毕业设计(论文)-基于DSP的均压均流测试系统的设计.doc
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1、摘要基于DSP的均压均流测试系统的设计摘要电力机车一般都采用交流制供电,交流电从主变压器的牵引绕组经过硅机组整流后,向牵引电动机集中供应直流电,使牵引电动机产生转矩驱动机车动轮转动。整流柜的性能将直接影响电力机车的运行能力,而整流柜主整流组件很容易出现击穿、烧损、放炮等故障,从而导致硅整流装置出现短路,断路等故障。作者对对上述问题作了较详细的研究和探讨,并设计了一种基于DSP的采用脉冲方式对电力机车整流柜进行均压均流测试的系统。首先对整流柜的结构功能、工作特性和产生故障的原因进行了分析,在此基础上设计了对整流柜进行均压均流测试的脉冲测试电路、脉冲触发电路、通道信号处理电路、信号采集电路以及DS
2、P的接口电路等诸多硬件电路,并且开发了一套以ADC程序和串口通信程序为主的DSP软件,详细分析了上述软硬件的功能、原理和流程图。最后对该测试系统的设计进行了总结,肯定了该系统的设计方案。关键词:电力机车,DSP,整流柜,均压均流测试IAbstractTHE DESIGN OF CURRENT SHARE AND VOLTAGE TEST SYSTEM BASE ON DSPAbstractLocomotive general adopt alternating current to power-up, the alternating current come from the drag win
3、ding of main converter was commutated by the rectifier, then supply direct current to the drag electric motor to make the drag electric motor generate torque drive locomotive turning. The behavior of rectifier effect the locomotives ability of running directly, but the commutate component of rectifi
4、er occur broke through, burn down blasting breakdown and so on easily, thereby lead the rectifier to short circuit or block. The writer aim at the issue did detail research and exploration, designed a kind of impulse fashion test system of the locomotive rectifier current share and voltage share bas
5、ed on DSPFirstly analyzed the framework function, working characteristics and the reason of breakdown, On this foundation designed the current share and voltage share test impulse circuit, impulse flip-flop circuit, access signal processing circuit, signal collect circuit and the interface circuit a
6、nd so on hardware circuit, and developed a set of DSP software main of ADC subprogram and serial interface communication subprogram, analyzed the function principle and flow sheet of hardware and software. Finally made a summa of the excogitation of the test system, affirmed the excogitation of the
7、system.Key Words: Locomotive, DSP, rectifier, current share and voltage share test58目录目录主要符号说明1第一章 绪论21.1 前言21.2 整流柜的均压与均流21.2.1 电力电子器件串联时的均压21.2.2 电力电子器件并联时的均流31.3 均压和均流测试31.3.1 低压电流测试(均流测试)31.3.2 轻载电压测试(均压测试)31.4 试验装置及其目的与意义41.4.1 本试验装置的基本特点41.4.2 本试验装置的基本原理41.4.3 试验装置的目的与意义4第二章 整流柜及其均压均流测试72.1 整流
8、柜的结构72.2 整流柜的功能和原理82.2.1 整流装置均流功能分析92.2.2 整流装置均压功能分析102.2.3 整流装置过电压保护功能分析102.2.4 整流装置过电流保护功能分析112.2.5 晶闸管的di/dt保护112.3 被测组件特性112.4 硅机组均压均流试验的现状和本系统的优点132.4.1. 国内电力机务段机车硅机组均压均流试验的现状132.4.2 新型硅机组均压均流试验装置的特点13第三章 均压、均流试验系统主电路的设计153.1 总体方案的设计153.1.1 试验系统测试方案153.1.2 均压、均流试验系统的组成153.2 电源单元的设计173.2.1 硅机组的均
9、流测试183.2.2 硅机组的均压测试193.3 触发电路的设计203.3.1 被测可控硅的触发电路203.3.2 脉冲电源触发电路213.4 信号采样与转换223.5 霍尔传感器223.5.1 霍尔电压电流传感器概述223.5.2 霍尔传感器工作原理233.5.3 霍尔传感器接线图24第四章 基于DSP的信号采集与处理系统硬件设计284.1 DSP芯片概述284.1.1 DSP芯片的分类284.1.2 DSP系统的设计过程294.2 TMS320LF240x芯片的特点314.2.1 TMS320系列DSP芯片的概况314.2.2 TMS320C2000系列DSP芯片的基本结构324.2.3
10、TMS320LF240x系列DSP芯片的概述344.3 以TMS320LF2407A为核心的信号采集与传输系统354.3.1 TMS320LF2407A芯片的ADC模块354.3.2 TMS320LF2407ADSP的SCI模块37第五章 信号采集、处理与传输软件设计385.1 DSP软件开发工具概述385.2 系统软件的开发405.2.1 C 语言与汇编语言的混合编程405.3 ADC部分的设计415.3.1 ADC模块的电平匹配415.3.2 ADC模块的初始化425.3.3 采样值转换为有效值435.3.4 ADC模块的软件设计445.4 DSP与PC机间串行通信部分的设计455.4.1
11、 设置串行通信口455.4.2 逻辑电平转换455.4.3 串口波特率的匹配465.4.4 串行通信的软件设计465.4.5 串口的设置485.4.6 小结485.5 测试运行结果48第六章 总结516.1 主要工作回顾516.2 本课题今后需进一步研究的地方51致谢52参考文献53附录A 源程序55个人简历 在读期间发表的学术论文60主要符号说明主要符号说明U 电压;I 电流;B 磁感应强度;Ki 并联桥臂均流系数; 各并联支路的电流之和;IM 通过最大电流支路的电流。Ku 串联支路均压系数; 支路串联组件的电压(V);UM 承受最大电压组件的电压(V);URRM 反向重复峰值电压;IRRM
12、 反向重复峰值电流;UFM 正向通态电压;IFM 正向通态电流;E H 霍尔电势;KH 霍尔组件灵敏度; 采样/保持器的捕捉时间; 采样/保持器的设定时间; A/D转换的时间;FFT 快速傅立叶变换。第一章 绪论第一章 绪论1.1 前言电力机车的牵引动力是电能,但与内燃机车不同,电力机车本身没有原动力,是依靠外部供电系统供应电力,并通过机车上的整流柜将受电弓从接触网上取得的交流的电转换成直流,由牵引电动机驱动列车前进。由电力机车实施的牵引运行称为电力牵引,电力牵引具有功率大、效率高、过载能力强、运营费用低、司机劳动条件好、不污染环境等一系列优点。电力机车主要由车体、车底架、走行部、车钩缓冲装置
13、制动装置和一整套电气设备等组成。除电气设备外,其余部分都同交直流电力传动内燃机车相似。电力机车的硅整流装置是电力机车上的关键部件之一。由大功率整流二极管和晶闸管及其附件组成桥式整流电路。其功能是把来自牵引变压器副边绕组的交流电整流为直流电,供给牵引电动机使用,同时兼有调压开关级间平滑调压的作用。机车在满负荷运行的时候,整流装置处于高电压、大电流的状态之下,整流柜主整流组件很容易出现击穿、烧损、放炮等故障,从而导致硅整流装置出现短路,断路等故障,进而将直接导致机车故障而中断运输,这不仅干扰了正常的运输秩序,影响运用机车运输,给运输安全也带来了隐患,而且由于大量更换组件使检修成本上升,造成了经济损
14、失。大功率晶闸管和硅整流管是构成硅整流装置即硅机组的基本组件,而大功率晶闸管和硅整流管组件的性能又决定了整流柜的性能。因此,测试它们的基本特性,合理地选配组件,将有助于提高机车运行的可靠性。所以我国电力机务段对电力机车上的硅机组(硅整流装置)在进行段修后,需按检修规程要求,进行均压和均流试验,以检查硅机组的均压和均流情况是否符合规程的要求。3,41.2 整流柜的均压与均流1.2.1 电力电子器件串联时的均压对于电力机车的整流柜, 为了提高整流柜的电压等级, 电力半导体器件(二极管、晶闸管)的串并联是很常见的。多个串联的电力半导体器件由于其反向特性存在差异, 当加上正向或反向电压时,各个管子所承
15、受的正、反向电压也就不同。对于整流二极管而言,承受正向电压就会导通;但在承受反压时,承受过大反向电压的管子有可能被击穿,而其它管子的电压则利用不充分。而对于串联工作的晶闸管来说,由于正向阻断特性的差异,在加上正向电压但没有给门极触发脉冲时,串联的晶闸管之间所承受的正向电压也是不同的。过大的正向电压有可能使对应的晶闸管正向导通或者损坏,这是电路中所不能允许的。为了使串联的电力半导体器件承受的电压分配均匀,必须对其进行均压。按照电力机车的检修规程,必须保证硅机组的均压系数在0.95以上。1.2.2 电力电子器件并联时的均流对于电力机车整流柜,通常用并联多个电力电子器件的方法来提高整流柜的电流等级。
16、多个电力电子器件并联时,由于受并联支路阻抗差异的影响及器件通态伏安特性(可控器件还有触发导通时间的差异)的影响,因而会造成稳态及瞬间电流的分配不均和开通过程中电流上升率的不同。所以,对并联的电力电子器件,必须采取均流措施。对于大容量的变流装置而言,最常用的均流方法是在电力电子开关器件串联一个均流电抗器。按照电力机车的检修规程,必须保证硅机组的均压系数在0.85以上。在电力机车整流柜,通常只需采用将器件按其正向通态特性分组,一般可以满足均流系数大于0.85的技术要求。1.3 均压和均流测试1.3.1 低压电流测试(均流测试)在直流输出端短接或接一个低值电阻负载,交流端施加一个可以提供整流装置额定
17、输出电压12V的低电压最大电流额定电流为4800A情况下进行试验。整流装置通电时测量各桥臂支路的电流、按下式计算均流系数不小于0.85。即: (1-1)式中并联桥臂均流系数;各并联支路的电流之和(A);并联支路数;通过最大电流支路的电流(A)。K值越大,说明牵引整流装置的均流效果越好,在正常运行的情况下整流组件的可靠性高。1.3.2 轻载电压测试(均压测试)轻载电压试验是整流装置在很小的负载下,施加额定交流电压,检查整流装置电路的联接是否正确以及静态特性是否满足要求,并测量串联支路组件的均压系数。本整流装置均压试验测量桥臂支路串联组件的电压按下式计算出均压系数K不小于0.95。即: (1-2)
18、式中串联支路均压系数;支路串联组件的电压(V);串联支路数;承受最大电压组件的电压(V)。K值越大,说明牵引整流装置的均压效果越好,在正常运行的情况下整流组件的可靠性越高。51.4 试验装置及其目的与意义1.4.1 本试验装置的基本特点用脉冲方式测量组件特性的仪器和设备,国内已有不少单位早已研制和开发,并已经形成正式产品。用DSP进行数据采集和数据处理技术发展已相当成熟,在国内也早已在很多领域中得到应用。所以本试验装置采用间隙式脉冲高压、大电流测试硅机组均流均压系数的技术,以DSP为核心的数据采集及相应的处理软件和硬件,构成了一套完整的硅机组均压均流试验和数据采集处理系统,具有一定的先进性和实
19、用性。1.4.2 本试验装置的基本原理采用脉冲电源测量,在进行试验时,向被试硅机组输出一个正弦半波电压,这与整流组件在正常工作时的导通条件相同。采用高精度霍尔电流传感器和电压传感器作为电流检测组件和电压检测组件,使用以DSP为核心的数据采集板及相应的处理软件,可自动计算和输出每个被测硅机组的均流系数和均压系数,并实时输出检测结果。使检修人员更快更准确地知道整流柜各支路的均流系数和均压系数,并可以对各测量出的值进行相关判断,从而得出被测试的整流柜是否合格。在建立了较为完善的段内硅机组检修数据库的基础上,可根据每次段修积累的资料,观察组件参数的变化,参照有关的电力半导体器件的失效判据,了解和判定各
20、组件的技术状态。使机务段能随时查看硅机组的技术状态,为预防故障状态修创造了条件。 61.4.3 试验装置的目的与意义整流装置的设计要求整流桥任何桥臂上的并联支路的电流要基本相等,这样就不致因某一臂并联支路硅组件承担过大的电流而烧损或长期工作在大电流状态下而过早地使组件降级老化而烧损。因此设计上要求任何桥臂的均流系数应在0.85以上,各晶闸管两端的电压的均压系数就在0.95以上,这样才能保证整流装置的安全使用。生产厂家在生产调试过程中是通过对硅组件的特性进行测试,将硅组件特性基本一致的搭配成组形成一个桥臂来实现0.85以上的均流系数和0.95以上的均压系数。但整流装置经过一段较长时间的使用后,通
21、过现场检测可能发现其各方面性能均发生了不同程度的变化,使得均压系数或均流系数不能达到保证整流装置安全使用的标准。这就必然出现因某一臂并联支路硅组件承担过大的电流而烧损或长期工作在大电流状态下而过早地使组件降级老化而烧损的情况,从而导致电力机车中断运输。整流柜性能的变化主要表现在如下几点:(1) 硅元件特性发生变化,硅元件降级老化,正向压降偏离原始出厂参数。(2) 不同金属材料间的接触导致金属反应产生电腐蚀现象是至关重要的问题:整流装置硅元件的散热器为铝质材料,而与其相联结的铜排和硅元件管壳为铜质材料,这两种不同金属的材料相互联结在一起,长时间工作在大电流的状态下不可避免地产生金属间的反应,致使
22、两种不同金属材料间的接触面产生电腐蚀,使接触面产生麻坑,即在硅元件的接线端和硅元件的管壳与散热器的接触面产生麻坑,最终导致整个硅元件管芯与散热器的接触电阻增大,硅元件的引出端与元件间的联结铜排间的电阻增大,使硅元件的招体电阻增大。这样必然产生两种现象:一种现象是因硅元件的整体电阻增大,通过大电流时产生损耗发热导致元件烧损;另一种是因硅元件有的已产生电腐蚀有的未产生电腐蚀,在一个桥臂并联支路某一支路中的电阻发生变化,在相同的输入电压下,必然造成电流不一致,最后因某一支路承担超负荷的电流而烧损。(3) 硅元件间的联接是通过联接铜排进行联接的,联接螺栓会因长时间通过大电流而发热及电磁力的作用和机车的
23、振动等影响,紧固力发生变化,使硅元件的联接处的接触电阻发生变化,最终也因桥臂并联支路的电阻不同,而导致桥臂支路间的电流大小不同,支路电流大的硅元件将烧损。从以上三点看出硅元件特性变化必然造成均流系数的变化;硅元件散热器与元件管壳之间电腐蚀及硅元件散热器引出端电腐蚀,均造成硅元件的整体电阻增大,正向压降自然也因此而增大,实质上等效于硅元件特性发生变化,不可避免地造成均流系数发生变化,破坏了原出厂调试好的均流系数,使均流系数降低到0.85以下,有甚者均流系数可降低到0.33,从而导致某个桥臂的支路的电流过大而烧损硅元件。根据中修修程对整流装置均流系数的检测,发现许多整流装置某个桥臂或多个桥臂其均流
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