电力机车级联H桥多电平变流方案

    张笛 崔晶

    

    

    

    摘要：采用单相多电平级联H桥代替电力机车上传统的脉冲整流器，从而避免使用笨重、体积大的工频牵引变压器，可以实现车体轻量化。分析了单相多电平级联H桥变流器的拓扑结构与工作原理，理论分析及MATLAB/simulink仿真结果表明，多电平变流器可以输出稳定直流电压，并且每个功率器件承受的电压应力较小。

    关键词：无牵引变压器;级联H桥;多电平变流器

    铁路提速促进国民经济发展，车体轻量化是列车提速需要解决的其中一个技术难题。为实现电力机车避免使用笨重的牵引变压器[1]，则需变流器能够承担输入的高电压，但单个功率器件能够承担的电压应力仅为6500V，因此通过串联功率器件分压[2]。

    1 传统电力牵引传动系统

    在传统的电力牵引传动系统中，受电弓將接触网单相25kV/50Hz交流电引入机车，利用工频牵引变压器将25kV的电压降低到机车能够接受的范围，经过整流器输出稳定直流电，再经过逆变器输出幅值与频率可调的交流电对电机调速。工频牵引变压器本体重量5360Kg，变压器总重量可达6120Kg，外形尺寸为长4150mm、宽2653mm、高724mm。笨重、体积大的工频变压器给电网和机车带来了很大负担。

    2 多电平变流器理论分析

    级联H桥多电平变流器可以解决电力机车25kV高压与功率器件无法承担高压的矛盾，级联H桥多电平变流器谐波更小、功率容量大、开关频率较低、响应速度快[3]、易于模块化设计[4]。

    单相全桥整流器如图1所示，电路由交流电流源、等效电阻、电感、全控型功率半导体开关器件反并联二极管、支撑电容和负载组成。其中，交流侧的电流谐波由电感滤除。全桥整流器既可将来自接触网的交流整流为直流，又可将直流侧电能逆变为交流送回接触网，实现四象限运行。

    单相多电平级联H桥变流器由多个全桥整流器级联而成，工作原理与单相全桥整流器类似。3个全桥整流器串联，即可得到单相七电平级联H桥变流器，如图2所示。其中uao1、uo1o2、uo2b之和等于uab，变流器1桥的IGBT包括T11、T12、T13、T14，变流器2桥的IGBT包括T21、T22、T23、T24，变流器3桥的IGBT包括T31、T32、T33、T34。

    为了便于分析，作出如下假设：

    （1）12个IGBT均为理想开关，无损耗忽略且开关时间。

    （2）电容、电阻、电感均为理想元件。

    （3）忽略开关管死区影响。

    4 结语

    为了实现电力机车无工频牵引变压器，通过级联H桥多电平变流器替代常规的脉冲变流器，输出了稳定直流电压，并且级联H桥实现了分压的目的。

    参考文献：

    [1]Marchesoni M，Novaro R，Savio S.AC locomotive conversion systems without heavy transformers：is it a practicable solution？[C].Industrial Electronics，2002.ISIE 2002.Proceedings of the 2002 IEEE International Symposium on.IEEE，2002，4：1172-1177.

    [2]陶兴华，李永东，孙敏.级联型PWM整流器控制策略研究[J].电气传动，2010，40（7）：33-36.

    [3]李建林，许鸿雁，高志刚.级联H桥五电平变流器工况分析与验证[J].电工技术学报，2007，4：22-4.

    [4]王立乔，齐飞.级联型多电平变流器新型载波相移SPWM研究[J].中国电机工程学报，2010，1（25）：30-3.