SPWM逆变技术在铁路信号电源的应用

SPWM逆变技术在铁路信号电源的应用

引言

铁路信号电源是铁路信号系统运行的心脏，也是铁路运输安全的基本保障。随着我国铁路事业日新月异的飞速发展，新技术、新设备的不断推广应用，对铁路信号电源可靠性的要求也越来越高。目前，现场使用的大多数信号电源屏采用的稳压方式是感应式稳压，该种电源屏在一路电源停电转入另一路电源的过程，存在较长的切换时间。随着行车速度不断提高，电源切换时间对信号设备的影响大大增加，尤其是对25 HZ轨道电源屏的影响很大，极大影响行车安全和效率。

因此，寻找一种稳定可靠、不间断的信号电源尤为关键。实现电源不问断输出，其基本结构是整流、逆变， 即A C→D C→ A C结构。近l0余年来， 由于电力电子技术，特别是全控型快速半导体器件BJT、IGBT等的出现和性能完善，SPWM逆变技术应运而生并日趋成熟，在航空航天、电力、铁路等自动化领域得到广泛使用。基于SPWM 逆变技术的铁路信号电源屏称为无切换电源屏。该屏采用先进的SPWM 技术和AC→DC→AC结构，为铁路信号设备提供标准纯净不问断的供电电源，从根本上解决了铁路信号电源屏由于外电网电压瞬间波动、波形畸变、频率漂移造成的自动保护，中断信号电源输出，造成25HZ电源停振，产生红光带，危机行车安全等系列问题。

1 SPWM逆变技术

正弦脉宽调制(SPWM)是利用半导体开关器件IGBT的导通与关断，将直流电压变成电压脉冲列，采用正弦波作为调制信号，通过控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期，使脉冲系列占空比遵循正弦波规律的一种控制技术。

如图1所示，SPwM三相逆变器主回路由6个全控式功率开关器件构成三相逆变桥，它们各有一个继流二极管反并联结，整个逆变器由三相不可控整流器提供电压为Us的直流电压。

根据同一桥臂上开关器件导通的情况，可将SPWM分为单极性SPWM和双极性SPWM。

1．1单极性SPWM

在单极性SPWM逆变器中，同一逆变桥只有一个开关器件工作，形成单极性SPWM波形，如图2所示。在图2(a)中，Ut为等腰三角形的载波，Ura为正弦调制波，调制波和载波的交点决定了SPWM脉冲序列的宽度和脉冲间的间隔宽度。如图2(b)所示， 当A相的Ura＞Ut时，VT1导通，输出正弦脉冲电压Us／2；当Ura＜Ut时，VT1关断，输出电压为0。在Uraa负半周，用同样方法控制VT4，输出负的脉冲电压序列。改变调制波Ura频率时， 输出电压基波频率随之改变。降低调制波Ura幅值时，各段脉冲的宽度也相应变窄，输出电压基波幅值减少。当增加载波Ut频率，开关管开断更频繁，输出波形失真度更小。单极性调制具有损耗低、电磁干扰少等优点。

1．2双极性SPWM

2 SPWM逆变器的2个关键技术

2．1死区补偿

在三相桥式逆变电路中，一般采用双极性SPWM调制技术。由于一般功率管的开通时间小于关断时间，通常将SPWM驱动信号上升沿(或下降沿)延迟一段时间△T(即死区时间)，以保证同一桥臂上下两个功率管不致发生直通故障。但这却同时给逆变器带来了十分有害的死区效应，容易引起逆变器输出电流波形畸变，甚至引起电机振荡，极大影响了逆变器的性能，随着开关频率的提高，死区效应问题变得更加严重。

死区效应一般采用死区补偿技术来解决。最基本补偿方法有2种：电流反馈型补偿和电压反馈型补偿。电流反馈型补偿的特点是电路简单易于实现，但它是通过对电流的过零点检测来进行补偿的，由于电流波形中噪声成分和外界干扰的存在，会引起过零点的判断失误，影响到检测精度，而且电流滤波环节还会出现一定的检测滞后性。电压反馈型补偿同样也存在SPWM 波的检测精度和检测滞后问题。随着计算机技术的不断发展，目前应用最广泛的是采用软硬件结合的矢量控制法。用电流矢量位置角的检测代替电流过零点的检测，避开电流过零． 点的模糊性。用区域检测代替瞬时值检测，对采样速度的要求较低，易于软件实现，且不会引起滞后，抗干扰能力比较强，补偿效果非常理想。

2．2谐波抑制

SPWM逆变技术利用正弦信号对载波进行调制，会产生与载波频率和信号波频率有关的高次谐波，谐波含量的大小，很大程度上决定了SPWM逆变器的性能。输出的高次谐波会给电动机带来发热加剧、损耗增大、效率和功率因数降低等不利影响，并产生电磁噪音，更可怕的是高次谐波将导致转矩的脉动，致使转速脉动。同时，谐波还会对周边电子设备产生严重电磁干扰，影响其正常运行。随着变频器的日益广泛使用，变频器的谐波问题也日渐突出。

因此，要提高SPWM逆变器的性能，必须对其输出谐波进行准确分析并有效抑制。通常有以下几种谐波抑制策略：

(1)选择合适的载波频率，以消除低次和某些奇次谐波；

(2)精确实现选定的载波频率，以避免异步调制中出现的偶次谐波；

(3)注入适当的谐波分量，以在不加大输出谐波含量的情况下提高电压利用率。有研究证明，当逆变器应用于交流电机时，注入适当3次谐波分量的HIPWM 的性能要明显优于常规SPWM。

3基于SPWM逆变技术的无切换稳压电源屏

3．1无切换稳压模块

无切换稳压模块原理框图如图4所示。

该模块的关键是DC—AC逆变部分，以微处理器为核心，电力电子半导体器件为功率输出单元，采用了数字分频、D／A转换、瞬时值反馈、正弦脉宽调制、IGBT输出等新技术及模块化结构。具有负载适应性强、输出波形品质好、操作简便等特点，并有过流、过载、过热、短路等保护功能，以保证电源可靠运行。

其简要工作原理：主备两路三相380 V电源分别进行整流后直接并联在一起，经过滤波成为不受其中任意一路断电影响的直流电，然后利用SPWM逆变技术，再通过变压器隔离和滤波、输出反馈、波形修正等，输出稳定可靠的不间断交流电源。

3．2无切换稳压电源屏

该电源屏以无切换稳压模块为核心，辅以直供电路、两路自动转换电路、三相监测报警电路、输出报警电路、控制台表示电路和电流电压监测电路等。当输入两路电源发生切换、相序错误或任意一相电源断电时，仍可正常输出无间断稳压电源。具有稳压精度高、失真小、反应速度快等特点，可有效滤除输入电源中的尖峰脉冲干扰，保护信号用电设备，保障铁路运输安全。

3．2．1稳压、直供切换

为确保现场信号设备正常供电，该电源屏设置了直供电路，稳压与直供的选择由面板双向开关3H K决定。当输出为稳压电源时，面板稳压指示灯亮；当输出为外电网电源时，面板直供指示灯亮。当3HK拔动到“稳压”状态，无切换模块启动，相应交流接触器3XL C吸起，输出为经过稳压的不间断电源。若无切换稳压模块发生故障，无稳压电源输出，相应交流接触器3XLC落下，输出自动切换为未经稳压的电源，同时启动故障报警电路，报警器DL发出声光报警。

3．2．2两路输入电源自动切换

当两路输入电源同时接通时，交流接触器1XLC、2XLC其中一个先励磁吸起，并通过接触器的后接点切断另一接触的励磁电路，从而断开另一路电源回路。当I路(或II路)输入电源停电或发生故障时，1XLC落下，2XLC吸起，电源自动切换为II路电源供电，II路指示灯2LD亮。

3．2．3 电压及相位实时检测

三相监测控制电路是专门用来实时监测输入电源的电压值和相位的外围电路，由隔离变压器、专用监测器、继电器控制以及外围显示电路组成。当某一路电源出现电压和相位故障，对应的继电器1DXJ或2DXJ吸起，相应接点11、31断开，从而切断该路电源输入。电压和相位检测状况由1PD、2PD双色灯表示：只亮红色时表示错相；只亮绿色时表示欠压；两色都亮时表示缺相。

4结束语

该无切换稳压电源屏一般作为铁路综合信号电源系统的前级电源，为后续的继电器、转辙机、信号、轨道、道岔表示以及25 Hz电源模块提供高品质的不问断电源。目前，该电源屏在广州铁路集团公司得到广泛运用，技术先进，性能稳定，受到电务管理部门和现场使用单位的一致好评。2008年初，百年不遇的冰冻灾害造成华南铁路外电网几乎全部断电，临时发电设备提供的电源质量很差，电压波动非常大，但该无切换电源屏经受住严峻考验，依然正常稳定运行，为确保铁路运输安全做出非常大的贡献。