电力机车牵引四象限变流器的研究与实现

摘要

牵引四象限变流器是牵引交流传动系统中的重要环节，采用PWM调制技术的牵引四象限变流器显著降低了交流侧电流谐波，能实现单位功率因数运行，可实现能量的双向流动，电能利用率高，广泛应用在国内外的牵引传动系统中。 在大功率牵引四象限变流器中，由于功率器件的开关频率很低，无法满足直接电流控制所需要的高带宽响应，通常采用基于稳态模型的间接电流控制策略。针对传统间接电流控制存在的电流响应慢、对无功功率控制效果差等缺陷，本文提出了一种基于dq解耦控制的无过渡过程间接电流控制策略，实现了无功功率和有功功率的独立控制，无功闭环的加入大大提升了系统对交流侧功率因数的控制效果，无过渡过程控制技术的引入可以提高交流侧电流的动态响应性能。在MATLAB平台下搭建仿真模型，多工况下的仿真结果验证了解耦控制和无过渡过程控制的有效性。 基于二阶广义积分器的锁相环由于频率自适应和滤除噪声谐波的特点广泛应用于牵引四象限变流器中。针对传统的基于二阶广义积分器的锁相环在网压同步信号含有低次谐波或者直流偏置时不能快速跟踪和锁相的问题，本文提出了基于全周期离散傅里叶的二阶广义积分器的锁相环，在网压同步信号畸变时仍能实现快速锁相，并给出了关键控制参数的设计和离散积分器的实现。在外同步信号含有谐波干扰、幅值突变、相位突变、频率突变、直流偏置等多种情况下进行仿真研究，仿真结果验证了所提出的锁相环的有效性。 最后本文进行了牵引四象限变流器的主回路设计，并且给出了控制单元的硬件架构和软件设计流程。在整车试验台上进行牵引四象限变流器的实验研究，给出牵引四象限变流器的空载启动、空载稳态运行、满载稳态运行以及再生制动等工况下的实验波形，实验结果验证了本文所提出的控制策略的正确性和有效性。

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