无工频变压器机车牵引系统与传统交-直-交传动系统相比较,前者取消了笨重及效率低下的工频牵引变压器。电力机车重量由此得到减轻、效率得到提升。在国外,此类系统的研究工作已经展开,并取得了一定成果,引起了广泛关注。在国内,关于此类系统的报道比较少见。对该类系统的研究有利于跟踪国外技术动态与技术发展,对开发具有我国自主知识产权的技术产品具有重大意义。
通过比较分析该类系统的几种技术方案,本文选取了一种输入端级联周波变换器、输出端并联全桥整流器的变换系统作为研究对象。该变换系统取代了传统交直交传动系统中的交-直变换环节,取消了工频牵引变压器,为牵引逆变器提供了稳定直流电压。系统主要特点为：多个变换模块级联,采用前端变频以及中频变压器电气隔离。主要研究工作如下：
(1)分析了变换系统主电路工作模式,解决了单级AC/AC/DC变换器换流期间中频变压器漏感尖峰电压问题,分析了单级变换器PWM调制方式及载波移相技术在该系统中的应用,探讨了级联系统的控制特性以及每个变换模块前端输入电压及输出电流随模块参数的变化规律,并利用仿真实验验证了相关分析。
(2)推导得出了该变换系统主电路参数计算式(如输入电感、二次侧滤波器、直流侧支撑电容),对中频变压器的参数给出了限制和要求。
(3)采用电压、电流双闭环的控制策略,实现了该变换系统的控制。在此基础上,采用平均电压和平均电流法实现了变换系统的各模块输入端均压、输出侧均流的控制。
(4)利用状态空间平均法建立变换系统主电路等效空间模型,利用平衡点附近线性化的方法得到了变换系统小信号模型,设计了电压环控制器参数。
(5)根据CRH5列车交流传动系统的额定参数,设计了一个交直变换系统用于模拟CRH5列车的交直环节,利用MATLAB/SIMULINK和PSIM相结合仿真法对所该变换系统在开环下的控制特性,载波移相后电感电流控制效果以及闭环控制下的牵引、制动工况、网压波动、负载突变、电压指令跟踪以及变换模块间的均压与均流控制进行了仿真分析。
仿真结果表明：该变换系统直流侧输出电压稳定,输入网侧的功率因数可调,满足相关技术指标。级联系统模块间能实现输入端的均压与输出侧的均流。换流过程中,中频变压器漏感尖峰电压能够较好的消除。载波移相技术在系统中应用对输入电感电流正弦化具有很好效果。仿真结果进一步证明了变换系统理论分析的正确性。
