一種無工頻變壓器的三電平電力電子牽引變壓器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無工頻變壓器的三電平電力電子牽引變壓器，通過輸入電抗器L與牽引網(wǎng)(V)連接后實現(xiàn)車載電力變壓，由n個采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)連接的相同的功能模塊(M1-Mn)，所述模塊為單相結(jié)構(gòu)的交流-直流變換器的電力電子裝置，其特征在于，所述電力電子裝置主要由單相二極管嵌位三電平整流電路、半橋三電平雙向直直變換器組成。本發(fā)明變壓器結(jié)構(gòu)簡潔，不需滿足諧振條件；可以大大減輕系統(tǒng)的體積，提高工作效率與電能質(zhì)量，并且系統(tǒng)受控，不易引起諧振等不良后果；實現(xiàn)三電平輸出，減小了單開關(guān)周期內(nèi)回流能量的大小，可有效提高能量傳輸效率。
【專利說明】
一種無工頻變壓器的三電平電力電子牽引變壓器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電力電子牽引變壓器，尤其涉及在牽引網(wǎng)中無工頻變壓器的機車車載電力電子牽引變壓器。

【背景技術(shù)】
[0002]圖1所示為傳統(tǒng)的車載變換器系統(tǒng)變壓器模型電路結(jié)構(gòu)。圖中包括交流牽引網(wǎng)、三繞組工頻變壓器、單相脈沖整流器、牽引逆變器。牽引網(wǎng)與三繞組工頻變壓器原邊繞組始端相連；副邊兩個繞組分別與兩個PWM脈沖整流器，整流器輸出側(cè)并聯(lián)，并與牽引逆變器相連。傳統(tǒng)牽引變壓器牽引鏈?zhǔn)殖林?、效率相對較低，電能質(zhì)量不高，需要額外的諧波補償裝置與無功補償裝置。
[0003]為有效解決上述問題，提出了一種無工頻變壓器的兩電平電力電子變壓器，如圖2所示。其中，包括牽引網(wǎng)(V)、輸入電抗器L以及η個采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)連接的相同模塊(MrMn)。所述模塊由單相結(jié)構(gòu)的交流-直流變換器的電力電子裝置所組成。該電力電子裝置主要由單相H橋整流電路、雙邊H橋兩電平雙向直直變換器組成。所述電力電子變壓器結(jié)構(gòu)簡潔，不需滿足諧振條件。但是由于開關(guān)管IGBT的耐壓限制，使得滿足牽引網(wǎng)正常運行時，每個模塊電壓等級較低，導(dǎo)致級聯(lián)模塊太多、系統(tǒng)可靠性降低，給控制和實現(xiàn)上帶來難題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是涉及一種無工頻變壓器的三電平電力電子牽引變壓器，使之克服現(xiàn)有技術(shù)的如上不足，具有結(jié)構(gòu)簡潔，不需滿足諧振條件；大大減輕系統(tǒng)的體積，工作效率與電能質(zhì)量高的優(yōu)點。
[0005]實現(xiàn)我們發(fā)明目的的具體方案是:
[0006]一種無工頻變壓器的三電平電力電子牽引變壓器，通過輸入電抗器L與牽引網(wǎng)(V)連接后實現(xiàn)車載電力變壓，由η個采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)連接的相同的功能模塊(M1-Mn)，所述模塊為單相結(jié)構(gòu)的交流-直流變換器的電力電子裝置，所述電力電子裝置主要由單相二極管嵌位三電平整流電路、半橋三電平雙向直直變換器組成，其中:
[0007]a、左側(cè)牽引網(wǎng)(V)與輸入電抗器(L)的一端相連；輸入電抗器(L)的另一端接至模塊I (M1)中整流電路的左橋臂串聯(lián)開關(guān)管(SpSySyS4)的中點B1 ;模塊I(M1)中整流電路的右橋臂串聯(lián)開關(guān)管(S5、S6、S7、S8)中點C1與之相鄰|旲塊(M2)中整流電路的左橋臂上的中點a2點相連，以此類推，η個模塊的輸入端呈串聯(lián)結(jié)構(gòu)，最后一個模塊(Mn)中的整流電路右橋臂中點cn牽引網(wǎng)的負(fù)端(R)相連；
[0008]b、每個模塊中整流電路中左右橋臂的箝位二極管(DpD2與D3、D4)中點Vd1及直流側(cè)兩個串聯(lián)電容(C1X2)中點ei相連。半橋三電平雙向直直變換器的左半橋的嵌位二極管中點gl與中高頻變壓器(MFT)原邊繞組末端相連并連接至ei點；而其左半橋串聯(lián)開關(guān)管(S9、S1(l、Sn、S12)中點經(jīng)電感L連接至中頻變壓器(MFT)原邊繞組始端，其副邊繞組始端與直直變換器右半橋串聯(lián)開關(guān)管(s13、s14、s15、s16)中點hi相連，副邊繞組末端連接至右半橋嵌位二極管(d7、d8)中點I1，并與直流側(cè)電容(C3、C4)中點J1相連。每個模塊中直直變換器直流輸出端口 kp Ip k2、V..kn、In呈并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0009]在實際使用時，每模塊的每個橋臂均可以實現(xiàn)三電平輸出，且由于開關(guān)管并聯(lián)二極管，電流可雙向流動，但不影響輸出電平；就整流電路左橋臂為例，當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時，B1, ei兩點間的電壓為中間直流母線電壓的一半；當(dāng)32、33導(dǎo)通時，&1、61兩點間的電壓為0 ;當(dāng)S3、S4導(dǎo)通時，B1, θι兩點間的電壓為負(fù)的中間直流母線電壓的一半。
[0010]本發(fā)明的三電平電力電子變壓器采用η個相同模塊輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。由于各模塊并聯(lián)在二次側(cè)，每個模塊都只有全功率的一小部分，模塊化的設(shè)計對于轉(zhuǎn)換器的實施和維護提供了一些優(yōu)勢。下面對每個模塊中不同結(jié)構(gòu)進行說明:
[0011]1、單相二極管嵌位三電平整流電路
[0012]單相二極管嵌位三電平整流電路是電力電子牽弓I變壓器與牽弓丨網(wǎng)的接口，其通過連接電抗L和牽引網(wǎng)相連。其基本功能是通過對開關(guān)管的控制，對牽引網(wǎng)交流電壓進行整流，實現(xiàn)輸出直流電壓可調(diào)。其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，每個橋臂有4個開關(guān)管，相比于H橋結(jié)構(gòu)，每個橋臂都多出兩個開關(guān)管，因此電路的耐壓等級提高了一倍；相比H橋級聯(lián)，由于二極管鉗位電路的耐壓等級提高了一倍，因此級聯(lián)模塊數(shù)只有H橋的一半，也就是三電平單模塊的容量提高了一倍。
[0013]2、半橋三電平雙向直直變換器
[0014]半橋三電平雙向直直變換器中變壓器一次側(cè)橋臂實現(xiàn)逆變功能，將直流電壓逆變成三電平的交流電壓供給變壓器。變壓器二次側(cè)橋臂實現(xiàn)整流功能，將變壓器輸出的交流電變成直流電。
[0015]對半橋三電平雙向直直變換器傳統(tǒng)的控制方法是移相控制，其工作原理波形如圖4所不，圖4中Thf表不半個控制周期，Q9?Q16表不圖3中開關(guān)管S9?S16的驅(qū)動信號，Vab表示變壓器一次側(cè)端口電壓，Vcd表示變壓器二次側(cè)端口電壓，V1表示半橋三電平雙向直直變換器輸入電壓即中間直流母線電壓，V2表示半橋三電平雙向直直變換器輸出電壓，込表不電感(Lr)電流。傳統(tǒng)移相控制下，Q9、Qltl相同，Qn、Q12相同，Q9(Qiq)與Q11(Q12)互補，Q13、Q14相同，Q15、Q16相同，Q13(Qi4)與Q15(Qi6)互補。變壓器一次側(cè)橋臂每個開關(guān)管的驅(qū)動信號與二次側(cè)橋臂對應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動信號存在移相角Φ，通過控制移相角Φ的大小就可以控制功率流動的大小和方向。傳統(tǒng)移相控制方法簡單、易實現(xiàn)。但是由于電感的電流滯后于電壓，存在電感電流與原邊電壓方向相反的階段，如圖4中的&?h’和t2?t2’階段，在這段時間內(nèi)，一次側(cè)輸出功率為負(fù)，功率回流到一次側(cè)電源中，定義此功率為回流功率。容易發(fā)現(xiàn)，在傳輸功率一定時，回流功率越大，為了補償這部分功率，正向傳輸?shù)墓β室苍酱螅@將增大變換器電流應(yīng)力，從而增大功率器件的損耗，降低變換器的效率。
[0016]為了解決功率回流問題，采用了一種脈寬控制與移相控制相結(jié)合的控制方法，其工作原理波形如圖5所示。脈寬控制是控制每個開關(guān)管在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間，讓每個橋臂最上面的一個開關(guān)管和最下面的一個開關(guān)管導(dǎo)通時間小于半個周期，每個橋臂中間兩個開關(guān)管導(dǎo)通時間大于半個周期，從而變壓器兩端口的電壓波形均為三電平的方波。圖5中，D2為移相角Φ對應(yīng)的時間長度與Thf的比，也可表示為D2= Φ/π ； τ表示半個周期內(nèi)每個橋臂上面兩只開關(guān)管或下面兩只開關(guān)管同時導(dǎo)通的時間，τ = (1-D1)Tw其中，D1SVab或Vm半個周期內(nèi)零電平的時間與半個周期Thf的比。圖5中其他符號的含義與圖4中的相同。由圖5可看到，在變壓器一次側(cè)端口電壓中增加一段零電平可減少回流功率。脈寬控制與移相控制結(jié)合的控制方法與移相控制相比，在調(diào)節(jié)輸出功率的時候多了一個控制量D1，對同樣大小的輸出功率，可以由不同的Dp D2組合來實現(xiàn)，從而能夠擴大變換器的軟開關(guān)范圍減小功率器件的開關(guān)損耗，提聞功率傳輸效率。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果是:
[0018]1.由于IGBT的使用，促使變壓器頻率以數(shù)量級增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)工頻變壓器頻率；相應(yīng)在直直變換器中采用中高頻變壓器(MFT)，相對于工頻變壓器系統(tǒng)，可以大大減輕系統(tǒng)的體積，提高工作效率與電能質(zhì)量，并且系統(tǒng)受控，不易引起諧振等不良后果。
[0019]2.由于本發(fā)明單個模塊中采用三電平結(jié)構(gòu)，相對于現(xiàn)有的兩電平結(jié)構(gòu)的電力電子牽引變壓器提高了單模塊電壓等級，在相同容量條件下，可將中頻隔離變壓器數(shù)量減半；
[0020]3.直-直變換器單邊只使用一個橋臂，實現(xiàn)三電平輸出，相對于兩電平的H橋結(jié)構(gòu)的直直變換器減小了單開關(guān)周期內(nèi)回流能量的大小，可有效提高能量傳輸效率；
[0021]4.直-直變換器三電平輸出擴大了器件零電流導(dǎo)通的工作范圍，可有效降低開關(guān)損耗。
[0022]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是傳統(tǒng)牽引變壓器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖；
[0024]圖2是現(xiàn)有的無工頻變壓器的兩電平電力電子牽引變壓器電路原理圖；
[0025]圖3是一種無工頻變壓器的三電平電力電子牽引變壓器電路原理圖；
[0026]圖4是直直變換器的傳統(tǒng)移相控制工作原理波形；
[0027]圖5是直直變換器的脈寬控制與移相控制相結(jié)合的工作原理波形

【具體實施方式】
[0028]圖3示出，本發(fā)明的一種【具體實施方式】為:一種無工頻變壓器的三電平電力電子牽引變壓器，通過輸入電抗器L與牽引網(wǎng)(V)連接后實現(xiàn)車載電力變壓，由η個采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)連接的相同的功能模塊(M1-Mn)，所述模塊為單相結(jié)構(gòu)的交流-直流變換器的電力電子裝置，其特征在于，所述電力電子裝置主要由單相二極管嵌位三電平整流電路、半橋三電平雙向直直變換器組成，其中:
[0029]a、左側(cè)牽引網(wǎng)(V)與輸入電抗器(L)的一端相連；輸入電抗器(L)的另一端接至模塊I (M1)中整流電路的左橋臂串聯(lián)開關(guān)管(SpSySyS4)的中點B1 ;模塊I(M1)中整流電路的右橋臂串聯(lián)開關(guān)管(S5、S6、S7、S8)中點C1與之相鄰|旲塊(M2)中整流電路的左橋臂上的中點a2點相連，以此類推，η個模塊的輸入端呈串聯(lián)結(jié)構(gòu)，最后一個模塊(Mn)中的整流電路右橋臂中點cn牽引網(wǎng)的負(fù)端(R)相連；
[0030]b、每個模塊中整流電路中左右橋臂的箝位二極管(DpD2與D3、D4)中點Vd1及直流側(cè)兩個串聯(lián)電容(C1X2)中點ei相連。半橋三電平雙向直直變換器的左半橋的嵌位二極管中點gl與中高頻變壓器(MFT)原邊繞組末端相連并連接至ei點；而其左半橋串聯(lián)開關(guān)管(S9、S1(l、Sn、S12)中點經(jīng)電感L連接至中頻變壓器(MFT)原邊繞組始端，其副邊繞組始端與直直變換器右半橋串聯(lián)開關(guān)管(s13、s14、s15、s16)中點hi相連，副邊繞組末端連接至右半橋嵌位二極管(d7、d8)中點I1，并與直流側(cè)電容(C3、C4)中點J1相連。每個模塊中直直變換器直流輸出端口 kp Ip k2、V..kn、In呈并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1.一種無工頻變壓器的三電平電力電子牽引變壓器，通過輸入電抗器L與牽引網(wǎng)(V)連接后實現(xiàn)車載電力變壓，由η個采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)連接的相同的功能模塊(M1-Mn)，所述模塊為單相結(jié)構(gòu)的交流-直流變換器的電力電子裝置，其特征在于，所述電力電子裝置主要由單相二極管嵌位三電平整流電路、半橋三電平雙向直直變換器組成，其中: a、左側(cè)牽引網(wǎng)(V)與輸入電抗器(L)的一端相連；輸入電抗器(L)的另一端接至模塊I(M1)中整流電路的左橋臂串聯(lián)開關(guān)管(S。S2, S3、S4)的中點ai ;模塊I(M1)中整流電路的右橋臂串聯(lián)開關(guān)管(S5、S6、S7、S8)中點C1與之相鄰模塊(M2)中整流電路的左橋臂上的中點a2點相連，以此類推，η個模塊的輸入端呈串聯(lián)結(jié)構(gòu)，最后一個模塊(Mn)中的整流電路右橋臂中點cn牽引網(wǎng)的負(fù)端(R)相連； b、每個模塊中整流電路中左右橋臂的箝位二極管(DpD2與D3、D4)中點I^d1及直流側(cè)兩個串聯(lián)電容(Cp C2)中點ei相連；半橋三電平雙向直直變換器的左半橋的嵌位二極管中點&與中高頻變壓器(MFT)原邊繞組末端相連并連接至^點；而其左半橋串聯(lián)開關(guān)管(S9、S1Q、Sn、S12)中點經(jīng)電感L連接至中頻變壓器(MFT)原邊繞組始端，其副邊繞組始端與直直變換器右半橋串聯(lián)開關(guān)管(S13、S14、S15、S16)中點Ii1相連，副邊繞組末端連接至右半橋嵌位二極管(D7、D8)中點I1，并與直流側(cè)電容(C3、C4)中點J1相連；每個模塊中直直變換器直流輸出端口 h、I1^k2, V..kn、In呈并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H02M7/219GK104253548SQ201410328017
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】舒澤亮, 何曉瓊, 況祖杭, 宋莎莎, 王世濤, 馬偉天 申請人:西南交通大學(xué)