HXD3型電力機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)仿真分析

楊會(huì)玲

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 牽引動(dòng)力系，陜西 西安 710014）

直流牽引電機(jī)在調(diào)速時(shí)由于換向器的存在，從而限制了其功率和容量，難以滿(mǎn)足電力機(jī)車(chē)高速及重載的要求[1]。交流牽引電機(jī)沒(méi)有換向器和帶絕緣的繞組，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，單機(jī)功率大，容量可達(dá)1 600 kW[2]。機(jī)車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)有直流傳動(dòng)升級(jí)為交流傳動(dòng)，符合鐵路提速的要求和重載牽引的需要[3]，也是機(jī)車(chē)電傳動(dòng)的主要發(fā)展形式[4]。

1 HXD3型電力機(jī)車(chē)牽引特性

HXD3型電力機(jī)車(chē)采用恒牽引力與準(zhǔn)恒速特性控制[5]。短暫的恒牽引力控制可以獲得很大的啟動(dòng)牽引力。準(zhǔn)恒速控制將使機(jī)車(chē)牽引力按照恒速關(guān)系（線(xiàn)性關(guān)系）下降。當(dāng)機(jī)車(chē)速度達(dá)到持續(xù)速度時(shí)，進(jìn)入恒功率控制階段，恒功率區(qū)位于機(jī)車(chē)運(yùn)行的高速度段，可以充分發(fā)揮機(jī)車(chē)在高速段的牽引能力[6]。

2 HXD3型電力機(jī)車(chē)牽引變流器

牽引變流器是機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)的核心，為交流牽引電機(jī)提供VVVF三相交流電源。在交-直-交傳動(dòng)系統(tǒng)中，牽引變流器主要由四象限脈沖整流器 （4QC）、直流中間環(huán)節(jié)（DC-Link）和逆變器（PWM）組成。典型的兩電平牽引變流器電路如圖1所示。

電源側(cè)變流器采用四象限脈沖整流器，構(gòu)成交-直變換部分，通過(guò)PWM斬波控制方式，，有利于提高機(jī)車(chē)功率因數(shù)，降低諧波干擾。

圖1 兩電平式牽引變流器電路Fig.1 The two level traction converter circuit

中間直流環(huán)節(jié)為支撐電容和二次濾波環(huán)節(jié)。電壓型變流器轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，對(duì)電網(wǎng)的反作用力小，適合于大功率的干線(xiàn)機(jī)車(chē)。因此干線(xiàn)交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)普遍采用這種系統(tǒng)。

電動(dòng)機(jī)側(cè)采用三相PWM逆變器，形成直-交變換部分。

3 HXD3型電力機(jī)車(chē)牽引變流器數(shù)學(xué)建模

1)HXD3型機(jī)車(chē)四象限整流器仿真電路

額定輸入電壓：Ud=1 450 VAC，輸入功率：50 Hz，輸出直流電壓：2 800 V，變壓器漏感：LN=3 mH，二次濾波系數(shù)：C2=3 mF,L2=0.84 mH,支撐電容器：Cd=8 mH。采用230bt算法，瞬態(tài)直流控制策略[7-8]。

HXD3型機(jī)車(chē)四象限整流器仿真電路，如圖2所示，仿真系統(tǒng)中包括了3個(gè)模塊。模塊一是電壓外環(huán)控制器，為恒電壓控制器，一般采用PI控制器。模塊二是瞬態(tài)電流內(nèi)環(huán)控制器，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，對(duì)參數(shù)變化能很快做出調(diào)整。PWM模塊是PWM信號(hào)發(fā)生器，由三角波和調(diào)制波進(jìn)行比較產(chǎn)生。

2)兩電平逆變器PWM數(shù)學(xué)建模

SVPWM逆變器數(shù)學(xué)模型采用開(kāi)環(huán)控制，如圖3所示。三相逆變器輸入額定直流電壓Udc=2 800 V，SVPWM開(kāi)關(guān)周期Ts=0.000 2 s，輸入三相正弦電壓 Ua、Ub、Uc幅值為 100 V。

圖2 HXD3型機(jī)車(chē)四象限整流器仿真電路Fig.2 The locomotive 4-quardant rectifier circuit simulation of HXD3

圖3 SVPWM逆變器仿真電路Fig.3 The simulation circuit of SVPWM inverter

4 HXD3型電力機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)仿真

1)四象限整流器仿真分析

從仿真圖4中可看出整流器輸出額定電壓為2 800 A，基本上滿(mǎn)足HXD3型機(jī)車(chē)的四象限整流器額定工作的需求。并且通過(guò)瞬態(tài)直流控制策略，通過(guò)調(diào)整參考直流電壓，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整輸出電壓以及電流的目的。

從仿真圖5中可看出四象限整流器直流側(cè)的輸出電壓含有很多低次及高次諧波。

低次諧波的產(chǎn)生機(jī)理，直流側(cè)輸出電壓含有2倍電網(wǎng)頻率的紋波，得到的網(wǎng)側(cè)電流整定值，其中必然含有3次諧波。實(shí)際網(wǎng)側(cè)電流跟蹤給定的網(wǎng)側(cè)電流，則最終實(shí)際網(wǎng)側(cè)電流就會(huì)出現(xiàn)較大的3次諧波，依次類(lèi)推，其中必然產(chǎn)生7、9、11等奇次諧波。

圖4 整流器輸出電壓波形Fig.4 The rectifier output voltage waveform

圖5 直流側(cè)輸出電壓諧波Fig.5 The DC output voltage harmonics

高次諧波的產(chǎn)生機(jī)理，由于開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于調(diào)制波頻率，網(wǎng)側(cè)電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)變化為5次，電流只含有奇次諧波。由于載波比N=25，則高次諧波主要分布在43、45、47、49次等。圖5驗(yàn)證了上述分析的正確性。

2)兩電平逆變器SVPWM仿真分析

本仿真采取了頻率為6 000 Hz的三角波，如圖6所示。在頻譜中可看出諧波主要分布在整倍數(shù)的載波頻率附近。圖形中所含有的主要諧波頻率要比基波頻率高得多，很容易濾除。

圖6 輸出線(xiàn)電壓波形及其頻譜Fig.6 The output line voltage waveform and its spectrum

載波頻率越高，波形中諧波頻率就越高，所需濾波器的體積就越小。因此想要消除高次諧波的影響，只需提高載波頻率就可以通過(guò)濾波器進(jìn)行濾波。

5 結(jié)論

本文重點(diǎn)介紹了HXD3型電力機(jī)車(chē)的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，即牽引變流器部分。通過(guò)對(duì)四象限整流器及逆變器進(jìn)行的仿真分析，與HXD3型機(jī)車(chē)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的參數(shù)對(duì)比，得出了兩電平牽引變流器輸出線(xiàn)電壓的諧波主要分布在整倍數(shù)的載波頻率附近，同時(shí)驗(yàn)證了四象限整流器除2倍工頻僅含奇次諧波，而逆變器中僅含有高次諧波，同時(shí)得出通過(guò)提高載波頻率可以更加容易的濾除該部分的諧波。

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