（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(chē)載變壓器小型輕量化對(duì)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(guó)家紛紛對(duì)此展開(kāi)研究［2-5］。通過(guò)使用直流斬波技術(shù)取消車(chē)載牽引變壓器，實(shí)現(xiàn)無(wú)牽引變壓器的交流傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)車(chē)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(chē)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(duì)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(chē)載牽引變壓從而實(shí)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(gè)直流斬波裝置的重量、縮小體積。

2 基本電路

無(wú)變壓器化交流傳動(dòng)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(guò)一個(gè)橋式整流電路變?yōu)橹绷鳎恢虚g的2個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)和電氣絕緣強(qiáng)度一樣，以實(shí)現(xiàn)電功率的雙向傳輸；實(shí)際上這是一個(gè)buck降壓斬波電路和一個(gè)boost升壓斬波電路的綜合。開(kāi)關(guān)兩邊分別接有一個(gè)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(chǔ)能作用；R表示斬波器的負(fù)載，在交流傳動(dòng)系統(tǒng)中它實(shí)際上代表的是逆變器及其后面的電動(dòng)機(jī)等設(shè)備。

本文后面的討論中假設(shè)電力電子開(kāi)關(guān)為理想開(kāi)關(guān)，即開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的時(shí)間為0，導(dǎo)通阻抗為0，開(kāi)斷阻抗為∞；交流電源和整流回路用一個(gè)恒壓源代替。電路工作時(shí)，隨著開(kāi)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(guò)程1，圖2b為電路工作的過(guò)程2，則過(guò)程1的結(jié)束是過(guò)程2的開(kāi)始，過(guò)程2的結(jié)束是過(guò)程1的開(kāi)始，如此往復(fù)循環(huán)；并設(shè)各狀態(tài)變量是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。經(jīng)合理簡(jiǎn)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(guò)程的時(shí)間變量為T(mén)1，圖2b狀態(tài)過(guò)程的時(shí)間變量為T(mén)2，圖2a狀態(tài)過(guò)程的結(jié)束就是圖2b狀態(tài)過(guò)程的開(kāi)始，則可以得到式（3）和式（4）的解：

可以證明，穩(wěn)態(tài)下，一個(gè)周期開(kāi)始時(shí)刻（以過(guò)程1開(kāi)始的瞬間作為一個(gè)周期開(kāi)始的時(shí)刻）的初始狀態(tài)為

其中

可以由式（7）計(jì)算出穩(wěn)態(tài)時(shí)一個(gè)周期開(kāi)始時(shí)刻狀態(tài)變量的初始值，把這個(gè)值代入式（5）和式（6），得到穩(wěn)態(tài)下一個(gè)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(jì)斬波頻率200Hz，負(fù)載為4 800kW（DJJ2持續(xù)牽引功率）時(shí)，對(duì)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(gè)周期內(nèi)u2曲線Fig.3 The u2curve in a steady cycle

這時(shí)，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(dòng)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(jì)算得到的輸出濾波器儲(chǔ)能電感的參數(shù)雖然和現(xiàn)在機(jī)車(chē)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(yùn)用第2節(jié)的方法和計(jì)算實(shí)例，通過(guò)仿真計(jì)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(gè)周期內(nèi)u3曲線Fig.5 The u3curve in a steady cycle

這時(shí)，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(dòng)因數(shù)為1.009%。可以看出，電路改進(jìn)后，輸出側(cè)的儲(chǔ)能電感雖然由1個(gè)變?yōu)?個(gè)，但是，電感的總量卻減小到原來(lái)的32%。同時(shí)，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(kāi)關(guān)的零電流軟開(kāi)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(gè)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(gè)電感之間可能會(huì)產(chǎn)生互感耦合，而互感耦合對(duì)斬波器性能的影響是個(gè)需要值得注意的問(wèn)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(gè)電感中的電流相互助增時(shí)M取值為正，相互助減時(shí)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(shí)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(shí)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(shì)可以看出，當(dāng)M逐漸增大時(shí)，輸出電壓的波谷逐漸增大，當(dāng)M逐漸變小時(shí)，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(shí)，可以得到圖8，這時(shí)輸出電壓u3的頻率變?yōu)樵瓉?lái)的2倍，而輸出電壓的脈動(dòng)因數(shù)最小，為0.23%，降到原來(lái)的22.8%。

上面的仿真結(jié)果顯示，在實(shí)際工程中，如果對(duì)L2和L3合理布置，可以減小輸出電壓的脈動(dòng)因數(shù)。但是，對(duì)于有鐵芯的電感來(lái)說(shuō)，通過(guò)調(diào)節(jié)L2和L3的位置關(guān)系使電壓的脈動(dòng)因數(shù)達(dá)到23%是不可能的，只有通過(guò)鐵芯把2個(gè)電感聯(lián)系起來(lái)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(shí)輸出電壓波形Fig.8 The output voltage wave when M＝－112.8μH

5 結(jié)論

通過(guò)本文的分析，可以得到以下結(jié)論。

1）通過(guò)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(lái)的32%，這也意味著儲(chǔ)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(kāi)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(kāi)關(guān)的軟開(kāi)通提供了條件。

3）電感由原來(lái)的1個(gè)變?yōu)?個(gè)，和電力電子開(kāi)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(shí)際上把以前的一個(gè)電感的絕緣做成了分級(jí)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(jì)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(kāi)關(guān)的損耗，這也是一種技術(shù)上的選擇。

［1］機(jī)車(chē)電傳動(dòng)編輯部.高速列車(chē)輕量化技術(shù)［J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2004（4）：1－2.

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［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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