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）

高速列車(chē)牽引變流器直流電壓脈動(dòng)的研究

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）

為研究牽引變流器直流電壓脈動(dòng)的影響，以牽引變流器為基礎(chǔ)，分析了牽引變流器直流電壓脈動(dòng)產(chǎn)生的原因，并分析了電壓脈動(dòng)時(shí)對(duì)牽引系統(tǒng)的影響，提出了抑制直流電壓脈動(dòng)的方案。通過(guò)仿真對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明兩種方案都能有效地濾除直流電壓脈動(dòng)的二次諧波分量。

牽引變流器；直流電壓脈動(dòng)；二次諧波；濾波器

隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及現(xiàn)代控制技術(shù)的迅速發(fā)展，牽引變流器技術(shù)水平得到了不斷提高[1]。各國(guó)新型高速列車(chē)所采用的牽引變流器系統(tǒng)，逐漸向大功率、小體積、輕質(zhì)量、高可靠性、低成本方向發(fā)展[2]。

為給變頻器提供穩(wěn)定的直流電壓，目前采用的多為單相PWM整流器進(jìn)行整流，它可實(shí)現(xiàn)功率的四象限運(yùn)行[3]，能有效解決機(jī)車(chē)的能量再生制動(dòng)問(wèn)題。

由于整流器輸入的正弦電壓和電流會(huì)向中間直流回路引入與用功功率同量級(jí)的二次脈動(dòng)功率，導(dǎo)致中間直流回路出現(xiàn)二次脈動(dòng)電壓[4]。低頻的直流電壓脈動(dòng)經(jīng)變頻器調(diào)制向電機(jī)引入低頻諧波電流，增加電機(jī)損耗，使得電機(jī)鐵芯發(fā)熱，同時(shí)產(chǎn)生低頻脈動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩，引起電機(jī)低頻振蕩和噪音污染[5]。

因此文中重點(diǎn)在于分析高速列車(chē)牽引變流器中產(chǎn)生直流電壓脈動(dòng)的原因、直流電壓脈動(dòng)對(duì)牽引電機(jī)的影響以及減小直流電壓脈動(dòng)的抑制方法，并利用仿真對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 牽引變流器直流電壓脈動(dòng)產(chǎn)生的原因

單相四象限脈沖變流器主電路結(jié)構(gòu)為單相全控橋整流電路[6]，其中電子開(kāi)關(guān)器件采用全控電力電子器件和與之反并聯(lián)的二極管組成，如圖1所示。其中RN為二次側(cè)漏電阻，LN為交流電感，Cd為直流支撐電容。

圖1 兩電平四象限整流器原理圖

目前，在高速列車(chē)中的四象限脈沖變流器大多采用的是瞬態(tài)直接電流控制的電壓電流雙閉環(huán)控制策略。采用這種控制策略，能使直流側(cè)功率因數(shù)達(dá)到1或～1的目的，并且使系統(tǒng)具有直流側(cè)電壓穩(wěn)定快、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化能很快做出調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。

從式（1）中可以看出單相四象限脈沖整流器的直流側(cè)輸出電壓中含有二次諧波分量。其中，二次諧波分量的幅值與直流側(cè)電壓正比，與負(fù)載、支撐 電容的大小成反比。當(dāng)整流器直流側(cè)負(fù)載不變時(shí)，可通過(guò)增加支撐電容的容量來(lái)減少直流電壓二次脈動(dòng)的含量。

2 直流電壓脈動(dòng)的影響

1）直流電壓脈動(dòng)對(duì)牽引逆變器的影響

為了得到即可變壓又可變頻的三相電源，對(duì)逆變器采用脈寬調(diào)制技術(shù)使6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)依次動(dòng)作。其中同一橋臂上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)總是相反的。

當(dāng)供給電機(jī)的電壓中包含有頻率為 ωi±ωr的低次諧波時(shí)，其產(chǎn)生的電流中也會(huì)有同樣頻率的低次諧波。當(dāng)逆變器輸出電壓頻率ωr和直流電壓脈動(dòng)的頻率ωi相等時(shí)，諧波電流ih1=k1Iicosφ，且k1取得最大值。這種情況下相當(dāng)于給異步牽引電機(jī)通入直流電流，會(huì)使三相異步牽引電機(jī)產(chǎn)生很大的短路電流，并產(chǎn)生大量的熱量，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)的牽引力矩等其他不良影響。

2）直流電壓脈動(dòng)對(duì)牽引電機(jī)的影響

若考慮直流側(cè)電壓的脈動(dòng)，逆變器輸出電壓中含有ωi±ωr兩種頻率的低次諧波。牽引電機(jī)瞬時(shí)力矩公式為：

由上式可知，由于直流側(cè)二次脈動(dòng)電壓的存在，導(dǎo)致電機(jī)輸出力矩含有二次及4次的脈動(dòng)力矩。這在電機(jī)運(yùn)行中對(duì)電機(jī)本身及列車(chē)機(jī)械均會(huì)產(chǎn)生不良影響。，不僅造成電機(jī)等列車(chē)組成部分器件壽命縮短，而且易造成安全隱患。

3 直流電壓脈動(dòng)的抑制

1）低通濾波器

選擇典型的二階巴特沃思低通濾波器，截止頻率選擇為20 Hz，可以濾除二次諧波分量。給出了Matlab語(yǔ)句及仿真結(jié)果，頻率響應(yīng)如圖2所示。

圖2 LPF的幅頻特性和相頻特性

由圖3可見(jiàn)，3 dB截止頻率為20 Hz，所設(shè)計(jì)的低通濾波器能濾掉頻率為100 Hz的二次脈動(dòng)分量。

2）LC二次濾波器

高速列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)直流回路的主要諧波為角頻率2ω（ω是基波角頻率），直流電壓信號(hào)通過(guò)LC二次濾波器后，二次諧波將被濾除，同時(shí)其他頻率以外的信號(hào)無(wú)影響。設(shè)計(jì)時(shí)采用非理想數(shù)字濾波器，其傳遞函數(shù)為：

取采樣頻率為5 kHz，所要濾掉的頻率為100 Hz，其頻率響應(yīng)如圖3所示。

圖3 H(z)的幅頻特性和相頻特性

由圖3可見(jiàn)，LC二次濾波器能濾掉頻率為100 Hz的諧波干擾，而且不影響其他的頻率成分。雖然呈現(xiàn)的相位特性是非線性的，但對(duì)于LC二次濾波器而言，大多數(shù)時(shí)候只考慮滿足幅頻特性即可。

4 仿真分析

通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的LC二次濾波器及低通濾波器的濾波效果進(jìn)行仿真，濾波前后的直流電壓信號(hào)波形如圖4所示。

圖4 濾波前后直流電壓波形

利用Matlab的FFT對(duì)直流電壓信號(hào)進(jìn)行頻譜分析可見(jiàn)，未經(jīng)濾波處理的直流電壓信號(hào)二次脈動(dòng)的最大值為95.64 V，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波后二次脈動(dòng)的最大值為3.82 V，經(jīng)過(guò)LC二次濾波器濾波后，直流電壓信號(hào)二次脈動(dòng)的最大值為0.144 V。

5 結(jié)論

結(jié)果表明，低通濾波器和LC二次濾波器都能濾除二次諧波分量。但低通濾波器頻帶較窄，容易造成動(dòng)態(tài)滯后，而LC二次濾波器不能濾除二次諧波以外的諧波。雖然低通濾波器和LC二次濾波器存在有缺點(diǎn)，但要快速有效地提取系統(tǒng)中直流電壓的交流分量，低通濾波器和LC二次濾波器即是簡(jiǎn)單有效可行的方法。

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Influence of traction converter DC voltage ripple on traction motor

YANG Hui-ling
（Department of Railway Power Traction，Xi’an Railway Vocational and Technical College，Xi’an 710014，China）

In order to research the impact of DC voltage impulse on traction converter，reason analysis on the appearance of DC voltage impulse based on traction converter is shown in this paper，we also discuss the impact on traction system of voltage impulse，and the scheme of control on DC voltage impulse is proposed in this paper.According to the simulation of this research，both of the schemes can filter the second harmonic component of DC voltage impulse effectively.

traction converter；DC voltage ripple；two harmonic components of DC；filter

TN0

A

1674－6236（2016）15-0160-02

2015-10-26 稿件編號(hào)：201510182

西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院2015年度立項(xiàng)課題（XTZY15G07）

楊會(huì)玲（1978—），女，陜西西安人，講師。研究方向：電力電子技術(shù)及電力機(jī)車(chē)控制等。