HXD2F機車輔助變流系統(tǒng)的電路參數(shù)及仿真研究

傅雪軍

(中車大同電力機車有限公司　技術中心, 山西大同 037038)

HXD2F機車(30 t軸重大功率交流貨運機車)是中車大同電力機車有限公司2013年的重要科研項目，該項目中的重要部件輔助變流系統(tǒng)由大同電力機車有限公司自主研制，其設計思想借鑒于HXD2的輔助變流系統(tǒng)的基礎上研制而成。30 t軸重機車輔助變流系統(tǒng)在HXD2輔助變流系統(tǒng)基礎上進行了輔助容量的增加，由原來的135 kVA增加到170 kVA，而且電壓諧波含量由原來的57%降低到小于8%，由于輔助參數(shù)進行了較大的改變，因此這是一個全新的設計，不但涉及到其中間電壓的改變，而且還涉及到需要增加濾波裝置進行電壓諧波含量的進一步減小。

1　輔助變流系統(tǒng)原理

HXD2F單節(jié)機車的輔助電源由兩組輔助變流器、一組充電機電路和一組AC 220 V電路組成，其中輔助變流器一組為定頻輸出，另一組為變頻輸出。當其中任意一組故障時,另一組為所有的負載提供電源。輔助變流系統(tǒng)主要由斬波電路、過壓抑制電路、充電機電路、三相逆變電路、濾波等組成，輔助變流系統(tǒng)輸入電壓為1 800 V(其中1 800 V來自于主變流柜的四象限提供的電壓)，經過斬波電路后電壓變?yōu)镈C 720 V，然后經過三相逆變和濾波柜輸出380 V電壓。充電機采用DC-AC-DC的變換模式,輸入電路取自輔助變流器的中間電路720 V，變換為DC 110 V為整車低壓負載提供電源。其原理如圖1。

圖1　輔助變流原理圖

2　參數(shù)計算

2.1　中間電壓

由于輔助變流系統(tǒng)中三相逆變系統(tǒng)采用SPWM調制方式，同時需要考慮三相逆變模塊和濾波柜內的電抗器和三相電容等器件的損耗，因此輸出三相電壓在理想狀態(tài)下假定能最大輸出440 V(這樣能保證三相逆變輸出電壓為380 V，除去部分器件損耗電壓)，根據(jù)SPWM調制方式輸出與輸入電壓公式：

(1)

根據(jù)式(1)，計算可得中間電壓Ud=720 V。

2.2　斬波輸出濾波電抗器

對斬波輸出電感、直流支撐電容調節(jié)時，有這樣的規(guī)律：電感越小，超調越大，越穩(wěn)定；電容越小，超調越小，紋波越大。因此，需要在穩(wěn)定度，超調量，紋波電壓之間進行折衷，根據(jù)此原則，電感選取原則如下：由于當中間電壓達到400 V時，輔助三相逆變開始工作，因此V0=400 V，而占空比D此時應該選擇條件最惡劣情況，當輸入電壓為1 400 V時候，此時占空比D=720/1 400=0.514，最小電流應該考慮只有水泵、油泵啟動的情況下，此時中間電流Iomin=40 A左右，fs=600 Hz，此時通過式(2)

(2)

可以得L>0.004 H，考慮到實際情況留有余量此時L=4.5 mH。

2.3　支撐電容

支撐電容的作用是濾出輸入直流電壓中的紋波，使直流電壓保持穩(wěn)定。其容量的選擇與輸入電壓的波動、輸入電流大小、紋波電壓的頻率等因素相關，根據(jù)式(3)

(3)

可以算C≧0.002 F，這里通過選取標準件，用8個6 800 μF/450 V的電容進行串并聯(lián)可以達到此目的。

2.4　充電機單相變壓器

如圖1，充電機主電路采用半橋結構，充電機取自中間電壓720(1±5%) V，輸出直流電壓最大要達到120 V，假設整流二極管壓降為1 V，濾波電感壓降為120×5%=6 V，變比計算按照最低輸入電壓下，能夠輸出最高所需電壓計算，最大占空比按照0.85計算，得到變比為

N=原邊匝數(shù)/副邊匝數(shù)=0.5×原邊最低輸入電壓/副邊輸出電壓×最大占空比=

(0.5×684/(120+1+6))×0.85=2.29

2.5　三相電抗器和三相電容

為了使三相逆變電壓諧波含量小于8%，因此在三相逆變后輸出的PWM波應該加上LC濾波裝置，此時LC參數(shù)的選取應充分考慮到實際的運行情況，要保證輕載時三相逆變輸出電流相對較小情況下(這樣可以保證三相逆變IGBT損耗在輕載時較小)，因此三相電容參數(shù)應該盡量能選取相對較小的容值，在保證這種前提下，通過以下介紹可以得出三相電抗器和三相電容值。

三相逆變輸出的容量為170 kVA,假設此時功率因數(shù)為0.9，因此三相率為170×0.9=153 kW，而每相輸出的相電壓220 V，因此特性阻抗為

ρ=(0.5-0.8)R=0.474～0.759

取ρ=0.63 截止頻率f=300 (3fs

L=ρ/(2πf)=334 μH

根據(jù)實際情況，這里三相電抗器取L=350 μH，計算完電抗器后，可以計算出三相電容對于Y連接:C=L/ρ2=881 μF，三相電容對于三角形連接C1=C/3=293 μF，最后取C=300 μF。

3　輔助變流系統(tǒng)matlab仿真模型

輔助變流系統(tǒng)由斬波電路、三相逆變電路、濾波器、充電機等組成其整體仿真模型如圖3，通過上面計算的參數(shù),計算參數(shù)可以在仿真模型中得到驗證,看仿真結果是否符合技術規(guī)范要求,進一步驗算參數(shù)計算的正確性。

圖2　PI調節(jié)器組成的系統(tǒng)框圖

圖3　輔助變流系統(tǒng)matlab/simulink仿真模型

在Matlab仿真模型中，斬波采用BUCK電路，模型通過PI調節(jié)器組成閉環(huán)系統(tǒng)，如圖2，根據(jù)此框圖原理，首先可以得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(s),可根據(jù)勞斯盤踞選頂是系統(tǒng)穩(wěn)定PI值,再考慮到系統(tǒng)的調節(jié)時間和超調要求選定,可以得到Kp=3,Ki=0.1,通過給定合適的PI調節(jié)值,從圖6中可以看出，通過自身調節(jié),可以得到穩(wěn)定的720 V電壓,其電壓波動非常小。

充電機主電路采用的是隔離的半橋逆變電路，半橋式電路中變壓器為雙向激磁，利用率較高，而且沒有偏磁問題，半橋型電路開關器件數(shù)量少，電流等級要大一些，在成本上比較低。充電機采用恒壓充電方式，原理為：充電時，充電電壓保持一恒定值，隨著充電的進行，蓄電池的內阻不斷增大，充電電流不斷減小，該充電方式優(yōu)勢在于由于電壓恒定，故可避免過充電，而且與恒流充電方式比較，電流的充電曲線更接近最佳充電曲線,其仿真模型如圖4。

三相電壓型逆變器負責將中間直流電壓變換為負載所需要的低dv/dt的三相電壓或正弦交流電。當逆變器輸出電壓為低dv/dt的三相PWM電壓時，逆變器輸出端只需加張體積較小的dv/dt濾波器，輔助變流器系統(tǒng)綜合成本低，但此時對輔助電機等負載的散熱、絕緣要求高；當要求變流器輸出正弦電壓波形時，三相電壓型逆變器之后需要加裝LC濾波器，此時對輔助電機等負載的散熱和絕緣要求低。機車用通風機等負載多為三相異步電動機驅動，因而逆變器的控制方式采用恒電壓頻率比控制方式，以提高負載電機的轉矩調節(jié)性能，并采用SVPWM控制方式，而機車用水泵等頻率固定的負載，采用SPWM控制方式，如圖5，其輸出電壓波形如圖6,對波形進行 FFT分析其電壓諧波含量小于5%。

圖4　充電機matlab/simulink模型

圖5　三相逆變matlab模型

圖6　輸出仿真波形

4　試驗數(shù)據(jù)

圖7為輔助變流器的型式試驗數(shù)據(jù)，可以看出DC 720 V和DC 110 V電壓都波動非常小，與仿真波形類似，而AC 380 V滿載的諧波含量<3%,與上述仿真模型的FFT分析(FFT分析的THD為1.87%)接近，通過型式試驗的數(shù)據(jù)可以看出，理論分析和實際波形數(shù)據(jù)類似。

5　結束語

通過上面對輔助變流系統(tǒng)的參數(shù)計算和仿真模型分析,可以更好的掌握輔助變流系統(tǒng)的原理與架構,參數(shù)計算和仿真模型的搭建對輔助變流系統(tǒng)非常重要,是項目成功的關鍵。目前HXD2F輔助變流系統(tǒng)已經通過型式試驗并且上線運營考核情況良好，進一步驗證了參數(shù)和仿真模型的可靠性。

驗證電壓和頻率范圍輸入最大電壓:DC 1 980 V1 981.81 977.71 978.6輸入電流/A24.0362.30104.02輸入功率/kW47.62123.21205.493AC 380 V/V189.56302.74377.81輸出電流/A135.19219.19268.0輸出功率/kW44.39114.94175.35功率因數(shù)1.001.001.00輸出電壓頻率(50±1)/Hz25.0040.0050.00輸出電壓諧波含量(<8)/%1.71.02.7

圖7型式試驗波形和數(shù)據(jù)