電力機(jī)車(chē)輔助變流器PWM整流器的控制與技術(shù)分析

劉文莉

摘要：現(xiàn)階段，技術(shù)發(fā)展迅速，相關(guān)的交通運(yùn)輸中各類技術(shù)應(yīng)用發(fā)展，促進(jìn)了交通智能化的逐步實(shí)現(xiàn)。隨著大眾對(duì)于出行的要求不斷提升，需要現(xiàn)代鐵路交通進(jìn)一步嚴(yán)格要求，不斷促進(jìn)自身各方面性能和服務(wù)能力的提升。就電力機(jī)車(chē)輔助變流器而言，在整流部分主要應(yīng)用的是PWM整流器，借助這樣的整流器實(shí)施整流控制，能夠有效降低電網(wǎng)的諧波污染，緩解功率因素不足的問(wèn)題。對(duì)此，需要根據(jù)不同情況，合理選擇控制方案，保證控制效果。本文主要基于電力機(jī)車(chē)輔助變流器PWM整流器進(jìn)行分析，分析機(jī)車(chē)輔助變流器發(fā)展概況，介紹電動(dòng)機(jī)車(chē)輔助變流器PWM整流器類型，探究電力機(jī)車(chē)輔助變流器PWM整流器的控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：電力機(jī)車(chē);輔助變流器;PWM整流器;控制技術(shù)

Abstract： At this stage， technology is developing rapidly. In the relevant transportation， the development of various technology applications has promoted the gradual realization of transportation intelligence. As the public's requirements for travel continue to increase， modern railway transportation is required to be more stringent and continue to promote its own performance and service capabilities. As far as the auxiliary converters of electric locomotives are concerned， the main application in the rectification part is the PWM rectifier. With such a rectifier， the rectification control can effectively reduce the harmonic pollution of the power grid and alleviate the problem of insufficient power factor. In this regard， it is necessary to reasonably select the control scheme according to different situations to ensure the control effect. This article mainly analyzes the PWM rectifier of the auxiliary converter of the electric locomotive and the development of the auxiliary converter of the locomotive， introduces the type of the PWM rectifier of the auxiliary converter of the electric locomotive， and explores the control technology.

Key words： electric locomotive;auxiliary converter;PWM rectifier;control technology

0? 引言

經(jīng)過(guò)幾十年的研究與發(fā)展，PWM整流器技術(shù)已日趨成熟。根據(jù)其能量是否可雙向流動(dòng)從而派生出可逆PWM整流器和不可逆PWM整流器;而其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從最初的單向、三相電路發(fā)展到多相組合以及多電平拓?fù)潆娐?在控制開(kāi)關(guān)方面，軟開(kāi)關(guān)調(diào)制逐漸開(kāi)始代替單純的硬開(kāi)關(guān)調(diào)制;其功率等級(jí)從千瓦級(jí)發(fā)展到兆瓦級(jí)。研究電力機(jī)車(chē)輔助變流器PWM整流器控制，對(duì)于促進(jìn)相關(guān)電力機(jī)車(chē)控制效果提升，促進(jìn)電力機(jī)車(chē)性能改善具有重要意義。

1? 機(jī)車(chē)輔助變流器發(fā)展概述

作為機(jī)車(chē)系統(tǒng)的重要組成部分，機(jī)車(chē)輔助系統(tǒng)中包含了通風(fēng)、冷卻系統(tǒng)、壓縮機(jī)、空調(diào)等設(shè)備，機(jī)車(chē)輔助系統(tǒng)的作用是為機(jī)車(chē)牽引以及制定提供有效保障，機(jī)車(chē)輔助系統(tǒng)的質(zhì)量對(duì)于機(jī)車(chē)的有效運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生較大的影響。傳統(tǒng)的電力機(jī)車(chē)輔助系統(tǒng)一般應(yīng)用的是電動(dòng)發(fā)電機(jī)組或者是劈相機(jī)供電模式，主要應(yīng)用在交直流傳動(dòng)機(jī)車(chē)中，這些技術(shù)系統(tǒng)相對(duì)成熟，不過(guò)整體的體積大、重量重，使用中的噪音也比較大，具體的系統(tǒng)維護(hù)工作量也很大，很難實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。針對(duì)角質(zhì)傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)的機(jī)車(chē)輔助變流器應(yīng)用，更多的是使用劈相機(jī)購(gòu)電輔助，這種輔助系統(tǒng)的問(wèn)題在于三相輸出電壓不平衡且隨著輸入電壓不斷變化，這對(duì)于輔助電機(jī)是不利的。而輔助變流器供電模式中，應(yīng)用交直交型交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)以及部分交直型機(jī)車(chē)，這類機(jī)車(chē)使用交流傳動(dòng)模式輔助系統(tǒng)，在相應(yīng)輔助系統(tǒng)中，包含三相輸出電壓，具體的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)突出，能夠發(fā)揮節(jié)能降噪的效果，且系統(tǒng)的維護(hù)工作量不斷，系統(tǒng)的總體重量輕。目前輔助交流器在很多國(guó)家的發(fā)展應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，且發(fā)展也初具規(guī)模。

2? 電動(dòng)機(jī)車(chē)輔助交流器PWM整流器類型

就PWM整流器而言，又可稱為升壓整流器或者是四象限整流器。在相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展的情況下，和PWM整流器相關(guān)的技術(shù)也得到了快速發(fā)展，促使交流側(cè)電流波形正弦化能夠?qū)崿F(xiàn)，假設(shè)相應(yīng)功率影響因素恒定時(shí)，能夠?qū)τ谀芰康牧鲃?dòng)方向?qū)崿F(xiàn)有效控制，保證節(jié)能目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

目前，對(duì)于PWM整流器的研究還在進(jìn)一步開(kāi)展中，相應(yīng)的四象限整流器的品種也越來(lái)越多樣化，相應(yīng)的整流器產(chǎn)品不斷推出。在實(shí)際的劃分中，按照相應(yīng)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)⑾嚓P(guān)部門(mén)劃分為多種，例如，可以按照整流后的直流側(cè)儲(chǔ)能模式差異實(shí)施類型劃分，這樣就可以氛圍電壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及電流型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如果是分句拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行劃分，可以分為半橋結(jié)構(gòu)以及全橋結(jié)構(gòu);要是根據(jù)網(wǎng)測(cè)交流電源電壓相數(shù)分類，可以分為單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);要是根據(jù)電平調(diào)制，可以按照兩電平、三電平以及多電平類型劃分。綜上所述，目前市場(chǎng)中PWM整流器在種類以及分類方式上都具有多樣性，但在實(shí)際的應(yīng)用中，需要按照各自的特點(diǎn)，基于主電路結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行劃分，這樣就可以獲得電壓型以及電流型整流器類型。

3? 電動(dòng)機(jī)車(chē)輔助變流器PWM整流器控制措施

通常來(lái)說(shuō)，電力機(jī)車(chē)輔助變流器是單相供電模式，在主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，整流器則是核心部件。所以，要確?？刂拼胧┑暮侠硇赃x擇，才能夠滿足單位功率因數(shù)需要，保證電流波形趨于正弦波發(fā)展，這樣才能夠避免造成環(huán)境干擾。此外，在網(wǎng)壓以及輸出負(fù)載特性變化的情況下，保證整流器的穩(wěn)壓型，確保相關(guān)直流側(cè)電壓以及網(wǎng)側(cè)電流的穩(wěn)定性，PWM整流器的具體控制方案也有多種選擇，常用的控制措施包含間接電流法、直接電流法以及預(yù)測(cè)電流法等。

3.1 間接電流控制

就這一電流控制模式來(lái)看，這里的主要思想是保證整流器輸入電壓和網(wǎng)測(cè)電壓幅值、相位等結(jié)合起來(lái)，這樣才能夠確保電流控制，在電動(dòng)機(jī)車(chē)輔助變流器的PWM整流器控制措施中，間接電流法來(lái)實(shí)施控制的積極作用主要包含以下幾點(diǎn)：第一，這種控制無(wú)需實(shí)施電流采樣;第二，具體的控制成本比較低;第三，相關(guān)控制操作簡(jiǎn)單，便于操作使用;第四，能夠確保良好的靜態(tài)特征。

這種控制模式也有相應(yīng)的缺陷，這種控制模式忽視了暫態(tài)過(guò)程中狀態(tài)量的影響因素，這樣會(huì)造成電流超調(diào)量將近一倍，導(dǎo)致電流不穩(wěn)定，甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重的振蕩，與此同時(shí)，還可能導(dǎo)致相應(yīng)的響應(yīng)過(guò)程更加緩慢。對(duì)此，應(yīng)該添加電流微分，對(duì)于相應(yīng)的反饋措施進(jìn)行調(diào)整和完善，還可以嘗試通過(guò)應(yīng)用串聯(lián)模式來(lái)增加補(bǔ)償器，確保響應(yīng)問(wèn)題得到有效解決。

總體來(lái)看，因?yàn)檫@種控制模式的優(yōu)缺點(diǎn)，導(dǎo)致其在一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用并不是十分適合，因此這種控制模式更多的是應(yīng)用在簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)中，且在時(shí)間推移的情況下，相應(yīng)控制方式也逐漸被直流控制模式取代。

3.2 直流電流控制

直流電流法的控制原理實(shí)際上就是首先實(shí)現(xiàn)對(duì)于一個(gè)確定信號(hào)的設(shè)定，再直接控制網(wǎng)側(cè)電流，確保其跟蹤給定信號(hào)的一種控制方案。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要進(jìn)行電流值的采樣，進(jìn)行電流控制環(huán)設(shè)置，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于給定電流值的跟隨，實(shí)現(xiàn)理想的動(dòng)態(tài)特征。在目前應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)車(chē)輔助變流器中，PWM整流器控制措施是電流電壓雙閉環(huán)控制措施，借助對(duì)于電壓外環(huán)控制器輸出進(jìn)行應(yīng)用，將這里的輸出的電壓作為電流內(nèi)環(huán)給定指令，因?yàn)殡娏鲀?nèi)環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電流控制，達(dá)到對(duì)于給定信號(hào)的有效跟蹤效果，這種跟蹤的整體速度快。

相對(duì)于間接電流控制來(lái)說(shuō)，這一電流控制的最大區(qū)分是網(wǎng)測(cè)沒(méi)有電流閉環(huán)控制的引入，整流器的整體電流動(dòng)靜態(tài)性能能夠獲得顯著提升。所以，相對(duì)于間接電流控制模式來(lái)說(shuō)，直接電流控制的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)突出，在具體的應(yīng)用中，相應(yīng)的電壓型整流器直接電流控制措施應(yīng)用也逐漸拓展。

就目前在電力機(jī)車(chē)輔助變流器整流器應(yīng)用中，應(yīng)用最多的直接電流控制措施包含以下兩種：

第一種是固定開(kāi)關(guān)頻率PWM電流控制，這種控制措施主要是PWM載波頻率保持固定不變，將電流偏差量當(dāng)做調(diào)制波的具體控制措施。總體來(lái)看，這種控制方法會(huì)更加簡(jiǎn)單，操作也很便利，且很容易實(shí)現(xiàn)。此外，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率是固定狀態(tài)，所以能夠有效降低網(wǎng)測(cè)濾波電感設(shè)計(jì)困難，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于功率開(kāi)關(guān)損害的有效抑制。不過(guò)，這種控制措施的不足在于電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度很慢，且在電流動(dòng)態(tài)變化情況下，相應(yīng)的偏差會(huì)隨著電流變化不斷變化。

第二種是滯環(huán)電流控制措施。這種控制措施實(shí)際上是瞬時(shí)電流反饋控制方案，在電壓型整流以及相關(guān)逆變控制中應(yīng)用比較多。這種控制措施能夠?qū)τ谙嚓P(guān)的采樣交流信號(hào)以及給定值信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，再對(duì)兩者偏差進(jìn)行輸入，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)相關(guān)開(kāi)關(guān)的控制。這一控制措施的優(yōu)勢(shì)是具體的控制結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快。不過(guò)，不足的是，滯環(huán)電流法在相應(yīng)工頻周期中開(kāi)關(guān)頻率是在不斷變化的，這樣就導(dǎo)致電流諧波在相應(yīng)頻率上的分布顯得十分分散，這樣對(duì)于濾波器的設(shè)計(jì)難度會(huì)加大。

4? 總結(jié)

根據(jù)上述分析，電動(dòng)機(jī)車(chē)輔助變流器是電力機(jī)車(chē)中的重要組成結(jié)構(gòu)，作用重大。為使PWM整流電路獲得輸入電流正弦且和輸入電壓同相位的控制效果，根據(jù)有無(wú)電流反饋可將控制方式分兩種：間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制沒(méi)有引入電流反饋，其動(dòng)態(tài)特性差，較少應(yīng)用。直接電流反饋則通過(guò)運(yùn)算求出交流輸入電流參考值，再采用交流電流反饋來(lái)直接控制輸入電流，使其跟蹤參考值，獲得期望的輸入特性。輔助變流器的實(shí)際性能、工作狀態(tài)，均對(duì)牽引變流器電路工作狀態(tài)產(chǎn)生直接的影響，同時(shí)，對(duì)于穩(wěn)定電力機(jī)車(chē)系統(tǒng)，促進(jìn)安全運(yùn)行方面也具有重要影響。所以，應(yīng)該要針對(duì)電力機(jī)車(chē)輔助變流器進(jìn)行有效控制，在滿足相關(guān)電力機(jī)車(chē)基本運(yùn)行需要的情況下，保證整體設(shè)計(jì)模塊簡(jiǎn)化，有效降低電力機(jī)車(chē)運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電力機(jī)車(chē)輔助系統(tǒng)整體性能優(yōu)化。

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