用于地铁列车的辅助三相逆变电

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 1.63MB 55 页 15积分

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摘要

随着现代电力电子技术的迅猛发展和对电力电子设备性能要求的不断提高，

高性能的逆变器已经广泛应用于各个领域。许多行业的用电设备不再允许直接接

入交流电网，而是通过相应的电力电子功率变换电路后得到相应的电能，它们的

幅值、频率、稳定度及变化形式因用电设备的不同而不尽相同。如通信电源、电

弧焊电源、电动机变频调速器、加热电源、绿色照明电源、不间断电源、充电器

等，它们所使用的电能都是通过对电网能进行整流和逆变变换后所得到的。因此，

高质量的逆变电路已成为电源技术的重要研究对象。

本文讨论了在紧急情况下用于地铁动车电力设备（空调，风机等）的逆变电

源的设计和研究.地铁动车车载蓄电池电源为 110V 直流，而一般地铁动车电力设备

为三相交流负载。本课题研究目的是通过把直流 110V 升压逆变实现所需的电源。

本文主要完成的工作包括以下几个方面：地铁动车空调电源的整体方案设计，

包括 DC-DC、DC-AC 和故障保护及辅助电路三部分；利用直流斩波升压电路来完

成DC-DC 主电路的设计，巧妙地利用功率校正芯片 L4981A 产生 PWM 波形，同

时采用电压闭环来控制斩波后的输出电压，使直流升压电路的输出电压恒定；采

用功率集成模块 IPM-IM14400 的三相全桥逆变电路作为逆变主电路，实现升压后

直流电压的逆变；控制电路采用 87C196MH 单片机软件依据升频升压的原理产生

SPWM 波形对逆变主电路的控制，为了使整个电源系统稳定可靠的运行，在系统

中设计了相应故障保护和辅助电路，同时对电源系统进行电磁兼容方面的研究和

设计。

通过不断实验和调试，最终确定了电源系统的设计方案并成功的设计出了样

机，实验表明，该电源现场运行情况良好，实现了地铁动车电力设备（空调，风

机）的变频启动，节省了能源，具有很好的市场前景。

关键词：开关电源升压斩波逆变电源 IPM-IM14400 87C196MH

ABSTRACT

With the modern power electronic technology and the elevation of power

electronic equipment requirements，the inverter has been widely used in various fields.

Electrical equipment in many industries no longer directly is avoided to access to the

AC power grid. The corresponding energy is provided by the appropriate power

electronic power conversion circuits, but their amplitude, frequency, stability are in the

different forms due to the different electrical equipment such as communication power,

welding power supplies, motor inverter, heating power, green lighting, power supplies,

uninterruptible power supplies, chargers, etc. They use electricity by the rectifier and

inverter. Therefore, high-quality power inverter circuit technology has become an

important object of study.

This article discusses the emergency power equipment for motor vehicle (air

conditioning, fans, etc.) of the inverter power supply design and research. The

locomotive car battery power is 110V DC. The average equipment for the locomotive is

the three-phase AC electrical load. Therefore, this research aims to boost using the

110V DC power inverter to achieve the required.

In this paper, the major works include the followings: Locomotive air power's

overall design, DC-DC, DC-AC and fault protection and auxiliary circuit of three parts.

Using DC chopper circuit realizes the step-up DC-DC main circuit design. The power

correction chip L4981A is generated the PWM waveform flexibly, while the voltage

loop is used to control the chopper to ensure the DC boost circuit's output voltage

constant. The three-phase full-bridge circuit structure is utilized as the inverter main

circuit by the integrated power modules IPM-IM14400 to realize the DC voltage to

inverter voltage. The chip 87C196MH based on the principle of increasing frequency

and boost voltage produces SPWM waveform to control the inverter main circuit. In

order to make the whole power system stability and reliability, the system design of the

corresponding fault protection, auxiliary circuit and the power system electromagnetic

compatibility are designed additionally.

The power system designs are determined ultimately and the prototype is designed

successfully by the continuous experimentation and debugging. The experiments show

that the power scene performed well. The locomotive electrical equipment (air

conditioning, fans) is worked at the frequency conversion and saving energy condition.

So the power system has good market prospects.

Keywords: switching power supply，Step-up chopper，Inverter ，

IPM-IM14400，87C196MH

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

§1.1 课题的研究背景和意义 ...................................................................................1

§1.2 地铁动车的逆变电源研究现状和发展趋势 ....................................................2

§1.3 本文研究的内容 ...............................................................................................2

第二章逆变电源系统方案的总体设计 .........................................................................3

§2.1 主要技术指标 ...................................................................................................3

§2.2 逆变电源的总体设计思想 ...............................................................................4

§2.3 逆变电源总体结构设计 ...................................................................................5

§2.4 逆变器的电气特点及其功能保护 ...................................................................6

§2.5 小结 ...................................................................................................................7

第三章逆变电源系统方案的硬件设计 .........................................................................8

§3.1 DC/DC 斩波升压电路总体设计 ................................................................... 8

§3.1.1 电路结构 .................................................................................................8

§3.1.2 直流升压电路工作原理 ..........................................................................9

§3.2 直流升压主电路设计 .....................................................................................10

§3.2.1 电路的主要计算公式 ............................................................................11

§3.2.2 电路主要参数设计 ...............................................................................13

§3.3 直流升压控制电路的设计 .............................................................................15

§3.4 DC/AC 的逆变电路设计 ................................................................................ 17

§3.4.1 逆变电路 ...............................................................................................17

§3.4.2 主控单片机芯片的选型 .......................................................................18

§3.4.3 功率集成模块 IPM-IM14400 .............................................................. 21

§3.4.4 光耦隔离驱动电路 ................................................................................22

§3.4.5 错误逻辑输出电路 ...............................................................................22

§3.4.6 电源逆变器电路实现原理图 ...............................................................22

§3.5 交流滤波电路设计 ..........................................................................................23

§3.5.1 输出滤波器的常用型式 .......................................................................23

§3.5.2 滤波器参数选择 ...................................................................................24

§3.6 故障检测及辅助电源电路设计 ......................................................................25

§3.6.1 电路检测保护 .......................................................................................25

§3.6.2 辅助电路电源设计 ...............................................................................26

§3.7 小结 .................................................................................................................28

第四章逆变电源系统方案的软件设计 .......................................................................29

§4.1 系统软件的设计 .............................................................................................29

§4.2 系统软件的设计实现理论基础-PWM 控制技术 ..........................................30

§4.2.1 PWM 控制技术的基本原理 ................................................................. 30

§4.2.2 PWM 逆变电路及其控制方法 .......................................................... 33

§4.3 PWM 控制技术的单片机实现 .................................................................... 34

§4.4 系统软件流程分析设计 .................................................................................39

§4.5 小结 .................................................................................................................43

第五章系统电磁干扰（EMC）分析设计 ..................................................................44

§5.1 电磁干扰设计分析 .........................................................................................44

§5.2 电磁抗干扰设计措施 .....................................................................................45

第六章仿真及其结论 ...................................................................................................46

§6.1 测试方法 .........................................................................................................46

§6.2 MATLAB 仿真及其结果 ................................................................................46

§6.3 波形分析及其结论 ..........................................................................................47

第七章总结与展望 .......................................................................................................49

参考文献 .........................................................................................................................50

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................52

致谢 ...............................................................................................................................53

第一章绪论

§1.1 课题的研究背景和意义

随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种

类也越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不

开可靠的电源，但它们对电源的要求也越来越高。电源的核心技术的实现离不开

电力电子技术的发展，电力电子技术是利用电力半导体器件实现对电能的变换和

控制的技术。电力电子技术是电力技术、电子技术、控制技术三者结合的新兴交

叉学科。其主要的主电路形式包括：整流、逆变、斩波，交流变换形式，它能使

电网的工频电能最终转换成不同性质，不同用途的电能。总的来说，电力电子技

术发展趋势是从低频电力电子学向高频电子电子学方向转变的。电力电子技术是

开始以硅整流器件为主的技术发展，经历了整流技术、逆变器技术和变频技术的

发展阶段。当前电力电子技术作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的

基础，正朝着应用科技高频化、硬件结构模块、产品性能绿色化的方向发展。

随着铁路客流的不断提高，在满足运输能力的前提下，对列车运行的安全性，

可靠性，舒适性提出的更高要求。通常列车在高速运行的情况下，需要相应的保

护措施，因此需要关窗，这样导致空气不能流通，而且地铁动车驾驶室位于列车

的头部，其独特的结构和环境决定了司机室空间比较狭小，导致室内小气候比较

的恶劣。为了改善地铁动车的工作环境条件，确保列车的行车安全，常对现有的

地铁动车安装空调系统和必要的通风设备。地铁动车运行的情况比较特殊，常表

现在地铁动车震动性大，温度高，电磁干扰大等，同时地铁动车运行环境也有较

大的流动行，天气变化等各种环境都无法避免。因此地铁动车所用的电源通常有

其特殊性。现要求设计一个地铁动车紧急逆变电源用于在列车出现故障时的备用

电源，为地铁动车的电力设备提供电源，保障其正常工作，以便为逃离困境赢得

宝贵的时间。为了保证地铁动车空调系统和地铁动车通风设备的正常运行，考虑

到地铁动车运行时环境的特殊性，因此为该系统研制的紧急逆变电源必须具有其

独特性[1]。主要特点有：

1、高可靠性。逆变器电源系统必须有高可靠性，必须确保在列车出现故障时

能正常工作。

2、能够适应车外压力波的变化。

3、适应高速车辆轻量化，小型化的要求，高速客车为了减少对线路的作用力，

减少加减速度所需的动力，应尽可能减轻自重。在选择电源时，应将重量作为最

用于地铁列车的辅助三相逆变电源的研制

要的指标。

§1.2 地铁动车的逆变电源研究现状和发展趋势

现代逆变技术的发展主要是基于在电子学理论、控制理论、电力电子技术理

论为基础而发展起来的。逆变技术主要是指通过直流电转化为交流电的技术。采

用逆变技术可以获得不同形式的电能，同时具有很有优点：可以灵活调节输出电

压或电流的幅度和频率、动态响应快、控制性能好、电气性能指标等。逆变技术

的应用领域越来越广泛，主要包括：新能源的并网逆变场合、航天、化工、工业

控制、机器人、军工等众多领域。其发展方向主要有：大功率开关器件的研发、

高变换效率的逆变器等[1]。

变频调速技术近年来在电机控制领域中得到广泛的应用，降低了电力设备工

作噪声，节省了大量的能源，其原理就是基于改变电机供电频率，达到改变电机

转速的目的。其优点主要表现在减少了电机的起停时间，降低了电机的运行噪声，

提高了用电效率。

由于电力变流技术及以IGBT为主的全控功率元件器件的发展，控制单元的微

处理器化，使得变频装置更加经济化，进而使得变频调速系统的性能得要提高，变

频调速技术是目前运用最广泛调速方式。主要有正弦脉宽调制(Sine Pulse Width

Modulation)变频调速，矢量控制(Field Oriented Control)变频调速等调速方式。PWM

控制技术的发展和不断完善使得电力电子的控制技术迈向了新的一大步，其中

SPWM的发展在逆变技术及调速领域都出现了空前的应用。

现代逆变技术的发展正朝着以PWM控制方式，电力功率器件的集成化（IPM）、

高抗干扰性为主，工作运行高频化的发展，从而使得逆变装置朝超薄型和微型化

发展。

§1.3 本文研究的内容

本论文所研究的课题来源于上海良治电器技术有限公司横向课题“地铁列车

辅助三相逆变电源的研制”。主要对逆变器系统进行研究，设计一个功率为880W的

三相逆变电源。主要研究工作包括以下几个方面：

1、研究逆变电源的总体设计方案以及相关的工作原理。

2、完成该逆变电源系统的硬件电路设计工作，包括PCB的绘制并完成该系统

的调试工作。

3、利用87C196MH单片机的相关资源，采用软件实现逆变所需的PWM信号

完成该三相电源的逆变功能。

4、完成系统的硬件和软件的调试工作，最终完成该逆变电源样机。

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摘要随着现代电力电子技术的迅猛发展和对电力电子设备性能要求的不断提高，高性能的逆变器已经广泛应用于各个领域。许多行业的用电设备不再允许直接接入交流电网，而是通过相应的电力电子功率变换电路后得到相应的电能，它们的幅值、频率、稳定度及变化形式因用电设备的不同而不尽相同。如通信电源、电弧焊电源、电动机变频调速器、加热电源、绿色照明电源、不间断电源、充电器等，它们所使用的电能都是通过对电网能进行整流和逆变变换后所得到的。因此，高质量的逆变电路已成为电源技术的重要研究对象。本文讨论了在紧急情况下用于地铁动车电力设备（空调，风机等）的逆变电源的设计和研究.地铁动车车载蓄电池电源为110V直流，而一般地铁动...

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