电力机车级联H桥多电平变流探究

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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，受电弓将接触网单相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。同时，对参数变量作出定义，如表1所示。电路稳态时，udc1=udc2=udc3。如上所述，1桥的交流侧输入电压uao1有三种情况:+udc1、-udc1、0，2桥、3桥同理。三个全桥整流器的开关函数S1、S2、S3定义如下:Si1Ti1、Ti4导通且Ti2、Ti3关断;0Ti1、Ti3导通且Ti2、Ti4导通;－1Ti2、Ti3导通且Ti1、Ti4关断;{(1)即:Si=Ti1－Ti3，式中，i=1、2、3。整个级联H桥开关组合(S1S2S3)有33=27种，uab表现为7种电平:+3udc*、+2udc*、+udc*、0、-3udc*、-2udc*、-udc*，如图3所示。七电平的交流侧电压Uab与标准正弦波更接近，网侧电流中的谐波更少。除此之外，每个IGBT上的电压应力只有Udc的三分之一。

3仿真验证

利用MATLAB/simulink工具进行仿真验证，仿真参数如表2所示。仿真中采用的步长为10-5s，同时对多电平变流器进行控制，得到仿真结果。图4为交流侧输入电压七电平波形;图5为输出直流电压波形，直流电压稳定在约7800V，验证了多平级联H桥变流器的可行性与有效性。

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。

作者:张笛 崔晶 单位:西安铁路职业技术学院