HXD3型電力機車交流傳動系統仿真分析

楊會玲

（西安鐵路職業技術學院 牽引動力系，陜西 西安 710014）

直流牽引電機在調速時由于換向器的存在，從而限制了其功率和容量，難以滿足電力機車高速及重載的要求[1]。交流牽引電機沒有換向器和帶絕緣的繞組，因而結構簡單，運行可靠，單機功率大，容量可達1 600 kW[2]。機車的傳動系統有直流傳動升級為交流傳動，符合鐵路提速的要求和重載牽引的需要[3]，也是機車電傳動的主要發展形式[4]。

1 HXD3型電力機車牽引特性

HXD3型電力機車采用恒牽引力與準恒速特性控制[5]。短暫的恒牽引力控制可以獲得很大的啟動牽引力。準恒速控制將使機車牽引力按照恒速關系（線性關系）下降。當機車速度達到持續速度時，進入恒功率控制階段，恒功率區位于機車運行的高速度段，可以充分發揮機車在高速段的牽引能力[6]。

2 HXD3型電力機車牽引變流器

牽引變流器是機車交流傳動系統的核心，為交流牽引電機提供VVVF三相交流電源。在交-直-交傳動系統中，牽引變流器主要由四象限脈沖整流器 （4QC）、直流中間環節（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。

電源側變流器采用四象限脈沖整流器，構成交-直變換部分，通過PWM斬波控制方式，，有利于提高機車功率因數，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

中間直流環節為支撐電容和二次濾波環節。電壓型變流器轉矩脈動小，對電網的反作用力小，適合于大功率的干線機車。因此干線交流傳動電力機車普遍采用這種系統。

電動機側采用三相PWM逆變器，形成直-交變換部分。

3 HXD3型電力機車牽引變流器數學建模

1)HXD3型機車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：C2=3 mF,L2=0.84 mH,支撐電容器：Cd=8 mH。采用230bt算法，瞬態直流控制策略[7-8]。

HXD3型機車四象限整流器仿真電路，如圖2所示，仿真系統中包括了3個模塊。模塊一是電壓外環控制器，為恒電壓控制器，一般采用PI控制器。模塊二是瞬態電流內環控制器，使系統動態響應好，對參數變化能很快做出調整。PWM模塊是PWM信號發生器，由三角波和調制波進行比較產生。

2)兩電平逆變器PWM數學建模

SVPWM逆變器數學模型采用開環控制，如圖3所示。三相逆變器輸入額定直流電壓Udc=2 800 V，SVPWM開關周期Ts=0.000 2 s，輸入三相正弦電壓 Ua、Ub、Uc幅值為 100 V。

圖2 HXD3型機車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型電力機車交流傳動系統仿真

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，基本上滿足HXD3型機車的四象限整流器額定工作的需求。并且通過瞬態直流控制策略，通過調整參考直流電壓，可以實現調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的輸出電壓含有很多低次及高次諧波。

低次諧波的產生機理，直流側輸出電壓含有2倍電網頻率的紋波，得到的網側電流整定值，其中必然含有3次諧波。實際網側電流跟蹤給定的網側電流，則最終實際網側電流就會出現較大的3次諧波，依次類推，其中必然產生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 直流側輸出電壓諧波Fig.5 The DC output voltage harmonics

高次諧波的產生機理，由于開關頻率遠遠高于調制波頻率，網側電流在一個開關周期內變化為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濾波器進行濾波。

5 結論

本文重點介紹了HXD3型電力機車的交流傳動系統，即牽引變流器部分。通過對四象限整流器及逆變器進行的仿真分析，與HXD3型機車實際運行狀態下的參數對比，得出了兩電平牽引變流器輸出線電壓的諧波主要分布在整倍數的載波頻率附近，同時驗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，同時得出通過提高載波頻率可以更加容易的濾除該部分的諧波。

[1]付娟.電力機車控制[M].成都：西南交通大學出版社,2013.

[2]連級三.電力牽引控制系統[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[3]耿幸福.HXD3型機車電傳動系統分析[J].電力機車與城軌車輛,2007,8(28):22-26.GENG Xing-fu.Analysis of AC traction system of type HXD3 locomotive[J].Electric locomotives and mass transit vehicles,2007,8(28):22-26.

[4]周立.電力機車電機[M].北京：中國鐵道出版社,2000.

[5]楊守軍.HXD3型交流傳動電力機車[J].電力機車與城軌車輛,2007,9(12):78-83.YANG Shou-jun.Type HXD3 AC drive electric locomotive[J].Electric locomotives and mass transit vehicles,2007,9(12):78-83.

[6]馮曉云.電力牽引交流傳動及其控制系統[M].成都：西南交通大學出版社,2009.

[7]劉志敏.PWM整流器控制策略研究與實現[D].成都：西南交通大學，2008.

[8]宋文勝.基于SPWM調制的2種電壓型四象限整流器比較與仿真[J].電氣技術,2010,10(2):79-84.SONG Wen-sheng.Comparison two voltage-source 4-quadrant converter and their simulation based on SPWM modulation[J].Electrical Engineering，2010，10（2）:79-84.