gè)處理器及其外圍電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)模塊如圖3所示。

圖3　控制系統(tǒng)模塊簡(jiǎn)圖

2.2　數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控模塊

控制單元面對(duì)的控制對(duì)象和監(jiān)控對(duì)象由于種類(lèi)各不相同，而且彼此之間相對(duì)獨(dú)立，MCU和DSP的功能相對(duì)固定，不具備大規(guī)模的并行處理能力，因此采用具備豐富的接口、大量的存儲(chǔ)器和高速并行處理能力并可靈活對(duì)硬件功能進(jìn)行編輯的可編程邏輯器件(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)作為MCU和DSP的協(xié)處理器，負(fù)責(zé)所有對(duì)外部電路的接口。FPGA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它可同步對(duì)其所有的輸入進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此也很適合對(duì)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，并執(zhí)行時(shí)效性要求較高的保護(hù)動(dòng)作。MCU和DSP可統(tǒng)一通過(guò)FPGA與外部資源進(jìn)行交互，基于FPGA的IP軟核可搭建用于 MCU，DSP和FPGA之間通訊的雙向三口RAM[1]。

2.3　信號(hào)處理模塊

針對(duì)變流器不同類(lèi)型的信號(hào)進(jìn)行處理，完成控制系統(tǒng)模塊指令輸出和系統(tǒng)狀態(tài)的采集。

2.3.1開(kāi)關(guān)量處理電路

控制單元面對(duì)的開(kāi)關(guān)量主要是主斷路器、接觸器等?？刂茊卧ㄟ^(guò)控制接觸器線(xiàn)圈的得電、失電，驅(qū)動(dòng)接觸器主觸點(diǎn)的閉合、斷開(kāi)，同時(shí)檢測(cè)輔助觸點(diǎn)的狀態(tài)反饋。依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，接觸器線(xiàn)圈的電壓等級(jí)一般為110或24 V，輔助觸點(diǎn)的電壓等級(jí)一般為24 V。從設(shè)計(jì)思路看主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)并無(wú)區(qū)別，即首先必須在控制單元的信號(hào)側(cè)和接觸器的線(xiàn)圈側(cè)進(jìn)行隔離，這一般是通過(guò)光耦或繼電器實(shí)現(xiàn)的。選擇光耦和繼電器時(shí)，應(yīng)充分考慮到其能承受的電壓和電流是否滿(mǎn)足目標(biāo)接觸器線(xiàn)圈的需求。同時(shí)，為保護(hù)光耦或繼電器不被沖擊和浪涌損壞，應(yīng)在輸入、輸出端設(shè)計(jì)過(guò)壓吸收電路[2]。開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)由控制系統(tǒng)模塊結(jié)合數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控模塊發(fā)出，通過(guò)緩沖電路增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，再通過(guò)光耦或繼電器對(duì)線(xiàn)圈電流的通斷進(jìn)行控制；開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)壓吸收回路后，通過(guò)分壓調(diào)整為適合輸入光耦的電壓等級(jí)，經(jīng)緩沖電路反饋給控制系統(tǒng)模塊。

2.3.2模擬量采集和處理電路

變流器的模擬量信號(hào)一般包括電壓、電流、速度和溫度信號(hào)。需根據(jù)每類(lèi)信號(hào)的傳感器輸出類(lèi)型和信號(hào)用途分別進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，并確定其采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換的方式。

電壓和電流的測(cè)量通常使用磁平衡式的霍爾傳感器，一般為雙極型供電，輸出電流信號(hào)。以圖1為例，使用電流型傳感器測(cè)量的模擬量包括網(wǎng)壓、中間直流環(huán)節(jié)電壓、網(wǎng)側(cè)輸入電流、網(wǎng)側(cè)回流、逆變器輸出U相和V相電流。對(duì)上述模擬量的處理可分為如下3個(gè)方面。

(1)信號(hào)采集和調(diào)理：盡管傳感器的供電電壓不同，但是均輸出電流信號(hào)，因此采集和調(diào)理方式可采用同一種設(shè)計(jì)。由控制單元提供采樣電阻，將輸入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再通過(guò)調(diào)理電路調(diào)整為合適的電壓范圍。

(2)A/D轉(zhuǎn)換：將采集和調(diào)理后的模擬量通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)成數(shù)字量，并存入數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控模塊，以供控制系統(tǒng)模塊讀取。常用的A/D轉(zhuǎn)換方式包括逐次比較法和壓頻轉(zhuǎn)換法。

采用壓頻轉(zhuǎn)換方式時(shí)，其轉(zhuǎn)換精度與阻容電路中的電容值精度有關(guān)，電容值的精度一般不高且易受到溫度變化的影響，需要對(duì)其進(jìn)行周期性的校正[3]。這種轉(zhuǎn)換方式從硬件和軟件上都需要進(jìn)行更多的工作，但其優(yōu)異的抗擾性能和取平均值的特性使其成為在執(zhí)行牽引控制算法時(shí)很好的選擇。

(3)電壓電流的超限保護(hù)：以上模擬量既是完成牽引控制算法的必要數(shù)據(jù)，也是系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵，必須加以監(jiān)控，以防發(fā)生過(guò)壓、過(guò)流等嚴(yán)重故障，損壞機(jī)組。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，由于軟件運(yùn)行時(shí)有其固有的周期，難以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行保護(hù)，需要在硬件設(shè)計(jì)時(shí)搭建模擬量超限保護(hù)模塊，以便用最快的速度識(shí)別故障，執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。保護(hù)模塊通過(guò)將調(diào)理后的模擬量信號(hào)與預(yù)先設(shè)定的保護(hù)限值進(jìn)行比較，由數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控模塊讀取比較的結(jié)果，可在采集的模擬量超出限制值時(shí)的第一時(shí)間做出保護(hù)動(dòng)作。

當(dāng)監(jiān)控的模擬量為交流量時(shí)，對(duì)其負(fù)半周也需要檢測(cè)是否超過(guò)限制值，因此需對(duì)模擬量作絕對(duì)值處理。

設(shè)定保護(hù)限值時(shí)，可分級(jí)設(shè)定。通過(guò)參考電壓結(jié)合可調(diào)電阻進(jìn)行分壓，或者采用DA轉(zhuǎn)換器方式靈活設(shè)置保護(hù)限值，但最高一級(jí)的保護(hù)限值應(yīng)使用固定阻值的電阻對(duì)參考電壓進(jìn)行分壓，保證可靠性。

電流型傳感器通道的總體設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4　電流型模擬量采集和處理電路設(shè)計(jì)方案

速度信號(hào)來(lái)自電機(jī)的速度傳感器，各電機(jī)的速度傳感器供電均取自控制單元，在控制單元的速度傳感器供電電源側(cè)應(yīng)加以隔離。若輸出的速度信號(hào)為正弦波，可預(yù)設(shè)1個(gè)低于輸出信號(hào)峰值的參考電壓，當(dāng)輸出信號(hào)高于參考電壓時(shí)輸出高電平，低于參考電壓時(shí)輸出低電平，從而將正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)。在數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控模塊中建立計(jì)數(shù)器，并行地對(duì)各路方波信號(hào)按照測(cè)周法進(jìn)行測(cè)量?？梢砸酝唤M速度信號(hào)中的某一路為基準(zhǔn)，在其上升沿到來(lái)時(shí)測(cè)量另一路信號(hào)的狀態(tài)，從而判斷車(chē)輛運(yùn)行方向。變流器中測(cè)量溫度的傳感器以Pt100型溫度傳感器較為常見(jiàn)，使用恒流源給其供電，并測(cè)量?jī)啥穗妷?，得出電阻，再求出溫度。由于Pt100型溫度傳感器的布置一般位于功率模塊或進(jìn)出風(fēng)口附近，與控制單元的距離較遠(yuǎn)，需要較長(zhǎng)的引線(xiàn)，而其溫度系數(shù)只有0.385 Ω·℃-1，引線(xiàn)電阻產(chǎn)生的測(cè)量誤差可能影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，可采用四線(xiàn)制接法，從傳感器兩端引出2組線(xiàn)，將電流線(xiàn)和測(cè)量線(xiàn)分開(kāi)，測(cè)量線(xiàn)上的壓降極小，可較好地測(cè)出電阻兩端的壓降。

2.3.3脈沖輸出及反饋處理電路

在變流器中，控制單元將控制脈沖發(fā)送給功率模塊的驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)IGBT的門(mén)級(jí)，而IGBT的工作電壓可達(dá)到數(shù)千伏。因此在選擇控制脈沖輸出和反饋的實(shí)現(xiàn)方式時(shí)，需要滿(mǎn)足主電路和控制單元的高壓隔離要求。城市軌道交通領(lǐng)域中廣泛使用光電隔離的方式，這包括光耦隔離和光纖隔離方式。光耦隔離具有體積小、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但存在隔離電壓不高、傳輸延時(shí)較大、容易老化等缺點(diǎn)。光纖隔離可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的完全電隔離傳輸，具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、隔離電壓高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[4]，但光纖的強(qiáng)度不高，對(duì)走線(xiàn)的弧度、線(xiàn)束的固定和插頭的連接可靠性有更嚴(yán)格的要求，在變流器箱體和功率模塊設(shè)計(jì)時(shí)需要注意。在條件允許的情況下，推薦使用光纖隔離方式。

控制單元在硬件功能分配上，由電機(jī)控制的微處理器直接發(fā)出控制脈沖，在可編程邏輯器件中進(jìn)行死區(qū)時(shí)間、最小脈寬的設(shè)置(部分微處理器也可在脈沖生成時(shí)就進(jìn)行這些設(shè)置)。由可編程邏輯器件判斷脈沖反饋狀態(tài)，在反饋狀態(tài)異常時(shí)，封鎖脈沖，保護(hù)IGBT模塊，并將故障狀態(tài)反饋給控制系統(tǒng)模塊。

3　設(shè)計(jì)實(shí)例和試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，結(jié)合城軌車(chē)輛變流器的研制，設(shè)計(jì)了1臺(tái)城軌牽引控制單元，考慮到通用性，將控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)為1塊扣板，使其可應(yīng)用于不同類(lèi)型控制單元的底板，稱(chēng)為核心板；電壓、電流傳感器的信號(hào)采集和調(diào)理部分設(shè)計(jì)為1塊扣板，稱(chēng)為采樣板，以方便更換；因?yàn)閿?shù)據(jù)處理和監(jiān)控模塊與信號(hào)處理模塊聯(lián)系密切，所以將二者設(shè)計(jì)為底板。將高速電路置于中心位置，低速部分置于外圍，免除了采用背板設(shè)計(jì)時(shí)高低速信號(hào)混雜的情況，降低了走線(xiàn)難度；同時(shí)將傳統(tǒng)的箱體加背板式的控制單元對(duì)“體積”的要求轉(zhuǎn)換為了底板對(duì)“面積”的要求，極大減小了控制單元的實(shí)際體積，可以很方便地集成于牽引功率模塊上。

3.1　部分電路功能設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1.1壓頻轉(zhuǎn)換通道設(shè)計(jì)實(shí)例

圖5給出1個(gè)壓頻轉(zhuǎn)換通道設(shè)計(jì)實(shí)例。采用壓頻轉(zhuǎn)換器AD654搭建轉(zhuǎn)換電路，其中Uin為待測(cè)輸入電壓，fout為輸出頻率，選取輸入電壓限流電阻R1=39 kΩ，參考電壓限流電阻R2=10 kΩ，運(yùn)放負(fù)反饋電阻R3=10 kΩ，接地電阻R4=10 kΩ，諧振電容C=680 pf，參考電壓Uref=-5 V。根據(jù)其芯片手冊(cè)提供的公式，可得其壓頻轉(zhuǎn)換公式為

(1)

分別調(diào)節(jié)待測(cè)輸入電壓Uin的值，并對(duì)輸出頻率fout進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖6所示。從圖6可見(jiàn)，該轉(zhuǎn)換電路具有良好的線(xiàn)性度，便于建立轉(zhuǎn)換公式，完成從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

這種轉(zhuǎn)換方式本身是1個(gè)積分過(guò)程，相當(dāng)于經(jīng)過(guò)了低通濾波[5]，對(duì)高頻干擾有著天然的濾除作用。對(duì)壓頻轉(zhuǎn)換電路分別輸入5 V的直流電壓和疊加頻率為50和100 kHz、峰值為800 mV高頻諧波的5 V直流電壓，其轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，在被測(cè)模擬量中含有高頻諧波時(shí)，也能較真實(shí)地反映出基波分量的大小。

圖5　壓頻轉(zhuǎn)換通道設(shè)計(jì)實(shí)例

圖6　典型輸入電壓的壓頻轉(zhuǎn)換結(jié)果

圖75 V直流輸入電壓和疊加了高次諧波的5 V直流輸入電壓與轉(zhuǎn)換結(jié)果的對(duì)比

3.1.2絕對(duì)值生成電路設(shè)計(jì)實(shí)例

絕對(duì)值生成電路可通過(guò)運(yùn)算放大器和二極管搭建，如圖8所示。圖中的各運(yùn)放匹配電阻R選取10 kΩ。

該電路的思路是將1個(gè)輸入同時(shí)通過(guò)1個(gè)同相放大器和1個(gè)反相放大器，并依靠二極管的特性，使它們分別在輸入電壓的正半周和負(fù)半周進(jìn)行有效輸出，從而產(chǎn)生取絕對(duì)值的效果。其轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，該電路具有良好的特性。

圖8　絕對(duì)值生成電路

圖9　±2 V正弦波絕對(duì)值轉(zhuǎn)換結(jié)果

3.2　控制單元硬件資源一覽

控制單元的主要硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1　控制單元的主要硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明

續(xù)表1

控制單元整體效果如圖10所示。

圖10　控制單元整體效果圖

3.3　試驗(yàn)驗(yàn)證

搭載圖10所示控制單元的自主研發(fā)1 500 V變流器完成了型式試驗(yàn)。在預(yù)充電啟動(dòng)過(guò)程中，直流側(cè)電壓的變化及特定速度點(diǎn)持續(xù)運(yùn)行期間變流器輸出電流及直流側(cè)電壓的波形分別如圖11和圖12所示。試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，符合預(yù)期。

圖11　預(yù)充電啟動(dòng)過(guò)程中直流側(cè)電壓波形

圖12持續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，直流側(cè)電壓和變流器輸出U相、V相的電流波形

4　結(jié)　語(yǔ)

本文在分析城軌牽引變流器控制需求的基礎(chǔ)上，討論了1種與傳統(tǒng)背板加箱體模式控制單元體積更小、模塊數(shù)量更少、結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單的緊湊型控制單元設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了1種可安裝于牽引功率模塊的控制單元，搭載此控制單元的牽引變流器已完成了相應(yīng)的變流器型式試驗(yàn)和牽引系統(tǒng)地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，性能符合設(shè)計(jì)要求。

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