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摘要:采用單相多電平級聯H橋代替電力機車上傳統的脈沖整流器,從而避免使用笨重、體積大的工頻牽引變壓器,可以實現車體輕量化。分析了單相多電平級聯H橋變流器的拓撲結構與工作原理,理論分析及MATLAB/simulink仿真結果表明,多電平變流器可以輸出穩定直流電壓,并且每個功率器件承受的電壓應力較小。
關鍵詞:無牽引變壓器;級聯H橋;多電平變流器
鐵路提速促進國民經濟發展,車體輕量化是列車提速需要解決的其中一個技術難題。為實現電力機車避免使用笨重的牽引變壓器[1],則需變流器能夠承擔輸入的高電壓,但單個功率器件能夠承擔的電壓應力僅為6500V,因此通過串聯功率器件分壓[2]。
1傳統電力牽引傳動系統
在傳統的電力牽引傳動系統中,受電弓將接觸網單相25kV/50Hz交流電引入機車,利用工頻牽引變壓器將25kV的電壓降低到機車能夠接受的范圍,經過整流器輸出穩定直流電,再經過逆變器輸出幅值與頻率可調的交流電對電機調速。工頻牽引變壓器本體重量5360Kg,變壓器總重量可達6120Kg,外形尺寸為長4150mm、寬2653mm、高724mm。笨重、體積大的工頻變壓器給電網和機車帶來了很大負擔。
2多電平變流器理論分析
級聯H橋多電平變流器可以解決電力機車25kV高壓與功率器件無法承擔高壓的矛盾,級聯H橋多電平變流器諧波更小、功率容量大、開關頻率較低、響應速度快[3]、易于模塊化設計[4]。單相全橋整流器如圖1所示,電路由交流電流源、等效電阻、電感、全控型功率半導體開關器件反并聯二極管、支撐電容和負載組成。其中,交流側的電流諧波由電感濾除。全橋整流器既可將來自接觸網的交流整流為直流,又可將直流側電能逆變為交流送回接觸網,實現四象限運行。單相多電平級聯H橋變流器由多個全橋整流器級聯而成,工作原理與單相全橋整流器類似。3個全橋整流器串聯,即可得到單相七電平級聯H橋變流器,如圖2所示。其中uao1、uo1o2、uo2b之和等于uab,變流器1橋的IGBT包括T11、T12、T13、T14,變流器2橋的IGBT包括T21、T22、T23、T24,變流器3橋的IGBT包括T31、T32、T33、T34。為了便于分析,作出如下假設:(1)12個IGBT均為理想開關,無損耗忽略且開關時間。(2)電容、電阻、電感均為理想元件。(3)忽略開關管死區影響。同時,對參數變量作出定義,如表1所示。電路穩態時,udc1=udc2=udc3。如上所述,1橋的交流側輸入電壓uao1有三種情況:+udc1、-udc1、0,2橋、3橋同理。三個全橋整流器的開關函數S1、S2、S3定義如下:Si1Ti1、Ti4導通且Ti2、Ti3關斷;0Ti1、Ti3導通且Ti2、Ti4導通;-1Ti2、Ti3導通且Ti1、Ti4關斷;{(1)即:Si=Ti1-Ti3,式中,i=1、2、3。整個級聯H橋開關組合(S1S2S3)有33=27種,uab表現為7種電平:+3udc*、+2udc*、+udc*、0、-3udc*、-2udc*、-udc*,如圖3所示。七電平的交流側電壓Uab與標準正弦波更接近,網側電流中的諧波更少。除此之外,每個IGBT上的電壓應力只有Udc的三分之一。
3仿真驗證
利用MATLAB/simulink工具進行仿真驗證,仿真參數如表2所示。仿真中采用的步長為10-5s,同時對多電平變流器進行控制,得到仿真結果。圖4為交流側輸入電壓七電平波形;圖5為輸出直流電壓波形,直流電壓穩定在約7800V,驗證了多平級聯H橋變流器的可行性與有效性。
4結語
為了實現電力機車無工頻牽引變壓器,通過級聯H橋多電平變流器替代常規的脈沖變流器,輸出了穩定直流電壓,并且級聯H橋實現了分壓的目的。
作者:張笛 崔晶 單位:西安鐵路職業技術學院