高速機車無變壓器化交流傳動系統中直流斬波電路的改進

（成都信息工程學院 控制工程學院，四川 成都 610225）

1 引言

車載變壓器小型輕量化對高速鐵路的發展具有重要的意義［1］，世界上高速鐵路發達的國家紛紛對此展開研究［2-5］。通過使用直流斬波技術取消車載牽引變壓器，實現無牽引變壓器的交流傳動系統結構，是實現車載牽引變壓器小型輕量化的一種很有前途的技術選擇。

合理地選擇機車用直流斬波器的結構，使其盡量的輕和小是這種結構研究的基本目標。作者對斬波器的基本電路進行了仿真研究，初步證明，使用直流斬波器代替車載牽引變壓從而實現不同電壓間能量傳遞部分設備的小型輕量化方案是可行的。本文的進一步研究顯示，如果改進直流斬波裝置輸出側濾波器的電路結構，還可以大幅度地降低整個直流斬波裝置的重量、縮小體積。

2 基本電路

無變壓器化交流傳動系統結構中的直流斬波器基本電路如圖1所示。

圖1 直流斬波器原理圖Fig.1 Schematic of the DC chop

交流牽引供電網電源用圖1中的單相交流電源等效，交流電源經過一個橋式整流電路變為直流；中間的2個電力電子開關的結構和電氣絕緣強度一樣，以實現電功率的雙向傳輸；實際上這是一個buck降壓斬波電路和一個boost升壓斬波電路的綜合。開關兩邊分別接有一個LC濾波電路，電源側的濾波電路主要是防止脈沖電流的高次諧波向牽引網傳播；負載側的濾波器除了具有穩定負載電壓的功能外，還具有儲能作用；R表示斬波器的負載，在交流傳動系統中它實際上代表的是逆變器及其后面的電動機等設備。

本文后面的討論中假設電力電子開關為理想開關，即開關轉換的時間為0，導通阻抗為0，開斷阻抗為∞；交流電源和整流回路用一個恒壓源代替。電路工作時，隨著開關的切換，電路也在如圖2所示的2種工作方式下轉換。設圖2a為電路工作的過程1，圖2b為電路工作的過程2，則過程1的結束是過程2的開始，過程2的結束是過程1的開始，如此往復循環；并設各狀態變量是時間的連續函數。經合理簡化后的斬波器基本原理圖如圖2所示。

圖2 斬波器工作原理Fig.2 Working principle of the chop

在圖2中，設L1上的電流為i1，L2上的電流為i2，C1上的電壓為u1，C2上的電壓為u2，根據圖2a，有：

根據圖2b，有：

設

則式（1）可以表示為

式（2）可以表示為

設圖2a狀態過程的時間變量為T1，圖2b狀態過程的時間變量為T2，圖2a狀態過程的結束就是圖2b狀態過程的開始，則可以得到式（3）和式（4）的解：

可以證明，穩態下，一個周期開始時刻（以過程1開始的瞬間作為一個周期開始的時刻）的初始狀態為

其中

可以由式（7）計算出穩態時一個周期開始時刻狀態變量的初始值，把這個值代入式（5）和式（6），得到穩態下一個周期內斬波器輸出電壓u2的解。

當電源電壓為35kV，斬波器輸出電壓為2.8 kV，設計斬波頻率200Hz，負載為4 800kW（DJJ2持續牽引功率）時，對電路元件的各種參數組合仿真比較后，選取參數L1＝20mH，C1＝0.38mF，L2＝20mH，C2＝7mF，相應的斬波器輸出電壓u2的曲線如圖3所示。

圖3 穩態下一個周期內u2曲線Fig.3 The u2curve in a steady cycle

這時，u2的最大值為2 825V，最小值為2 768V，平均值為2 796.5V，電壓的脈動因數為1.02%。

3 改進電路

根據斬波器基本電路的仿真計算得到的輸出濾波器儲能電感的參數雖然和現在機車上使用的平波電抗器和濾波電抗器電感之和很接近，但還是顯得偏大；為此，將輸出濾波器的電路結構加以改進，修改后的電路原理圖如圖4所示。

圖4 斬波器改進后電路Fig.4 The improved circuit of the chop

在圖4中，設L1上電流為i1，L2上電流為i2，L3上電流為i3，C1上電壓為u1，C2上電壓為u2，C3上電壓為u3，根據圖4a，有狀態方程式：

根據圖4b，有狀態方程式：

運用第2節的方法和計算實例，通過仿真計算，得到一組參數L1＝20mH，C1＝0.38mF，L2＝4mH，C2＝5mF，L3＝2.4mH，C3＝2mF，直流斬波器的輸出電壓u3的曲線如圖5所示。

圖5 穩態下一個周期內u3曲線Fig.5 The u3curve in a steady cycle

這時，u3的最大值為2 852V，最小值為2 795V，平均值為2 823.5V，電壓的脈動因數為1.009%。可以看出，電路改進后，輸出側的儲能電感雖然由1個變為2個，但是，電感的總量卻減小到原來的32%。同時，改進電路中電感L2上的電流可以工作在連續方式的臨界條件下，為電子開關的零電流軟開通創造了條件。L2上的電流波形如圖6所示。

圖6 穩態下一個周期內i2曲線Fig.6 The i2curve in a steady cycle

4 互感影響

在工程應用上，L2和L3的安裝位置比較近，這兩個電感之間可能會產生互感耦合，而互感耦合對斬波器性能的影響是個需要值得注意的問題。

設在圖4中，L2和L3間的互感為M；在電流變化率為正的條件下，兩個電感中的電流相互助增時M取值為正，相互助減時M取值為負。考慮互感后，則圖4a的狀態方程為

圖4b的狀態方程為

根據狀態方程，保持其它參數不變，可以得到穩態下M取一組典型值時的斬波器輸出電壓u3的波形，如圖7所示。

圖7 M取不同值時輸出電壓波形Fig.7 The output voltage wave when the Mis the different value

從圖7的變化趨勢可以看出，當M逐漸增大時，輸出電壓的波谷逐漸增大，當M逐漸變小時，輸出電壓的波谷逐漸變為波峰并反向增大。

當M＝－112.8μH時，可以得到圖8，這時輸出電壓u3的頻率變為原來的2倍，而輸出電壓的脈動因數最小，為0.23%，降到原來的22.8%。

上面的仿真結果顯示，在實際工程中，如果對L2和L3合理布置，可以減小輸出電壓的脈動因數。但是，對于有鐵芯的電感來說，通過調節L2和L3的位置關系使電壓的脈動因數達到23%是不可能的，只有通過鐵芯把2個電感聯系起來才能達到這樣的目標，這需要特殊結構的電感。

圖8 M＝－112.8μH時輸出電壓波形Fig.8 The output voltage wave when M＝－112.8μH

5 結論

通過本文的分析，可以得到以下結論。

1）通過改進直流斬波器輸出側濾波器的電路結構，在保持電容值不變的情況下，可以把電感值降到原來的32%，這也意味著儲能電感的重量可以大幅度的減輕，體積可以大幅度的縮小。

2）電路改進后，和電力電子開關相連接的電感上的電流可以工作在連續模式的臨界條件下，這為電力電子開關的軟開通提供了條件。

3）電感由原來的1個變為2個，和電力電子開關相連接的電感的絕緣強度要求高，而和負載相連的電感的絕緣強度要求低，這實際上把以前的一個電感的絕緣做成了分級絕緣，從而大幅度降低了電感的制造成本。

本文以斬波頻率200Hz為例進行計算，如果保持設備的體積和重量基本不變，降低斬波頻率，可以降低開關的損耗，這也是一種技術上的選擇。

［1］機車電傳動編輯部.高速列車輕量化技術［J］.機車電傳動，2004（4）：1－2.

［2］賀以燕，郭振巖，趙良云.不燃油與難燃油及其變壓器的發展［J］.變壓器，2000，37（8）：4－7.

［3］Schlosser R，Schmidt H，Leghissa M，etal.Development of High Temperature Superconducting Transformer for Railway Applications［J］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2003，13（2）：2325－2330.

［4］Tommy K，Staffan N，Stefan O.Design Considerations for a Medium Frequency Transformer in a Line Side Power Conversion System［C］∥2004 35th Annual IEEE Power E－lectronics Specialists Conference，2004：704－710.

［5］Sterner M.New Transformerless Topology for AC－fed Traction Vehicles Using Multi－star Induction Motors［J］.EPE Journal，2000（10）：45－53.