畢業(yè)論文-一種基于全功率器件的多流制牽引傳動(dòng)系統(tǒng)

第頁第一章緒論 1.1課題背景近年隨著我國(guó)電氣化鐵道技術(shù)不斷向重載和高速的方向發(fā)展，我國(guó)電氣化鐵道技術(shù)的進(jìn)步，尤其是我國(guó)的高鐵技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)得到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。中國(guó)南車和中國(guó)北車是我國(guó)目前電力機(jī)車最主要的生產(chǎn)制造商，它們研發(fā)的高速、高性能的電力機(jī)車已經(jīng)完全能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求。但是我國(guó)生產(chǎn)的電力機(jī)車僅滿足國(guó)內(nèi)高速鐵路發(fā)展的需求，這必將嚴(yán)重限制了企業(yè)的健康和快速發(fā)展。一直以來我國(guó)的電力牽引機(jī)車主要以25kV/50Hz的交流進(jìn)行供電。正因此原因，我國(guó)所研發(fā)的重載和高速電力機(jī)車大多適用于交流供電制式下。但是在拓展世界市場(chǎng)的過程中發(fā)現(xiàn)：由于不同國(guó)家因發(fā)展過程的不同、供電電壓和頻率不同、傳統(tǒng)供電模式依舊存在等多種原因，造成了不同國(guó)家電力機(jī)車的牽引供電制式存在較大的差異。1.2國(guó)內(nèi)外電力機(jī)車研究狀況1.2.1國(guó)外電力牽引傳動(dòng)機(jī)車的發(fā)展縱觀世界各地鐵路的電力牽引發(fā)展，1891年最先由德國(guó)Siemens公司生產(chǎn)制造了第一臺(tái)試驗(yàn)列車，其牽引傳動(dòng)系統(tǒng)采取的是異步牽引電動(dòng)機(jī)利用550v三相交流電源直接供電，通過兩條架空線和一條單獨(dú)的軌道來提供電源；1917年德國(guó)研制了另一種試驗(yàn)列車，它是利用“劈相機(jī)”將單相交流電旋轉(zhuǎn)變換為三相交流電，該階段的一個(gè)重大的進(jìn)步就是開始利用改變定子的頻率來控制電機(jī)。但最終這些技術(shù)都因?yàn)橄到y(tǒng)過于龐大、電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率過低等因素，未能成為牽引傳動(dòng)的主要技術(shù)。1979年，第一批工程化的大功率交流傳動(dòng)機(jī)車研制成功，交流傳動(dòng)技術(shù)便登上歷史的舞臺(tái)。就目前而言，大部分發(fā)達(dá)國(guó)家都已普及交流傳動(dòng)，而直流傳動(dòng)的機(jī)車占有率則越來越低，而且隨著各個(gè)國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)越來越重視，電力機(jī)車也逐漸朝著環(huán)保的方向發(fā)展，諸如日本和美國(guó)便開發(fā)出了油電混合的動(dòng)力機(jī)車，一方面可以減少二氧化碳的排放，一方面也可以降低噪聲，但目前還處于試驗(yàn)階段，并未開始大范圍的普及和應(yīng)用。1.2.2國(guó)內(nèi)電力牽引傳動(dòng)機(jī)車的發(fā)展我國(guó)電力牽引機(jī)車的發(fā)展同樣經(jīng)歷了從直流傳動(dòng)到交流傳動(dòng)的過程。其歷史已經(jīng)有100多年，1914年撫順煤礦是我國(guó)最先采用直流傳動(dòng)的電力機(jī)車，其額定電壓為1.5KV。建國(guó)以前我國(guó)并沒有電氣化鐵路，所以也不存在電力機(jī)車牽引。我國(guó)電力牽引系統(tǒng)的發(fā)展是隨著電傳動(dòng)機(jī)車的發(fā)展而發(fā)展的，是隨著動(dòng)車組和城市軌道交通車輛的發(fā)展而發(fā)展的。我國(guó)的直流傳動(dòng)的發(fā)展經(jīng)歷三代過程，1968年，第一代以大功率二極管為基礎(chǔ)的交直傳動(dòng)電力機(jī)車研制成功，它以SS1型電力機(jī)車為代表，這代表了我國(guó)牽引傳動(dòng)技術(shù)正式進(jìn)入直流傳動(dòng)階段，可控性晶閘管的出現(xiàn)帶動(dòng)了整個(gè)機(jī)車領(lǐng)域的革新。第二代則是1978年研制成功，利用可控性晶閘管技術(shù)和相控?zé)o極調(diào)壓技術(shù)的SS3型電力機(jī)車是我國(guó)第二代電力機(jī)車的代表。它的主電路采用牽引變壓器低壓側(cè)調(diào)壓開關(guān)分級(jí)與晶閘管級(jí)間相控調(diào)壓相結(jié)合的技術(shù)，從而使機(jī)車具有良好的調(diào)速性能。第三代交直傳動(dòng)電力機(jī)車采用了大功率性能優(yōu)良的晶閘管，仍然是相控調(diào)速機(jī)車。20世紀(jì)70年代開始我國(guó)交流牽引技術(shù)的研究開始慢慢起步，從那時(shí)起起中國(guó)鐵路一直進(jìn)行著小功率變流機(jī)組的地面試驗(yàn)研究和大功率的交-直-交電力機(jī)車的研制。1996年研制的采用交流牽引系統(tǒng)的AC4000電力機(jī)車誕生。AC4000電力機(jī)車是中國(guó)第一臺(tái)交流傳動(dòng)電力機(jī)車，它標(biāo)志著我國(guó)電力機(jī)車正式開始從直流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)向交流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的飛躍。2003年，鐵道部按照國(guó)家發(fā)展經(jīng)濟(jì)的需求，提出了跨越式發(fā)展的總體思想，目標(biāo)讓中國(guó)的機(jī)車車輛裝備現(xiàn)代化以及裝備制造業(yè)現(xiàn)代化。交流傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展開始進(jìn)入“快車道”，通過引進(jìn)技術(shù)，消化吸收和再創(chuàng)新的途徑，加速了我國(guó)機(jī)車電傳動(dòng)技術(shù)從直流傳動(dòng)到交流傳動(dòng)的技術(shù)變革。1.3研究目標(biāo)、內(nèi)容與技術(shù)路線 1.3.1研究目標(biāo)研究一種基于全功率器件的多流制牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，通過取消牽引變壓器來降低牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的總重和質(zhì)量，提高牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。1.3.2研究?jī)?nèi)容（1）傳統(tǒng)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的組成部分及其工作原理。（2）新型牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的Matlab/Simulink建模。（3）取消牽引變壓器后的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)電壓波形分析。1.4仿真技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用仿真技術(shù)是一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)，它以系統(tǒng)論、控制論、相似原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以專用設(shè)備和計(jì)算機(jī)為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的設(shè)想來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。例如，汽車或飛機(jī)的駕駛訓(xùn)練模擬器，就是應(yīng)用仿真技術(shù)的成果。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中具有極其重要的地位，工程系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計(jì)離不開前期的模擬仿真。對(duì)于交流傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)一般采用理論、仿真與實(shí)踐的方法。伴隨現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，大功率開關(guān)器件更多的被應(yīng)用，半導(dǎo)體變流技術(shù)也在不斷優(yōu)化，使得交流傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來越深，這給理論的分析和實(shí)驗(yàn)都帶來了不小的困難。而在大功率的系統(tǒng)中，僅僅靠理論分析試驗(yàn)是難以完成的，隨著功率的增加，許多微小的問題都會(huì)放大，既使完成了但要想后期對(duì)其改善，也必將造成研發(fā)周期的加長(zhǎng)，導(dǎo)致研發(fā)投入的重復(fù)浪費(fèi)。研發(fā)缺乏柔性，而計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)卻可以很好的解決這些問題，將實(shí)際可能遇到的問題在仿真分析中模擬，對(duì)實(shí)踐起到指導(dǎo)的作用。不過仿真分析也有其缺點(diǎn)，參數(shù)的獲得和模型建立的精確度制約著仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)于交流傳動(dòng)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)仿真可以先進(jìn)行理論分析建模，然后在建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的研究，然后用仿真的結(jié)果來驗(yàn)證實(shí)際的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，將之與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較，從而優(yōu)化仿真模型，并且最大化的提高仿真精度，這樣就能完成現(xiàn)有的交流傳動(dòng)系統(tǒng)模型仿真，為后期實(shí)際的優(yōu)化和改善提供理論化的指導(dǎo)。對(duì)于新設(shè)計(jì)的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)仿真可以用在理論分析的基礎(chǔ)上來保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理、系統(tǒng)參數(shù)選取的正確、系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的穩(wěn)定，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，并對(duì)系統(tǒng)做出最優(yōu)化設(shè)計(jì)。第二章牽引傳動(dòng)系統(tǒng)概述電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成主要有受電弓、主斷路器、牽引變壓器、牽引變流器和三相交流牽引電動(dòng)機(jī)等部分。列車牽引運(yùn)行時(shí)，其能量變化是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再生制動(dòng)運(yùn)行時(shí)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。2.1電力牽引的特點(diǎn)電力機(jī)車屬非自帶能源式機(jī)車，電力牽引具有一系列內(nèi)燃牽引所不及的優(yōu)越性,表現(xiàn)在以下方面：1、電力機(jī)車的功率大。內(nèi)燃機(jī)車功率受到柴油機(jī)本身容量、尺寸和重量的限制，故機(jī)車功率不能過大。而電力機(jī)車不受上述條件的限制，機(jī)車功率（或單位重量功率）要大得多，目前軸功率已達(dá)1000kW（若交流牽引電動(dòng)機(jī)可達(dá)1600kW）。一臺(tái)電力機(jī)車的牽引能力相當(dāng)于1.5臺(tái)（或更多一些）內(nèi)燃機(jī)車的牽引能力。由于電力機(jī)車功率大、起動(dòng)快、允許速度高，所以能夠多拉快跑，極大地提高了線路的通過能力和輸送能力。

2、電力機(jī)車的效率高。由于電力牽引所需的電能是由發(fā)電廠（或電站）集中產(chǎn)生，因此燃料的利用率要比內(nèi)燃牽引高得多。由火電廠供電的電力牽引的效率高達(dá)

35%，由水電站供電的電力牽引則更高，可達(dá)60%以上。而內(nèi)燃牽引的效率約為25%左右，而且柴油價(jià)格較貴，有燃燒排放污染。

3、電力機(jī)車的過載能力強(qiáng)。

機(jī)車在起動(dòng)列車或牽引列車通過限制坡道時(shí)，其過載能力具有很大

的意義。由于電力機(jī)車的過載能力不會(huì)受到能源供給的限制，而牽引電動(dòng)機(jī)的短時(shí)過載能力總是比較大。因此，電力機(jī)車所需的起動(dòng)加速時(shí)間一般約為內(nèi)燃機(jī)車的1/2，從而能夠提高列車速度。電力機(jī)車的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用較低

（1）功率大、起動(dòng)快、運(yùn)行速度高、過載能力強(qiáng)、可以多拉快跑；

（2）整備距離長(zhǎng)、適合于長(zhǎng)交路，提高了機(jī)車的利用率；

（3）檢修周期長(zhǎng)、日常維護(hù)保養(yǎng)工作量也小。

一般情況下，電力牽引的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用比內(nèi)燃牽引要低15%左右。此外，由于電力機(jī)車運(yùn)行過程中不污染環(huán)境，對(duì)于大型鐵路樞紐站及隧道長(zhǎng)而多的線路而言，其意義重大。2.2電力機(jī)車的傳動(dòng)方式圖2-1牽引傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)易圖軌道交通車輛電力傳動(dòng)的方式按照牽引電動(dòng)機(jī)和接觸網(wǎng)所采用電流制的類型進(jìn)行分類：

（1）直-直流傳動(dòng)；（2）交-直流傳動(dòng)；（3）直-交流傳動(dòng)；（4）交-直-交流傳動(dòng)。2.2.1直-直流傳動(dòng)通過直流的接觸網(wǎng)直接供電，電力機(jī)車一般選擇牽引直流電機(jī)。其中直流電通過直流變換對(duì)牽引直流電機(jī)進(jìn)行供電。圖2-2直-直流傳動(dòng)原理圖2.2.2交-直流傳動(dòng)

通過交流的接觸網(wǎng)供電，電力機(jī)車一般采用牽引直流電機(jī)。其中交流電通過整流器將其變?yōu)橹绷麟?，?duì)直流牽引電機(jī)進(jìn)行供電。圖2-3交-直流傳動(dòng)原理圖2.2.3直-交流傳動(dòng)

通過直流接觸網(wǎng)直接供電，電力機(jī)車采用交流牽引電機(jī)。直流電通過晶閘管或者其他電力電子器件所構(gòu)成的逆變器從而將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺儔汉涂勺冾l的三相交流電，然后向交流牽引電機(jī)進(jìn)行供電。圖2-4直-交流傳動(dòng)原理圖2.2.4交-直-交流傳動(dòng)

通過交流接觸網(wǎng)進(jìn)行供電，電力機(jī)車采用交流牽引電機(jī)。交流電通過整流器整流為直流電，再通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺儔汉涂勺冾l的三相交流電，向交流牽引電機(jī)進(jìn)行供電。圖2-5交-直-交流傳動(dòng)原理圖2.3電力牽引交-直流傳動(dòng)電力機(jī)車的電氣線路根據(jù)它們的作用不同，大致可分為主電路、控制電路和輔助電路三部分。其中起動(dòng)、調(diào)速及制動(dòng)三種運(yùn)行模式是列車運(yùn)行的基本規(guī)律，通過機(jī)車主電路、控制電路以及輔助電路共同作用從而實(shí)現(xiàn)的。我國(guó)為了充分發(fā)揮機(jī)車的功率限度，所以要求機(jī)車不僅能夠不同的線路和負(fù)載條件下改變牽引力，同時(shí)還要求在相同的牽引力下可以得到不一樣的速度。由此可見，電力機(jī)車主電路必須要保證牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都能作獨(dú)立的調(diào)節(jié)，并且需要有寬廣的調(diào)節(jié)范圍。2.3.1牽引電動(dòng)機(jī)及勵(lì)磁方式交-直電力機(jī)車主要采用脈流牽引電動(dòng)機(jī)，一般采用串勵(lì)方式。但由于串勵(lì)電機(jī)的防空轉(zhuǎn)性能不是很好，所以在一些電力機(jī)車上采用復(fù)勵(lì)或他勵(lì)的方式，例如6K機(jī)車采用的復(fù)勵(lì)方式。由于牽引電機(jī)的勵(lì)磁方式不同，這將會(huì)引起主電路的變化。交-直電力機(jī)車的牽引電動(dòng)機(jī)大多采用串勵(lì)方式，所以牽引電機(jī)的正反轉(zhuǎn)主要是通過改變牽引電機(jī)的勵(lì)磁極性來達(dá)到目的。對(duì)于復(fù)勵(lì)電機(jī)，牽引電機(jī)的正反轉(zhuǎn)是通過改變牽引電機(jī)電樞極性來實(shí)現(xiàn)目的。2.3.2調(diào)速方式

不同的調(diào)速方式對(duì)電力機(jī)車的功率因數(shù)、性能以及諧波的干擾都具有非常大的影響。調(diào)速方式必須滿足的要求有：一、不能中斷主電路的供電，而且盡可能的使?fàn)恳ψ兓悠交?，使其沖擊力更小，二、必須有盡可能多的速度運(yùn)行級(jí)別，并且平均地分布在電力機(jī)車的工作速度范圍內(nèi)，所以平滑的無級(jí)調(diào)速是更為理想的調(diào)速方式。

電力機(jī)車通過晶閘管來實(shí)現(xiàn)平滑無級(jí)調(diào)速，不僅能夠使電力機(jī)車的功率平滑地發(fā)生變化，并且囿于晶閘管具備反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，所以當(dāng)電力機(jī)車動(dòng)軸發(fā)生空轉(zhuǎn)的時(shí)候，晶閘管的調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠快速作出響應(yīng)，調(diào)節(jié)電機(jī)的負(fù)載電流，從而使?fàn)恳妱?dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)但不至于發(fā)展。（1）磁場(chǎng)削弱調(diào)速

通過削弱脈流或牽引直流電動(dòng)機(jī)它們的磁場(chǎng)可以更好的提高機(jī)車的速度，從而機(jī)車可以高速運(yùn)行時(shí)更大限度的適用牽引電動(dòng)機(jī)的功率，且不需要加大電動(dòng)機(jī)的容量。適當(dāng)增加一些削磁用的控制設(shè)備，相較為提高機(jī)車速度而增加牽引變壓器

和牽引電機(jī)的容量的方式更加經(jīng)濟(jì)。隨著晶閘管的推廣和應(yīng)用，有些電力機(jī)車采用復(fù)勵(lì)或他勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)，它們具有較好的防空轉(zhuǎn)性能，并且可實(shí)現(xiàn)平滑無級(jí)的磁場(chǎng)削弱。2.3.3電氣制動(dòng)方式

電阻制動(dòng)——通常將所有電動(dòng)機(jī)串勵(lì)繞組串聯(lián)起來接成他勵(lì)，由牽引變壓器供電。

再生制動(dòng)——將電能反饋給電網(wǎng)，可以為運(yùn)行在同一個(gè)區(qū)段的電力機(jī)車進(jìn)行供電使用，一方面經(jīng)濟(jì)效益比較好，一方面可以取消制動(dòng)電阻及其轉(zhuǎn)換開關(guān)，從而簡(jiǎn)化電力機(jī)車的主電路。

2.3.4輔助電路

除了電力機(jī)車主電路之外，保證電力機(jī)車正常運(yùn)行必不可少的部分還包括電力機(jī)車輔助電路：

為了使得機(jī)車的單相電源轉(zhuǎn)換為三相電源，在電力機(jī)車?yán)锏妮o助電路內(nèi)安有靜止模式的三相逆變裝置或旋轉(zhuǎn)模式的異步劈相機(jī)。其中在主電路中，大多數(shù)氣動(dòng)機(jī)械裝置的壓縮機(jī)風(fēng)源以及一些大功率電器設(shè)備的通風(fēng)和冷卻，都需要通過三相異步電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)。2.3.5相控整流電路

整流電路是一種將交流電變換成直流電的電路。整流電路按照其組成的器件可分為：全控、半控和不可控。1）全控整流電路——其中所有的整流元件都可控（SCR、GTR、IGBT、GTO等），它的輸出直流電壓的平均值以及極性都可以通過控制整流元件的導(dǎo)通情況來進(jìn)行調(diào)節(jié)；

2）半控整流電路——通過二極管和可控元件組成，其輸出直流電壓的平均值可以被調(diào)節(jié)，但是電壓極性不能被改變；3）不可控整流電路——通過不可控元件的二極管組成，其輸出直流整流電壓與交流電源電壓值的比值為一個(gè)常數(shù)。2.3.5.1可控整流電路的一般結(jié)構(gòu)

可控整流電路是一種應(yīng)用非常廣泛的電能變換電路，它主要包含晶閘管等可控器件的兩種特性：

（1）可控性：使電路的輸出功率可依從給定的信號(hào)進(jìn)行變化；

（2）單相導(dǎo)電性：使電路的輸出不具有交變的性質(zhì)。圖2-6可控整流電路結(jié)構(gòu)圖2.3.5.2單相橋式全控整流電路圖2-7單相橋式全控整流電路電壓電流波形

（a）單相橋式全控電路；（b）電壓電流波形1）基本概念

（1）控制角α：從晶閘管開始承受正向電壓到被觸發(fā)導(dǎo)通的角度?？刂平铅劣址Q為觸發(fā)滯后角或者觸發(fā)延遲角。

（2）導(dǎo)通角θ：晶閘管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的電角度稱為導(dǎo)通角θ。如

圖（b）中，θ=π-α。

（3）移相控制：通過改變控制角α的大小，即改變觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的相位，這稱作移相。因?yàn)橥ㄟ^移相可以控制輸出整流電壓的大小，因此把通過改變控制角α調(diào)節(jié)輸出電壓的控制方式，稱作移相控制。

（4）移相范圍：控制角α的允許調(diào)節(jié)范圍。當(dāng)α從0°到最大角度αmax變化的過程，整流輸出電壓完成最大到最小的變化。

（5）同步：要使整流輸出電壓穩(wěn)定，必須要求觸發(fā)脈沖信號(hào)和晶閘管陽極電壓在相位和頻率上要進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，稱為同步。2）工作原理及波形分析

晶閘管T1和T4組成一對(duì)橋臂。當(dāng)變壓器副邊電壓為正半周時(shí)，T1和T4串聯(lián)承受正向電壓u2，如在控制角為α的瞬間給T1和T4送出觸發(fā)脈沖，T1和T4即導(dǎo)通，這時(shí)電流從電源a端經(jīng)T1、T4流回電源b端。這期間T2和T3均承受反向電壓而截止。當(dāng)電源電壓過零，電流也降到零，T1和T4即關(guān)斷。

在電源電壓的負(fù)半周期，仍在控制角為a時(shí)觸發(fā)晶閘管T2和T3，則T2

和T3導(dǎo)通。電流從電源b端經(jīng)T2、T3流回電源a端。至電壓過零，電

流降至零，T2和T3關(guān)斷。

在負(fù)半周，T1和T4均承受反向電壓而截止。以后又是T1和T4導(dǎo)通，如此不斷循環(huán)工作。3)基本電量計(jì)算

（a）整流輸出電壓的平均值計(jì)算（2-1）當(dāng)α=0°，晶閘管全導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓為最大值Ud0為：Ud0＝0．9U2

當(dāng)α=180°時(shí)，Ud0＝0，故移相范圍為0°～180°。（b）在負(fù)載上，輸出電流的平均值Id為（2-2）2.3.5.3電感性負(fù)載單相橋式半控整流電路

圖2-8單相半控橋大電感負(fù)載接續(xù)流管電壓電流波形

（a）單相橋式半控電路；（b）電壓電流波形2.3.5.4整流電路的功率因數(shù)

整流電路的功率因數(shù)定義為整流電路電網(wǎng)側(cè)有功功率P與視在功率S之比。

整流電路的功率因數(shù)與延遲觸發(fā)角、交流側(cè)的感抗、電流波形有關(guān)，前兩個(gè)因素可用位移因數(shù)cosφ來反映，后一個(gè)因素可用電流畸變因素ζ來表示。功率因數(shù)λ與cosφ、ζ的關(guān)系為：λ=ζcosφ。由于λ是ζ和cosφ的乘積，有些文獻(xiàn)上也稱λ為總功率因數(shù)。以與正弦電路中的功率因數(shù)cosφ（基波的有功功率與基波的視在功率之比）相區(qū)別。2.3.5.5提高功率因數(shù)的措施

相控變流器之所以能得到廣泛的應(yīng)用，是由于它價(jià)廉、簡(jiǎn)單、可靠，而且不需要任何換相電路。

但是相控電路在深控下功率因數(shù)很低，所以會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大干擾，特別是在變流裝置容量較大而且比較集中的地方，危害性顯得十分突出。在節(jié)能問題日益受到重視的今天，采取措施提高功率因數(shù)是非常必要的。強(qiáng)迫換向

在通常的相控變流器中，每當(dāng)下一個(gè)晶閘管被觸發(fā)之后，由電網(wǎng)電壓使前一晶閘管換相——自然換相。若給每一個(gè)晶閘管設(shè)置它們自己的換相電路，或者采用全控型電力電子器件，它就能在任何需要的時(shí)間換相——強(qiáng)迫換向。

圖2-8（a）中虛線方框里的晶閘管代表一個(gè)晶閘管及它的換相電路，為了簡(jiǎn)化電路，各種換向電路的詳細(xì)情況在此略去。圖2-8（b）、（c）、（d）表示三種強(qiáng)迫換向電路的工作特點(diǎn)，它們能改善功率因數(shù)及其它運(yùn)行性能。圖2-8改善功率因數(shù)的換向電路（a）主電路（b）熄滅角控制（c）對(duì)稱角控制（d）脈沖寬度調(diào)制（2）串聯(lián)變流器的順序控制

相控變流器可以通過串聯(lián)連接，對(duì)它們分別進(jìn)行順序控制，從而使功率因數(shù)得到改善。

如果把兩個(gè)半控變流器串聯(lián)起來加以控制，使每個(gè)變流器產(chǎn)生0-0.5Udmax的輸出電壓。當(dāng)對(duì)其中的一個(gè)變流器進(jìn)行相位控制，同時(shí)通過另一個(gè)變流器的續(xù)流二極管旁路得到輸出電壓，得到0-0.5Udmax。在達(dá)到0.5Udmax時(shí)，一個(gè)變流器為滿開放（觸發(fā)角為0），使得在低輸出電壓范圍內(nèi)改善了功率因數(shù)。欲得到0.5-Udmax的輸出電壓，使一個(gè)變流器滿開放（α=0），而控制另一個(gè)變流器的觸發(fā)角。

在電壓較高的驅(qū)動(dòng)電路中，可以把幾個(gè)變流器串聯(lián)起來順序控制代替一個(gè)變流器，以此來改善功率因數(shù)。圖2-9半控變流器串聯(lián)變流器的順序控制（a）半控變流器電路的串聯(lián)（b）電壓電流波形第三章基于全功率器件的多流制牽引傳動(dòng)系統(tǒng)及方法3.1改進(jìn)原因在牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中，常規(guī)的工頻變壓器是實(shí)現(xiàn)電能傳輸最基本的部件，其性能的好壞對(duì)電能的質(zhì)量和供電系統(tǒng)的可靠性具有重大的影響。目前而言，國(guó)內(nèi)大多采用的是鐵心油浸式配電系統(tǒng)變壓器，它的主要優(yōu)點(diǎn)是制作工藝較簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠和能量轉(zhuǎn)換效率較高；主要缺點(diǎn)是體積太大、設(shè)備笨重，礦物油引起環(huán)境污染問題而且不容易維護(hù)，副方電壓不能維持恒定，鐵心飽和時(shí)造成電流電壓的波形畸變從而產(chǎn)生諧波，負(fù)載波動(dòng)對(duì)網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生影響，需配備繼電保護(hù)措施，產(chǎn)生的噪聲大等。因此，研制多流制電力機(jī)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)推動(dòng)電力機(jī)車供電制式的多元化、我國(guó)鐵路牽引供電系統(tǒng)與城市軌道交流車輛牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的融合及向國(guó)際市場(chǎng)推廣我國(guó)的高鐵技術(shù)具有重要的工程和理論價(jià)值。3.2具體改進(jìn)方案一種基于全功率器件的多流制牽引傳動(dòng)系統(tǒng)及方法，所述全功率器件的多流制牽引傳動(dòng)系統(tǒng)依次包括輸入級(jí)、中間隔離級(jí)、輸出級(jí)。3.2.1輸入級(jí)所述輸入級(jí)由n級(jí)H橋型功率變換模塊串聯(lián)級(jí)聯(lián)，每個(gè)輸入級(jí)模塊通過一級(jí)單相全橋電壓源型PWM(PulseWidthModulation)整流器和一級(jí)單相PWM逆變器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，兩者中間采用直流電容連接。包括交流電感（1）、AC/DC整流器（4）、DC/AC逆變器（6）、諧振電容（7）；采用PWM控制的方法來實(shí)現(xiàn)整流，能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)帶來的諧波控制在能允許的范圍內(nèi)，同時(shí)也能使輸入級(jí)電壓和電流同相位，從而實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)接近l來運(yùn)行。單相PWM逆變器將經(jīng)過整流器后得來的直流按照要求調(diào)制成中頻方波然后輸送到中間隔離級(jí)。3.2.2中間隔離級(jí)所述中間隔離級(jí)由n組輸入繞組，m組輸出繞組的中頻或高頻變壓器組成，包括單相多繞組中頻或高頻變壓器（8）；中高頻隔離變壓器不僅實(shí)現(xiàn)高、低壓隔離的目的，而且還需要實(shí)現(xiàn)降壓變換。中高頻變壓器將中頻方波輸入耦合至副方，然后輸出至輸出級(jí)。圖3-1中高頻變壓器中高頻變壓器的容量S可表示為：（3-1）其中K是銅飽和因數(shù)，f是變壓器的工作頻率，Ac是鐵芯面積，Ae是繞組面積，J是導(dǎo)體的電流密度，Bm是最大的磁通密度。所以，變壓器其體積與f、J、Bm成反比：(3-2)當(dāng)磁通密度和電流密度一定的時(shí)候，適當(dāng)?shù)脑黾庸ぷ黝l率可顯著降低中頻變壓器的重量和體積，因此減小了變壓器的重量和體積。與此同時(shí)，變壓器其單位重量鐵芯的損耗可被表示為：(3-3)式中,p1/50為鐵芯的損耗系數(shù)，β為頻率指數(shù)。隨著頻率的增加，鐵芯損耗也會(huì)增加，為了減少變壓器損耗，就需要減小磁通的密度。綜合來看，為實(shí)現(xiàn)最好的效果，就必須優(yōu)化改善磁通密度和設(shè)計(jì)頻率的關(guān)系。此處，選用工作頻率為1kHz左右。3.2.3輸出級(jí)所述輸出級(jí)由m組H橋型功率變換模塊構(gòu)成，包括諧振電容（9）、半橋整流器（10）、DC/AC三相逆變器（12）。在逆變環(huán)節(jié)，采用SPWM逆變控制技術(shù)將直流變換為工頻交流。3.2.4供電方式在牽引供電接觸網(wǎng)的供電制式為交流供電時(shí)，連通第八連接單元、第十連接單元，每一級(jí)的第五連接單元、第六連接單元；使得牽引供電接觸網(wǎng)所提供的電壓均勻的分配到串聯(lián)的各個(gè)功率模塊上，每一個(gè)功率模塊都將其輸入的工頻交流整流成直流然后再調(diào)制成為中高頻方波，送到中間隔離級(jí)，隔離級(jí)的中高頻變壓器則把輸入的中頻或高頻方波耦合到副邊，然后傳輸至輸出級(jí)，輸出級(jí)則會(huì)將其獲得的中高頻的方波整成直流后，通過逆變器輸出工頻三相交流供給牽引電機(jī)，形成交流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)；在牽引供電接觸網(wǎng)的供電制式為直流供電時(shí)，連通第一連接單元、第三連接單元、第四連接單元，每一級(jí)的第二連接單元，將高壓繞組作為直流濾波電感，將高壓繞組的首端和尾端分別與受電弓和半橋整流器（10）輸出端的一端A點(diǎn)相連，半橋整流器（10）輸出端的另一端B點(diǎn)通過第四連接單元與輪軌相連，形成直流牽引傳動(dòng)系統(tǒng);全功率器件的多流制牽引供電系統(tǒng)可用在25kV/50Hz、25kV/60Hz、20kV/50Hz、20kV/60Hz、15kV/16.7Hz、12.5kV/60Hz、12kV/25Hz等交流供電制式，根據(jù)電壓等級(jí)確定輸入級(jí)每一級(jí)的第九連接單元的開通與關(guān)斷來決定運(yùn)行在交流制式下的級(jí)數(shù)，交流供電制式電壓等級(jí)越高，輸入級(jí)運(yùn)行工作的級(jí)聯(lián)的級(jí)數(shù)越多；全功率器件的多流制牽引傳動(dòng)系統(tǒng)可用在3kV、1.5kV等直流供電制式，根據(jù)電壓等級(jí)確定每一級(jí)的第七連接單元的開通與關(guān)斷來決定串入的高壓繞組的組數(shù)，從而得到最適合的直流濾波電感。圖3-2牽引傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)鋱D3.3方案優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)中頻或高頻變壓器和DC/AC三相逆變器的功能復(fù)用，在交流供電制式下，多繞組中頻或高頻變壓器發(fā)揮變壓、隔離的功能，在直流供電制式下，多繞組中頻或高頻變壓器用作直流濾波電感；對(duì)適用于多流制的電力機(jī)車而言，無需配置多套車載牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，只需一套牽引傳動(dòng)系統(tǒng)及設(shè)備即可滿足多流制的要求，可有效降低牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)量，節(jié)約成本、降低牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的重量和占用空間；高壓繞組采用多級(jí)繞組結(jié)構(gòu)，同時(shí)滿足了25kV/50Hz、25kV/60Hz、20kV/50Hz、20kV/60Hz、15kV/16.7Hz、12.5kV/60Hz、12kV/25Hz、3kV直流和1.5kV直流多種供電制式的要求；全功率器件的多流制牽引傳動(dòng)系統(tǒng)在完成常規(guī)變壓器對(duì)電壓等級(jí)變換、電氣隔離和能量傳遞等功能的同時(shí)，還能完成波形、潮流的控制和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能，有效隔離電壓波動(dòng)、失真以及諧波的傳遞，不存在鐵心磁飽和問題，全功率器件的多流制牽引傳動(dòng)系統(tǒng)能避免傳統(tǒng)變壓器由于鐵心磁飽和而造成系統(tǒng)中電壓電流的波形畸變,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的解耦，降低噪聲。3.4本章總結(jié)本章通過分析常規(guī)的工頻變壓器存在體積、重量大以及其絕緣油會(huì)帶來環(huán)境、不易維護(hù)的問題，同時(shí)它還不能很好的控制電壓電流的波形畸變，從而提出采取基于全功率器件的牽引電力變壓器來克服這些缺點(diǎn)，通過電壓源變換器對(duì)其交流測(cè)電壓幅值和相位進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)變壓器副方電壓、原方電流以及功率的靈活調(diào)節(jié)。同時(shí)對(duì)多流制牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入級(jí)、中間隔離級(jí)以及輸出級(jí)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)其方案的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了主要概括。第四章Matlab/Simulink系統(tǒng)仿真4.1系統(tǒng)仿真模型在Matlab/Simulink中建立系統(tǒng)的仿真模型，如下圖所示。其中輸入級(jí)設(shè)置為3級(jí)H橋型功率變換模塊串聯(lián)級(jí)聯(lián)；中間隔離級(jí)設(shè)置為3組輸入繞組和2組輸出繞組的中高頻變壓器；輸出級(jí)由2組H橋型功率變換模塊構(gòu)成。輸入額定電壓?jiǎn)蜗嘟涣?2kV，輸入額定電壓?jiǎn)蜗嘀绷?kv，其中脈沖整流器采用瞬態(tài)直接電流控制，逆變器則采用50%占空比的矩形波信號(hào)輸入。 圖4-1牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型4.1.1脈沖整流器的仿真模型通過研究四象限的脈沖整流器的原理及其控制方法，在Matlab/Simulink平臺(tái)中進(jìn)行仿真。其中，圖4-3是脈沖整流器的仿真模型圖，圖4-4是瞬態(tài)直接電流控制仿真模型圖。仿真參數(shù)按照以下數(shù)據(jù)：交流側(cè)的輸入電壓有效值為12KV，由于是3級(jí)功率變換模塊串聯(lián)，所以每個(gè)模塊的輸入電壓有效值約為4KV，電網(wǎng)電壓頻率50Hz，網(wǎng)側(cè)電感LN=1.19mH，RN≈0，直流側(cè)支撐電容C=6000uF，PI調(diào)節(jié)參數(shù)Kp=1.5，Ki=80，載波頻率1250Hz。圖4-2單個(gè)脈沖整流器仿真模型圖圖4-3瞬態(tài)直接電流控制仿真模型圖（1）瞬態(tài)直接電流控制原理在直接電流控制系統(tǒng)中，通過計(jì)算求出交流電流給定值，同時(shí)檢測(cè)變流電流反饋值，由電流給定值與反饋值比較的結(jié)果決定開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，從而達(dá)到對(duì)交流電流的直接控制，且使其跟蹤電流給定值。直接電流的控制框圖如下圖4-4，它主要包括有電壓電流調(diào)節(jié)器、電壓電流傳感器、函數(shù)發(fā)生器、比較器、SPWM控制器及運(yùn)算器所組成。其表達(dá)式如下所示：（4-1）（4-2）（4-3）（4-4）圖4-4瞬態(tài)直接電流的控制框圖式中，Kp,T1——PI調(diào)節(jié)系數(shù)；Ud*——中間直流側(cè)的電壓給定值；Id、Ud——中間直流環(huán)節(jié)的電流和中間直流環(huán)節(jié)的電壓；K——比例放大系數(shù)；?——網(wǎng)側(cè)電壓的角頻率；LN——交流側(cè)輸入電感；RN——繞組電阻。為了實(shí)現(xiàn)中間直流環(huán)節(jié)所具有的恒壓控制目的，使所測(cè)出來的中間直流電壓Ud和給定電壓Ud*進(jìn)行比較。當(dāng)Ud<Ud*時(shí)，ΔE>0，PI調(diào)節(jié)器的電流輸出IN1*增加，從而讓脈沖整流器的電流輸入上升，以達(dá)到增加Ud的效果；當(dāng)Ud>Ud*時(shí)則反之。實(shí)時(shí)測(cè)出電網(wǎng)的電壓以及電流值，并根據(jù)上面公式構(gòu)建運(yùn)算電路，調(diào)節(jié)信號(hào)us(t)含有幅值以及相角的信息，和三角載波進(jìn)行SPWM調(diào)制即生成PWM信號(hào)來驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件。4.2.2輸出級(jí)逆變器控制仿真模型圖4-5輸出級(jí)逆變器控制部分仿真圖（1）逆變器滯環(huán)控制原理圖4-6電流滯環(huán)跟蹤控制原理圖以A相的電流滯環(huán)跟蹤控制為例，其控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中對(duì)于電流的控制器是帶有滯環(huán)的比較器，其環(huán)寬為h，令給定的電流i*a與輸出的電流ia來進(jìn)行比較，當(dāng)電流的偏差△ia超過±0.5h，則通過滯環(huán)控制器（HBC）控制逆變器A相上、下橋臂功率開關(guān)器件來進(jìn)行動(dòng)作。經(jīng)過電流滯環(huán)跟蹤控制后得到了PWM波形，如圖2所示。假設(shè)比較器滯環(huán)的寬度為h，當(dāng)輸出電流ia相比給定電流i*a大時(shí)，而且誤差比0.5h大，則滯環(huán)比較器會(huì)輸出負(fù)電平，同時(shí)開關(guān)器件VT1被關(guān)斷，VT2被導(dǎo)通，從而實(shí)際電流被減小。當(dāng)它下降至與給定電流相同時(shí)，滯環(huán)比較器依舊保持輸出負(fù)電平，VT1保持關(guān)斷狀態(tài)，實(shí)際電流則繼續(xù)減小，直到誤差大于0.5h時(shí)，滯環(huán)的控制器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，則會(huì)輸出正電平的信號(hào)，開關(guān)器件VT1被導(dǎo)通，VT2關(guān)斷，讓實(shí)際電流變大，一直增大至帶寬上限。以上過程反復(fù)進(jìn)行，交替工作，實(shí)際電流與給定電流的差值一直保持在-0.5h—+0.5h之間，在所給定電流的附近作鋸齒狀變化，以達(dá)到跟蹤電流的目的。圖4-7電流滯環(huán)跟蹤控制波形圖4.3牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真及分析根據(jù)基于全功率器件的多流制牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理搭建了其牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的Matlab/simulink仿真模型，對(duì)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到在不同運(yùn)行工況下機(jī)車的電壓、電流等波形，并對(duì)得到的波形進(jìn)行了分析。模型中采用的仿真參數(shù)具體如下所示。牽引變壓器仿真參數(shù)圖4-8中高頻變壓器仿真參數(shù)牽引電機(jī)仿真參數(shù)圖4-9牽引電機(jī)仿真參數(shù)4.3.1交流制式下仿真與分析4.3.1.1直接電流控制時(shí)PWM整流器的穩(wěn)態(tài)特性單相PWM整流器穩(wěn)態(tài)特性如圖4-8所示.當(dāng)輸入工頻電壓時(shí)，通過直接電流控制使輸入電流保持為正弦波，并且電壓電流基本同相位,即功率因數(shù)為1；同時(shí)直流側(cè)波形很好，紋波較小。輸入電壓電流波形（b）直流電壓波形圖4-10直接電流控制時(shí)PWM整流器的穩(wěn)態(tài)特性4.3.1.2變壓器一次側(cè)輸入電壓波形電流經(jīng)整流器輸出以后進(jìn)入半橋逆變器進(jìn)行逆變，半橋逆變器的脈沖輸入為矩形波調(diào)制，其中矩形波輸出的電壓幅值保持在5.6KV左右，略有波動(dòng)；頻率為1250Hz，占空比為50%。圖4-9為逆變器輸出端，即變壓器一次側(cè)輸入電壓波形，其輸入可視為中高頻方波，進(jìn)入中高頻變壓器耦合至變壓器二次側(cè)。圖4-11變壓器一次側(cè)輸入電壓波形4.3.1.3牽引電機(jī)三相定子電流波形輸出級(jí)將獲得的中高頻方波經(jīng)過半橋整流器整成直流后再逆變輸出三相工頻交流，并接入牽引電機(jī)，使其正常運(yùn)行。其中逆變器通過滯環(huán)控制，跟蹤電流使其輸出電流保持為300A左右。其中，圖4-10為牽引電機(jī)定子電流波形，峰值處波形有輕微波動(dòng)。由波形可證明，在交流制式下該牽引傳動(dòng)系統(tǒng)能夠使?fàn)恳姍C(jī)正常運(yùn)行，達(dá)到