HX_D3D電力機車輔助變流器控制策略研究

劉剛剛

【摘 要】隨著科技的迅速發(fā)展，電動機車的系統(tǒng)性能不斷優(yōu)化，使用范圍越來越廣，使用群體規(guī)模也越來越大。隨著國家節(jié)能環(huán)保政策的提出，電力機車逐漸替代內(nèi)燃機車，成為鐵路運輸?shù)闹饕煌üぞ摺Ｕ撐尼槍X_D3D電力機車輔助變流器控制策略進行研究，論述了輔助變流器的構(gòu)成，以及HX_D3D電力機車輔助變流器的控制策略。

【Abstract】With the rapid development of science and technology， the system performance of motor vehicle is optimized continuously， and its range of use is wider and wider. With the proposal of national energy saving and environmental protection policy， electric locomotive gradually replaces diesel locomotive， and becomes the main transportation means of railway transportation. In this paper， the control strategy of auxiliary converter of HX_D3D electric locomotive is studied， and the composition of auxiliary converter and the control strategy of auxiliary converter of HX_D3D electric locomotive are discussed.

【關(guān)鍵詞】電力機車；輔助變流器；控制策略；研究

【Keywords】electric locomotive； auxiliary converter； control strategy； research

【中圖分類號】TM922.75 【文獻標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）09-0169-02

1 輔助變流器的構(gòu)成

1.1 輔助變流器主電路基本結(jié)構(gòu)

HX_D3D電力機車輔助變流器，主要是由牽引變壓器輔助繞組、單向整流橋、輸出濾波器等構(gòu)成。整流電路主要是通過變壓器的次邊獲得電能，并將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，直流電經(jīng)過濾波器之后，將直流電提供給逆變器[1]。逆變器將中間直流電進行轉(zhuǎn)換，成為輔助負載的三相電流。HX_D3D電力機車上安裝兩個輔助變流器，并聯(lián)進行連接，牽引變壓器為其提供電能輸送。

1.2 輔助變流器控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

輔助變流器是HX_D3D電力機車的重要組成部分，其主要的核心是輔助變流器控制單元，簡稱ACU。輔助變流器控制單元，主要包括核心控制電路，以及外圍電路。HX_D3D電力機車ACU，控制電路的主要功能是執(zhí)行算法運算、進行指令的傳遞、邏輯運算等[2]。ACU的控制核心主要是采用DSP+FPGA的模式，具體的結(jié)構(gòu)，如下圖1所示。

由圖可知，控制電路中DSP主要的功能是負責(zé)指令傳遞與邏輯運算，而FPGA芯片的主要功能是接收DSP發(fā)布的指令，同時對外圍的接口進行管控等。外圍電路主要是為控制電流提供需要的服務(wù)，其屬于接口電路。

1.3 輔助變流器的設(shè)計要求

輔助變流器的設(shè)計，對于HX_D3D電力機車的性能影響較大，其是電力機車可靠運行、負載能力的關(guān)鍵。對于輔助變流器的設(shè)計要求，主要包括以下幾方面：①根據(jù)相關(guān)法律政策的規(guī)定，輔助變流器的輸入電壓，需要保證變流器的正常運行。HX_D3D電力機車規(guī)定的輸入電壓為25kV，規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍是17.5～31kV。若輸入電壓不在范圍之內(nèi)，會導(dǎo)致輔助變流器遭到損壞[3]。②設(shè)計過程中，需要保證直流母線電壓為750V，調(diào)節(jié)范圍控制在550～900V的范圍之內(nèi)。③對于逆變器的設(shè)計，其變壓變頻需要設(shè)計兩種模式。若是其中一臺輔助變流器出現(xiàn)故障，更新之后的輔助變流器在定壓定額模式下，繼續(xù)進行供電。④對于逆變器輸出頻率的設(shè)計，需要設(shè)計三個電位分別是25Hz、40Hz、以及50Hz，確定輸出的電壓范圍是190～380V。注意各個變頻檔位，輸出電壓諧波畸變需要小于5%。⑤設(shè)計需要具有冗余性，確定額定不過輸出容量是230KVA，同時保證在5s內(nèi)可以支撐負載為1.5倍。⑥設(shè)計時需要注意輔助變流器的效率需要達到0.98以上。

2 HX_D3D電力機車輔助變流器的控制策略

2.1 四象限脈沖整流器的工作原理

如下圖2所示，四象限脈沖整流器的電路圖。由圖可知，L代表交流測電感，S1a、S2a、S1b、S2b分別是橋臂1與橋臂2的上下管。uab代表橋臂的中斷電壓，Dd代表終端電容等[4]。四象限脈沖整流器電路的間流測電阻較小，可以不進行考慮。交流測電感的主要功能是對電能進行傳遞與存儲，同時控制網(wǎng)側(cè)高次諧波。直流測電容的主要功能是，將電能進行交換，使得直流電壓保持穩(wěn)定狀態(tài)，同樣具有控制直流側(cè)諧波的作用。四象限脈沖整流器的工作原理是，開關(guān)閉合過程，電路進行電能存儲，開關(guān)斷開過程，電路進行電能釋放，此時電容進行充電，同時給負載足夠能量。

2.2 四象限脈沖整流器的控制策略

HX_D3D電力機車四現(xiàn)象脈沖整流器，主要的控制內(nèi)容是穩(wěn)壓，以及網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1。穩(wěn)壓，主要是四象限脈沖整流器的直流側(cè)電壓不穩(wěn)定時，直流側(cè)輸電壓，能夠通過網(wǎng)壓波動、負載變化對電壓進行控制，從而達到穩(wěn)壓的效果。確保網(wǎng)側(cè)功率因素接近于1，需要確保交流側(cè)電流與網(wǎng)壓相位的諧波值最小化。四象限脈沖變流器，主要是利用雙閉環(huán)矢量控制策略。雙閉環(huán)矢量控制策略，其外環(huán)主要是電壓控制環(huán)，作用是對直流母電壓進行控制。由于控制的電壓是直流電壓，可以直接采用PI進行調(diào)節(jié)[5]。電流控制是整流器的主要作用，傳統(tǒng)的電流控制策略主要有滯環(huán)電流控制，重復(fù)控制等。滯環(huán)電流控制主要調(diào)節(jié)直流電流，系統(tǒng)的反應(yīng)能力較快，運算算法不受網(wǎng)壓波動的干預(yù)。但是，滯環(huán)電流控制的開關(guān)頻率不穩(wěn)定，負荷過大的情況下，開關(guān)頻率變化明顯，容易導(dǎo)致部門零部件與開關(guān)損壞。預(yù)測電流控制，其控制能力較強，但是運算主要是依靠電路參數(shù)與變量，具有一定的局限性。PI控制，主要是對直流電進行控制，其對于三相脈沖整流器的控制效果較好，但是對于單向脈沖整流器，無法進行無穩(wěn)態(tài)誤差跟隨。

2.3 輔助逆變器的控制策略

HX_D3D電力機車逆變器的負載是對稱負載，輔助逆變器需要搭配四個傳感器。傳感器的作用：一個是進行信號輸入，另外三個是分別輸入三相逆變電流。輔助逆變器的控制策略，具體情況如下圖3輔助逆變器控制框圖所示。

HX_D3D電力機車的輔助逆變器是三相電壓性兩電平逆變器，主要是通過PWM原理進行工作。由圖可知，輔助逆變器的控制策略，主要采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。電壓環(huán)主要是對三相逆變器輸出電壓值進行控制，電流環(huán)主要是對交流側(cè)濾波電感電流進行控制，從而形成雙閉環(huán)控制。輔助逆變器與輔助整流器是輔助變流器的重要組成部分，合理地對其采取控制策略，能夠提高輔助變流器的穩(wěn)定性與動態(tài)性，確保HX_D3D電力機車的使用性能。

3 結(jié)論

綜上所述，HX_D3D電力機車輔助變流器，主要是由牽引變壓器輔助繞組、單向整流橋、輸出濾波器等構(gòu)成。HX_D3D電力機車輔助變流器的控制策略，主要包括輔助逆變器的控制策略，四象限脈沖整流器的控制策略，以及四象限脈沖整流器的工作原理。

【參考文獻】

【1】鄭勇，黃慶，秦方方.米軌機車輔助變流器輸出特性仿真研究[J].大功率變流技術(shù)，2016（01）：13-16.

【2】閆春輝.一種電力機車輔助變流器控制單元[J].鐵道機車與動車，2016（09）：13-16+4.

【3】王春蕾，王瑞，田長安，等.電力機車輔助變流器PWM整流器的控制研究[J].電力電子技術(shù)，2017，51（06）：9-10+28.

【4】譚喜堂，成林坤，朱琴躍，等.牽引變流器優(yōu)化控制仿真研究[J].計算機仿真，2015，32（02）：188-193.

【5】郭其一，馮江華，張志學(xué)，等.車載網(wǎng)側(cè)變流器電流諧波優(yōu)化控制策略[J].同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，43（05）：788-793.endprint