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《電源技術雜志》2015年第十一期

摘要：

用15kVA鎘鎳堿性蓄電池充放電檢測控制系統對電力機車進行研究，完成了基于PWM整流逆變技術的蓄電池充放電裝置與檢測控制系統設計，采用空間矢量脈寬調制(SVPWM)方式解決了傳統蓄電池充放電裝置功率因數低、高諧波污染等不足。試驗及檢測結果表明該裝置具有能量雙向流動、網側電流正弦化、功率因數高、功率靈活調控的特點。放電功率的可控性簡化了操作人員的工作，同時也提高了數據的可靠性與設備的安全性。

關鍵詞：

蓄電池充放電系統；脈寬調制；功率因素

傳統的蓄電池充放電裝置大部分采用可控硅整流，這是一種非線性負荷，會產生頻率為工頻頻率的整數倍的諧波。諧波危害十分嚴重，它會大大降低電能的生產、傳輸和利用效率，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，絕緣老化，縮短使用壽命，甚至發生故障或燒毀。此外，在傳統的電池產品出廠老化試驗過程中和電池使用維護時，大多使用功率電阻、水電阻等能耗型負載充當被試電池產品的負載。這些能耗型負載雖然工作原理簡單，價格比較低，但在使用中存在老化試驗過程中能量消耗大，測試條件設定調節繁瑣，測試數據不準確，測試結果分析時間長等缺點[1-4]。基于此，本文用15kVA鎘鎳堿性蓄電池充放電檢測控制系統對電力機車進行研究，完成了基于PWM整流逆變技術的蓄電池充放電裝置與檢測控制系統設計，采用空間矢量脈寬調制(SVPWM)方式解決了傳統蓄電池充放電裝置功率因數低、高諧波污染等不足。試驗及檢測結果表明該裝置具有能量雙向流動、網側電流正弦化、功率因數高、功率靈活調控的特點。放電功率的可控性簡化了操作人員的工作，同時也提高了數據的可靠性與設備的安全性。

1系統原理

蓄電池充放電裝置的原理圖如圖1所示。蓄電池充放電裝置主要由DC/DC變換器、三相脈沖整流器(PWM整流器)、隔離變壓器、控制系統、電源和風扇等輔助電路共同組成。其工作原理是：DC/DC變換器首先對外部被試直流電源的直流電壓進行變換處理，使之符合系統運行要求，此外將對輸入功率進行調節和控制，實現蓄電池充放電裝置調節功能，在DC/DC變換器的前端可設計有熔斷器和真空繼電器以提高系統的可靠性；三相PWM整流器則將DC/DC變換器輸出的穩定直流電壓逆變為三相交流電壓，通過調節和控制PWM整流器三相輸出電壓的大小以及與電網電壓之間的相位差，可以將DC/DC變換器輸送的能量饋入三相交流電網以及調控蓄電池充放電裝置交流側的功率因數；而隔離變壓器則實現蓄電池充放電裝置與電網的隔離，提高試驗系統的安全性能和保障操作者的人身安全，提高蓄電池充放電裝置對被試電源的適應性[5-6]；隔離變壓器與交流電網之間的濾波器和斷路器則是為了濾除PWM整流器工作產生的高頻諧波污染和在需要的時候將蓄電池充放電裝置從電網中完全切除。

2PWM變流器的設計

三相PWM整流器的作用是將DC/DC變換器輸出的穩定直流電壓逆變為三相交流電壓，通過調節PWM整流器三相輸出電壓的大小以及控制與電網電壓之間的相位差，PWM整流器不但可以將DC/DC變換器輸送的能量饋入三相交流電網，而且還可以有效調控蓄電池充放電裝置交流側的功率因數，其原理圖如圖2所示。采用正弦脈寬調制(SPWM)方式，三相調制信號uru、urv和urw為相位依次相差120°的正弦波，而三相載波信號是一個正負方向變化的三角形波uc。A、B和C相自關斷開關器件的控制方法相同，現以A相為例：在uru>uc的各區間，給上橋臂電力晶體管V1以導通驅動信號，而給下橋臂V4以關斷信號。在uru<uc的各區間，給V1以關斷信號，V4以導通信號。圖3是三相橋式PWM逆變電路輸出三相對于負載中性點N的相電壓波形。

3控制系統的設計

3.1控制系統的硬件設計控制系統硬件設計以TI公司的DSP-TMS320F2812PGFA為核心，可以實現反饋信號的處理、AD轉換、DC/DC變換器和PWM整流器控制脈沖的產生、系統運行狀態的監視和控制、故障保護和存儲、RS485通訊等功能，外部擴展了CPLD、SRAII、雙口RAM、四通道14位AD轉換器、四通道12位DA轉換器、實時時鐘和EEPROM等，利用CPLD實現了16路數字輸入通道和16路數字輸出通道，另外還具有16路PWM輸出通道，八路模擬信號輸入及處理電路，對外串行接口包括RS-232串行數據接口、隔離的RS-485串行數據接口、符合CAN2.0A/B協議的隔離CAN總線接口、符合USBI.1協議的USB總線接口、SPI同步串口以及McBSP多通道緩沖串行口。控制系統的整體結構圖如圖4所示。

3.2控制系統的軟件設計下位機軟件設計主要模塊包括：DC/DC變換處理程序、電壓相序等中斷處理程序、功率保護處理程序、系統故障檢測與處理程序以及相關輔助器件等的控制程序。其主函數的設計流程圖如圖5所示。系統的初始化函數包括中斷初始化、IO口初始化、工作初始化、外設初始化、用戶自定義程序初始化和中斷地址初始化，在主函數運行前，必須完成系統的初始化工作。網壓相序判斷函數的設計流程圖如圖6所示。網壓捕獲函數的軟件設計流程圖如圖7所示。

4裝置試驗

試驗前必須做好試驗準備，包括查線、相位檢測、變流元檢查、整機檢查與上電準備，確保儀器能正常、安全運行。試驗分為空載試驗、負載試驗、放電試驗和溫升試驗四個部分。空載試驗數據如表1所示。負載試驗數據如表2(額定電阻R=1Ω)所示，放電試驗數據如表3所示，溫升試驗數據如表4所示。在試驗的基礎上，可以通過上位機監測，測得充電工況下輸出側的波形質量分析數據，其數據如表5所示。通過以上對裝置空載、負載、放電等情況的試驗測試以及裝置在工作過程中的溫升記錄，結果表明裝置運行正常，實際輸出電壓與參數設定的110V基本一致，輸出電壓穩定度高，紋波小，網側的功率因素接近1，而輸出電壓總諧波畸變小于5，諧波污染小。

參考文獻：

[1]鄧木生，陳新喜，李華柏.基于PWM技術蓄電池充放電與檢測系統設計[J].現代電子技術，2011(7)：207-209.

[2]楊杰，周佩華，黃坤.基于參數優化的負載電流前饋型三相PWM整流器控制系統研究[J].煤礦機械，2013，34(7)：75-77.

[3]劉輝.基于雙閉環控制的三相三電平PWM整流器研究[J].工礦自動化，2013，39(8)：72-75.

[4]趙武玲，彭樹文，王偉強，等.三相PWM整流器的研制[J].電氣技術，2013(5)：41-44.

[5]榮智林.基于三相PWM整流器的蓄電池充放電裝置研究[D].湖南：中南林業科技大學，2007.

[6]霍艷，張全柱，楊太石.機車蓄電池檢測系統的地面分析軟件[J].蓄電池，2007(1)：30-33。

作者：唐亞平 魏麗君 張敏三 單位：湖南鐵道職業技術學院