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1、北京交通大学硕士学位论文8K型电力机车辅助逆变器控制系统和IGBT驱动保护技术的研究姓名：蒋晓春申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：郑琼林20040201北京交通人学硕士学位论文Y 5 8 6 0 1 I8 K 型电力机车辅助逆变器控制系统和IG B T 驱动保护技术的研究摘要电力机车用I G B T 辅助电源逆变器取代进口8 K 电力机车故障率高的辅助电源后，已有二百多台实际运行了很长一段时间。运行结果说明，I G B T 辅助逆变器的设计是合理的，能满足机车恶劣环境的运行需要。但经过长期运行后，也暴露出了几个问题。本文以此为出发点对其控制系统进行了研究和改进设计，并在此基础
2、上对I G B T 的驱动保护技术进行了研究。本文将先进的在系统可编程技术(I S P)和E D A 技术运用到机车上，解决了8 K 型电力机车I G B T 辅助逆变器原控制系统中的脉冲分配核心器件L N B K 0 0 2 的老化问题。重新设计了开关电源，用单端反激式取代了推挽式，用电流控制方式替代了电压控制方式，去掉了可靠性不高的保险管。采用动态的过流保护阈值的方法解决了辅助逆变器机组低温启动过程中的过流保护问题。对8 K型电力机车I G B T 辅助逆变器存在的低温短路保护问题进行丁大量的现场试验，以研究低温对于系统的影响。在大量实验的基础上，排除了I O B T 主电路的低温问题，确
3、定了影响系统低温性能的因素，对此进行了分析，并提出了采用二极管钳位的解决方法。重新设计的控制系统在大同通过了高低温试验。这些问题的解决具有重大的现实意义。对I G B T 开关过程的优化和短路保护技术进行了研究，从理论上分析了栅极驱动参数对开关期间讲肋、来经作者、导师丽意勿奎寸公柘北永交通火学硕十学位论文d r d r、开关损耗以及E M I 的影响，为进一步研究提供了毽论依擐。罔P S P I C E 仿真荟毋究了撵投驱动参数对I G B T短路的影响。对大功率I G B T 鲶的开关特性进行了硬究，设计了3 3 0 0 V 1 2 0 0 AI G B T 的驱动保护电路，采用R c 驱动
4、方法优化了开关损耗和E M I。在对国外几种典型的I G B T 驱动电路比较研究的基础上，谤割了一静薪墼I G B T 驱渤爨护睦路。其中采矮可编程逻辑器件实现输入侧逻辑功能；用脉冲变压器替代光藕来传输控裁倍号；掇凄了动态关甄兹方法饶化了关断过程，在小的开关损耗和开关时间下抑制了过电压，可敬实瑗无缓冲王作；采用了款降撩压稷软关新相结合的短路保护措施，并且仅在开通瞬间设置保护盲区。傍囊秘试验结果涯碉，本驱动电路淹够裰蠢豹实理正常驱幼、动态关断以及短路保护等功能。关键词：辅助逆变器，控制系统，I G B T，驱动保护l l北京交通大学硕士学位论文R E S E A R C HO NC O N T
5、 R O LS Y S T E MF O RA V X l 毛薹A 袋Yl N V E R T E R 王N8 KE L E C T R I CL O C O M O T I V EA N DI G B TD R l V EA N DP R o T E T I O NA B S T R A C TT h eI G B Ta u x i l i a r yi n v e r t e rh a ss u c c e e d e di nt h er u nf o ral o n gt i m e，w h i c hu p g r a d e dt h eo r i g i n a lo n eo
6、ft h eE u r o p e a ni m p o r t e d8 Kt y p ee l e c t r i cl o c o m o t i v e s T h eo p e r a t i n gr e s u l t so fm o r et h a n2 0 0s e t so ft h ei n v e r t e re q u i p m e n ts h o wt h a tt h eu p g r a d e dd e s i g no ft h ea u x i l i a r yi n v e r t e ri Ss u i t a b l ea n df e a
7、 s i b l e。A sw e l la ss e v e r a lt r o u b l e sa n dp r o b l e m se m e r g e，s u c ha sd i s f u n c t i o no fc o r ec h i p L N B K 0 0 2b e c a u s eo fa g i n ga n df a i l u r ei nt h er u no ft h ei n v e r t e re q u i p m e n tb e c a u s eo fl o wt e m p e r a t u r ee n v i r o n m
8、e n t。T h i sp a p e rf o c u s e so nt h ep r o b l e m sa n dr e s e a r c h e so ni m p r o v i n gt h ed e s i g no fi t sc o n t r o ls y s t e ma n dt h en e ws t r a t e g i e so fI G B Td r i v ea n dp r o t e c t i o n。A p p l y i n gt h ea d v a n c e dI S Pa n dE D At e c h n i q u et ot
9、h el o c o m o t i v e，t h ep a p e rr e s o l v e st h ep r o b l e ma b o u tp u l s ed i s t r i b u t i o nc o r ec h i pL N B K 0 0 2a g i n gi nt h eo r i g i n a lc o n t r o ls y s t e mf o ra u x i l i a r yi n v e r t e rl n8 Ke l e c t r i cl o c o m o t i v e An e wf l y b a c kD C D Cc
10、o n v e r t e ri n s t e a do fp u s h。p u l lc o n v e r t e ri sd e s i g n e d，w h i c hr e p l a c e sv o l t a g e1 I I北京交通大学硕士学位论文c o n t r o lm e t h o dw i t hc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d a n dc a n c e l st h eu n r e l i a b l ef u s e A p p l y i n gt h ed y n a m i co v e r c u
11、r r e n tp r o t e c t i o nt h r e s h o l d，t h ep a p e rr e s o l v e st h eo v e r c u r r e n tp r o t e c t i o np r o b l e md u r i n gt h ea u x i l i a r yi n v e r t e r Ss t a r t u p F o rr e s o l v i n gt h el o wt e m p e r a t u r e Si n f l u e n c eo nt h ea u x i l i a r yi n v
12、e r t e ri nt h e8 Ke l e c t r i c a ll o c o m o t i v e，l o t so fl o c a le x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u t O nt h eb a s eo ft h e s e，t h em a i nr e a s o nw h i c hi n f l u e n c e st h ea u x i l i a r yi n v e r t e r Sl O Wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c ei S
13、f o u n d a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d，w h i c hu s i n gac l a m p i n gd i o d e，i sp r o p o s e d，t o o E x p e r i m e n t si nt h eh i g ha n dl o wt e m p e r a t u r ep r o v et h en e wc o n t r o ls y s t e m，a n dt h i sa c h i e v e m e n th a si m p o r t a n tp r a c
14、t i c a ls i g n i f i c a n c e R e s e a r c ho no p t i m i z a t i o na n ds h o r t c i r c u i tp r o t e c t i o nt e c h n o l o g yi nI G B Ts w i t c h i n gp e r i o dh a sb e e nd o n e T h e o r e t i ca n a l y s i so nt h ei n f l u e n c eo fg a t ed r i v e r，Sp a r a m e t e r so n
15、d d t、d V|m、s w i t c h i n gl o s s e sa n dE M Ii nt h es w i t c h i n gp e r i o dh a sb e e nc a r r i e do u t，w h i c hp r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h T h ei n f l u e n c eo fg a t ed r i v e r Sp a r a m e t e r so nI G B Ts h o r t c i r c u i ti sr
16、 e s e a r c h e dw i t hP S P I C E，t o o O nt h eb a s i so fr e s e a r c ho nh i g hp o w e rI G B Ts w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c s，ad r i v e rf o r3 3 0 0 V 1 2 0 0 AI G B Th a sb e e nd e s i g n e d，w h i c ho p t i m i z e st h es w i t c h i n gl o s s e sa n dE M lw i t hR
17、Cd r i v em e t h o d C o m p a r i n gs e v e r a lt y p i c a lI G B Td r i v ec i r c u i t s，an e wt y p eo fI G B Td r i v ea n dp r o t e c t i o nc i r c u i th a sb e e nd e s i g n e d I tr e a l i z e st h ei n p u tl o g i cf u n c t i o nw i t hC P L D，T V!塞窒望查兰堡主堂堡堡茎a n du s e sp u l s
18、et r a n s f o r m e ri n s t e a do fp h o t o c o u p l e r，t ot r a n s m i tt h ec o n t r o ls i g n a l I to p t i m i z e st h et u r n o f fp r o c e s sw i t hd y n a m i c a lt u r n o f fm e t h o d，w h i c hs u p p r e s s e st h eo v e r v o l t a g ew i t hl i t t l es w i t c h i n gl
19、 o s s e sa n dt i m e，a n dS Ot h a ti tc a nw o r kw i t h o u ts n u b b e r S o f t d e c r e a s eg a t ev o l t a g et e c h n o l o g y，c o m b i n e dw i t hs o f t t u r no f ft e c h n o l o g y，i su s e di ns h o r t c i r c u i tp r o t e c t i o n，a n di to n l ys e t st h eb l i n dt i
20、 m ei nt h et u r n o ni n s t a n t a n e o u sp e r i o d S i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a tt h ed e s i g n e dd r i v e rc a nr e a l i z ed r i v e，d y n a m i ct u r n-o f fa n ds h o r t c i r c u i tp r o t e c t i o na n dS Oo n K E YW O R D S：a u x
21、 i l i a r yi n v e r t e r，c o n t r o ls y s t e m，I G B T，d r i v ea n dp r o t e c t i o nV北京交通人学硕十学位论文第一章绪论。选题豹背景及论文的提爨八十年代中期为了簿决晋煤努运中铁路运输动力不是瓣问题，国家决定进口一批电力机车以解燃眉之急。最后选定了由法蓬弼笨赣避公司牵头懿欧潮5 0 黪兹集蕊接萋熬s 辘交直接动大功率电力机车。铁道部命名为8 K 型电力机车。8 K 型电力机车鱼引进投入运行以寒，共1 5 0 台分剩在北塞铁路局的丰台筑务段、大同西电力机务段运营。其辅助电源中的G T O 逆变器
22、机组，密泼集霞豹B B C 公司设诗。在设诗静当时，其茬零属于毽棼先进水平。但B B C 公司因当时的设计技术所限和对G T O 实用经验不是，骧至于8 K 毫力辍车投入运行戮后，荬辖魏逆交器G T O逆变器机组几乎每天都有烧损故障发生，严重影响列车的安全可靠运行。撵应用部门反澎，对8 K 电力机车蔚羧修，有一半静精力放在G T O 逆变器机组上。为此，保修期由四年延长至七年。绦修靛结窳磊，B B C 公镶已不褥受责绦修，与魏嗣蓊，莺岁 厂家给我们8 K 电力机车提供的配件G T O 元件融停止生产，不再绘我们甓黛，丽国杰生产豹G T O 元释因质量掰隈，装车使麓曼容易烧损。所以，国内很多家单
23、位开始8 K 型电力机率辅助邀变器豹醣究，僵结果都不令久满意。为魏，本实验室开始了该漾题的开发研究工作并最终装车试运行成功。到目前为止，一共有二百多台在实际运行。长期的运行结果说明，I G B T 辅助逆变器的设计是合理的，铯基本满足辊车恶劣舔境的运行需要，但是逐存在些不足之处。一是当初设计I G B T 辅助逆变器控制系统时，为了确保上车静成功，采躅了豫G T 0 辅麓逆交器控裁系统上酌L N B K 0 0 2 实现赫北京交通大学硕士学位论文冲分配和主要逻辑功能。但L N B K 0 0 2 困外已经不再生产，目前只能使用从报废的原G T O 控制系统上卸下的芯片，这种老化芯片的使用大人降
24、低了其可靠性。长期运行小发现，有的逆变器的脉冲分配器不能正常工作，有时即使能够正常工作，手指的轻微接触也会影响其输出：是原G T O 辅助逆变器的开关电源采用开环的推挽式结构，在进行I G B T 辅助逆变器设计时，同样为了提高成功率，仍然采用了推挽式结构，只不过由丌环改成闭环。实际中发现随着输入电压的变化时，无反馈的输出稳定性较差，并且开关电源的保险管可靠性不高，易损坏，由于更换一个保险管需要将整台机组卸下，这给维修带来大量的工作。三是近两年来由于冬季经常出现极低温天气，在大同的个别地区气温有时达到零下3 5，经常出现“趴窝”现象，即机车出车时不能启动，这严重影响了铁路的正常运输。这些问题的
25、解决具有重大的现实意义，因此迫切需要改进设计原有的I G B T 辅助逆变器控制系统。1 2lG B T 驱动电路的概况I G B T 驱动电路是主电路与控制电路的接口。对于采用I G B T的电力电子装置来说，一个性能良好的驱动电路可使I G B T 工作在比较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对提高整个装置的运行效率，可靠性和安全性都有重要的意义。驱动电路不仅是装置产生电磁干扰的一个源，而且其驱动结构以及控制的不同会对主电路的电磁干扰有很大影响“。为了解决I G B T 的驱动问题，世界上各I G B T 制造商都在生产I G B T 的同时，配套生产了驱动集成电路或模块。从驱动
26、方式上看分为三类：一是采用自举方法，如I R 公司的I R 2 1 3 0；二是光电耦合器，如日本富士公司的E X B 8 4 1，日本三菱公司的M 5 7 9 6 2 L，国内的H L 4 0 2 A(B)；三是采用脉冲变压器，如德国西北京交通大学硕士学倚论文门燎公司的S K I“2 1 2 2，瑞十C T C O N C E P T 公司的S C A L E 系列。鼠短路保护戆方法看，可势为三静：一是检测裂短鼗磊硬关赣I(；B I；二魑短路发牛后采用软关断方式；三是采用台阶状分步二次关舔。由于投入市场的独立集成驱动电路模块往往能调节的参数吃较少，参数谣u 繁困难。霾此，溪走羚豹一些学者及王
27、程应蠲人员往往自己设计I G B T 的驱动保护电路，以寻求驱动和保护性能的菠撬纯。传统的I G B T 驱动电路(C G D)采用固定的驱动电阻，这令驱动逮瓣静选撂嚣要静簇牙关过程瓣E M I，又要在最小开关损耗情况下限制开通时的反向恢复电流和关断期间的过电压。为了躐小开关硬力耱E M I 翡产生，需要丈懿驱霸迄毽，整这鼯致了开关延时和开关损耗的增加，高的开关损耗提高了对散热器的要求，致镶系统体辍和藏本帮穗之增热。缓狰滚鼹遣怒经豢采嗣的一种方法，分布电感中存储的能量转移到吸收电路中，这种方法矮大豹浚点是需要在主电路绷灌麓鬏终静器件(黾容、邀黼、二极管)。为了取得开关速度、开关损糯、器件硬力和
28、E M I 之间静雾亍中，缀多学嚣在魏方覆遘章予了磅究“。“。文献f 4，5 1 中研究了驱动电阻的作用以及采用不同的开通和关叛驱动毫瀣戳分裂投稍趔丞l。j 蘑荚甄对靛过电疆。A 1 f i oC o n s o l i 等人提出了一种优化驱动方案”3，其通过附加驱动电流源寒控割褥极驱凌毫流波形整褥开关器薛静集翦电压稻集毫极电流的变化率可被分别控制，从而达到功率器件开关损耗和E M c毽挠静饶讫。S h i h o n gP a r k 等人在文献 7 3 中提密了猿立灵滔控制别出和a v d t 的方法，通过在集电极和栅极附加电容和在栅极帮发莉极瓣热电流源静方法落节密勃电容静影璃，单独浚镪d
29、 v d t，通过发射极串连一个小电感反馈回电羼值以调节d f 出。￥i n o dJ o h n 等久设计了一耱驱动大功率I G B T 的有源播裰驱动电北京交通大学硕士学位论文路(A G D)阳1，把丌通和关断过程分别划分为三个阶段，控制每个除段戆电滚鼹经，在纂一、篱三阶段逶过M O S F E T 驱葫I G B T，以提供大的栅极驱动电流，掇高开关速度，在第二阶段通过B J T(s i p o l a rJ u n c t i O nT r a n s i s t o r)凝魂i G B T，撩巷电浚瓣交化率，在提高开关速度的情况下又减少了器件硬力和E M I，但控铡j 豢复杂。R。S
30、 a e h d e v a 等人逶过硷测爨掇毫压y。，实瑷了两阶段的丌通和关断过程一3，开通初期使用大的驱动电阻减小硝出l。积二辍餐瓣反淹恢复毫漉，在二援管恢复惹采鼷，l、躲驱动电阻使集射电压迅速下降，降低了开关损耗；关断的第一阶段为了镬集籍电压迅速上舞，藏小开关筵薄弱开关损耗，采蠲夺戆驱动电阻，在第二阶段增大驱动电阻抑制由于电流的下降而产生熬过毫瑟。短路是I G B T 使用中最严麓的故障，如果保护不当会使I G B T辩过流、过压或过热嚣洚诋毒禽甚至攒筇。文献 i 6 j 提窭了在发生短路时采用多电阻的关断方式降低短路电流的下降率，减小过魄压。文献 1 7，i s 对手短路簸跨采舔了降耪
31、蓬鹃方法疆麓了短路电流的幅值。R a h u lC h o k h a w a l a 等人提出了稳压管钳位的方浚藏夺自予关鼗离静短路电流丽产垒麓过耄疆“”，鑫予这种方法在稳压管钳位时要向栅极注入电流，增加了使I G B T 寄生开通豹危险，阉潜在集电裰稻巍投之滴的井接器传蹭热了密勒电容的影响。V i n o dJ o h n 等人在文献 2 0 中提出了先降栅压再软关断懿短路缣轳方法，有效静季牵麓了短路嘏流翡蜂值窝关新对的过电腋。C u iY a n g 等人提出了双阚值检测的方法“，同时具有过流翻短路镣筘翡功能。R P a g a n o 等久研究了短路电流蜂值产生的原因”“，提出了短路时
32、动态减少驱动电阻的方法，以限制短路时的毫流峰蕴。4北京交通大学硕士学位论文1 3 本论文的主要工作1 对于8 K 型电力机车I G B T 辅助逆变器原控制系统存在的涟楚送行了研究帮重耘竣诗。鏊于A l t e r a 公剃戆M A X 7 0 0 0 系列的E P M 7 12 8 S 1 0 0-1 0 复杂可编程逻辑器件(C P L D)，运用先进的在系统霹编糕技零(I S P)黯E D A 技术，瓣决了琢控裁系统中弱棱心器件L N B K 0 0 2 的老化问题。重新设计了开关电源，用单端反激式歉代了髹寒弱捺撬式绐秘，采矮T 毫浚控割方式替代了窀基控制方式，去掉了可靠性不高的保险管。采
33、用动态的过流保护阎值懿方法解决了转麓遂交嚣援组舞动过鬏中静过流蠢蔻。在大豢实验的基础上，排除了I G B T 主电路的低温问题，确定了影响系统甄滋豹鑫索，对诧透嚣了分板莠提出了可雩亍豹解决方法。重耨设计的控制系统通过了高低温试验。2 对I G B T 署关过程豹往讫貊短路绦护技术遴行了研究，获理论上分析了栅极驱动参数对开关期间d i d t、驯出、开关损耗敬及E M I 豹影璃。露P S P I C E 接囊磅究了褥极驱魂参数对I G B T短路的影响。这些理论和仿真结果对驱动电路的设计提供了理论蒎据。3 对大功率I G B T 的的开关特性进行了研究，设计了3 3 0 0 V 1 2 0 0
34、 AI G B T 静驱动毫路，采磊R e 驱动方法谯亿了开关损耗和E M I。该驱动电路已经成功应用于3 0 0 k W“双逆变器一电机”笼鬣互续式交流镥动试验系统，丽置工作获况一壹良好，运行一年多以来从未发生过烧毁I G B T 现象。4 在对莓舞凡耱典黧豹I G B T 驱动电路比较磅究的基穑上，研制了一种新型I G B T 驱动保护电路，提出了动态关断的方法优证了关断_ i 蕊程，崧小静开关损耗和开关时离下稚镪过泡压，可以实现无缓冲工作；采用了软降栅愿和软关断相继合的短路保护措蓬，著显饺在开邋瞬闯设置保护富区。仿真帮试验结祭证明，本5北京交通大学硕士学位论文驱动电路能够很好的实现正常驱
35、动、动态关断和短路保护功能。北京交通大学硕士学位论文第二章8 K 型电力机车G B T 辅助逆变器系统结构2 1I G B T 辅助逆变器的主电路与通用逆变器不同，电力机车上的逆变器迫于安装空间的限制，它的逆变器三相桥臂元器件与直流侧滤波电容必须分开安装。逆变器三相桥臂元器件和散热器、传感器、连接件、驱动板等组成逆变器单元，安装在机车中密封的辅助变流器柜中，而滤波电容器安装在变流器柜后面的主整流柜下方。直流侧连接线长度大于l m。为此，对机车用I G B T 辅助逆变器的主电路结构作如下考虑n。2 1 1I G B T 模块的优化布局散热器第二支撑电容。吸。鉴匡路I：l ol ooo0oooo
36、0o回oO回。o_直流捧图2 1I G B T 逆变器主电路结构的布局F ig 2-1M a i nc iEC U i tla y o u to fI G B Ti n v e r t er7盯块砺模下0oE 匕北京交通大学硕上学值论文主电路中电流比较大，在空间产生的磁场就比较大。另外，1 G B T 的开关速度比较浚，在开逶积美叛过糕中，器待蘸鲻黪电压和电流的突变而产生的空间交变电磁场强度相当大。这些干扰信号缦褰易鼹会到I G B T 夔驱动线上。逶过合理静京舞，可以镬得在I G B T 驱动端附近和驱动线一带的空间交变电磁场强度最，、，也瑟手撬绩号最小。首先，I G B T 模块翅强2 1
37、 所示帮置于散热器上，既便于散热，又便于连接；其次，从“第二支撑”的滤波器刭I G B T 模块懿蹇滚连接箨采爝2 5 r a m 竟、2 r a m 浮的镀银铜条并排连接电容器和I G B T，然后在铜排之上固定一片双面敷镳P C B。镀锻钢条莘瑟双瑟敷锯P C B 露对对I G B T 开逶嚣l 关鼗过程中，器件两端的电压和电流的突变而产生的空间交变电磁场超到嚣菠终躅。2。2“第二支撵”嚣繁滤波器由于滤波电容器到逆变器桥臂正负接线端的距离为1 3 0 0 r a m，采廷线径羹6 r a m 豹凝截瑟双段毫缆线连接，连接线斡绝缘层是软橡胶。两线之间在逆交器的正负连接端的距离为2 0 0 m
38、 m。逆交嚣耩蓉接线到主开关嚣件之润麴距离有3 0 0 m m。根据电感计算公式“：L：#o l(1+1 n 三堂)(2 1)7 4b国辊车的实踩布局，取Z 一1 6，掠t O，2 0，b 一0 0 0 6，霆诧该连线的电感由式(2 1)为1 7 7uH。在G T O 逆变器系统改造成I G B T邋交器辩，壶予遴变器豹互换往要求，遂交器单元W R 所有接口和单元外部连接件都不可变动。如果直接用I G B T 器件取代G T O 器释，对于I G B T 来说，鬣然这释组成的I G B T 喜流侧导电线电感太大。为此，在逆变器输入端，设置了一个称之为“第二支撵”豹滤波器。8北京交通人学硕士学位
39、论文“第二支撑”滤波器是由容量为4 7 0uF 4 5 0 V 的电解电容f 5 0。C)惩劳爨拳稳残4 7 0 驻F 9 0 0 V 瓣电麓电察，紧羧I G B T 模块；“第二支撑”的电容器用金属架子固定成一个整体，安装在I G B T 模块毂l，并月螺丝霾定在教热器上，懿霆2 1 所示。其更换也很方便，只需卸下与散热器连接的固定螺丝和与I G B T 模块连接赘爨定螺丝瑟霹。菠强翡“第二支撑”滤波器爨稠对浚遂变器前端的整流器输出侧已有电抗器(2 4 m H)和电容器(2 4 m F 7 0 0 V)维藏鳃乎波滤波器瑟言。2。3 啜l l 芟回路fa)(b，(e)图2 21 6 B T 桥
40、式应用常用吸收电路I G B T 戆承受狠嵩豹霹癣和a v a t，能耄接承受开关避程叫斫和a v a t 的冲击，敞在应用中不必设计采用抑制别出和a v a t 兹毅牧电路，这给I G B T 嚣锌静落及应麓带来缀大便蘩j。但是，吸收直流母线电感能量的过电压吸收电路必不可少，因为I G B T 递交器主电路母宅母瓣的电感总是存在的。I G B T 桥式9北京交通大学硕士学位论文应用时有三种常用的吸收电路结构，如图2 2 所示。根据主电路的设计布局，经过估算和试验，该吸收回路只需用单一的特殊电容即可，即图2 2(a)所示的型式，这就大大地简化了吸收回路的结构和安装。该逆变器的吸收回路采用1 2
41、 只O 4 7uF 1 6 0 0 V 的金属化膜低电感电容器并联排装配焊接在一加工好的双面敷铜P C B 上，构成5 6uF 1 6 0 0 V 的“无感电容”，然后通过I G B T 的连接螺丝直接安装在I G B T 上。该吸收电路的电感值为不大于3 n i l。图2 3 所示为安装了该吸收电路后I G B T关断1 4 0 A 电流时两端的电压波形。图中纵坐标为1 0 0 V d i v，横坐标为2 0 0 n s d i v。盯l 捌。一l。n。一?誊。；，7 一1 1 i；。_了-一_一一”jj：图2 3 关断1 4 0 A 电流时I G B T 器件两端的电压波形2 2 控制系统
42、的结构根据运营部门要求，I G B T 辅助逆变器必须能够与原G T 0 逆变器完全互换，即逆变器直流侧电压维持5 0 0 V 不变；从电子柜进入I G B T 逆变器装置的控制脉冲特性也维持不变。这样，I G B T逆变器的控制方式有两种方案可供选择：一是直接用电子柜进来1 0北京交通人学硕士学位论文的控制脉冲频率经适当处理来驱动I G B T，当逆变器按“。y。=c o r l s t 变化时，在高频段它与6 1 0 工作频率一样；二是把电子柜进来的控制脉冲频率进行改造，只保留其基波频率成分，而后由逆变器控制系统本身产生正弦P W M 来驱动I G B T，提高I G B T丌关工作频率。
43、第一种方案的特点是逆变器输出电流的低次谐波含量比较大，但I G B T 的高开关频率优势作为逆变器安全储备加以利用，同时保持了逆变器的互换性；第二种方案的特点是在高频段时的逆变器输出电压下降了，达不到3 8 0 V，只有3 5 0 V。采用第二种方案时，要使输出电压达到3 8 0 V，就必须提高直流电压到6 5 0 V。比较两种方案后，该逆变器控制系统采用了第一种方案。逆变器的控制电路由控制板和驱动板2 块P C B 组成，背靠背安装在控制电路支架板的两边，通过插针和插孔进行电气连接，如图2 4 所示。控制板的作用是把2 4 V 电源变为控制板和驱动板所需的的各路电源，接受电力机车电子柜发来的
44、信号控制电路支架固屏蔽屏蔽一1由一逆变器圭电路图2 4I G B T 逆变器控制电路的安装F i g 2-4C o n tr O lb o ar d1&y o u to f1 6 B Ti l i v e r t er并进行处理，同时检测处理各种保护信号。驱动板的作用是接受控制板来的I G B T 导通、关断信号，经整形并相应发出导通脉冲及维持通态电压，或发出关断脉冲及维持断态反压：以及I G B TJ b 京交通人学硕十学位论文器件故障及逆变器短路故障的检测与保护。2 2 1 电源变换这部分电爨恕赞部送来黪2 4 V 魄压变换残多黪电滚：一路+1 5 V 电压与2 4 V 电压共地，给电源变
45、换控制的专用厚膜电路P W R C 供魄；一黪+5 V 毫压爨一路1 5 V 电压，分别绘辣_ 孛分霞毫路和检测保护电路供电；六路相互隔离的+15 V 和一1 0 V 电压共地，绘逆交器匏6 令I G B T 分爨供瞧。这郝分夔羧心按拳是震专臻辱膜电路P W R C 控制的推挽式电源变换电路的研制。专用厚膜电路P W R C 提供覆路互羚熬 唾 箍号、其毒魄压凌繇控裁功鹱、薅输入电压2 4 V 电压起欠臌和过愿保护(本电路欠压保护阈值为1 8 V、过愿保护耀篷为3 0 V)戮及短潞绦护功钷。2。2。2 躲t 枣分聚脉冲分配完成如下功能：接受控制电路发出的相控信母，分臻壹x 2 0 一5 R 鞣
46、)、X 2 G 一1 6(S 翅)、x 2 0 i 5(T 稳)输入，裰据桷控信号的高低电平，相应开通上桥臂或下桥臂I G B T；发出逆嶷器掇鹫土、下簿控裁躲洚，褰瞧乎譬逶、低滚乎关耨：镶嚣I G B T墩小通态持续时间，T E=5“s；保证I G B T 最小断态持续时间，T A=I O t ts；保谖褥骛上、下I G B T 嚣僚换流信号互镬露闻，T U=5“s；保证过流厢的最短断流时间，T I=2 1ps。接到过流信号后，帮稳瘟瓣 R、l S、I 王褒藏亵魄平，麓瑟羹镁输出僚号，当过流倍号消失后，仍封锁T I 时间；对于输入的相信号及过流信号，爨有塞凌廷薅T V=5 s，蔽痨绥号摇麓；
47、内部逻辑保诞轿瞽豹上、下I G B T 都关断的情况下才允许发出开通脉冲。2 2 3 保护环节(1)检潦袄电毫潦。当+5 V 电压低予+4 V 或高于+6 V 辩封锁1 2北京交通大学硕士学佗论文驱动I G B T 的脉冲；当土15 V 电压的绝对值低 r1 3 V 域高于1 6 V时封镀驱动I G B T 熬熬冲。(2)检测脉冲分配所需的时钟信号是否正常。糟时钟信号丢失，则封镂驱动I G B T 瓣照砖。(3)检测相电流大小。一旦相电流超过限定值，则封锁驱动I G B T 匏黥潆。(4)检测逆变器输出电流魁否缺相，若缺相，则封锁驱动I G B T 的脉狰。(5)梭测逆变器的散热器怒否过热，若
48、过热，则封锁驱动I G B T 兹赫冲。(6)检测I G B T 的状态。I G B T 损坏(无论短路或断路)、驱动叛弱部有簸障、畿驱魂投与I G B T 连接部分接鲶不琵，豢立郄骜锁瓢动I G B T 的脉冲。2 2 4 驱动电路驱动隔鸯崮三菱公司专攒厚膜芯片M 5 7 9 6 2 L 来完成。M 5 7 9 6 2 L 片内的光耦共模抑制比大于1 0 0 0 0 V s，故主电路的干撬不会传戮控钢毫路中去。謇纾磺裁静专磊驱淤遣癸D R I V 憝完成驱动脉冲上升沿、下降沿的时问控制，以及抑制主电路中I G B T熬开逶窝关薮遘稳鲮亳歪交纯率帮亳流变纯率对驱动电路的干扰。I G B T 是
49、否短路，哥逶遂捡溅I G B T 集电辍与发饕雪辍之瀚的电魇y。的大小变化来判断。具体设计参数如下：当检测到y。超过l O V，越2。5 塾8 后爨维蓊，粼试为主电路已经短路。魏辩，短路保护电路起作用，封锁所有I G B T 脉冲信号。为避免短路保护嚣雩电流焚纯率过大，濂 申封镶采用较关断方式。北京交通大学硕士学位论文2 3 本耷小结本章介绍了8 K 璎电力机车丰电路和控制系统的结构。主电路中采臻豹“第二支捧”电容滤渡器帮暖牧隧鼹，试验 歪明能够有效地抑制开关过电压。1 4北京交通大学硕士学位论文第三簟8 K 型电力机车辅助遂变器控制系统的改进设计I G B T 辅助逆变器取代进口8 K 型电
50、力机车故障率商的G T O 辅韵魄源后，已有二百多台实舔运幸亍了袋长一段l l 寸瓣。长簸瓣运行结果说明，I G B T 辅助逆变器的设计是合理的，能满足机车恶劣环凌的运孳亍霉要。僵经过长期运幸亍螽，穗暴露滋了凡个运蓬。颤：近来有的逆变器在一2 8 以下时不能起机工作；有的逆变器脉冲分辍器不缝正零工作等。本章对8 K 受魄力辊车专焉豹I G B T 辅韵逆变器存在的问题进行了研究和改进设计。3 1 控制系统的构成8 K 型电力机车I G B T 辅助逆变器的控制系统由控制电路和驱动窀路两浃窜嚣l 惫路板鹜靠背缎成。鹜3 l 为I G B T 辅助逆交器系统框图。图3 1I G B T 辅助逆变