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摘要:采用單相多電平級聯(lián)H橋代替電力機(jī)車上傳統(tǒng)的脈沖整流器，從而避免使用笨重、體積大的工頻牽引變壓器，可以實現(xiàn)車體輕量化。分析了單相多電平級聯(lián)H橋變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理，理論分析及MATLAB/simulink仿真結(jié)果表明，多電平變流器可以輸出穩(wěn)定直流電壓，并且每個功率器件承受的電壓應(yīng)力較小。

關(guān)鍵詞:無牽引變壓器;級聯(lián)H橋;多電平變流器

鐵路提速促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，車體輕量化是列車提速需要解決的其中一個技術(shù)難題。為實現(xiàn)電力機(jī)車避免使用笨重的牽引變壓器［1］，則需變流器能夠承擔(dān)輸入的高電壓，但單個功率器件能夠承擔(dān)的電壓應(yīng)力僅為6500V，因此通過串聯(lián)功率器件分壓［2］。

1傳統(tǒng)電力牽引傳動系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的電力牽引傳動系統(tǒng)中，受電弓將接觸網(wǎng)單相25kV/50Hz交流電引入機(jī)車，利用工頻牽引變壓器將25kV的電壓降低到機(jī)車能夠接受的范圍，經(jīng)過整流器輸出穩(wěn)定直流電，再經(jīng)過逆變器輸出幅值與頻率可調(diào)的交流電對電機(jī)調(diào)速。工頻牽引變壓器本體重量5360Kg，變壓器總重量可達(dá)6120Kg，外形尺寸為長4150mm、寬2653mm、高724mm。笨重、體積大的工頻變壓器給電網(wǎng)和機(jī)車帶來了很大負(fù)擔(dān)。

2多電平變流器理論分析

級聯(lián)H橋多電平變流器可以解決電力機(jī)車25kV高壓與功率器件無法承擔(dān)高壓的矛盾，級聯(lián)H橋多電平變流器諧波更小、功率容量大、開關(guān)頻率較低、響應(yīng)速度快［3］、易于模塊化設(shè)計［4］。單相全橋整流器如圖1所示，電路由交流電流源、等效電阻、電感、全控型功率半導(dǎo)體開關(guān)器件反并聯(lián)二極管、支撐電容和負(fù)載組成。其中，交流側(cè)的電流諧波由電感濾除。全橋整流器既可將來自接觸網(wǎng)的交流整流為直流，又可將直流側(cè)電能逆變?yōu)榻涣魉突亟佑|網(wǎng)，實現(xiàn)四象限運(yùn)行。單相多電平級聯(lián)H橋變流器由多個全橋整流器級聯(lián)而成，工作原理與單相全橋整流器類似。3個全橋整流器串聯(lián)，即可得到單相七電平級聯(lián)H橋變流器，如圖2所示。其中uao1、uo1o2、uo2b之和等于uab，變流器1橋的IGBT包括T11、T12、T13、T14，變流器2橋的IGBT包括T21、T22、T23、T24，變流器3橋的IGBT包括T31、T32、T33、T34。為了便于分析，作出如下假設(shè):(1)12個IGBT均為理想開關(guān)，無損耗忽略且開關(guān)時間。(2)電容、電阻、電感均為理想元件。(3)忽略開關(guān)管死區(qū)影響。同時，對參數(shù)變量作出定義，如表1所示。電路穩(wěn)態(tài)時，udc1=udc2=udc3。如上所述，1橋的交流側(cè)輸入電壓uao1有三種情況:+udc1、-udc1、0，2橋、3橋同理。三個全橋整流器的開關(guān)函數(shù)S1、S2、S3定義如下:Si1Ti1、Ti4導(dǎo)通且Ti2、Ti3關(guān)斷;0Ti1、Ti3導(dǎo)通且Ti2、Ti4導(dǎo)通;－1Ti2、Ti3導(dǎo)通且Ti1、Ti4關(guān)斷;{(1)即:Si=Ti1－Ti3，式中，i=1、2、3。整個級聯(lián)H橋開關(guān)組合(S1S2S3)有33=27種，uab表現(xiàn)為7種電平:+3udc*、+2udc*、+udc*、0、-3udc*、-2udc*、-udc*，如圖3所示。七電平的交流側(cè)電壓Uab與標(biāo)準(zhǔn)正弦波更接近，網(wǎng)側(cè)電流中的諧波更少。除此之外，每個IGBT上的電壓應(yīng)力只有Udc的三分之一。

3仿真驗證

利用MATLAB/simulink工具進(jìn)行仿真驗證，仿真參數(shù)如表2所示。仿真中采用的步長為10-5s，同時對多電平變流器進(jìn)行控制，得到仿真結(jié)果。圖4為交流側(cè)輸入電壓七電平波形;圖5為輸出直流電壓波形，直流電壓穩(wěn)定在約7800V，驗證了多平級聯(lián)H橋變流器的可行性與有效性。

4結(jié)語

為了實現(xiàn)電力機(jī)車無工頻牽引變壓器，通過級聯(lián)H橋多電平變流器替代常規(guī)的脈沖變流器，輸出了穩(wěn)定直流電壓，并且級聯(lián)H橋?qū)崿F(xiàn)了分壓的目的。

作者:張笛 崔晶 單位:西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院