HXD2F机车辅助变流系统的电路参数及仿真研究

傅雪军

(中车大同电力机车有限公司　技术中心, 山西大同 037038)

HXD2F机车(30 t轴重大功率交流货运机车)是中车大同电力机车有限公司2013年的重要科研项目，该项目中的重要部件辅助变流系统由大同电力机车有限公司自主研制，其设计思想借鉴于HXD2的辅助变流系统的基础上研制而成。30 t轴重机车辅助变流系统在HXD2辅助变流系统基础上进行了辅助容量的增加，由原来的135 kVA增加到170 kVA，而且电压谐波含量由原来的57%降低到小于8%，由于辅助参数进行了较大的改变，因此这是一个全新的设计，不但涉及到其中间电压的改变，而且还涉及到需要增加滤波装置进行电压谐波含量的进一步减小。

1　辅助变流系统原理

HXD2F单节机车的辅助电源由两组辅助变流器、一组充电机电路和一组AC 220 V电路组成，其中辅助变流器一组为定频输出，另一组为变频输出。当其中任意一组故障时,另一组为所有的负载提供电源。辅助变流系统主要由斩波电路、过压抑制电路、充电机电路、三相逆变电路、滤波等组成，辅助变流系统输入电压为1 800 V(其中1 800 V来自于主变流柜的四象限提供的电压)，经过斩波电路后电压变为DC 720 V，然后经过三相逆变和滤波柜输出380 V电压。充电机采用DC-AC-DC的变换模式,输入电路取自辅助变流器的中间电路720 V，变换为DC 110 V为整车低压负载提供电源。其原理如图1。

图1　辅助变流原理图

2　参数计算

2.1　中间电压

由于辅助变流系统中三相逆变系统采用SPWM调制方式，同时需要考虑三相逆变模块和滤波柜内的电抗器和三相电容等器件的损耗，因此输出三相电压在理想状态下假定能最大输出440 V(这样能保证三相逆变输出电压为380 V，除去部分器件损耗电压)，根据SPWM调制方式输出与输入电压公式：

(1)

根据式(1)，计算可得中间电压Ud=720 V。

2.2　斩波输出滤波电抗器

对斩波输出电感、直流支撑电容调节时，有这样的规律：电感越小，超调越大，越稳定；电容越小，超调越小，纹波越大。因此，需要在稳定度，超调量，纹波电压之间进行折衷，根据此原则，电感选取原则如下：由于当中间电压达到400 V时，辅助三相逆变开始工作，因此V0=400 V，而占空比D此时应该选择条件最恶劣情况，当输入电压为1 400 V时候，此时占空比D=720/1 400=0.514，最小电流应该考虑只有水泵、油泵启动的情况下，此时中间电流Iomin=40 A左右，fs=600 Hz，此时通过式(2)

(2)

可以得L>0.004 H，考虑到实际情况留有余量此时L=4.5 mH。

2.3　支撑电容

支撑电容的作用是滤出输入直流电压中的纹波，使直流电压保持稳定。其容量的选择与输入电压的波动、输入电流大小、纹波电压的频率等因素相关，根据式(3)

(3)

可以算C≧0.002 F，这里通过选取标准件，用8个6 800 μF/450 V的电容进行串并联可以达到此目的。

2.4　充电机单相变压器

如图1，充电机主电路采用半桥结构，充电机取自中间电压720(1±5%) V，输出直流电压最大要达到120 V，假设整流二极管压降为1 V，滤波电感压降为120×5%=6 V，变比计算按照最低输入电压下，能够输出最高所需电压计算，最大占空比按照0.85计算，得到变比为

N=原边匝数/副边匝数=0.5×原边最低输入电压/副边输出电压×最大占空比=

(0.5×684/(120+1+6))×0.85=2.29

2.5　三相电抗器和三相电容

为了使三相逆变电压谐波含量小于8%，因此在三相逆变后输出的PWM波应该加上LC滤波装置，此时LC参数的选取应充分考虑到实际的运行情况，要保证轻载时三相逆变输出电流相对较小情况下(这样可以保证三相逆变IGBT损耗在轻载时较小)，因此三相电容参数应该尽量能选取相对较小的容值，在保证这种前提下，通过以下介绍可以得出三相电抗器和三相电容值。

三相逆变输出的容量为170 kVA,假设此时功率因数为0.9，因此三相率为170×0.9=153 kW，而每相输出的相电压220 V，因此特性阻抗为

ρ=(0.5-0.8)R=0.474～0.759

取ρ=0.63 截止频率f=300 (3fs

L=ρ/(2πf)=334 μH

根据实际情况，这里三相电抗器取L=350 μH，计算完电抗器后，可以计算出三相电容对于Y连接:C=L/ρ2=881 μF，三相电容对于三角形连接C1=C/3=293 μF，最后取C=300 μF。

3　辅助变流系统matlab仿真模型

辅助变流系统由斩波电路、三相逆变电路、滤波器、充电机等组成其整体仿真模型如图3，通过上面计算的参数,计算参数可以在仿真模型中得到验证,看仿真结果是否符合技术规范要求,进一步验算参数计算的正确性。

图2　PI调节器组成的系统框图

图3　辅助变流系统matlab/simulink仿真模型

在Matlab仿真模型中，斩波采用BUCK电路，模型通过PI调节器组成闭环系统，如图2，根据此框图原理，首先可以得到系统传递函数G(s),可根据劳斯盘踞选顶是系统稳定PI值,再考虑到系统的调节时间和超调要求选定,可以得到Kp=3,Ki=0.1,通过给定合适的PI调节值,从图6中可以看出，通过自身调节,可以得到稳定的720 V电压,其电压波动非常小。

充电机主电路采用的是隔离的半桥逆变电路，半桥式电路中变压器为双向激磁，利用率较高，而且没有偏磁问题，半桥型电路开关器件数量少，电流等级要大一些，在成本上比较低。充电机采用恒压充电方式，原理为：充电时，充电电压保持一恒定值，随着充电的进行，蓄电池的内阻不断增大，充电电流不断减小，该充电方式优势在于由于电压恒定，故可避免过充电，而且与恒流充电方式比较，电流的充电曲线更接近最佳充电曲线,其仿真模型如图4。

三相电压型逆变器负责将中间直流电压变换为负载所需要的低dv/dt的三相电压或正弦交流电。当逆变器输出电压为低dv/dt的三相PWM电压时，逆变器输出端只需加张体积较小的dv/dt滤波器，辅助变流器系统综合成本低，但此时对辅助电机等负载的散热、绝缘要求高；当要求变流器输出正弦电压波形时，三相电压型逆变器之后需要加装LC滤波器，此时对辅助电机等负载的散热和绝缘要求低。机车用通风机等负载多为三相异步电动机驱动，因而逆变器的控制方式采用恒电压频率比控制方式，以提高负载电机的转矩调节性能，并采用SVPWM控制方式，而机车用水泵等频率固定的负载，采用SPWM控制方式，如图5，其输出电压波形如图6,对波形进行 FFT分析其电压谐波含量小于5%。

图4　充电机matlab/simulink模型

图5　三相逆变matlab模型

图6　输出仿真波形

4　试验数据

图7为辅助变流器的型式试验数据，可以看出DC 720 V和DC 110 V电压都波动非常小，与仿真波形类似，而AC 380 V满载的谐波含量<3%,与上述仿真模型的FFT分析(FFT分析的THD为1.87%)接近，通过型式试验的数据可以看出，理论分析和实际波形数据类似。

5　结束语

通过上面对辅助变流系统的参数计算和仿真模型分析,可以更好的掌握辅助变流系统的原理与架构,参数计算和仿真模型的搭建对辅助变流系统非常重要,是项目成功的关键。目前HXD2F辅助变流系统已经通过型式试验并且上线运营考核情况良好，进一步验证了参数和仿真模型的可靠性。

验证电压和频率范围输入最大电压:DC 1 980 V1 981.81 977.71 978.6输入电流/A24.0362.30104.02输入功率/kW47.62123.21205.493AC 380 V/V189.56302.74377.81输出电流/A135.19219.19268.0输出功率/kW44.39114.94175.35功率因数1.001.001.00输出电压频率(50±1)/Hz25.0040.0050.00输出电压谐波含量(<8)/%1.71.02.7

图7型式试验波形和数据