高速列車牽引變流器直流電壓脈動的研究

楊會玲

（西安鐵路職業技術學院 牽引動力系，陜西 西安 710014）

高速列車牽引變流器直流電壓脈動的研究

楊會玲

（西安鐵路職業技術學院 牽引動力系，陜西 西安 710014）

為研究牽引變流器直流電壓脈動的影響，以牽引變流器為基礎，分析了牽引變流器直流電壓脈動產生的原因，并分析了電壓脈動時對牽引系統的影響，提出了抑制直流電壓脈動的方案。通過仿真對研究結果進行了驗證，結果表明兩種方案都能有效地濾除直流電壓脈動的二次諧波分量。

牽引變流器；直流電壓脈動；二次諧波；濾波器

隨著電力電子技術、計算機技術以及現代控制技術的迅速發展，牽引變流器技術水平得到了不斷提高[1]。各國新型高速列車所采用的牽引變流器系統，逐漸向大功率、小體積、輕質量、高可靠性、低成本方向發展[2]。

為給變頻器提供穩定的直流電壓，目前采用的多為單相PWM整流器進行整流，它可實現功率的四象限運行[3]，能有效解決機車的能量再生制動問題。

由于整流器輸入的正弦電壓和電流會向中間直流回路引入與用功功率同量級的二次脈動功率，導致中間直流回路出現二次脈動電壓[4]。低頻的直流電壓脈動經變頻器調制向電機引入低頻諧波電流，增加電機損耗，使得電機鐵芯發熱，同時產生低頻脈動電磁轉矩，引起電機低頻振蕩和噪音污染[5]。

因此文中重點在于分析高速列車牽引變流器中產生直流電壓脈動的原因、直流電壓脈動對牽引電機的影響以及減小直流電壓脈動的抑制方法，并利用仿真對分析結果進行驗證。

1 牽引變流器直流電壓脈動產生的原因

單相四象限脈沖變流器主電路結構為單相全控橋整流電路[6]，其中電子開關器件采用全控電力電子器件和與之反并聯的二極管組成，如圖1所示。其中RN為二次側漏電阻，LN為交流電感，Cd為直流支撐電容。

圖1 兩電平四象限整流器原理圖

目前，在高速列車中的四象限脈沖變流器大多采用的是瞬態直接電流控制的電壓電流雙閉環控制策略。采用這種控制策略，能使直流側功率因數達到1或～1的目的，并且使系統具有直流側電壓穩定快、動態響應好，對系統參數變化能很快做出調整等優點。

從式（1）中可以看出單相四象限脈沖整流器的直流側輸出電壓中含有二次諧波分量。其中，二次諧波分量的幅值與直流側電壓正比，與負載、支撐 電容的大小成反比。當整流器直流側負載不變時，可通過增加支撐電容的容量來減少直流電壓二次脈動的含量。

2 直流電壓脈動的影響

1）直流電壓脈動對牽引逆變器的影響

為了得到即可變壓又可變頻的三相電源，對逆變器采用脈寬調制技術使6個IGBT開關依次動作。其中同一橋臂上的兩個開關管的狀態總是相反的。

當供給電機的電壓中包含有頻率為 ωi±ωr的低次諧波時，其產生的電流中也會有同樣頻率的低次諧波。當逆變器輸出電壓頻率ωr和直流電壓脈動的頻率ωi相等時，諧波電流ih1=k1Iicosφ，且k1取得最大值。這種情況下相當于給異步牽引電機通入直流電流，會使三相異步牽引電機產生很大的短路電流，并產生大量的熱量，同時會產生負的牽引力矩等其他不良影響。

2）直流電壓脈動對牽引電機的影響

若考慮直流側電壓的脈動，逆變器輸出電壓中含有ωi±ωr兩種頻率的低次諧波。牽引電機瞬時力矩公式為：

由上式可知，由于直流側二次脈動電壓的存在，導致電機輸出力矩含有二次及4次的脈動力矩。這在電機運行中對電機本身及列車機械均會產生不良影響。，不僅造成電機等列車組成部分器件壽命縮短，而且易造成安全隱患。

3 直流電壓脈動的抑制

1）低通濾波器

選擇典型的二階巴特沃思低通濾波器，截止頻率選擇為20 Hz，可以濾除二次諧波分量。給出了Matlab語句及仿真結果，頻率響應如圖2所示。

圖2 LPF的幅頻特性和相頻特性

由圖3可見，3 dB截止頻率為20 Hz，所設計的低通濾波器能濾掉頻率為100 Hz的二次脈動分量。

2）LC二次濾波器

高速列車牽引傳動系統直流回路的主要諧波為角頻率2ω（ω是基波角頻率），直流電壓信號通過LC二次濾波器后，二次諧波將被濾除，同時其他頻率以外的信號無影響。設計時采用非理想數字濾波器，其傳遞函數為：

取采樣頻率為5 kHz，所要濾掉的頻率為100 Hz，其頻率響應如圖3所示。

圖3 H(z)的幅頻特性和相頻特性

由圖3可見，LC二次濾波器能濾掉頻率為100 Hz的諧波干擾，而且不影響其他的頻率成分。雖然呈現的相位特性是非線性的，但對于LC二次濾波器而言，大多數時候只考慮滿足幅頻特性即可。

4 仿真分析

通過對所設計的LC二次濾波器及低通濾波器的濾波效果進行仿真，濾波前后的直流電壓信號波形如圖4所示。

圖4 濾波前后直流電壓波形

利用Matlab的FFT對直流電壓信號進行頻譜分析可見，未經濾波處理的直流電壓信號二次脈動的最大值為95.64 V，經過低通濾波器濾波后二次脈動的最大值為3.82 V，經過LC二次濾波器濾波后，直流電壓信號二次脈動的最大值為0.144 V。

5 結論

結果表明，低通濾波器和LC二次濾波器都能濾除二次諧波分量。但低通濾波器頻帶較窄，容易造成動態滯后，而LC二次濾波器不能濾除二次諧波以外的諧波。雖然低通濾波器和LC二次濾波器存在有缺點，但要快速有效地提取系統中直流電壓的交流分量，低通濾波器和LC二次濾波器即是簡單有效可行的方法。

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[2]錢立新.速度350km/h等級世界—高速列車技術發展綜述[J].中國鐵道科學，2007，28（4）:66-72.

[3]Ghosh R，Narayanan G.A single-phase boost rectifier system for wide range of load variations[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（2）:470-490.

[4]陳燕平，忻力.單相電壓型脈沖整流器二次諧振電路的研究[J].機車電傳動，2010，3（2）:28-32.

[5]Klima J.Analytical investigation of influence of DC-link voltage ripple on PWM VSI fed induction motor drive[C]// 2006 1st IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications，Singapore，2006:1-7.

[6]付娟.電力機車控制[M].成都：西南交通大學出版社，2013.

[7]張崇巍，張興.PWM整流器及控制[M].北京：機械工業出版社，2003.

[8]楊順風，馮曉云.基于DSP單相PWM整流器的控制研究[J].電力電子技術，2009，43（3）:67-75.

Influence of traction converter DC voltage ripple on traction motor

YANG Hui-ling
（Department of Railway Power Traction，Xi’an Railway Vocational and Technical College，Xi’an 710014，China）

In order to research the impact of DC voltage impulse on traction converter，reason analysis on the appearance of DC voltage impulse based on traction converter is shown in this paper，we also discuss the impact on traction system of voltage impulse，and the scheme of control on DC voltage impulse is proposed in this paper.According to the simulation of this research，both of the schemes can filter the second harmonic component of DC voltage impulse effectively.

traction converter；DC voltage ripple；two harmonic components of DC；filter

TN0

A

1674－6236（2016）15-0160-02

2015-10-26 稿件編號：201510182

西安鐵路職業技術學院2015年度立項課題（XTZY15G07）

楊會玲（1978—），女，陜西西安人，講師。研究方向：電力電子技術及電力機車控制等。