某内燃机车的新型励磁斩波器设计

刘海松 刘盛强 宋军 付尧 于吴田 朱琳

摘要；针对某内燃机车，本文研制了一台励磁斩波器。斩波器的主电路采用降压斩波，为机车的主发电机提供励磁电流。控制电路的芯片采用ARM STM32，通过软件控制，接收频率可变的方波信号，根据方波频率发出相应占空比的PWM，控制主电路中IGBT动作，实现了大功率直流降压斩波的功能。通过MATLAB软件搭建数学模型，进行仿真计算，得到了输出电压和输出电流波形。此外，在相同工况下对斩波器样机进行了大功率功能试验，实测了输出电压和输出电流波形。将试验结果与仿真结果相对比，证明了该产品功能的可靠性，以及设计方法的有效性。本文设计励磁斩波器的方法亦可为其他类型机车的斩波器设计提供参考。

【关键词】内燃机车 励磁斩波器 降压斩波IGBT

励磁斩波器作为机车主要核心部件之一，对其研究和设计是研发机车上其他变流器的基础。斩波电路也应用于直流传动和供电电源等场合，是电力电子应用领域的一个热点。许多专家学者已经对斩波器进行了大量的研究。在1989年，叶家金研究了轻轨车辆用GTO斩波器。在2003年，吴志红等人进行了地铁车辆辅助系统中HVIGBT斩波器的研制，以实现静止辅助系统的国产化。在2012年，李磊等人将Buck型三电平和Boost型两电平交流变换器进行组合，提出了一种新颖的级联式交流斩波器。有些学者研究了直流斩波器的型式试验装置及其斩波器的失控保护等。但是用于内燃机车主发励磁的斩波器并不常见，由于电气环境恶劣、运用工况复杂、功率较大等原因。

本文针对某新型内燃机车，设计了一台励磁斩波器，用于提供励磁电流给主发电机，保证内燃机车上用电设备的正常工作。通过对比软件仿真和样机试验的结果，验证了设计方法及该产品的有效性。通过对该产品合理的研发和设计，对机车内相关变流器的研制有较大实际意义。

1.1 主电路设计

针对该内燃机车的用电需求，给出了励磁斩波器的基本参数，见表l所示。

斩波器的主电路采用降压斩波，如图1所示。其中，U_in，为直流输入电压；Cl为支撑电容，用来滤除直流电压中的纹波；Rl为吸收电阻，在设备不工作时，短时间内将电容两端电压降到安全电压；U_out为直流输出电压；Dl为续流二极管；斩波器工作时，控制开关管Sl -直处于断开状态，开关管S2进行周期性的通、断，实现了输出电压U_out的斩波控制。

1.2 主电路器件选型

斩波器主电路的关键器件包括IGBT、支撑电容和放电电阻，根据斩波器主电路的电压、电流、功率、耐压等要求，对其选型。

IGBT选型：直流输入电压范围450—650V，考虑2.5倍电压裕量，选择1700V、耐压3400V的IGBT。斩波器最大输出电流是180A，考虑2 5倍电流裕量，选450A的IGBT。

支撑电容选型：支撑电容作用是滤除输入直流电压中的纹波，使直流电压保持稳定，其大小主要由输入电压纹波决定。根据基本公式（1）和（2），推导出支撑电容的计算公式如式（3）所示。

P=UI

（1）

其中，P为输入功率；U为中间直流电压，取值450V；I为中间直流电流；△U为纹波电压，取450*1%=4.5V；△f为纹波基波频率，取值为5kHz；C为支撑电容。

经计算支撑电容C=2173μF，即需要选择容值不小于2173 μF电容。选用容值4700μF、耐压400VDC的电容。在采用两个串联形式以保证容值和耐压都满足要求。由于产品在机车上运行，要求电容寿命在5000小时以上。

放电电阻选型：设备不工作时，放电电阻必须在5分钟之内把电容两端电压降到50v之内，计算公式如式（4）所示。

式中：U_max为最大输入电压，U（t）为50V，t为电压降到50v的时间，=RC為时间常数。

根据公式，电阻20kΩ时，t=l20s，最大功率为21.1W。选择阻值lOkΩ、功率50w的电阻。通过两个电阻串联使用，能够满足需求。并且两个电阻的中间点与两个电容的中间点相连接，对两个电容均压。

2 控制电路设计及软件控制

2.1 控制电路设计

斩波器控制电路是基于ARM芯片平台，主要利用其输入捕获、GPIO口、PWM、外部中断、定时器中断等外设。

输入捕获：用于捕获微机控制系统发的频率信号，得到其频率值。

GPIO口：用于控制指示灯和状态码等。

PWM：根据捕获的频率值，发出相应占空比的PWM波。

外部中断：用于处理驱动板的反馈信号。

定时器中断：若50ms内，未能捕获到输入信号的频率，关断控制板脉冲，斩波器停止工作。

2.2 斩波器软件控制

斩波器软件控制功能主要包括以下内容：

（1）捕获频率可变的方波信号，根据其值确定斩波输出PWM的占空比。由于控制电路和主电路位置相对较近，会存在一定电磁干扰，为了捕获准确，需要对信号进行滤波。为了进一步降低误差，捕获了多个数据，然后求其平均值，作为最终的频率值。

（2）根据捕获频率值的范围，控制ARM芯片发出相应的状态码。包括停止工作、准备工作、正常工作、故障保护等状态。

（3）励磁斩波器正常工作时，当驱动板欠压或IGBT短路，驱动板立即保护并封锁脉冲，并反馈故障信号到控制板。控制板进行保护处理，并反馈状态代码到机车的微机控制系统。若50ms后，仍有故障信号存在，将封锁斩波器输出PWM信号，而且不能自动复位。

（4）励磁斩波器有3个信号指示灯，分别表示控制板上电、斩波器工作、斩波器故障。励磁斩波器也具有程序调试端口。

（5）根据斩波器接收的输入信号频率，判断斩波器的工作状态，共有三种状态，分别为停止、准备、运行。在运行状态时，斩波器控制板输出的PWM信號，且占空比随频率线性变化，占空比达到最大值时，增加频率，占空比维持最大值不在改变。

斩波器控制系统的软件流程图如图2所示，控制板捕获输入信号的频率，发出相应占空比的PWM给驱动板。驱动板根据该信号控制主电路中IGBT动作，输出需要的直流电压。若驱动板检测到电源欠压或者IGBT短路后立即保护，并将故障信号反馈到控制板，控制板关断PWM信号，同时将相应状态码上传到机车微机控制系统。

3 斩波器仿真计算

3.1 搭建模型

根据样机参数，在matlab/simulink中搭建仿真模型如图3所示。其中，励磁斩波器的输入电压为580V，模拟直流母线电压，开关频率为lkHz，上管无门极信号，下管门极信号占空比为17.1%，负载为ImH电感和0.5Q电阻串联，模拟机车上发电机的励磁绕组。

3.2 仿真分析

在上述工况下进行了仿真计算，得到了输出电压和输出电流波形。由于输出电压具有明显的规律性，将其放大如图4所示。可以看出，下开关管导通时输出电压为580V，下开关管关断时输出电压为ov。输出电压平均值波形如图5所示，稳定后输出电压的值为99V，满足输出电压等于输入电压乘以占空比。输出电流曲线如图6所示，电流幅值在150A—250A之间线性波动。输出电流有效值波形如图7所示，稳定后，输出电流平均值为199A。

4 功能试验与运用考核

4.1 功能试验

对斩波器进行了大功率功能试验，主电路输入电压580VDC，控制电压110V，驱动信号为SV方波，负载为ImH电感和0.5Q电阻串联，模拟励磁绕组。利用高压探头和电流钳测量输出电压及输出电流曲线，调节方波信号的频率，保证输出电流在180A以上。

利用高压探头测量输出电压如图8黄色曲线所示，电压幅值580V，占空比17.1%，根据公式（5），输出电压平均值等于580*0.171=99.18V。利用电流夹测量输出电流如图5绿色曲线所示。IGBT中下开关管开通时，由于电感的作用，电流线性增加，下开关管关断时，电流线性减小。输出电流平均值为194A。

V₀=DV_s

（5）

式中：V₀为输入电压，D为占空比，V_s为输出的电压。

4.2 试验结果与仿真计算相对比

将励磁斩波器的试验结果，与仿真计算结果相比较，斩波器输出的电压波形和电流波形都相一致，说明仿真正确、试验合理，进一步证明了励磁斩波器的设计方法是有效的，能够满足内燃机车上大功率运行的需求。

4.3 装车运用

将励磁斩波器安装到机车电气间如图9所示，主电路端子和控制电路连接器均可靠连接。机车在调试和运行阶段，励磁斩波器稳定工作，产生励磁电流，使主发电机正常启动及发电。进而保证机车正常运行，无故障报出。

5 结论

本文设计了某内燃机车的新型励磁斩波器，通过调节输入信号频率，改变PWM波占空比，进而控制IGBT动作，实现了直流降压斩波功能，为主发电机提供励磁电流。并且向机车控制系统传递状态代码，实时监控，突发故障时能够及时保护，保证机车稳定运行。该产品通过试验和仿真的方法，证明设计的合理性。通过装车运用，验证了其运行的可靠性和稳定性。本文所利用的设计依据和方法对其他类型机车励磁斩波器设计具有一定借鉴和实际意义。

参考文献

[1]王瑞，尹亮，王春蕾等，某和谐型机车Buck斩波电路双闭环控制试验研究[J]机车电传动，2017 （01）： 80-84.

[2]宋杨，周庆强，陆璐等.主发励磁斩波器在柴油机变频起动控制中的应用[J].铁道机车与动车，2016 （12）：14-16.

[3]高嵬，张俊洪.船用单路Buck斩波器参数优化设计与试验[J].船用技术，2011，10 （31）：19-22.

[4]叶家金，轻轨车GTO斩波器的研究[J]大连铁道学院学报，1989 （04）： 54-59.

[5]吴志红，陶生桂，胡兵等，地铁车辆辅助系统中HVIGBT斩波器研制[J].同济大学学报，2003 （11）：1328-1332.

[6]李磊，唐栋材.新型级联式交流斩波器[J].电工技术学报，2012 （10）：196-201.

[7]彭红玲，直流斩波器的型式试验装置设计[J].电工电气，2015 （05）： 63-64.

[8]陈特放，直流斩波器的失控保护[J].长沙铁道学院学报，1991 （02）：55-60.

[9]邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社.2006.

[10]秦曾煌，电工学[M].北京：高等教育出版社，2008.

[11]陈建.电力电子学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[12]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.