一种分段控制的四象限变流器制造技术

本发明专利技术属于机车/动车应用领域，具体涉及一种分段控制的四象限变流器。本发明专利技术通过对四象限母线电压进行分段设计，在机车/动车的全速度范围内具有较高的中间母线电压利用率，逆变器输出电流具有较低的谐波含量，具有良好的谐波特性，降低电机在低速段的温升和损耗，还实现了逆变器在低速段具有较好的控制裕量，使得逆变器具有更高的控制性能，使得整车更加节能、高效，同时提高了系统稳定性和可靠性。同时提高了系统稳定性和可靠性。同时提高了系统稳定性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种分段控制的四象限变流器


[0001]本专利技术属于机车/动车应用领域，具体涉及一种具有分段控制功能的四象限变流器组成的牵引电传动系统。

技术介绍

[0002]四象限变流器因具有功率双向流动的特点，在轨道交通领域是交流电传动系统的核心部件，其主要完成交直、直交电能变换。逆变器主要完成对电机的驱动，控制电机按照预设方式进行转动。机车/动车在牵引工况下，四象限变流器将弓网交流电转换为直流电提供给逆变器为牵引电机提供能量；机车在制动工况下，四象限变流器将制动产生的直流电转换为交流电，传递至弓网侧。机车在全速度范围内，电机温升是一种重要的考核项点，在电机的额定考核点处，逆变器输出的电流谐波要求越小越好。传统的方法主要通过提高开关频率的方式进行，但开关频率的提升给散热系统增加了负担，造成对散热裕量的降低和设备成本的提高。现有技术中，通常采用直流输出电压等级固定四象限变流技术，该技术方案四象限输出电压等级单一，逆变器在启动阶段输出电压较低，控制中脉冲宽度较窄，控制难度相对较大而在这个阶段不需要四象限输出较高电压，只需要满足逆变器最优控制输出即可。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题如下：1．满足电机侧对不同中间母线电压的供电等级要求；2. 实现逆变器对直流母线电压的最优利用率，且输出电流具有较小的电流谐波；3. 实现逆变器在低速段具有较好的控制裕量，使得逆变器具有更高的控制性能。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提拱了如下技术方案：一种分段控制的四象限变流器，针对机车电传动系统，采用四象限变流器母线电压分段控制方法，使得四象限变流器在整车全速度范围内具有不同的中间母线电压等级；（如图1）机车电传动系统主电路拓扑结构主要由四象限、中间电压、逆变器、牵引电机四部分构成；四象限主要功能是在牵引工况下，从电网吸收能量，将交流电转换为不同电压等级的直流电；在制动工况下，将电机侧能量转换为交流电，传递至供电网；中间电压主要功能是对直流电的存储和滤波，将四象限或者逆变器能量存储，实现能量的传递；逆变器主要功能是为电机提供能量，实现电机的转动；牵引电机是将电能转换为机械能给机车/动车提供动力；永磁牵引电机与逆变器连接处有断路器进行隔离；（如图2）电传动系统控制匹配整体方案图中有三个坐标轴，分别为车速轴、母线电压轴、电机电压/功率轴；车速轴表示机车/动车车速，用V1....V7表示；母线电压轴表示四象限输出电压等级，用U
dc1
...U
dc3
表示；电机电压/功率轴表示电机输入电压和功率关系，V
电机
为电机电压，P
电机
为电机功率；电机电压和功率曲线是电机设计的本身属性，电机设计成型后属于不可改变量。
图中可知车速0~V3范围内，电机功率提升，称之为电机升功率区；在车速V3至V7范围内，电机功率P
电机
达到定值，V3至V7速度段称为牵引电机的恒功率区；而电机电压在车速V6时，达到最大值，将V3至V6速度段称之为牵引电机的升压恒功区；永磁牵引电机控制分为控制算法和调制算法两部分，两者在控制上相互耦合且均与车速（电机转速）强相关；永磁牵引电机控制算法分为MTPA控制和弱磁控制两部分，调制算法分为异步调制、同步调制和方波调制三部分；首先对牵引逆变器的控制和调制进行设计，控制算法和调制算法强耦合点在车速V5、V6处，为保证控制算法和调制算法均具有较好的动态性能和切换稳定性，首先进行调制切换，然后进行控制切换，即牵引工况下，调制切换发生在控制切换前完成；依据逆变器的开关频率和车速，将控制方式切换点选择在V6处，切换滞环环宽为
±
Mkm/h；将异步调制和同步调制的切换点选择在V2处，将同步调制和方波调制切换点选择在V5处，切换滞环环宽均为
±
Nkm/h；其中M、N根据不同的车型和电机进行选择；接着对四象限母线电压进行分段设计，因牵引电机的控制切换和调制切换均对电机控制稳定性和动态性能均有影响，所以在对四象限进行分段设计时有3种方式，第一种方式为重点考虑逆变器控制算法切换带来的影响进行设计；第二种方式为重点考虑逆变器调制切换算法切换带来的影响进行设计；第三种为考虑控制算法切换和调制算法切换带来的综合影响进行设计；方式一，重点关注逆变器控制切换的影响指标，进行中间电压母线分段设计时，将所有分段切换设计在MTPA控制阶段，即母线的分段抬升至最高电压U
dc3
时，逆变器的控制策略全部在MTPA控制下完成；在0~V1段，母线电压设计值为U
dc1
，V1~V5段，以k0的斜率将母线电压提升至U
dc3
，即母线设计为U
dc1
、U
dc3
两个电压等级；方式二，重点关注逆变器调制切换的影响，进行中间母线电压分段设计时，按照避开调制切换点的原则进行，即所有母线分段点均在逆变器工作在一种调制方式下完成。在0~V3’
段，母线电压设计值为U
dc1
’
，V3’
~V5段，以k3的斜率将母线电压提升至U
dc3
，即母线设计为U
dc1
’
、U
dc3
两个电压等级，其中U
dc1
’
大于U
dc1
；方式三，综合考虑逆变器控制切换和调制切换的影响，进行中间母线电压分段设计时，采用三段式和避开所有切换点原则进行。在0~V1段，母线电压设计值为U
dc1
，V1~V2段，以k1的斜率将母线电压提升至U
dc2
并保持至V4车速；V4~V5段，以k1的斜率将母线电压提升至最大母线电压U
dc3
并保持至车速V7。
[0005]综上所述，方式一、方式二均采用了两段式母线控制方式，分段级数较少，较为稳定可靠，但两种方式考虑因素均过于单一，方式一升压段在V1~V5速度段，升压区间过长，对四象限控制稳定性具有一定的影响；方式二中的初始电压U
dc1
’
大于U
dc1
，在0~V3’
速度段，母线电压利用率低于方式一，逆变器输出电流谐波含量与方式一相比相对较大。三种方式下的母线电压抬升斜率关系为：k1>k3>k0。
[0006]通过对上述三种方式进行比较，方式三是一种比较理想的母线电压分段设计方式。在全速度范围内均具有较高的母线电压利用率且所有母线变化段均在一种控制方式和一种调制方式下完成，具有较高的动态响应和稳态精度，系统的可靠性较高。
[0007]本专利技术技术方案带来的有益效果:本专利技术通过对四象限母线电压进行分段设计，在机车/动车的全速度范围内具有
较高的中间母线电压利用率，逆变器输出电流具有较低的谐波含量，具有良好的谐波特性，降低电机在低速段的温升和损耗，使得整车更加节能、高效，同时提高系统稳定性和可靠性。
附图说明
[0008]图1机车/动车电传动系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分段控制的四象限变流器，针对机车电传动系统，采用四象限变流器母线电压分段控制方法，使得四象限变流器在整车全速度范围内具有不同的中间母线电压等级；机车电传动系统主电路拓扑结构包括四象限、中间电压、逆变器、牵引电机；在机车电传动系统控制匹配整体方案图中，有三个坐标轴，分别为车速轴、母线电压轴、电机电压/功率轴；车速轴表示机车/动车车速，用V1....V7表示；母线电压轴表示四象限输出电压等级，用U
dc1
...U
dc3
表示；电机电压/功率轴表示电机输入电压和功率关系，V
电机
为电机电压，P
电机
为电机功率；车速0~V3范围内，电机功率提升，称之为电机升功率区；在车速V3至V7范围内，电机功率P
电机
达到定值，V3至V7速度段称为牵引电机的恒功率区；而电机电压在车速V6时，达到最大值，将V3至V6速度段称之为牵引电机的升压恒功区；其特征在于，永磁牵引电机控制分为控制算法和调制算法两部分，两者在控制上相互耦合且均与车速强相关；永磁牵引电机控制算法分为MTPA控制和弱磁控制两部分，调制算法分为异步调制、同步调制和方波调制三部分；四象限变流器母线电压分段控制方法中，先对牵引逆变器的控制算法和调制算法进行设计，控制算法和调制算法强耦合点在车速V5、V6处，并首先进行调制切换，然后进行控制切换，即牵引工况下，调制切换发生在控制切换前完成；依据逆变器的开关频率和车速，将控制方式切换点选择在V6处，切换滞环环宽为
±
Mkm/h；将异步调制和同步调制的切换点选择在V2处，将同步调制和方波调制切换点选择在V5处，切换滞环环宽均为
±
Nkm/h；接着对四象限母线电压进行分段设计，包括三种方式：方式一，将所有分段切换设计在MTPA控制阶段，即母线的分段抬升至最高电压U
dc3
时，逆变器的控制策略全部在MTPA控制下完成；在0~V1段，母线电压设计值为U
dc1
，V1~V5段，以k0的斜率将母线电压提升至U
dc3
，即母线设计为U
dc1
、U
dc3
两个电压等级；方式二，所有母线分段点均在逆变器工作在一种调制方式下完成；在0~V3’
段，母线电压设计值为U
dc1
’
，V3’
~V5段，以k3的斜率将母线电压提升至U
dc3
，即母线设计为U
dc1
’
、U
dc3
两个电压等级，其中U
dc1
’
大于U
dc1
；方式三，采用三段式和避开所有切换点原则进行；在0~V1段...

【专利技术属性】
技术研发人员：于森林，路瑶，郑慧丽，詹哲军，
申请(专利权)人：中车永济电机有限公司，
类型：发明
国别省市：