（成都信息工程學(xué)院 控制工程學(xué)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(fā)展具有重要的意義［1］，世界上高速鐵路發(fā)達(dá)的國家紛紛對此展開研究［2-5］。通過使用直流斬波技術(shù)取消車載牽引變壓器，實現(xiàn)無牽引變壓器的交流傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)車載牽引變壓器小型輕量化的一種很有前途的技術(shù)選擇。

合理地選擇機(jī)車用直流斬波器的結(jié)構(gòu)，使其盡量的輕和小是這種結(jié)構(gòu)研究的基本目標(biāo)。作者對斬波器的基本電路進(jìn)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(xiàn)不同電壓間能量傳遞部分設(shè)備的小型輕量化方案是可行的。本文的進(jìn)一步研究顯示，如果改進(jìn)直流斬波裝置輸出側(cè)濾波器的電路結(jié)構(gòu)，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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(wǎng)電源用圖1中的單相交流電源等效，交流電源經(jīng)過一個橋式整流電路變?yōu)橹绷?；中間的2個電力電子開關(guān)的結(jié)構(gòu)和電氣絕緣強(qiáng)度一樣，以實現(xiàn)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(guān)兩邊分別接有一個LC濾波電路，電源側(cè)的濾波電路主要是防止脈沖電流的高次諧波向牽引網(wǎng)傳播；負(fù)載側(cè)的濾波器除了具有穩(wěn)定負(fù)載電壓的功能外，還具有儲能作用；R表示斬波器的負(fù)載，在交流傳動系統(tǒng)中它實際上代表的是逆變器及其后面的電動機(jī)等設(shè)備。

本文后面的討論中假設(shè)電力電子開關(guān)為理想開關(guān)，即開關(guān)轉(zhuǎn)換的時間為0，導(dǎo)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(guān)的切換，電路也在如圖2所示的2種工作方式下轉(zhuǎn)換。設(shè)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(jié)束是過程2的開始，過程2的結(jié)束是過程1的開始，如此往復(fù)循環(huán)；并設(shè)各狀態(tài)變量是時間的連續(xù)函數(shù)。經(jīng)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(shè)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(jù)圖2a，有：

根據(jù)圖2b，有：

設(shè)

則式（1）可以表示為

式（2）可以表示為

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

可以證明，穩(wěn)態(tài)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(tài)為

其中

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

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

圖3 穩(wěn)態(tài)下一個周期內(nèi)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(shù)為1.02%。

3 改進(jìn)電路

根據(jù)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(shù)雖然和現(xiàn)在機(jī)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(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，修改后的電路原理圖如圖4所示。

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

在圖4中，設(shè)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(jù)圖4a，有狀態(tài)方程式：

根據(jù)圖4b，有狀態(tài)方程式：

運用第2節(jié)的方法和計算實例，通過仿真計算，得到一組參數(shù)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(wěn)態(tài)下一個周期內(nèi)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(shù)為1.009%。可以看出，電路改進(jìn)后，輸出側(cè)的儲能電感雖然由1個變?yōu)?個，但是，電感的總量卻減小到原來的32%。同時，改進(jìn)電路中電感L2上的電流可以工作在連續(xù)方式的臨界條件下，為電子開關(guān)的零電流軟開通創(chuàng)造了條件。L2上的電流波形如圖6所示。

圖6 穩(wěn)態(tài)下一個周期內(nèi)i2曲線Fig.6 The i2curve in a steady cycle

4 互感影響

在工程應(yīng)用上，L2和L3的安裝位置比較近，這兩個電感之間可能會產(chǎn)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(shè)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(fù)?？紤]互感后，則圖4a的狀態(tài)方程為

圖4b的狀態(tài)方程為

根據(jù)狀態(tài)方程，保持其它參數(shù)不變，可以得到穩(wěn)態(tài)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(dāng)M逐漸增大時，輸出電壓的波谷逐漸增大，當(dāng)M逐漸變小時，輸出電壓的波谷逐漸變?yōu)椴ǚ宀⒎聪蛟龃蟆?/p>

當(dāng)M＝－112.8μH時，可以得到圖8，這時輸出電壓u3的頻率變?yōu)樵瓉淼?倍，而輸出電壓的脈動因數(shù)最小，為0.23%，降到原來的22.8%。

上面的仿真結(jié)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(shù)。但是，對于有鐵芯的電感來說，通過調(diào)節(jié)L2和L3的位置關(guān)系使電壓的脈動因數(shù)達(dá)到23%是不可能的，只有通過鐵芯把2個電感聯(lián)系起來才能達(dá)到這樣的目標(biāo)，這需要特殊結(jié)構(gòu)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(jié)論

通過本文的分析，可以得到以下結(jié)論。

1）通過改進(jìn)直流斬波器輸出側(cè)濾波器的電路結(jié)構(gòu)，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(jìn)后，和電力電子開關(guān)相連接的電感上的電流可以工作在連續(xù)模式的臨界條件下，這為電力電子開關(guān)的軟開通提供了條件。

3）電感由原來的1個變?yōu)?個，和電力電子開關(guān)相連接的電感的絕緣強(qiáng)度要求高，而和負(fù)載相連的電感的絕緣強(qiáng)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(jìn)行計算，如果保持設(shè)備的體積和重量基本不變，降低斬波頻率，可以降低開關(guān)的損耗，這也是一種技術(shù)上的選擇。

［1］機(jī)車電傳動編輯部.高速列車輕量化技術(shù)［J］.機(jī)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(fā)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.

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