電力機車級聯H橋多電平變流方案

張笛 崔晶

摘要：采用單相多電平級聯H橋代替電力機車上傳統的脈沖整流器，從而避免使用笨重、體積大的工頻牽引變壓器，可以實現車體輕量化。分析了單相多電平級聯H橋變流器的拓撲結構與工作原理，理論分析及MATLAB/simulink仿真結果表明，多電平變流器可以輸出穩定直流電壓，并且每個功率器件承受的電壓應力較小。

關鍵詞：無牽引變壓器;級聯H橋;多電平變流器

鐵路提速促進國民經濟發展，車體輕量化是列車提速需要解決的其中一個技術難題。為實現電力機車避免使用笨重的牽引變壓器[1]，則需變流器能夠承擔輸入的高電壓，但單個功率器件能夠承擔的電壓應力僅為6500V，因此通過串聯功率器件分壓[2]。

1 傳統電力牽引傳動系統

在傳統的電力牽引傳動系統中，受電弓將接觸網單相25kV/50Hz交流電引入機車，利用工頻牽引變壓器將25kV的電壓降低到機車能夠接受的范圍，經過整流器輸出穩定直流電，再經過逆變器輸出幅值與頻率可調的交流電對電機調速。工頻牽引變壓器本體重量5360Kg，變壓器總重量可達6120Kg，外形尺寸為長4150mm、寬2653mm、高724mm。笨重、體積大的工頻變壓器給電網和機車帶來了很大負擔。

2 多電平變流器理論分析

級聯H橋多電平變流器可以解決電力機車25kV高壓與功率器件無法承擔高壓的矛盾，級聯H橋多電平變流器諧波更小、功率容量大、開關頻率較低、響應速度快[3]、易于模塊化設計[4]。

單相全橋整流器如圖1所示，電路由交流電流源、等效電阻、電感、全控型功率半導體開關器件反并聯二極管、支撐電容和負載組成。其中，交流側的電流諧波由電感濾除。全橋整流器既可將來自接觸網的交流整流為直流，又可將直流側電能逆變為交流送回接觸網，實現四象限運行。

單相多電平級聯H橋變流器由多個全橋整流器級聯而成，工作原理與單相全橋整流器類似。3個全橋整流器串聯，即可得到單相七電平級聯H橋變流器，如圖2所示。其中uao1、uo1o2、uo2b之和等于uab，變流器1橋的IGBT包括T11、T12、T13、T14，變流器2橋的IGBT包括T21、T22、T23、T24，變流器3橋的IGBT包括T31、T32、T33、T34。

為了便于分析，作出如下假設：

（1）12個IGBT均為理想開關，無損耗忽略且開關時間。

（2）電容、電阻、電感均為理想元件。

（3）忽略開關管死區影響。

4 結語

為了實現電力機車無工頻牽引變壓器，通過級聯H橋多電平變流器替代常規的脈沖變流器，輸出了穩定直流電壓，并且級聯H橋實現了分壓的目的。

參考文獻：

[1]Marchesoni M，Novaro R，Savio S.AC locomotive conversion systems without heavy transformers：is it a practicable solution？[C].Industrial Electronics，2002.ISIE 2002.Proceedings of the 2002 IEEE International Symposium on.IEEE，2002，4：1172-1177.

[2]陶興華，李永東，孫敏.級聯型PWM整流器控制策略研究[J].電氣傳動，2010，40（7）：33-36.

[3]李建林，許鴻雁，高志剛.級聯H橋五電平變流器工況分析與驗證[J].電工技術學報，2007，4：22-4.

[4]王立喬，齊飛.級聯型多電平變流器新型載波相移SPWM研究[J].中國電機工程學報，2010，1（25）：30-3.