动车组与电力机车高频化辅助变流系统主电路研究
SS3B资料
机车恒流控制取用6台牵引电机电流最大值比较，准恒速控制取用6轴速度传感器转速最小值比较，所以在电机发生空转使，不会改变特性控制状态。并由于韶山3B型电力机车设有空转（滑行）保护控制，能及时采取撒砂和降负载的措施去仰制空转和滑行的扩展，有良好的粘着在恢复能力。
不等分三段桥式硅整流装置见图3-3原理图，其常用调压范围为四断桥特性，所以其电压的调压波形与两断桥电路相比波形畸变偏小，有较高的功率因数，而相比常规的4断相控桥结构又较简单。
机车调速控制是通过司机控制器手柄SKT在牵引工况时置于“0、*、2、4、6、8、10”位：制动工况时置于“0、11、9、7、5、3、1"位的横流准恒速特性控制给定进行的。运行中各牵引电机通过相应的直流电流传感器1～6ZLH反馈电流信号，取6个反馈电流信号中最大值与给定值比较，通过调节晶闸管导通角，使牵引电机电流达到给定值维持恒流状态。又通过在1～6轮轴上安装的速度传感器1～6SH反馈速度信号，取6个反馈速度信号中的最小值与给定值比较，按照前述的准恒速特性控制函数，实现机车的准恒速状态。因此韶山3B型电力机车的特性控制即横流准恒速控制，有较高的自控水平和仰控空转和滑行的性能，例如SAT置于5位牵引起动，先按I=450A横流控制起动，当机车达到约40km/h速度时，进入准恒速控制运行，5级的牵引准恒速特性区在40～50km/h速度范围（I=450～0A范围），机车在该速度区找到平衡速度点运行。同理，SKT置于高级位即可获得高的准恒速特性速度点运行。机车高级位控制还受到粘着限制特性曲线和牵引电机1550V限压特性曲线的限制，见图1-4机车牵引特性曲线。
电铁功率融通型电能质量综合治理技术
作者简介： 周方圆， 男， 高级工程师， 研究方向为中高压电能质量控制装置的开发与系统设计； E-mail： gongfen1@ 1
无功、谐波以及电压波动等电能质量问题，严重影响了上级电力系统和牵引供电系统本身的供电质量[1-2]。 针对这一问题，国内外学者已进行了大量研究。文献[3]采用大容量的静止同步补偿器（SVG）来补偿 无功和负序电流，但其装设在三相高压侧，装置成本高。日本学者赤木泰文提出的铁路功率调节器 [4] （Railway Static Power Conditioner，RPC）能实现电气化铁路电能质量问题的综合治理，安装在牵引变压 器二次侧，能对无功功率、负序和谐波进行综合补偿，受到世界电铁行业青睐。另外我国在此领域展开了 大量研究，取得了一系列研究成果。文献[5]采用混合型有源滤波器对牵引供电网的谐波电流进行补偿，并 兼作一定容量的无功补偿；文献[6]提出采用小容量多绕组变压器隔离型 SVG 和多组大容量晶闸管投切电 容器（thyristor switched capacitors，TSC）构成的混合治理装置，成本低且补偿效果好，但无法实现有功融 通。 文献[7]中提出一种基于半桥结构的新型高速铁路功率调节器， 该方案不需降压变压器直接接入 27.5kV 侧，级联模块数量多，控制保护设计复杂，实用性不强。2011 年，西南交通大学等单位合作研制的多重化 同相供电系统在四川眉山牵引变电所进行了试验， 试验结果均验证了 RPC 及其结合接触网改造形成的同相 供电系统具备对负序、无功和谐波的综合补偿功能。湖南大学于 2011 年研制了国内首台容量 60kVA RPC 实验样机，通过搭建高速铁路补偿系统模块实验平台进行实验验证[8]。 随着交－直－交电力机车的推广，无功和谐波治理所需容量会进一步降低，而负序治理所需容量会进 一步增加，综合考虑补偿效果和经济效益，因此，本文提出一种功率融通型电能质量综合治理装置。
FXD1型动力车辅助电路构成及常见故障分析处理
技术与市场技术应用２０２１年第２８卷第５期ＦＸＤ１型动力车辅助电路构成及常见故障分析处理熊厚秋（中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲４１２０００）摘 要：介绍时速１６０ｋｍ动力集中动车组（ＦＸＤ１型动力车）辅助电路的构成，提出了电路保护逻辑，常见故障分析处理方法能够很好地为段方检修及售后服务人员处理类似故障提供借鉴和参考。
关键词：ＦＸＤ１；辅助回路；保护；常见故障；分析处理；方法ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－８５５４．２０２１．０５．０４８ 辅助电路构成ＦＸＤ１型动力车辅助电源系统由主变流器内的辅助逆变器提供电源，主变流器内的辅助逆变器模块１通过辅助变压器１给变压变频负载提供３ＡＣ８０～３８０Ｖ、１０～５０Ｈｚ电源，主变流器内的辅助逆变器模块２通过辅助变压器２给定压定频负载提供３ＡＣ３８０Ｖ５０Ｈｚ电源。
３８０Ｖ供电支路中经小变压器可提供ＡＣ２２０Ｖ电源，经蓄电池充电机可提供１１０Ｖ直流电源。
按每个辅助机组／辅助设施的使用要求，辅助电气系统分成４个负载回路，如图１所示。
１）变频变压支路：辅助逆变器１经辅助变压器为牵引风机１／２和牵引风机３／４以及冷却塔风机提供１０～５０Ｈｚ／８０～３８０Ｖ工作电源。
２）恒频恒压支路：辅助逆变器２经辅助变压器为压缩机１／２、变压器油泵、主逆水泵、辅变柜风机、主逆柜风机、空调、变压器（３８０Ｖ／２３０Ｖ）、加热器、蓄电池充电机提供５０Ｈｚ／３８０Ｖ工作电源。
３）ＡＣ２３０Ｖ单／三相交流支路：由变压器（３８０Ｖ／２３０Ｖ）向撒砂加热器、窗加热器、暖风机等设备提供工作电源。
４）充电支路：由充电机将三相交流ＡＣ３８０Ｖ电源转换为直流１１０Ｖ，为机车提供ＤＣ１１０Ｖ工作电源，并为蓄电池组充电。
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HXD2B电力机车主变流器工作原理浅析
＝．主变流柜的构造及基本参数
１、 主 变 流 柜 的 构 造
主变流 器箱体 为立体 式结构 ，按 功能单 元区分进 行模块化 结构设 计 ，分 为轴 １单 元 、轴２单元和 散热冷 却单元 ，每个轴 单元的 四象限整 流器与 逆变器 为整体集 成 ，结 构紧凑 。主变流 器功率 容量大 ，功率模 块 采用复合母 排结构和 高压ＩＧＢＴ元件 ，高压斩波 与逆变集成 为一个模 块 ，主变 流器包 含两个 功能和 结构完全 一致 的轴 单元 ，每个轴 单元 由 两 个 四象限整流 模块和 一个逆变 模块组 成 ，各 为一 台牵 引 电机 提供交 流 电源 ，四象 限整流器 中问有 二次滤波 回路 。主变流 器功率模 块采用 水 冷技术对ＩＧＢＴ元件进行 散热 。水冷 系统采用模块 化、简统化 设计 ， 整 个系统 由两个 完全相 同独立 的冷却单 元组成 ，分别为 两套轴 单元变 流 功率模块进 行散热冷 却，两个冷 却单元只有风机 是公用 的。
电力机车主电路和辅助电路
补充1：各种励磁方式直流牵引电动机的特性分析
一、串励和并励牵引 电动机的特性比较
（比较速度特性） 1、自调节性能 串励：转速随负载的
增加下降很多。 并励：转速随负载的
增加下降很少。
结论：串励电动机的牵引力和速度 能够按机车运行条件自动进行调节， 在重载或上坡时，随机车速度的降 低，转矩自动增大，使机车发挥较 大牵引力；在轻载或平道运行时， 机车牵引力减少，使机车具有较高 的速度。
５、空转过程（28页）
空转—— 牵引时，牵引力大于轮 轨间的粘着力，轮轨间 发生相对滑动的现象。
滑行—— 制动时，制动力大于轮 轨间的粘着力，轮轨间 发生相对滑动的现象。
空转过程分析：
初始工作点为A，对应转速
为n1，AB为其自然机械特
性。当偶然原因使粘着系数
下降时，粘着牵引力曲线变为
① 电器控制
功能：完成电路和气路的开关及逻辑互锁；
特点：电动或气动的逻辑开关．
包括：继电器、电控阀、气动开关等。
近年来生产机车上的逻辑联锁已由逻辑控制 单元（LCU)完成。
② 电子控制
功能：配合主辅助电路完成机车的控制；
特点：弱电控制、控制复杂；
包括：给定积分器、特性控制、防空转／防 滑、移相控制、功率放大、脉冲变压器等 控制单元。
再生制动
定义：制动时将牵引电动机作发电机运行， 发出的电回馈给电网。
优点：具有巨大的节能效益。
缺点：功率因素低；谐波增加，对电网干 扰大；控制系统比较复杂；再生制动必须 采用全控桥，对触发系统的可靠性要求高； 电气制动时制动力集中作用于动轮，车辆 上将会产生横向作用力，对线路和机车提 出了更高的要求。
（1）集中供电
电力电子与控制技术在高铁动力系统中的应用研究
电力电子与控制技术在高铁动力系统中的应用研究一、引言近年来，高铁成为了最主流的出行方式之一，其快速、安全、高效的特点备受广大乘客的追捧。
而高铁能够如此高效的运行，离不开先进的动力系统。
电力电子与控制技术是高速动力系统中的重要组成部分，它可以保证高铁的运行安全、运行效率以及降低污染排放，成为了高速动力系统的重要研究方向。
二、电力电子技术在高铁中的应用高铁的动力系统大致可以区分为电力系统和机械系统两个方面，其中电力电子技术是电力系统中的重要组成部分。
电力电子技术广泛应用于高铁牵引供电系统、车辆空调系统、车内供电系统、列车通信信号系统等方面。
（一）高铁牵引供电系统高铁的牵引供电系统是高铁运行的重要组成部分，它包括了高速动车组整车控制系统、牵引供电变流器等。
牵引供电变流器是高速动车组的重要组成部分之一，它是将高压直流电转化为交流电的设备，使得高铁列车在行车中可以更加平稳和经济地运行。
（二）车辆空调系统高铁在运行过程中，因为高速、密闭的特点，会给车内的温度、湿度、空气质量等带来一些问题。
为了解决这些问题，高铁的车辆空调系统需要使用电力电子控制技术，来进行精确的调节与控制。
（三）车内供电系统高铁的车内供电系统也需要使用电力电子技术进行控制。
这个系统包括了车内照明、车内电子设备供电等。
（四）列车通信信号系统列车通信信号系统是保证高铁安全运行的重要部分，它需要准确、迅速地进行指令传输。
电力电子技术可以使用在列车通信信号系统中，来进行精确的指令传输和控制。
三、电力电子技术在高铁控制系统中的应用高铁控制系统是保证高铁的稳定、高效运行的重要组成部分。
电力电子技术可以在高铁控制系统中起到重要作用，其中包括了高铁控制系统的传感、测量、控制和保护等多个方面。
（一）传感系统电力电子技术可以在高铁的传感系统中提供精确的传感测量方案，来对关键参数进行准确地监控。
传感系统主要包括了电机转速、牵引电机电流、补偿电流、轨道电压和电网电压等多个方面。
复兴号动车组辅助供电系统原理分析及应用
复兴号动车组辅助供电系统原理分析及应用摘要本文阐述了复兴号动车组辅助供电系统的组成，重点介绍了动车组配电系统中低压直流供电电路及电压分配方式，对辅助变流器、蓄电池、充电机、单相逆变器等重要设备进行详细功能原理分析及探讨，提出了动车组未来辅助供电系统发展趋势和方向。
关键词辅助供电系统；动车组；辅助变流器；1 系统介绍辅助供电系统是动车组车辆电气系统的重要组成部分，采用母线并联供电方式，CRH 350km/h “复兴号”动车组辅助变流器是将来自牵引变流器中间直流环节的DC3000 V直流电逆变成3AC380V/50Hz的正弦交流电，向动车组车辆所有车载三相负载、辅助变流器、蓄电池和充电机等电气设备提供电力，以此保障车内乘客安全和乘坐环境舒适。
2 辅助供电系统组成及特点2.1 辅助变流器组成及配置复兴号8辆编组动车组设4台辅助变流器，分别在两头车TC01、TC08车设TKD523B型辅助变流器-A型，在TP03、TP06车设TKD524B型辅助变流器-B型。
B型箱体上设置外部电源插座，并设有耦合接触器，负责将两个牵引单元的中压进行连接贯通。
辅助供电系统中辅助变流器都通过供电母线向整列动车组输出同相位 3AC380V/50Hz电源，每台辅助变流器的输出功率为200kVA，全列车共800kVA。
辅助供电中压系统通过输出母线并网供电的方式为用电设备包括空气压缩机、冷却通风机、油泵/水泵电机、空气调节系统、采暧设备、充电机、厨房设备、饮水机等提供3AC380V/50Hz电源。
2.2辅助变流器冗余设计及减载功能正常情况下，所有的辅助变流器采用母线并联供电方式，同时向母线输出同相位3AC 380V/50Hz电源，实现并网供电。
整列车供电母线分为3段贯穿整列车，当某段供电母线发生故障，可以打开位于中间车辅助变流器箱中的接触器，以此隔离故障区间的供电。
根据负载统计情况，冬季模式辅助系统最大功率需求约576kW，夏季模式最大功率需求约520kW。
DC600V客车电气系统工作原理
DC600V客车电气系统工作原理DC600V供电制式的空调客运列车，在电气化区段运行时，采用电力机车集中供电（DC600V）、客车分散变流供电方式。
在非电气化区段运行时，DF11G客运大功率内燃机车本身带有辅助发电机，可将发电机组输出整流以DC600V方式向客车供电。
DC600V供电系统工作原理框图见图1。
1.DC600V供电装置原理简介我国电力机车供电的空调列车采用机车DC600V集中供电、客车分散变流的方式。
电力机车主变压器的副边，有两个给客车供电的辅助供电绕组，提供单相AC860V电压，经相控整流、滤波后供给客车DC600V。
DF11内燃机车则两头分别有一个专门的辅助发电机，输出三相AC380V电压，分两路供给客车AC380V。
电力机车电源设有接地保护电路、输出稳压及限流环节、过流及短路保护、过压及欠压保护等。
每路输出功率为400KW。
DF11内燃机车的辅助发电机组与发电车集中供电相似，只是缺少一个备用机组。
机车电源原理图基本工作原理上图为电力机车DC600V电源装置的主电路原理图。
这是一个非常典型的单相相控整流电路，不同的是该电路的受控元件SCR在同一桥臂上，而另一个桥臂的两个二极管既可整流，又起到续流的作用。
电力机车向客车供电的辅助绕组输出额定电压为1AC870V，额定电流600A，额定功率522kVA，阻抗电压8%。
之所以采用870V 是考虑接触网电压波动的影响，电力牵引网的网压受多种因素的影响，波动范围为17KV—31KV，在网压为25KV时，输出对应空载870V，而在低网压17.5KV(-30%)时，输出电压约为1AC610V,全波整流电压接近与550V,基本能够保证客车的正常供电。
但是，870V的交流输入电压带来的问题是使电源装置的功率因数降低，系统参数匹配（尤其是电感L）困难。
电路中，KM作为电源交流输入的投切开关，机车司机台上设有供电钥匙，由司机转换该钥匙来控制交流真空接触器KM的闭合与分断。
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第38卷第3期2019年3月电工电能新技术Advanced Technology of Electrical Engineering and EnergyVol.38,No.3Mar.2019收稿日期:2018-11-23作者简介:孙大南(1986-),男,安徽籍,主任设计师,博士,研究方向为高压大功率电力电子技术与产品㊂动车组与电力机车高频化辅助变流系统主电路研究孙大南(中车株洲电机有限公司技术研究部,湖南株洲412000)摘要:高频化是未来轨道交通车辆辅助变流系统轻量化㊁小型化必然的技术发展趋势,动车组与电力机车的辅助变流系统又具有高压大功率的特殊性㊂基于高频化实现方式及工程设计存在的局限性分析,提出三种可行的级联式动车组与电力机车高频辅助变流系统高频直流链主电路拓扑,分析了各自的特性与工作机理,并着重从成本㊁效率㊁体积㊁控制㊁均压特性㊁适应性等关键角度进行详细分析对比,结果显示三电平降压+串联谐振变换器拓扑的综合性能占优,最后通过整机建模仿真分析和功能样机试验验证该主电路的可行性及元件参数设计㊁系统控制策略的有效性㊂关键词:电力机车;高频辅助;主电路;均压DOI :10.12067/ATEEE1811037㊀㊀㊀文章编号:1003-3076(2019)03-0074-08㊀㊀㊀中图分类号:TM461㊀引言以CRH1㊁CRH3㊁CRH5㊁HX D 1㊁HX D 2为代表的主辅一体结构,从牵引变流器中间直流侧取电,经三相逆变器和高阻抗工频变压器降压㊁滤波后输出,相比较主辅分离式存在过无电区短时失电以及不利于与牵引变流器集成等缺陷,已成为动车组与电力机车辅助供电主流方案㊂轻量化㊁小型化是辅助供电系统技术发展主题和综合水平的体现[1]㊂工频变压器主辅一体式辅助供电系统如图1所示,现有的主辅一体式均采用体积庞大的工频变压器,占辅助整机重量的30%~40%㊂如果将变压器工作频率提高至几十kHz,可极大减小重量与体积,再结合高频DC /DC 变换及软开关技术得到稳定低压直流,进行逆变输出,实现辅助系统变流㊁降压㊁隔离三大基本功能㊂图1㊀工频变压器主辅一体式辅助供电系统Fig.1㊀Low frequency integrated auxiliary system辅助高频化技术在直流DC750/1500V 供电的地铁㊁轻轨车辆上,三菱电机㊁Siemens㊁SMA㊁Knorr-Bremse 等设备厂家均有相应产品已装车运行[2],但在动车与机车上还尚未有成熟应用㊂Knorr-Bremse 公司的城轨辅助变流系统整机功率密度和体积密度可分别达到0.29kW /kg㊁188kW /m 3,相比于此,动车或机车的工频辅助系统目前功率密度仅约0.19kW /kg,未来还有很大的提升空间㊂此外,如表1所示,动车或机车的辅助功率较大,中间直流侧电压较高,考虑固有的二倍频波动,中间直流电压最高可达4kV,因此,两者主电路拓扑也存在一定差异性㊂表1㊀不同车型主辅一体辅助系统基本信息Tab.1㊀Basic information of integrated auxiliary system 车型CRH1CRH3CRH380HX D 1HX D 1B HX D 2电压/V 165036003600180036002800功率/(kV ㊃A)160160160130300170要实现辅助系统高压直流至低压交流的高频隔离变换,可行的主电路基本结构[3],如图2所示,应依次包括前级斩波稳压㊁中间高频隔离㊁后级逆变滤波三个环节,其中,斩波稳压和高频隔离环节将高压直流隔离降压至DC800V 左右供给后级逆变环节,实现AC380V /50Hz 或AC440V /60Hz 交流输出,供给全车辅机㊂动车或电力机车高频辅助变流系统后级采用三相逆变加LC 滤波电路已非常成熟,而对于包含前级斩波及中间高频隔离的高频直流链电路拓扑方案少有文献进行明确的详细阐述和针对性分析㊂本文孙大南.动车组与电力机车高频化辅助变流系统主电路研究[J].电工电能新技术,2019,38(3):74-81.75㊀图2㊀高频变换辅助供电系统Fig.2㊀High frequency auxiliary power supply system在分析高频化实现方式和工程设计局限性基础上,提出三种可行的主电路拓扑方案,从多个关键角度进行详细分析对比和仿真试验验证㊂2㊀主电路拓扑2.1㊀高频化实现方式与工程设计局限性软开关DC /DC 变换器,可实现开关管的零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS),从而提高效率减小体积,是高压中大功率高频化实现的首选方案㊂第一类是基于传统全桥或半桥变换器增加辅助电路实现软开关,如图3(a)所示的半桥ZCS DC /DC 变换器[4],在半桥隔离变压器副边直流侧,增加辅助开关管S a 和谐振电容C a ,实现主开关管S 1㊁S 2和辅助开关管S a 的ZCS 关断㊂另一类是具有自然软开关特性的谐振变换器,在大功率场合尤其以全桥LLC 串联谐振变换器[5]应用居多,如图3(b)所示㊂LLC 变换器可在全负载范围内实现原边主开关管的ZVS 和近似ZCS,还可以实现副边整流二极管的ZCS㊂图3㊀软开关DC /DC 变换器Fig.3㊀Soft-switching DC /DC converter在实际产品工程设计过程中,要综合考虑器件耐压㊁工作频率㊁散热㊁噪音㊁体积㊁重量㊁可靠性㊁兼容性等诸多因素㊂变压器及电感等磁性元件噪声频谱成分中尤以2倍开关频率次声强最大,提高开关频率还可将噪声频谱顺移至人耳听觉最大声音频率20kHz 以上,进一步减小设备噪声㊂但高压大功率应用中器件的耐压与开关频率是矛盾的,高压IGBT 的低开关频率特性会限制隔离变压器工作频率的提高㊂目前,在良好的软开关控制和散热条件下,3.3kV 与6.5kV 耐压的IGBT 最大开关频率[6]分别为8kHz 和5kHz,若要提高隔离变压器的工作频率至20kHz 附近,需选择耐压1.7kV 甚至更低的IGBT 或SiC 器件,但动车或机车的中间直流侧电压一般大于1.6kV,因此,高频辅助主电路拓扑不可避免地需要应用多模块级联或多电平技术㊂2.2㊀三种可行的主电路方案若采用半桥ZCS DC /DC 隔离变换器,文献[7]给出了一种应用于CRH5动车辅助变流系统的半桥模块化输入串联输出串联拓扑,如图4所示㊂2组完全相同的子模块均采用图3(a)所示变换器,由于采用两级串联,应用于直流3.6kV 系统,子模块半桥ZCS 变换器需要选用3.3kV 耐压IGBT,因此,高频变压器的工作频率也相对较低㊂图4㊀半桥模块化ISOS 拓扑Fig.4㊀Half bridge modular ISOS topology (HB-ISOS)如果中间隔离环节采用LLC 谐振变换器,由于牵引中间直流侧固有的100Hz 二倍频电压波动,若将其直接接入,将会引起LLC 谐振腔电流振荡[8]㊂此外,大功率LLC 自身软启动问题[9]很难解决,且如果采用闭环变频控制也不利于优化设计磁性元件和滤波电容㊂为克服全桥LLC 谐振变换器缺陷,可在其前级增加非隔离的Buck 或者Boost 降/升压变换器㊂大功率场合为尽量减小电压纹波和减小电感体积,并实现轻载时斩波输出电压优良可控性,升/降压变换器多采用同步交错并联结构㊂76㊀电工电能新技术第38卷第3期开关器件耐压越低,意味串联子模块数目越多,系统可靠性随之降低,综合开关频率及可靠性,LLC 谐振隔离环节选择1.7kV 耐压开关器件最优㊂结合Boost 或Buck 前级斩波与LLC 谐振隔离环节,提出三种适用于动车与机车高频化辅助变流系统高频直流链的主电路拓扑,分别如图5~图7所示㊂图5㊀Boost-LLC 模块化ISOP 拓扑Fig.5㊀Boost-LLC modular ISOPtopology图6㊀Buck-LLC 模块化ISOP 拓扑Fig.6㊀Buck-LLC modular ISOPtopology图7㊀TLBuck-LLC-ISOP 拓扑Fig.7㊀TLBuck-LLC-ISOP topology图5所示的Boost-LLC-ISOP 拓扑,前级采用Boost 斩波升压,每个子模块输入电压额定DC900V,升压至DC1.1kV 后,再经LLC 隔离降压至DC850V㊂用于中间直流电压3.6kV 车辆系统,可设计4级Boost-LLC 子模块输入串联输出并联,相应的用于中间直流1.8kV 系统,则选择2级Boost-LLC 子模块输入串联输出并联,若进一步考虑子模块故障系统仍能维持运行,可设计 N +1 子模块冗余[10]㊂图6所示的Buck-LLC-ISOP 拓扑,每个子模块输入电压额定DC1.8kV,Buck 降压至DC1.1kV 后再经LLC 隔离降压至DC850V㊂最高中间直流3.6kV 系统,选择2级Buck-LLC 子模块输入串联输出并联,相应的对于1.8kV 系统选择1级Boost-LLC 子模块输入串联输出并联㊂若将两级Buck 串联电路稍作演变,即成为三电平Buck 变换器[11](简称TLBuck),TLBuck 电路拓扑开关管电压应力为输入电压1/2㊂采用主开关管交错控制方式,大大减小输出LC 滤波器㊂由此衍生如图7所示的TLBuck-LLC 拓扑,前级采用TL-Buck 斩波降压至DC2.2kV 左右,中间高频隔离环节,再采用两级LLC 组合输入串联输出并联降压至DC850V㊂3㊀对比分析以某型和谐电力机车辅助系统高频化为目标,对以上所提三种高频直流链电路拓扑进行工程化设计,具体顶层技术参数如表2所示㊂下面主要从关乎高频辅助系统轻量化㊁小型化㊁可靠性㊁可控性㊁不同车型适应性等几个关键的维度,对上文所提的三种可行拓扑展开对比分析㊂表2㊀某型和谐电力机车辅助系统技术参数3.1㊀开关器件就所需功率器件数目而言,Boost-LLC 拓扑最多,Buck-LLC 次之,TLBuck-LLC 最少,器件与驱动总成本也呈现同样规律,同时,Buck-LLC 与TLBuck-LLC 斩波降压部分需要混合使用3.3kV 和1.7kV 不同规格IGBT,而Boost-LLC 拓扑可全使用1.7kV 同规格IGBT㊂3.2㊀电感电容斩波电感与输入㊁输出支撑滤波电容是整个系统占体较大的无源元件㊂由于LLC 和逆变单元参孙大南.动车组与电力机车高频化辅助变流系统主电路研究[J].电工电能新技术,2019,38(3):74-81.77㊀数基本一致,这里仅对前级斩波进行分析,为统一比照,按照如下原则设计:(1)斩波电感电流纹波系数为0.7㊂(2)滤波电容的电压纹波为ʃ5%㊂以TLBuck变换器设计为例,占空比D>0.5,采用IGBT取代续流二极管,电感电流始终连续㊂电感纹波电流ΔI L为:ΔI L=V o(1/D-1)(2D-1)2L f f s(1)式中,L f为斩波电感;f s为等效开关频率;V o为输出电压㊂在一个开关周期内,滤波电感电流对滤波电容重放电2次,滤波电容纹波电压峰峰值Δu C为:Δu C=V in(1-D)(2D-1)32L f C f f2s(2)式中,V in为输入电压;C f为输出滤波电容㊂考虑电感重量㊁体积以及散热设计,本文分析交错Buck/Boost变换器均选择开关交错式㊂根据式(1)和式(2)设计三种拓扑斩波电感与输入输出电容参数如表3和表4所示㊂由表3对比可见,就斩波电感而言,TLBuck-LLC在电感总重与总体积上均占最优;由表4对比可见,就输入输出支撑滤波电容而言,三种拓扑差距较小㊂表3㊀斩波电感对比表Tab.3㊀Comparative result of chop reactor拓扑电感/mH电感重量/kg电感体积/m3数量Boost-LLC0.95250.014 Buck-LLC 3.0680.042 TLBuck-LLC 2.4600.0121表4㊀输入输出电容对比表Tab.4㊀Comparative result of input and output capacitor拓扑㊀位置电容/F电容体积/m3数量Boost-LLC输入850.0118输出1500.0074 Buck-LLC输入550.0074输出470.0138 TLBuck-LLC输入550.0078输出1600.02443.3㊀损耗效率开关器件损耗占整机损耗绝大部分,直接影响散热系统设计和选型㊂器件损耗主要包括通态损耗和开关损耗,开关损耗又包含开通和关断损耗,计算结果如表5所示㊂表5㊀损耗对比表Tab.5㊀Comparative result of power device loss 参数拓扑Boost-LLC Buck-LLC TLBuck-LLC 总损耗/W㊀㊀10048㊀㊀7972㊀㊀6382占比(%)㊀㊀ 3.86㊀㊀ 3.07㊀㊀ 2.45对比可见,TLBuck-LLC拓扑开关器件损耗最小,Buck-LLC次之,Boost-LLC由于开关器件数量几乎翻倍导致损耗最高,占整机功率比达到3.86%,损耗对应散热功率,损耗越大代表散热系统重量和体积也随之变大,从而影响整机指标性能㊂3.4㊀前级斩波稳压环节均压由于三种拓扑直流输入侧均采用子模块或电容串联,元件参数及脉冲误差等均会带来子模块输入电压不均或直流中点电压漂移,因此,控制策略上需要施加串联均压控制㊂串联均压控制的本质[12]都是通过调节各子模块或相应桥臂的输出功率实现㊂以图7所示的TLBuck-LLC拓扑中TLBuck直流中点电压均衡控制为例,原理如图8所示㊂U p1㊁U p2分别为TLBuck串联电容C1㊁C2电压,U∗F㊁U F分别为输出电压给定值与实际值,I∗L㊁I L分别为电感电流给定值与实际值㊂整体控制采用输出电压外环㊁电感电流内环的双环控制模式,电压环实现输出电压动态可控,电流环可提高外环响应速度并进行过载或短路限流㊂均压环将输入电容电压误差作为前馈分量施加到主开关管Q1㊁Q3占空比控制回路中,闭环动态的调节负载从直流侧串联电容中抽取能量比例,达到电容电压均衡控制目的,软启动过程中强制误差处理环节输出0,待软起结束,使能均压控制器㊂闭环均压控制在正常工况下能有效地实现系统动态均压,但是,当系统处于极端负载条件如空载㊁极轻载或短路限流时,子模块输出功率很小,开关管占空比调节范围变得极其有限,从而导致串联均压控制效果大大减弱甚至失效,进一步可能会引起串联子模块或串联电容因输入电压过高而损坏㊂TLBuck在空载和短路限流工况下均压波形如图9所示,可见三种主电路方案均需并联适当均压电阻或增加辅助均压电路,以保障极限工况下可靠工作㊂3.5㊀LLC串联均压大功率LLC采用方波开环控制,工作在谐振频率点附近靠左侧区域,实现开关管ZVS和近似78㊀电工电能新技术第38卷第3期图8㊀TLBuck 闭环与均压控制Fig.8㊀Close-loop and voltage balance control ofTLBuck图9㊀TLBuck 极限工况下的均压波形Fig.9㊀TLBuck voltage balance under extreme conditionsZCS㊂谐振腔参数设计时,一般将电压增益曲线设计成近似 直流变压器 的硬特性[13],LLC 工作在谐振频率点左侧附近,输出电压受负载变化影响很小㊂TLBuck-LLC 采用了LLC 串联结构,由于输入串联输出并联,在高频变压器变比一定情况下,两组LLC 原边串联直流电压基本实现自动均压和均流,无需采用额外的均压控制策略㊂图10给出了串联的两组LLC 分别在不同谐振电感和不同励磁电感下的直流侧均压效果曲线,图10中,纵坐标为两组LLC 输入电容电压差值ΔU F =U F2-U F1,两组谐振电感差值ΔL r =L r2-L r1,两组变压器励磁电感差值ΔL m =L m2-L m1㊂由图10可见,电路参数的离散对串联LLC 的均压影响极小㊂图10㊀不同谐振㊁励磁电感的串联LLC 均压结果Fig.10㊀LLC voltage balance result under different L r &L m3.6㊀多系统适应性Buck-LLC 与Boost-LLC ISOP 拓扑可采用模块化设计,具有较好的多系统适应性,针对不同中间直流电压系统,可更改串联模块个数,实现模块化配置,而TLBuck-LLC 拓扑在系统适应性方面稍逊㊂3.7㊀对比总结综合以上分析对比,三种可行的主电路拓扑各有优缺点,应根据不同应用环境和场合选择合适的拓扑,但从装置轻量化㊁小型化㊁效率以及工程化实现角度考虑,第三种TLBuck-LLC-ISOP 拓扑综合优势明显㊂下文重点针对该主电路拓扑展开仿真与试验分析㊂4㊀仿真与试验TLBuck-LLC-ISOP 拓扑主电路技术参数见表2,完整的主电路如图11所示,包含前级TLBuck 斩波降压㊁中间LLC 谐振隔离和后级三相逆变3大环节㊂图11㊀TLBuck-LLC 高频化辅助变流系统主电路Fig.11㊀TLBuck-LLC high-frequency auxiliary system前两个环节上文已展开分析,三相逆变环节采用同步旋转坐标系下的电感电流内环和电容电压外环的双闭环控制策略[14],具体就不再展开阐述㊂4.1㊀仿真分析图12为前级TLBuck 斩波降压环节负载突变(0-50%-0)工况下的仿真波形,由上至下依次是输孙大南.动车组与电力机车高频化辅助变流系统主电路研究[J].电工电能新技术,2019,38(3):74-81.79㊀出电压U F ㊁电感电流I L ㊁输入串联电容电压U p1与U p2㊂图13所示为通过更改TLBuck 串联电容C 1㊁C 2与对应并联均压电阻,造成输入电压不平衡,在0.8s 开始施加均压控制策略的效果仿真波形㊂仿真结果验证了TLBuck 电路元件参数设计㊁闭环控制策略以及均压控制的有效性㊂图12㊀TLBuck 负载突变仿真波形Fig.12㊀Simulation waveform of TLBuck load mutation图13㊀TLBuck 均压控制仿真波形Fig.13㊀Simulation of TLBuck voltage balance control图14所示为前级TLBuck 与中间LLC 的软启动过程,由上至下依次是TLBuck 输出电压U F1㊁LLC输出电压U d ㊁LLC 谐振电流i r1㊂如图8所示,软启动时,LLC 一直保持恒定开关频率方波驱动,逐渐增大TLBuck 主开关管占空比,使得LLC 输入电压以固定斜率缓启,实现LLC 电压和谐振电流的软启动,简化了控制逻辑㊂图14㊀TLBuck 与LLC 软启动过程Fig.14㊀Soft-start of TLBuck and LLC图15(a)所示为中间LLC 谐振隔离环节在负载突变(0-50%-0)工况下的仿真波形,从上至下依次是输出电压U d ㊁谐振电流i r1㊁两组LLC 输入直流电压U F1和U F2,图15(b)所示为采用移相交错控制的两组串联LLC 谐振电流i r1㊁i r2与谐振电容电压U r1㊁U r2波形局部放大图㊂图15㊀LLC-ISOP 负载突变仿真波形Fig.15㊀Simulation waveform of LLC-ISOP load mutation由图15(b)可知,谐振电流与谐振电容电压相位交错90ʎ,IGBT 器件实现ZVS 开通与近似ZCS 关断,LLC 输入串联均压效果良好,LLC 由于开环控制,在空载与半载切换时,输出电压波动范围约780~920V,满足后级逆变直流侧电压设计要求㊂4.2㊀试验结果图16(a)~16(c)给出了小功率功能样机在负载突变和稳态工况下各个单元运行的部分典型试验波形㊂图16(a)所示由上至下依次是TLBuck 输出电压U F ㊁逆变器输出线电压U ab ㊁逆变器输出相电流I a ㊁LLC 谐振电流I r ,可见负载突变时,TLBuck 和逆变器电压闭环均有较快的动态响应和较小的电压超调㊂图16(b)所示由上至下依次是LLC 原边右桥臂下管IGBT 的V CE 电压㊁LLC 原边H 桥输出电压80㊀电工电能新技术第38卷第3期U r1㊁高频变压器原边I r1㊁副边电流I s1,可见LLC 主开关IGBT 实现了ZVS 开通和近似ZCS 关断,副边二极管也实现了ZCS 自然软关断㊂16(c)图所示由上至下依次是稳态工况下逆变器输出滤波前电压U AB ㊁LLC 输出电压U d ㊁逆变器滤波后电压U ab 和LLC 谐振电流I r ,可见LC 滤波后逆变器输出电压谐波畸变率小,满足车辆供电电压THD <5%要求,此外,由于TLBuck 的前级稳压,中间LLC 变换器输出电压和谐振电流也无倍频振荡现象㊂图16㊀部分试验波形Fig.16㊀Partial experimental waveforms5 结论为满足车辆辅助变流系统轻量化㊁小型化的发展需求,高频化是大势所趋㊂本文分析了动车组与电力机车高频辅助变流系统的特殊性,以及高压大功率场合应用高频化技术的实现方式及工程化存在的局限问题,在此基础上提出了三种可行的高频辅助主电路拓扑,并从成本㊁效率㊁体积㊁均压控制㊁多系统适应性等多个角度进行了综合的对比分析,结果表明TLBuck-LLC 拓扑综合优势明显,仿真分析和试验结果验证了该主电路拓扑的可行性及电路参数设计及控制策略的有效性㊂参考文献(References ):[1]马颖涛(Ma Yingtao).城市轨道交通车辆辅助逆变电源的发展趋势(Develop trend of auxiliary power supply for urban rail transit train)[J].城市轨道交通研究(Urban Mass Transit),2017,20(7):90-93.[2]Knorr-Bremse Powertech.Auxiliary power supply 160kVA[R].2013.[3]王优,郑泽东,李永东(Wang You,Zheng Zedong,LiYongdong).中高压电力电子变压器拓扑与控制应用综述(Review of topology and control application of me-dium and high voltage power electronic transformer )[J].电工电能新技术(Advanced Technology of Elec-trical Engineering and Energy),2017,36(5):1-10.[4]Olivier Deblecker,Adriano Moretti,FranCois Vallee.Comparative study of soft-switched isolated DC-DC con-verters for auxiliary railway supply [J].IEEE Transac-tions on Power Electronics,2008,23(5):2218-2229.[5]Dujic Drazen,Lewdeni Schmid Silvia,Mester Akos,etal.Experimental 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the performance of TLBuck-LLC topology is the best.The feasibility of the main circuit topology and effectiveness of the parameter design and control strategy are verified by modeling simulation and functional prototype test.Key words :electrical locomotive;high frequency auxiliary;main circuit;voltage balance。