动车组高频辅助变流器及其控制方法技术

本发明专利技术公开一种动车组高频辅助变流器及其控制方法，辅助变流器包括串联式DC/DC斩波回路、高频变压器TR1和TR2、串联式整流回路、谐振回路以及三相逆变回路；串联式DC/DC斩波回路与高频变压器TR1和TR2的原边相连，高频变压器TR1和TR2的副边依次经过串联式整流回路、谐振回路与三相逆变回路相连；为实现斩波IGBT的零电流关断，采用斩波IGBT和谐振IGBT驱动脉冲在同一时刻关断的控制方式，斩波IGBT脉冲宽度采用级联稳定性控制算法调节，谐振IGBT脉宽为固定值；通过对应的拓扑结构及控制方法设计，可直接省去传统工频变流器，降低系统重量和体积，保证辅助系统工作频率及效率，具有较高实用价值。

High Frequency Auxiliary Converter for EMU and Its Control Method

The invention discloses a high frequency auxiliary converter for EMU and its control method. The auxiliary converter includes a series DC/DC chopper circuit, a high frequency transformer TR1 and TR2, a series rectifier circuit, a resonant circuit and a three-phase inverter circuit; a series DC/DC chopper circuit is connected with the original side of a high frequency transformer TR1 and TR2, and a high frequency transformer T. The secondary edges of R1 and TR2 are connected with three-phase inverters through series rectifier circuit and resonant circuit in turn. In order to realize zero-current switching off of chopper IGBT, the control mode of chopper IGBT and resonant IGBT driving pulses switching off at the same time is adopted. The chopper IGBT pulse width is adjusted by cascade stability control algorithm, and the resonant IGBT pulse width is as follows: Fixed value; through the design of the corresponding topology and control method, the traditional power frequency converter can be directly omitted, the weight and volume of the system can be reduced, and the working frequency and efficiency of the auxiliary system can be guaranteed, which has high practical value.

【技术实现步骤摘要】
动车组高频辅助变流器及其控制方法
本专利技术涉及变流器控制
，具体涉及一种动车组高频辅助变流器及其控制方法。
技术介绍
辅助供电系统作为动车组除牵引动力系统之外的所有用电设备提供电能，如空气压缩机、冷却风机、照明、广播等辅助设备，动车组辅助控制系统和动车组牵引控制系统一样，是动车组的重要组成部分。随着我国动车组技术的快速发展，用户对动车组车辆在运营可靠性、舒适性、节能降噪等方面提出了更高的要求，对动车组辅助供电系统的要求也更加严格，轻量化、高效化、高频化已成为辅助供电系统的发展方向。传统动车组辅助系统输入电压较高、所用功率器件为高电压等级器件，导致辅助电源功率器件的开关频率受到很大的限制，同时动车组辅助供电系统多采用传统工频变压器隔离模式，所以传统辅助系统存在重量重、体积大、噪声高等缺点。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对现有辅助供电系统采用工频变压器隔离模式，具有重量重、体积大的缺陷，提出一种动车组高频辅助变流器及其控制方法，采用串联式DC/DC斩波和逆变器组合电路的高频隔离方法，通过斩波降压，不需要设置工频变压器，具有开关频率高、效率高、重量轻等诸多优点。本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种动车组高频辅助变流器，包括串联式DC/DC斩波回路、高频变压器TR1和TR2、串联式整流回路、谐振回路以及三相逆变回路；串联式DC/DC斩波回路与高频变压器TR1和TR2的原边相连，高频变压器TR1和TR2的副边依次经过串联式整流回路、谐振回路与三相逆变回路相连；所述串联式DC/DC斩波回路包括输入滤波回路和串联式半桥回路；所述输入滤波回路包括输入电抗器LAUX以及与其串联连接的滤波电容CA1、CA2、CA3和CA4，用以滤除网线电压带来的谐波，并抑制辅助电源对电网电压谐波的影响；所述串联式半桥回路包括4个斩波IGBT，即Q1、Q2、Q3和Q4，Q1和Q2串联连接组成第一半桥，Q3和Q4串联连接组成第二半桥，第一半桥和第二半桥串联；电容CA1和CA2串联后与第一半桥的输入端并联，CA3和CA4串联后与第二半桥的输入端并联，第一半桥输出端和第二半桥的输出端分别与高频变压器TR1的原边和TR2的原边相连，用以将直流电压斩为方波电压并输送至高频变压器原边；所述串联式整流回路包括由整流二极管D1、D2、D3和D4组成的第一整流桥和整流二极管D5、D6、D7和D8组成的第二整流桥，第一整流桥和第二整流桥串联，分别与高频变压器TR1的副边和TR2的副边相连，用以将高频变压器副边电压整流为直流电压；所述谐振回路包括谐振电容CAUC1、CAUC2和谐振IGBTQ5、IGBTQ6，谐振电容CAUC1与谐振IGBTQ5串联后与第一整流桥的输出端并联，谐振电容CAUC2与谐振IGBTQ6串联后与第二整流桥的输出端并联，用以实现谐振电感Lk与谐振电容CAUC之间的电流谐振，来降低斩波IGBT的关断损耗，所述谐振电感Lk包括线路漏感、变压器漏感和功率器件自身漏感。进一步的，所述三相逆变回路包括由逆变IGBTQ7和Q8、逆变IGBTQ9和Q10以及逆变IGBTQ11和Q12组成的三相半桥回路和LC型三相滤波回路，LC型三相滤波回路的输出与一EMI滤波器的输入相连。进一步的，所述谐振回路和三相逆变回路之间连接有输出滤波回路，所述输出滤波回路包括电抗器LAUC以及和电抗器LAUC的输出端相连的滤波电容CADC。进一步的，所述输入滤波回路的两端并联有电压传感器TV3，输出滤波回路的两端并联连接有电压传感器TVDCLINK。本专利技术另外还提出一种基于动车组高频辅助变流器的控制方法，包括：A、启动动车组高频辅助变流器，对电容CA1-CA4进行预充电；B、充电完成后，对斩波IGBT和谐振IGBT同时发驱动脉冲，斩波IGBT包括Q1-Q4，谐振IGBT包括Q5和Q6，在发驱动脉冲过程中，包括以下控制过程：初始阶段驱动脉冲宽度很窄；(1)对斩波IGBT的PWM与谐振IGBT的PWM相位控制：斩波IGBT的驱动脉冲与谐振IGBT的驱动脉冲在同一时刻关断，以实现斩波IGBT(Q1-Q4)零电流关断；(2)对斩波IGBT的PWM和谐振IGBT的PWM的脉宽控制：对斩波IGBT的脉冲宽度由PID控制算法调节，并采用分段控制模式，即在轻载时，采用比例参数、积分参数和微分参数为固定值的传统PID控制方式；在重载时采用比例参数、积分参数和微分参数为非固定值的非线性PID控制方式，所述轻载是指当前负载小于20％额定负载；谐振IGBT的脉冲宽度，即开通时间Tcris由谐振电感Lk和谐振电容确定且固定不变，即C、当电抗器LAUC和电容CADC的电压达到一定阈值时，对逆变IGBT发驱动脉冲，动车组高频辅助变流器进入正常工作阶段。进一步的，所述步骤B中，斩波IGBT的驱动脉冲与谐振IGBT的驱动脉冲在同一时刻关断，且谐振IGBT满足以下三个条件：a、谐振IGBT在斩波IGBT关断前某个时间点开通；b、斩波IGBT关断时，谐振电感Lk和其对应的谐振电容已完成谐振，且谐振电容处于放电状态；c、谐振电容的放电电流大于负载所需电流。进一步的，在动车组高频辅助变流器的控制过程中，串联式DC/DC斩波回路(1)视为源变换器，三相逆变回路(4)视为负载变换器，设源变换器的输出阻抗为ZocS，负载变换器的输入阻抗为ZicL，且满足|ZocS|＜|ZicL|。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：1、本专利技术方案提出的辅助变流器通过串联式DC/DC斩波回路降压，可直接省去传统工频变流器，进而降低整个变流器的质量和体积，保证辅助系统工作频率及效率高；2、采用了模块化设计，针对低输入电压系统可将DC/DC的串联电路拓扑改为并联拓扑，而不用重新设计模块，降低产品的开发周期同时实现了模块高功率密度的要求，在有限空间内可以实现整个电气回路布局，符合目前变流器的高集成、轻量化的发展需求；3、由于该电路的频率比工频变压器高很多，随之而来的是斩波IGBT的功耗会变大，为此，通过谐振回路实现谐振电感与谐振电容之间的电流谐振，以降低斩波IGBT的关断损耗；4、为实现斩波IGBT的零电流关断，采用斩波IGBT和谐振IGBT驱动脉冲在同一时刻关断的控制方式，斩波IGBT脉冲宽度级联稳定性控制算法调节，谐振IGBT脉宽为固定值；通过对应的拓扑结构及控制方式设计，使辅助系统热态效率达到95％，效率提高了约2％。附图说明图1为本专利技术实施例1所述辅助变流器的拓扑结构示意图；图2为本专利技术实施例2中所述驱动脉冲波形示意图；图3为图2中t1时间段内的工作模式示意图；图4为图2中t2时间段内的工作模式示意图；图5为图2中t3时间段内的工作模式示意图；图6为图2中t4时间段内的工作模式示意图；图7为图2中t5时间段内的工作模式示意图；图8为实施例2中仿真实验波形示意图；图9为实施例2中级联变换器等效模型示意图；其中，1、串联式DC/DC谐振回路；2、串联式整流回路；3、谐振回路；4、三相逆变回路。具体实施方式为了能够更加清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。实施例1，一种动车组高频辅助变流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.动车组高频辅助变流器，其特征在于，包括串联式DC/DC斩波回路(1)、高频变压器TR1和TR2、串联式整流回路(2)、谐振回路(3)以及三相逆变回路(4)；串联式DC/DC斩波回路(1)与高频变压器TR1和TR2的原边相连，高频变压器TR1和TR2的副边依次经过串联式整流回路(2)、谐振回路(3)与三相逆变回路(4)相连；所述串联式DC/DC斩波回路(1)包括输入滤波回路和串联式半桥回路；所述输入滤波回路包括输入电抗器LAUX以及与其串联连接的滤波电容CA1、CA2、CA3和CA4；所述串联式半桥回路包括4个斩波IGBT，即Q1、Q2、Q3和Q4，Q1和Q2串联连接组成第一半桥，Q3和Q4串联连接组成第二半桥，第一半桥和第二半桥串联；电容CA1和CA2串联后与第一半桥的输入端并联，CA3和CA4串联后与第二半桥的输入端并联，第一半桥输出端和第二半桥的输出端分别与高频变压器TR1的原边和TR2的原边相连，用以将直流电压斩为方波电压并输送至高频变压器原边；所述串联式整流回路(2)包括由整流二极管D1、D2、D3和D4组成的第一整流桥和整流二极管D5、D6、D7和D8组成的第二整流桥，第一整流桥和第二整流桥串联，并分别与高频变压器TR1的副边和TR2的副边相连，用以将高频变压器副边电压整流为直流电压；所述谐振回路(3)包括谐振电容CAUC1、CAUC2和谐振IGBTQ5、IGBTQ6，谐振电容CAUC1与谐振IGBTQ5串联后与第一整流桥的输出端并联，谐振电容CAUC2与谐振IGBTQ6串联后与第二整流桥的输出端并联，用以实现谐振电感Lk与对应谐振电容之间的电流谐振，以降低斩波IGBT的关断损耗，所述谐振电感Lk包括线路漏感、变压器漏感和功率器件自身漏感。...

【技术特征摘要】
1.动车组高频辅助变流器，其特征在于，包括串联式DC/DC斩波回路(1)、高频变压器TR1和TR2、串联式整流回路(2)、谐振回路(3)以及三相逆变回路(4)；串联式DC/DC斩波回路(1)与高频变压器TR1和TR2的原边相连，高频变压器TR1和TR2的副边依次经过串联式整流回路(2)、谐振回路(3)与三相逆变回路(4)相连；所述串联式DC/DC斩波回路(1)包括输入滤波回路和串联式半桥回路；所述输入滤波回路包括输入电抗器LAUX以及与其串联连接的滤波电容CA1、CA2、CA3和CA4；所述串联式半桥回路包括4个斩波IGBT，即Q1、Q2、Q3和Q4，Q1和Q2串联连接组成第一半桥，Q3和Q4串联连接组成第二半桥，第一半桥和第二半桥串联；电容CA1和CA2串联后与第一半桥的输入端并联，CA3和CA4串联后与第二半桥的输入端并联，第一半桥输出端和第二半桥的输出端分别与高频变压器TR1的原边和TR2的原边相连，用以将直流电压斩为方波电压并输送至高频变压器原边；所述串联式整流回路(2)包括由整流二极管D1、D2、D3和D4组成的第一整流桥和整流二极管D5、D6、D7和D8组成的第二整流桥，第一整流桥和第二整流桥串联，并分别与高频变压器TR1的副边和TR2的副边相连，用以将高频变压器副边电压整流为直流电压；所述谐振回路(3)包括谐振电容CAUC1、CAUC2和谐振IGBTQ5、IGBTQ6，谐振电容CAUC1与谐振IGBTQ5串联后与第一整流桥的输出端并联，谐振电容CAUC2与谐振IGBTQ6串联后与第二整流桥的输出端并联，用以实现谐振电感Lk与对应谐振电容之间的电流谐振，以降低斩波IGBT的关断损耗，所述谐振电感Lk包括线路漏感、变压器漏感和功率器件自身漏感。2.根据权利要求1所述的动车组高频辅助变流器，其特征在于：所述三相逆变回路(4)包括由逆变IGBTQ7和Q8、逆变IGBTQ9和Q10以及逆变IGBTQ11和Q12组成的三相半桥回路和LC型三相滤波回路，LC型三相滤波回路的输出端与一EMI滤波器的输入端相连。3.根据权利要求2所述的动车组高频辅助变流器，其特征在于：所述谐振回路(3)和三相逆变回路(4)之间连接有输出滤波回路，所述输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：王善芬，梁大伟，杨其林，朱孟祥，苏玉琢，
申请(专利权)人：中车青岛四方车辆研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37