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[導讀]針對HXD3型電力機車的主傳動和輔助傳動系統(tǒng)采用了交流傳動技術,通過介紹HXD3型電力機車牽引變流器的工作原理,對HXD3型電力機車的主傳動系統(tǒng)進行了仿真分析,仿真結果表明基于交-直-交傳動方式的牽引變流器應用于機車時具有良好的牽引特性,功率因數(shù)高,且諧波干擾小。

直流牽引電機在調速時由于換向器的存在,從而限制了其功率和容量,難以滿足電力機車高速及重載的要求。交流牽引電機沒有換向器和帶絕緣的繞組,因而結構簡單,運

行可靠,單機功率大,容量可達1 600 kW。機車的傳動系統(tǒng)有直流傳動升級為交流傳動,符合鐵路提速的要求和重載牽引的需要,也是機車電傳動的主要發(fā)展形式。

1 HXD3型電力機車牽引特性

HXD3型電力機車采用恒牽引力與準恒速特性控制。短暫的恒牽引力控制可以獲得很大的啟動牽引力。準恒速控制將使機車牽引力按照恒速關系(線性關系)下降。當機車速度達到持續(xù)速度時,進入恒功率控制階段,恒功率區(qū)位于機車運行的高速度段,可以充分發(fā)揮機車在高速段的牽引能力。

2 HXD3型電力機車牽引變流器

牽引變流器是機車交流傳動系統(tǒng)的核心,為交流牽引電機提供VVVF三相交流電源。在交-直-交傳動系統(tǒng)中,牽引變流器主要由四象限脈沖整流器(40C)、直流中間環(huán)節(jié)(DC—Link)和逆變器(PWM)組成。典型的兩電平牽引變流器電路如圖1所示。

 


 

電源側變流器采用四象限脈沖整流器,構成交-直變換部分,通過PWM斬波控制方式,有利于提高機車功率因數(shù),降低諧波干擾。

中間直流環(huán)節(jié)為支撐電容和二次濾波環(huán)節(jié)。電壓型變流器轉矩脈動小,對電網的反作用力小,適合于大功率的干線機車。因此干線交流傳動電力機車普遍采用這種系統(tǒng)。

電動機側采用三相PWM逆變器,形成直-交變換部分。

3 HXD3型電力機車牽引變流器數(shù)學建模

1)HXD3型機車四象限整流器仿真電路

額定輸入電壓:Ud=1 450 VAC,輸入功率:50 Hz,輸出直流電壓:2 800 V,變壓器漏感:LN=3 mH,二次濾波系數(shù):C2=3mF,L2=0.84 mH,支撐電容器:Cd=8 mH。采用230bt算法,瞬態(tài)直流控制策略。

HXD3型機車四象限整流器仿真電路,如圖2所示,仿真系統(tǒng)中包括了3個模塊。模塊一是電壓外環(huán)控制器,為恒電壓控制器,一般采用PI控制器。模塊二是瞬態(tài)電流內環(huán)控制器,使系統(tǒng)動態(tài)響應好,對參數(shù)變化能很快做出調整。PWM模塊是PWM信號發(fā)生器,由三角波和調制波進行比較產生。

 


 

2)兩電平逆變器PWM數(shù)學建模

SVPWM逆變器數(shù)學模型采用開環(huán)控制,如圖3所示。三相逆變器輸入額定直流電壓Udc=2 800V,SVPWM開關周期Ts=0.000 2 s,輸入三相正弦電壓Ua、Ub、Uc幅值為100 V。

4 HXD3型電力機車交流傳動系統(tǒng)仿真

1)四象限整流器仿真分析

從仿真圖4中可看出整流器輸出額定電壓為2 800 A,基本上滿足HXD3型機車的四象限整流器額定工作的需求。并且通過瞬態(tài)直流控制策略,通過調整參考直流電壓,可以實現(xiàn)調整輸出電壓以及電流的目的。

 


 

從仿真圖5中可看出四象限整流器直流側的輸出電壓含有很多低次及高次諧波。

 

 

低次諧波的產生機理,直流側輸出電壓含有2倍電網頻率的紋波,得到的網側電流整定值,其中必然含有3次諧波。實際網側電流跟蹤給定的網側電流,則最終實際網側電流就會出現(xiàn)較大的3次諧波,依次類推,其中必然產生7、9、11等奇次諧波。

高次諧波的產生機理,由于開關頻率遠遠高于調制波頻率,網側電流在一個開關周期內變化為5次,電流只含有奇次諧波。由于載波比N=25,則高次諧波主要分布在43、45、47、49次等。圖5驗證了上述分析的正確性。

2)兩電平逆變器SVPWM仿真分析

本仿真采取了頻率為6 000 Hz的三角波,如圖6所示。在頻譜中可看出諧波主要分布在整倍數(shù)的載波頻率附近。圖形中所含有的主要諧波頻率要比基波頻率高得多,很容易濾除。

 

 

載波頻率越高,波形中諧波頻率就越高,所需濾波器的體積就越小。因此想要消除高次諧波的影響,只需提高載波頻率就可以通過濾波器進行濾波。

5 結論

本文重點介紹了HXD3型電力機車交流傳動系統(tǒng),即牽引變流器部分。通過對四象限整流器及逆變器進行的仿真分析,與HXD3型機車實際運行狀態(tài)下的參數(shù)對比,得出了兩電平牽引變流器輸出線電壓的諧波主要分布在整倍數(shù)的載波頻率附近,同時驗證了四象限整流器除2倍工頻僅含奇次諧波,而逆變器中僅含有高次諧波,同時得出通過提高載波頻率可以更加容易的濾除該部分的諧波。

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