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设计和开发一个使铁路交通电气化的高效多级DC / AC驱动逆变器

Mohamed Z. Youssef, Senior Member, IEEE, Konrad Woronowicz, Senior Member, IEEE,

Kunwar Aditya, Member, IEEE, Najath Abdul Azeez, Student Member, IEEE,

and Sheldon S. Williamson, Senior Member, IEEE

摘要：本文介绍了一种应用于交通运输行业中的新的发展趋势，即采用基于多电平变频器的动力装置系统，并且给出了一种新型的为铁路地铁车辆供电的DC / AC三相六级逆变器的设计过程及方案。本文所提出的逆变器是基于所述的多级转换器原理，因为它相比较于脉宽调制（PWM）的拓扑结构具有相对而言低得多的在元件上的分电压。带有相反连接的二极管电压的调制操作的空间矢量脉宽调制（SVPWM），被用于在任何负载的条件下都可以很好的实现电压调节并且有很高的效率。零电流开关操作可以不通过使用辅助电路就能实现，这使得开关能量损耗降到最小。本文所提出的逆变器的新颖性在于其所提出的控制方法，它使用了一种新的切换模式，保证了改良的SVPWM从而可以消除不必要的从输出电压谐波。新算法采用了使用牛顿-拉夫森数值迭代而开发的解决方案的技术，该技术是将使用数字信号处理方法而开发的代码下载到处理器。该数学模型原理十分简单，但它被证明是有效的。其结果是，在满负荷时98.5％的效率相比于以前的97％的效率实现了更高的工作效率。分析、仿真和实验结果得出所提出的一个1500伏直流/ 700伏交流400千瓦的转换器向我们提供了概念性的验证。该转换器相比于传统的的两电平PWM硬开关技术的转换器通过利用更合理的地铁线路布局来节约土地资源，更高的工作效率以及更低的成本价格。

关键词：电动汽车，电力电子，驱动电机，交通运输，车辆

1引言

在油价快速增长和绿色能源与环境友好的零碳理念的普遍趋势鼓舞着交通运输行业朝着不断减少能源消耗的方向发展。除此之外，最近，省、联邦政府已经为交通部门部署了更加环保的列车并且已经启动了“零碳足迹”计划的税务信贷。由于更少的能源意味着更少的水电账单和更多的退税;这个新的趋势已经提高了用于轨道交通行业中逆变器的工作效率的竞争性，从传统的基于硬开关两级脉冲宽度调制（PWM）原理的逆变器所实现的92％的工作效率提高到98％以上。全球的半导体工业的发展以及其合理的经济价格已经促进了能够在高开关频率下工作可达到40千赫的高功率IGBT的生产。多级逆变器具有在较高频率下工作但是没有任何很大的电磁干扰（EMI）水平的优点，不像传统的两电平PWM硬开关技术的转换器，电磁干扰水平取决于输出电压的dv/dt值。除此之外，所提出的多级逆变器的高频动作可允许减小在地板下或天花板上变频器布局的占地面积，这是一个非常大的优势。这个优势使得其他辅助供电设备具备了更多的空间，从而可以适应引进更多的不断更新的设备诸如此类的各种需要，如安全摄像头，车载互联网接入点，以及广告板等等。由于具有更高的开关频率的能力，这减少了自带较轻重量推进逆变器的能量消耗;因此，合理的减少车辆的能量消耗是可以是实现的。其他的一些交通公司都预计这将是一个获得更多收益的好机会，因为减轻了逆变器的重量可以允许搭乘更多的乘客。除了在开关过渡期需要额外的辅助谐振电路才可以实现用于IGBT开关零电流开关（ZCS），该PWM转换器在高开关频率的条件下也具有十分显著的工作效率低的水平。其结果是，在铁路交通工业的实践中，这些转换器需要在低开关频率条件下工作，为了实现并保持相同的电平，这将使他们与多电平逆变器相比较需要有更大空间包络。为了得到驱动逆变器的最佳工作点，必须增加开关频率。基于这样的事实，多电平变换器可以在更高的开关频率下工作，由于IGBT的最新发展，特别是IGBT半导体的价格下降，行业的利益目标正在逐步转向这些转换器。目前，多电平逆变器在成本、效率和相应减少的电磁干扰水平EMI方面也优于谐振逆变器。到目前为止，电磁干扰EMI滤波器是被附加到谐振逆变器中的;他们相比于多级逆变器[2]-[10]占用了更大的空间。多级的耦合电感逆变器在文章[7]中被提出，但这种逆变器方案是在真正被实施于控制列车的功率电平时是很难实时进行调整的，因此它既昂贵又低效。

在文章[11]中，对新的开关模式进行了介绍，它可以将总谐波失真（THD）的电流减少25-30％，但它也存在会对转换器的设计进程产生影响的问题。它在非常高的频率和高功率电平瞬时条件下也是存在一定的问题，可能会导致非常短暂的短路时期。在文章[12]-[15]中，提出了新颖的开关技术，可以减少所提出的逆变器的输出电压的谐波含量，并且可以限制在实际铁路上的工作中高功率水平的控制器的执行情况。在文章[16]中，对新的PWM开关模式进行了介绍和开发，它是通过使用很多的硬件组合和高等数学的原理可以尽量减少THD。在文章[17]中，间断的、连续的和连续的PWM技术已经比较广泛的应用于高功率和中压应用的三电平中性点钳位的电压源逆变器。在本文中，提出了一种六级转换器（参照图1），并通过使用新的开关模式进行分析，从而保证了将输出电压波形中不需要的谐波消除。变频器的输出电压受到可变SVPWM技术的控制，只要它是始终被钳制到最大电平，就不会影响到直线感应电机（LIM）的绝缘或半导体IGBT开关上的电压应力，按一定序列的工作也保证了ZCS在IGBT上的操作过程。外部控制回路的作用是帮助调节输出电压。所提出的转换器如图1所示，该图说明了通过逆变器和保护电路从路旁的铁路至LIM的能量传递路径。

图1 两个给两个线性感应电动机供电的逆变器供电系统电路图

所提出的多电平变频器的占用面积较小，是非常适合应用于一些无论是架空线系统或是路旁铁路之类所需供电的地方（如中国广州的交通系统）。隔离电路是被设计用于架空线和在路旁的铁路之间的平滑过渡及电气隔离。通过使用在以下部分和结果中说明的交通工作室软件所计算出来的参数，在软件PSIM中建立了仿真模型，所得出的结果将在设计部分之后报告。所提出的方案可以很容易就可以实现，不需要像文章[1]中一样做非常严格的数学计算工作。文章[2]中提出了一种非常系统化的设计方案，用于将谐波最小化，但是需要调制指数的试验和错误处理，这是非常棘手的。

2反接二极管钳位变频器系统启动和选择性消谐

图2 所提出的特定消除谐波技术的通用开关模式

选择性消除谐波的分级波形如图2所示，将把变频器的输出电压的THD含量最小化[1]

(1)

为了消除输出电压的谐波，所述这些谐波的总和应等于零。一系列的切换角度应当进行相应的选择以实现下面的等式：

(2)

在上述的公式中，解决这个问题可先通过假设一个多项式，并使用所得的理论将得到一系列新的方程，如下。

对于基波频率

(3)

对于三次谐波

(4)

对于第五谐波

(5)

这里，代表的是以为变量的多项式。 分别表示，代表的是。

首先第一步，根据初始的猜测使用牛顿 - 拉夫森原理来解决上述方程式，然后

形成雅各宾等式。我们可以发现，该结果如下：

(6)

通过消除逆变器输出电压的奇数次谐波从而获得了这些值。相位角的不对称性将决定开关频率的最大值，因为IGBT的前缘的时间是已经固定的。这是为了避免逆变器的两相发生短路。转换器的控制器算法是使用C 编写的，使用的是波士顿，MA，USA ，iZotope的公司的数字信号处理（DSP）芯片，并向其中装入代码。因为消除了谐波，所以就没有必要在变频器和电机二者之间加入dv / dt滤波器，从而减少了逆变器的重量和大小。图3表示的是所提出的带有钳位二极管的六级级联逆变器，它控制了所有开关所承受的最大电压应力。开关顺序在图4中给出，可通过触发角的计算来控制在逆变器的输出电压中产生的谐波的数量。图5表示的是控制器的工作系统框图。这里，所需的六级开关信号从常规的三电平PWM信号中生成。

图3 所提出的变频器电路原理图

图4转换器的不同开关的开关状态

图5 双变频车辆推进系统的驱动方案

3输入设计要求

为了确定转换器的大小，输入电流均方根必须计算如下。

1）路线的取向必须被定义;作为一个案例研究，我们以中国广州为例。

2）速度分布和加速度曲线必须被定义。图6表示的速度和加速度曲线需要对准。

3）关于车辆的重量和尺寸的输入数据必须被输入。

4）从1至3的数据;必须输入进“交通工作室”软件中;来计算拉动列车重量所需要的各电动机的电流分布与速度和加速度的关系曲线。

5）根据所计算的电流、功率因数、电机效率、和电机的电压曲线，逆变器的设计由装载条件来确定。

图6 （a）沿GZL6线路对应的速度曲线（b）沿GZL6线路对应的加速度曲线

图7 沿往返线路输入电机电流的瞬时值变化曲线图

图8 电机温度瞬时值变化曲线图

图9 电机效率瞬时值变化曲线图

图7表示的是从车厂出发又回到车厂整个往返过程中瞬时电动机电流变化曲线。通过该曲线可以看到，每个电机RMS电流为249.26A。这是逆变器的IGBT驱动电路和输入滤波电路的尺寸设计要求。

每个带有辅助电路的车辆计算得出的能量消耗量为255.3kW·h/车。这个数值是在最坏的情况下计算出的，即整个线路是100％的完成行驶。变频器的输入电抗器应该设计为可以满足携带一定数额的电感和能源需求，所以将需要该电感器的数值。因此，输入电感器的大小设置为2.2mH，当前携带能力为260 A rms。这是为了满足列车车厢走完完整的往返路线花费43.26分钟的时间。图8表示的是来回往返路过程中线瞬时电机的温度变化曲线图。这个带有负载电流值的温度曲线图可用于选择逆变器的IGBT的类型，如表一所示。完整的输入滤波器的设计过程，在文章[18]中给出。图9给出了电机在每一个来回往返路线过程中的瞬时效率。

4仿真实验结果

为了验证在前面的章节中所给出的设计过程，使用PSIM软件对所提出的变换器的仿真模型执行仿真。表一表示的是变频器参数在布局中的使用。

表一 :

所提出电源的测试参数

1. ZCS

图10表示的是在高负荷运作条件下通过IGBT桥相电流和相电压的波形。在逆变器的输出端，电流总是滞后于逆变器输出电压和过零处的非零电位电压脉冲，从而产生所需的电流来复位缓冲电容器并且提供ZCS。通过IGBT的电流和其两端的电压与正弦波波形几乎是同步的，并且可以使用一个1:30A的交流电流传感器来测定，与车上逆变器盒里的IGBT的相位相连接。

将输出转换器的电压进行傅立叶频率变换（FFT），所得结果显示，最大THD是6.4％。根据欧盟的标准，浪涌电流应该是最大满载电流的三倍。如图11所示，浪涌电流仅为满载电流的110％，因此，这是很好的符合标准规范的。

图10 实验结果：电压、电流，FFT均在满负荷

（a）相电压和相电流（b）逆变器的相电压（c）该相电压的FFT

（d）无缓冲器时IGBT的电流和电压（e）带缓冲器时IGBT的电流和电压

图11 实验结果：在EN50155标准（输入滤波器的声音设计）下：浪涌启动电流小于

满载电流的110％

B. 效率和EMI

表II给出了所提出的逆变器在1500Vdc的标准输入电压的负载条件下所对应的工作效率。另外，该效率是在900Vdc低输入电压和全负载的条件下测量得到的，这是在最坏的运行条件下所测量得到的，因为第三轨电压可能下降到20％。所记录的效率大

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