华中科技大学硕士学位论文机车牵引四象限变流器研究姓名：赵文才申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：熊健2011-01-04华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘 要 随着高速铁路的发展，电力牵引因其高效、节能、环保、灵活的优势成为世界牵引主流1。电力牵引节能的两个最关键问题是，实现高功率因数和能量回馈。这两个问题综合体现在对网侧电流的控制上，这也是四象限变流器最重要的功能之一，在网侧获得正弦性好、功率因数高的输入电流。此外四象限变流器还需稳定直流电压，实现能量双向流动。 对变流器的控制离不开其数学模型，本文首先分析了四象限变流器工作的原理，然后在此基础上给出了四象限变流器在正弦稳态下的数学模型。根据这个数学模型，可以用间接电流控制来实现四象限变流器稳压控制。接着本文介绍了两重四象限变流器的控制技术，包括载波移相、单位基波功率因数控制、有功电流均流控制、无功电流均流控制等。另外，网侧电压的同步对四象限变流器控制也非常重要，为了保证可靠性，本文采用基于 DFT 的数字锁相技术来实现网侧同步。 用于机车牵引的四象限变流器有其特殊性，比如功率大、开关频率低、电路参数变化、实际运行时存在跳弓过分相等问题。这决定对机车牵引四象限变流器的控制，不仅需要采用上述控制技术改善性能，还需要采用特殊的方法解决开关频率低、跳弓等问题所带来的影响。本文对机车牵引四象限变流器做了细致的仿真分析，包括启动波形、空载半载满载运行波形、并联运行波形、循环功率仿真波形等。 机车牵引四象限变流器能够在实车上运行，必须设计好严谨的工作主流程。机车牵引四象限变流器的工作主流程包含了四象限变流器所有运行状态，状态之间相互跳转的条件以及逻辑关系。本文最后给出了机车牵引四象限变流器带主流程工作的部分实验波形，包括启动波形、空载波形、突加减负载波形、跳弓过分相波形。 关键词： 四象限变流器 幅相控制 载波移相 机车牵引 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract With the development of high-speed railway, because of its advantages - efficiency, energy saving, environmental protection, flexible, power traction has become the mainstream trend of traction. Electric traction can save energy because of the high power factor and energy feedback. Both of the two issues are reflected in the current control on the grid side, which is one of the most important the functions of four quadrant converter that obtains good sinusoidal and high power factor in the input side, in addition ,four quadrant converter should also maintain DC voltage and achieve two-way flow of energy. The control of the converter can not do without the mathematical model. Firstly, this paper analyzes the working principle of four-quadrant converter, and then on this basis, gives a mathematical model of four-quadrant converter under the sinusoidal steady state. According to this model, DC voltage stability can be easily achieved using the indirect current control for the control of four-quadrant converter. Secondly, this article describes more control technologies can be used for the double and four quadrant converter. Then,this paper introduced carrier phase-shifting modulation, the unit fundamental power factor control, balanced control of active current and reactive current. In addition, the synchronization of the grid voltage is also very important for the control of four-quadrant converter, in order to ensure reliability, we use the DFT-based digital PLL technology to achieve synchronization. Four-quadrant converter used in traction has its special place, such as big power, low switching frequency, changing parameters in the actual operating, neutral-section passing and pantograph jumping process. This determines, for this four-quadrant converter control, we should not only adopt control technologies described above to improve performance, but also find special methods to response to the low switching frequency, pantograph jumping etc. In this paper, simulation analysis including start-up, empty , half and full loads, parallel operation,cycle power has been researched. The main flow of four-quadrant converter for traction contains all the running state, the conditions and the logic between the state jumping the conditions. Finally, experiment that four-quadrant converter working with main flow waveforms including start-up wave, empty-load waveforms, sudden load and subtraction load waveforms, neutral-section passing and pantograph jumping process waves will be showed. Keywords: Four-quadrant converter PAC Carrier phase-shifting Electric locomotive traction 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪 论 1.1 机车牵引四象限变流器产生背景 机车牵引四象限变流器快速发展主要依靠以下几个方面： 第一，电力电子技术的发展。这也促进了各种各样变流器的发展，尤其是以脉冲宽度调制技术 PWM 变换为基础的电力电子装置12，比如逆变电源、变频器等等。这些电力电子装置多以直流电压为输入，或者前级为交直变换器。从最开始出现的二极管不控整流，到后来出现的晶闸管相控整流等等，它们都会给电网注入谐波，也不能够保证网侧单位功率因数。谐波对于电网是一种污染，会影响线路的稳定性，影响挂在电网中的变压器工作效率，损坏低压开关设备，对通信设备产生干扰等等3。为了减少谐波危害，针对整流变换器，许多学者进行了研究分析358，为了使它们网侧基波功率因数为 1，同时使变换器网侧输入电流正弦性比较好，学者们研制出了高频PWM 整流器。它能让网侧电流正弦性比较好，使网侧功率因数根据需求来控制，而且直流母线电容上的能量也能被回馈到网侧，实现整流器的四象限运行230。 第二，功率器件制造技术的快速发展。早先晶闸管被投入到变流器使用中，这种变流装置极其复杂，其可靠性受到较大限制，尤其表现在其控制电路上。自上个世纪九十年代以来，绝缘门极双极型晶体管 IGBT 在小功率机车牵引系统中得到了广泛应用。在欧洲，西门子公司在上世纪九十年代成功研制了世界上首台牵引变流器，这个变流器装置被用于法兰克福电车上6。牵引变流器的开关器件使用 IGBT 有很多的优点。比如，这种变流器具有组装成本低、牵引系统效率高的特点，所以能降低系统的损耗，同时这种牵引系统具有较高的可靠性和实用性。这些优点都有利于 IGBT 在牵引变流器中应用和推广。功率器件制造技术的发展也让四象限变流器主电路的结构得以简化7。几乎可以这样说，如果没有耐压等级高的功率器件，就没有大功率等级的牵引变流器。 第三， “十一五”是我国铁路事业飞速发展的关键阶段，经济增长需要巨大的铁路货运运力支持，而交流牵引电力机车是货运机车最好的一种形式。我国轨道交通的快速发展同样需要大量的交流牵引电力机车，这就为本项目所研制的牵引变流器和辅助变流器产品提供了广阔的市场和良好的产业化前景9。潜在经济效益十分