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摘 要

随着我国经济的不断发展，国民经济总量的提升，对我国的交通运输能力提出了更高的要求。而作为综合成本和效率最高的铁路运输，在近几年得到了大力的发展，但在可预见的将来依然会显得捉襟见肘。同时我国又拥有极大地纵深，因此加快大功率电气机车的研发是提高运输能力的必然选择。而电力牵引变流器作为现代电气化机车的传动系统中的主要组成部分之一，必然需要对其投入巨大的精力进行开发。本文通过对电气牵引变流器逆变侧的仿真，通过理论分析和仿真实验研究来研究电气机车的部分动力系统。

本文在对国内外研究现状进行概述后，首先在Maxwell软件中进行了牵引电机模型的建立并进行了空载仿真以便于验证模型的合理性。其次，在SIMPLORER中建立了牵引逆变器的模型，包括电路模型的搭建以及控制牵引逆变器中三组IGBT开断的C语言模型。再次，进行了基于SIMPLORER与Maxwell联合的牵引变流器逆变侧仿真并得到实验数据。最后，分析联合仿真所得的实验数据，验证所建立模型的准确性，并分析生成不合理数据的原因。

关键字：电力牵引 逆变器 牵引电机 仿真 有限元分析

Design and Simulation Analysis of Inverter Side Circuit of Electric Traction Converter

Abstract

With the continuous evolution of the Chinese economy, the growth of the national economy presented greater demands for the Chinese transport capacity. As the railway with the highest comprehensive cost and efficiency, it has been vigorously developed in recent years, but it will still be stretched in the foreseeable future. At the same time, China has a great depth, so accelerating the research and development of high-power electric locomotives is an inevitable choice to improve transportation capacity. As one of the main components of the transmission system of modern electrified locomotives, electric traction converters need to invest a lot of energy in development. In this paper, through the simulation of the inverter side of the electric traction converter, the theoretical analysis and simulation experiments are carried out to study part of the power system of the electric locomotive.

After summarizing the research status at home and abroad, this paper firstly establishes the traction motor model in Maxwell software and carries out the no-load simulation to verify the rationality of the model. Secondly, a model of the traction inverter is established in SIMPLORER, including the construction of the circuit model and the C language model for controlling the breaking of the three sets of IGBTs in the traction inverter. Thirdly, the inverter side simulation of traction converter based on SIMPLORER and Maxwell was carried out and experimental data were obtained. Finally, the experimental data obtained from the joint simulation is analyzed to verify the accuracy of the established model and analyze the reasons for the unreasonable data.

Key Words: electric traction; inverter; asynchronous motor; simulation; finite element analysis

目 录

摘要I

ABSTRACTII

第一章 绪论1

1.1 课题研究背景1

1.2 研究现状2

1.2.1 牵引系统的现状2

1.2.2 牵引逆变器的应用现状3

1.2.3 牵引逆变电路控制策略现状4

1.2.4 牵引电机的研究现状4

1.3 本文主要工作5

第二章 电力牵引逆变器的结构和工作原理6

2.1 电力牵引系统概述6

2.1.1 电力牵引设备的主要设备及其主要功能6

2.1.2 电力牵引系统的类型8

2.2 牵引逆变器的基本原理介绍10

2.2.1 逆变器的基本原理介绍10

2.2.2 三电平PWM逆变器基本原理12

2.3 牵引电机介绍及选择12

2.3.1 牵引电机基本原理13

2.3.2 牵引电机的运行14

第三章 基于Maxwell对三相感应电机的仿真15

3.1 Maxwell软件介绍15

3.2 基于Maxwell的异步电机仿真15

3.2.1 异步电机仿真15

3.2.2 异步电机模型搭建步骤15

3.2.3 异步电机机空载仿真19

3.3 波形和结果分析20

第四章 基于SIMPLORER对牵引变流器逆变侧的联合仿真24

4.1 IMPLORER软件介绍24

4.2 基于SIMPLORER对牵引变流器逆变侧的联合仿真24

4.2.1 电机相关参数25

4.2.2 逆变主控电路设计25

4.2.3 SIMPLORER与Maxwell联合仿真步骤26

4.2.4 逆变器控制策略27

4.3 波形和结果分析28

4.3.1 仿真波形29

4.3.2 波形结果分析33

第五章 结语35

5.1 总结35

5.2 展望35

参考文献37

致谢39

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

近些年，我国经济飞速发展，成就斐然，目前已跃升为全球第二大经济体。与此同时，我国国民的经济水平也在不断壮大。因此，在保证发展速度的前提下，必须大力发展我国的交通运输业。电气化的列车作为现代的重要交通以及运输工具，不但拥有综合成本较低的优势，又能为国家创造无数的岗位，拉动全国经济活力，对国家发展十分有利；同时，日益发展的国家经济，极大地带动了旅游业以及货运行业，对轨道交通运输设备和基础设施的水平要求日益提高，即暴露出了我国运力不足与经济高速发展之间的矛盾。因此，大力发展铁路运输能力已经成为了国家迫切需要解决的问题。

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