用于低地板有轨电车辅助变流器轻量化设计方法技术

本发明专利技术涉及一种用于低地板有轨电车辅助变流器轻量化设计方法，其步骤为：将设有最小电压应力谐振单元的最小电压应力Buck变换器、LLC定频谐振变换器和分裂电容三相逆变器依次串联作为辅助逆变器，充电机设有与最小电压应力Buck变换器的输出端相连的DC/DC倍流整流变换器；确定最小电压应力Buck变换器的谐振电感L2、谐振电容Cr、谐振电容Cs和最小输出电流Io,min；明确LLC定频谐振变换器设计的限制条件，选定励磁电感Lm的取值，计算出隔直电容Cb、变压器原边漏感Lk、谐振腔谐振频率fr，验证LLC定频谐振变换器是否满足验证条件；在分裂电容三相逆变器中引入中线电感Ln，三相负载不平衡时，通过引入中心电感Ln消除中性点电位uN的正弦扰动。本发明专利技术设计的辅助变流器，功率密度高，体积和重量小。

Lightweight Design Method of Auxiliary Converter for Low Floor Tram

The invention relates to a lightweight design method for auxiliary converter of low floor tram. The steps are as follows: the minimum voltage stress Buck converter with minimum voltage stress resonance unit, LLC constant frequency resonant converter and split capacitor three-phase inverter are sequentially connected in series as auxiliary inverters, and the charger is equipped with DC/DC multiplier connected with the output terminal of minimum voltage stress Buck converter. Rectifier converter; Determine the resonant inductance L2, resonant capacitance Cr, resonant capacitance Cs and minimum output current Io, min of minimum voltage stress Buck converter; Define the restriction conditions of LLC constant frequency resonant converter design, select the value of excitation inductance Lm, calculate the isolation capacitance Cb, transformer primary leakage inductance Lk, resonant cavity frequency fr, verify whether LLC constant frequency resonant converter meets the verification. Conditions: The neutral inductance Ln is introduced into the split capacitor three-phase inverters. When the three-phase load is unbalanced, the sinusoidal disturbance of neutral point potential uN is eliminated by introducing the Central inductance Ln. The auxiliary converter designed by the invention has high power density, small volume and weight.

【技术实现步骤摘要】
用于低地板有轨电车辅助变流器轻量化设计方法
本专利技术属于轨道车辆变流器
，涉及有轨电车变流器，具体地说，涉及一种用于低地板有轨电车辅助变流器轻量化设计方法及基于该方法的辅助变流器。
技术介绍
随着城市轨道交通的不断发展，低地板有轨电车一起运营成本低、节能环保、线路铺设简单等优点，近几年得到大力推广和发展。辅助变流器作为低地板有轨电车的重要组成部分，可将直流侧高压供电转化成AC输出和DC输出分别供给车用交、直流负载，以保障有轨电车安全稳定运行。低地板有轨电车辅助变流器一般布置在车顶，相较于地铁车辆辅助变流器，低地板有轨电车辅助变流器内部组成设备更加紧凑且要求功率密度更大；同时低地板有轨电车辅助变流器负载复杂，客室伴热负载、司机室单相负载回应性输出电压质量，造成输出电压畸变。参见图1，传统辅助逆变器采用工频变压器(功率：50Hz)进行隔离，工频变压器具有运行稳定的优点，且在不平衡负载下为零序电流提供回路，对不平衡电压具有抑制作用。但采用工频变压器存在体积大、重量重、成本高和效率低等缺点，与有轨电车所倡导的“绿色出行”概念相悖。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述问题，提供了一种用于低地板有轨电车辅助变流器轻量化设计方法及基于该方法的辅助变流器，能够减小辅助变流器的体积和重量，降低输出电压不平衡度。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种用于低地板有轨电车辅助变流器轻量化设计方法，含有以下步骤:将设有最小电压应力谐振单元的最小电压应力Buck变换器、LLC定频谐振变换器和分裂电容三相逆变器依次串联作为辅助逆变器，充电机设有DC/DC倍流整流变换器，所述DC/DC倍流整流变换器与所述最小电压应力Buck变换器的输出端相连；确定最小电压应力Buck变换器的谐振电感L2、谐振电容Cr、谐振电容Cs和最小输出电流Io,min；明确LLC定频谐振变换器设计的限制条件，选定励磁电感Lm的取值，计算出LLC定频谐振变换器中的隔直电容Cb、变压器原边漏感Lk以及谐振腔谐振频率fr，并验证LLC定频谐振变换器是否满足下述验证条件：(1)是否满足变压器原边开关管的零电压导通实现条件式中，Zin为输入阻抗，Cres为IGBT并联寄生电容，Tr为谐振腔谐振周期，即Uin_min为输入电压最小值，Pin_max为输入功率最大值；(2)LLC定频谐振变换器的品质因数Q是否满足条件式中，Lrs为励磁电感Lm与原边漏感Lk的比值，即frs为谐振腔谐振频率fr与开关频率fs比值；(3)死区时间内变压器原边电流是否反向；(4)输入阻抗是否呈感性，并留有角度裕量；若上述四个验证条件不能同时满足，则需要重新选定励磁电感值Lm进行核算直至同时满足上述四个验证条件；在分裂电容三相逆变器中引入中线电感Ln，中线电感Ln的负极与三相输出滤波电容的公共端相连，中线电感Ln的正极与两个输入分裂电容之间的中间点相连，三相负载不平衡时，通过引入中心电感Ln消除中性点电位uN的正弦扰动。优选的，确定最小电压应力Buck变换器的谐振电感L2、谐振电容Cr、谐振电容Cs和最小输出电流Io,min的具体步骤为：谐振电感L2的电感值选取应满足下述条件：式中，tr为开关管S1的电流上升时间，trr为续流二极管D4的反向恢复时间，io,peak为输出电流峰值，Ui为输入电压；谐振电容Cr和谐振电容Cs的选取包括以下步骤：(a)任取带入公式(2)，求得条件下的最小输出电流Io,min，公式(2)表示为：式中，tr-off,max为在满足软斩波运行条件下的最大谐振关断时间，由设计者给出；(b)将步骤(a)中的值和所求的最小输出电流Io,min带入公式(3)求得谐振电容Cr，公式(3)表示为：式中，ω为(c)用公式(4)验证步骤(b)中求得的谐振电容Cr，公式(4)表示为：式中，tf为开关管S1的电流下降时间；(d)若步骤(c)中的条件不满足，则重复步骤(a)-(c)，直至满足步骤(c)中的条件，若步骤(c)中的条件满足，则选定谐振电容Cr的电容值，选定时，应大于理论值，谐振电容Cs的电容值用公式(5)求取，公式(5)表示为：优选的，LLC定频谐振变换器的设计限制条件为：LLC谐振腔输入阻抗必须呈现感性，即Angle(Zin)>0；LLC定频谐振变换器的品质因数Q小于0.005，以保证LLC定频谐振变换器工作于感性II区；LLC定频谐振变换器的死区时间大于结电容放电时间，同时小于结电容放电时间与励磁电流谐振到零时间之和。优选的，选定励磁电感Lm的取值，计算出LLC定频谐振变换器中的隔直电容Cb、变压器原边漏感Lk以及谐振腔谐振频率fr的具体步骤为：定义励磁电感Lm的取值范围为0.7mH≤Lm≤2mH，初步选定励磁电感Lm的取值；通过下述公式(6)、(7)分别计算结电容放电时间T1和励磁电流谐振到零时间Tm：Tm＝tan-1(n2×R/2πfrfrsLm)/π×Tr/2(7)式中，n为变压器匝比，R为变压器原边等效阻抗；死区时间tdead≥T1，按照下述公式(8)计算电流角度式中，Uo为LLC定频谐振变换器输出电压，Io为LLC定频谐振变换器输出电流；保证LLC定频谐振变换器工作在感性II区，应满足以下限制：计算出LLC定频谐振变换器中的隔直电容Cb、变压器原边漏感Lk以及谐振腔谐振频率fr。优选的，三相负载平衡时，中性点电位uN为：式中，udc为LLC定频谐振变换器的输出电压；当接入不平衡负载时，中性点电位uN发生偏移，即引入时中线电感Ln，中性点电位表达式如下：式中，um为三相输出电压最大值，Z为负载阻抗，Cin为三相输出滤波电容，θ为偏移角度；三相负载不平衡时，中性点电位有正弦扰动，通过引入中心电感消除该扰动，使中性点电位恢复到为了达到上述目的，本专利技术还提供了一种低地板有轨电车辅助逆变器，基于上述设计方法，包括辅助逆变器和充电机，所述辅助逆变器包括最小电压应力Buck变换器、LLC定频谐振变换器和分裂电容三相逆变器，最小电压应力Buck变换器、LLC定频谐振变换器和分裂电容三相逆变器依次串联，所述最小电压应力Buck变换器设有最小电压应力谐振单元，所述最小电压应力谐振单元由谐振电感L2、谐振电容Cr和谐振电容Cs组成；所述充电机设有DC/DC倍流整流变换器，所述DC/DC倍流整流变换器与所述最小电压应力Buck变换器的输出端相连。优选的，所述最小电压应力Buck变换器还包括输入滤波电感L1、开关管S1、输入滤波电容C1、四个续流二极管、续流电感L3、两个串联连接的输出滤波电容和两个串联连接的均压电阻；输入滤波电容C1的正极分别与输入滤波电感L1的负极、开关管S1的C极、谐振电容Cr的正极相连，开关管S1的M极与谐振电感L2的正极相连，开关管S1的E极分别与谐振电容Cr的负极、续流二极管D1的阳极、续流二极管D3的阴极相连；续流二极管D2的阳极分别与谐振电感L2的负极、续流电感L3的正极、谐振电容Cs的负极、续流二极管D4的阳极相连；续流二极管D1的阴极分别与续流二极管D2的阳极、谐振电容的正极相连；续流二极管D2的阴极分别与续流二极管D4的阴极、输出滤波电容C3的负极相连；续流电感L3与输出滤波电容C2的正极相连，均压电阻RC1并联在输出滤波电容C本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于低地板有轨电车辅助变流器轻量化设计方法，其特征在于，含有以下步骤：将设有最小电压应力谐振单元的最小电压应力Buck变换器、LLC定频谐振变换器和分裂电容三相逆变器依次串联作为辅助逆变器，充电机设有DC/DC倍流整流变换器，所述DC/DC倍流整流变换器与所述最小电压应力Buck变换器的输出端相连；确定最小电压应力Buck变换器的谐振电感L2、谐振电容Cr、谐振电容Cs和最小输出电流Io,min；明确LLC定频谐振变换器设计的限制条件，选定励磁电感Lm的取值，计算出LLC定频谐振变换器中的隔直电容Cb、变压器原边漏感Lk以及谐振腔谐振频率fr，并验证LLC定频谐振变换器是否满足下述验证条件：(1)是否满足变压器原边开关管的零电压导通实现条件

【技术特征摘要】
1.一种用于低地板有轨电车辅助变流器轻量化设计方法，其特征在于，含有以下步骤：将设有最小电压应力谐振单元的最小电压应力Buck变换器、LLC定频谐振变换器和分裂电容三相逆变器依次串联作为辅助逆变器，充电机设有DC/DC倍流整流变换器，所述DC/DC倍流整流变换器与所述最小电压应力Buck变换器的输出端相连；确定最小电压应力Buck变换器的谐振电感L2、谐振电容Cr、谐振电容Cs和最小输出电流Io,min；明确LLC定频谐振变换器设计的限制条件，选定励磁电感Lm的取值，计算出LLC定频谐振变换器中的隔直电容Cb、变压器原边漏感Lk以及谐振腔谐振频率fr，并验证LLC定频谐振变换器是否满足下述验证条件：(1)是否满足变压器原边开关管的零电压导通实现条件式中，Zin为输入阻抗，Cres为IGBT并联寄生电容，Tr为谐振腔谐振周期，即Uin_min为输入电压最小值，Pin_max为输入功率最大值；(2)LLC定频谐振变换器的品质因数Q是否满足条件式中，Lrs为励磁电感Lm与原边漏感Lk的比值，即frs为谐振腔谐振频率fr与开关频率fs比值；(3)死区时间内变压器原边电流是否反向；(4)输入阻抗是否呈感性，并留有角度裕量；若上述四个验证条件不能同时满足，则需要重新选定励磁电感值Lm进行核算直至同时满足上述四个验证条件；在分裂电容三相逆变器中引入中线电感Ln，中线电感Ln的负极与三相输出滤波电容的公共端相连，中线电感Ln的正极与两个输入分裂电容之间的中间点相连，三相负载不平衡时，通过引入中心电感Ln消除中性点电位uN的正弦扰动。2.如权利要求1所述的用于低地板有轨电车辅助变流器轻量化设计方法，其特征在于，确定最小电压应力Buck变换器的谐振电感L2、谐振电容Cr、谐振电容Cs和最小输出电流Io,min的具体步骤为：谐振电感L2的电感值选取应满足下述条件：式中，tr为开关管S1的电流上升时间，trr为续流二极管D4的反向恢复时间，io,peak为输出电流峰值，Ui为输入电压；谐振电容Cr和谐振电容Cs的选取包括以下步骤：(a)任取带入公式(2)，求得条件下的最小输出电流Io,min，公式(2)表示为：式中，tr-off,max为在满足软斩波运行条件下的最大谐振关断时间，由设计者给出；(b)将步骤(a)中的值和所求的最小输出电流Io,min带入公式(3)求得谐振电容Cr，公式(3)表示为：式中，ω为(c)用公式(4)验证步骤(b)中求得的谐振电容Cr，公式(4)表示为：式中，tf为开关管S1的电流下降时间；(d)若步骤(c)中的条件不满足，则重复步骤(a)-(c)，直至满足步骤(c)中的条件，若步骤(c)中的条件满足，则选定谐振电容Cr的电容值，选定时，应大于理论值，谐振电容Cs的电容值用公式(5)求取，公式(5)表示为：3.如权利要求2所述的用于低地板有轨电车辅助变流器轻量化设计方法，其特征在于，LLC定频谐振变换器的设计限制条件为：LLC谐振腔输入阻抗必须呈现感性，即Angle(Zin)>0；LLC定频谐振变换器的品质因数Q小于0.005，以保证LLC定频谐振变换器工作于感性II区；LLC定频谐振变换器的死区时间大于结电容放电时间，同时小于结电容放电时间与励磁电流谐振到零时间之和。4.如权利要求3所述的用于低地板有轨电车辅助变流器轻量化设计方法，其特征在于，选定励磁电感Lm的取值，计算出LLC定频谐振变换器中的隔直电容Cb、变压器原边漏感Lk以及谐振腔谐振频率fr的具体步骤为：定义励磁电感Lm的取值范围为0.7mH≤Lm≤2mH，初步选定励磁电感Lm的取值；通过下述公式(6)、(7)分别计算结电容放电时间T1和励磁电流谐振到零时间Tm：Tm＝tan-1(n2×R/2πfrfrsLm)/π×Tr/2(7)式中，n为变压器匝比，R为变压器原边等效阻抗；死区时间tdead≥T1，按照下述公式(8)计算电流角度式中，Uo为LLC定频谐振变换器输出电压，Io为LLC定频谐振变换器输出电流；保证LLC定频谐振变换器工作在感性II区，应满足以下限制：计算出LLC定频谐振变换器中的隔直电容Cb、变压器原边漏感Lk以及谐振腔谐振频率fr。5.如权利要求4所述的用于低地板有轨电车辅助变流器轻量化设计方法，其特征在于，三相负载平衡时，中性点电位uN为：式中，u...

【专利技术属性】
技术研发人员：李骄松，夏猛，马法运，毕京斌，田以涛，
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