CN104253548A - 一种无工频变压器的三电平电力电子牵引变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无工频变压器的三电平电力电子牵引变压器，通过输入电抗器L与牵引网(V)连接后实现车载电力变压，由n个采用输入串联输出并联连接的相同的功能模块(M₁-M_n)，所述模块为单相结构的交流-直流变换器的电力电子装置，其特征在于，所述电力电子装置主要由单相二极管嵌位三电平整流电路、半桥三电平双向直直变换器组成。本发明变压器结构简洁，不需满足谐振条件；可以大大减轻系统的体积，提高工作效率与电能质量，并且系统受控，不易引起谐振等不良后果；实现三电平输出，减小了单开关周期内回流能量的大小，可有效提高能量传输效率。

Description

一种无工频变压器的三电平电力电子牵引变压器

技术领域

本发明涉及一种电力电子牵引变压器，尤其涉及在牵引网中无工频变压器的机车车载电力电子牵引变压器。

背景技术

图1所示为传统的车载变换器系统变压器模型电路结构。图中包括交流牵引网、三绕组工频变压器、单相脉冲整流器、牵引逆变器。牵引网与三绕组工频变压器原边绕组始端相连；副边两个绕组分别与两个PWM脉冲整流器，整流器输出侧并联，并与牵引逆变器相连。传统牵引变压器牵引链十分沉重、效率相对较低，电能质量不高，需要额外的谐波补偿装置与无功补偿装置。

为有效解决上述问题，提出了一种无工频变压器的两电平电力电子变压器，如图2所示。其中，包括牵引网(V)、输入电抗器L以及n个采用输入串联输出并联连接的相同模块(M₁-M_n)。所述模块由单相结构的交流-直流变换器的电力电子装置所组成。该电力电子装置主要由单相H桥整流电路、双边H桥两电平双向直直变换器组成。所述电力电子变压器结构简洁，不需满足谐振条件。但是由于开关管IGBT的耐压限制，使得满足牵引网正常运行时,每个模块电压等级较低，导致级联模块太多、系统可靠性降低，给控制和实现上带来难题。

发明内容

本发明的目的是涉及一种无工频变压器的三电平电力电子牵引变压器，使之克服现有技术的如上不足，具有结构简洁，不需满足谐振条件；大大减轻系统的体积，工作效率与电能质量高的优点。

实现我们发明目的的具体方案是：

一种无工频变压器的三电平电力电子牵引变压器，通过输入电抗器L与牵引网(V)连接后实现车载电力变压，由n个采用输入串联输出并联连接的相同的功能模块(M₁-M_n)，所述模块为单相结构的交流-直流变换器的电力电子装置，所述电力电子装置主要由单相二极管嵌位三电平整流电路、半桥三电平双向直直变换器组成，其中：

a、左侧牵引网(V)与输入电抗器(L)的一端相连；输入电抗器(L)的另一端接至模块1(M₁)中整流电路的左桥臂串联开关管(S₁、S₂、S₃、S₄)的中点a₁；模块1(M₁)中整流电路的右桥臂串联开关管(S₅、S₆、S₇、S₈)中点c₁与之相邻模块(M₂)中整流电路的左桥臂上的中点a₂点相连，以此类推，n个模块的输入端呈串联结构，最后一个模块(M_n)中的整流电路右桥臂中点c_n牵引网的负端(R)相连；

b、每个模块中整流电路中左右桥臂的箝位二极管(D₁、D₂与D₃、D₄)中点b₁、d₁及直流侧两个串联电容(C₁、C₂)中点e₁相连。半桥三电平双向直直变换器的左半桥的嵌位二极管中点g₁与中高频变压器(MFT)原边绕组末端相连并连接至e₁点；而其左半桥串联开关管(S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂)中点f₁经电感L_r连接至中频变压器(MFT)原边绕组始端，其副边绕组始端与直直变换器右半桥串联开关管(S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆)中点h₁相连,副边绕组末端连接至右半桥嵌位二极管(D₇、D₈)中点i₁，并与直流侧电容(C₃、C₄)中点j₁相连。每个模块中直直变换器直流输出端口k₁、l₁、k₂、l₂…k_n、l_n呈并联结构。

在实际使用时，每模块的每个桥臂均可以实现三电平输出，且由于开关管并联二极管，电流可双向流动，但不影响输出电平；就整流电路左桥臂为例，当S₁、S₂导通时，a₁、e₁两点间的电压为中间直流母线电压的一半；当S₂、S₃导通时，a₁、e₁两点间的电压为0；当S₃、S₄导通时，a₁、e₁两点间的电压为负的中间直流母线电压的一半。

本发明的三电平电力电子变压器采用n个相同模块输入串联输出并联的结构。由于各模块并联在二次侧，每个模块都只有全功率的一小部分，模块化的设计对于转换器的实施和维护提供了一些优势。下面对每个模块中不同结构进行说明：

1、单相二极管嵌位三电平整流电路

单相二极管嵌位三电平整流电路是电力电子牵引变压器与牵引网的接口，其通过连接电抗L和牵引网相连。其基本功能是通过对开关管的控制，对牵引网交流电压进行整流，实现输出直流电压可调。其基本结构如图3所示，每个桥臂有4个开关管，相比于H桥结构，每个桥臂都多出两个开关管，因此电路的耐压等级提高了一倍；相比H桥级联，由于二极管钳位电路的耐压等级提高了一倍，因此级联模块数只有H桥的一半，也就是三电平单模块的容量提高了一倍。

2、半桥三电平双向直直变换器

半桥三电平双向直直变换器中变压器一次侧桥臂实现逆变功能，将直流电压逆变成三电平的交流电压供给变压器。变压器二次侧桥臂实现整流功能，将变压器输出的交流电变成直流电。

对半桥三电平双向直直变换器传统的控制方法是移相控制，其工作原理波形如图4所示，图4中T_hf表示半个控制周期，Q₉～Q₁₆表示图3中开关管S₉～S₁₆的驱动信号，V_AB表示变压器一次侧端口电压，V_CD表示变压器二次侧端口电压，V₁表示半桥三电平双向直直变换器输入电压即中间直流母线电压，V₂表示半桥三电平双向直直变换器输出电压，I_L表示电感(L_r)电流。传统移相控制下，Q₉、Q₁₀相同，Q₁₁、Q₁₂相同，Q₉(Q₁₀)与Q₁₁(Q₁₂)互补，Q₁₃、Q₁₄相同，Q₁₅、Q₁₆相同，Q₁₃(Q₁₄)与Q₁₅(Q₁₆)互补。变压器一次侧桥臂每个开关管的驱动信号与二次侧桥臂对应开关管的驱动信号存在移相角Φ，通过控制移相角Φ的大小就可以控制功率流动的大小和方向。传统移相控制方法简单、易实现。但是由于电感的电流滞后于电压，存在电感电流与原边电压方向相反的阶段，如图4中的t₀～t₀’和t₂～t₂’阶段，在这段时间内，一次侧输出功率为负，功率回流到一次侧电源中，定义此功率为回流功率。容易发现，在传输功率一定时，回流功率越大，为了补偿这部分功率，正向传输的功率也越大，这将增大变换器电流应力，从而增大功率器件的损耗，降低变换器的效率。

为了解决功率回流问题，采用了一种脉宽控制与移相控制相结合的控制方法，其工作原理波形如图5所示。脉宽控制是控制每个开关管在一个周期内的导通时间，让每个桥臂最上面的一个开关管和最下面的一个开关管导通时间小于半个周期，每个桥臂中间两个开关管导通时间大于半个周期，从而变压器两端口的电压波形均为三电平的方波。图5中，D₂为移相角Φ对应的时间长度与T_hf的比，也可表示为D₂＝Φ/π；τ表示半个周期内每个桥臂上面两只开关管或下面两只开关管同时导通的时间，τ＝(1-D₁)T_hf。其中，D₁为V_AB或V_CD半个周期内零电平的时间与半个周期T_hf的比。图5中其他符号的含义与图4中的相同。由图5可看到，在变压器一次侧端口电压中增加一段零电平可减少回流功率。脉宽控制与移相控制结合的控制方法与移相控制相比，在调节输出功率的时候多了一个控制量D₁，对同样大小的输出功率，可以由不同的D₁、D₂组合来实现，从而能够扩大变换器的软开关范围减小功率器件的开关损耗，提高功率传输效率。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

1.由于IGBT的使用，促使变压器频率以数量级增加，远远高于传统工频变压器频率；相应在直直变换器中采用中高频变压器(MFT)，相对于工频变压器系统，可以大大减轻系统的体积，提高工作效率与电能质量，并且系统受控，不易引起谐振等不良后果。

2.由于本发明单个模块中采用三电平结构，相对于现有的两电平结构的电力电子牵引变压器提高了单模块电压等级，在相同容量条件下，可将中频隔离变压器数量减半；

3.直-直变换器单边只使用一个桥臂，实现三电平输出，相对于两电平的H桥结构的直直变换器减小了单开关周期内回流能量的大小，可有效提高能量传输效率；

4.直-直变换器三电平输出扩大了器件零电流导通的工作范围，可有效降低开关损耗。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是传统牵引变压器结构系统图；

图2是现有的无工频变压器的两电平电力电子牵引变压器电路原理图；

图3是一种无工频变压器的三电平电力电子牵引变压器电路原理图；

图4是直直变换器的传统移相控制工作原理波形；

图5是直直变换器的脉宽控制与移相控制相结合的工作原理波形

具体实施方式

图3示出，本发明的一种具体实施方式为：一种无工频变压器的三电平电力电子牵引变压器，通过输入电抗器L与牵引网(V)连接后实现车载电力变压，由n个采用输入串联输出并联连接的相同的功能模块(M₁-M_n)，所述模块为单相结构的交流-直流变换器的电力电子装置，其特征在于，所述电力电子装置主要由单相二极管嵌位三电平整流电路、半桥三电平双向直直变换器组成，其中：

a、左侧牵引网(V)与输入电抗器(L)的一端相连；输入电抗器(L)的另一端接至模块1(M₁)中整流电路的左桥臂串联开关管(S₁、S₂、S₃、S₄)的中点a₁；模块1(M₁)中整流电路的右桥臂串联开关管(S₅、S₆、S₇、S₈)中点c₁与之相邻模块(M₂)中整流电路的左桥臂上的中点a₂点相连，以此类推，n个模块的输入端呈串联结构，最后一个模块(M_n)中的整流电路右桥臂中点c_n牵引网的负端(R)相连；

b、每个模块中整流电路中左右桥臂的箝位二极管(D₁、D₂与D₃、D₄)中点b₁、d₁及直流侧两个串联电容(C₁、C₂)中点e₁相连。半桥三电平双向直直变换器的左半桥的嵌位二极管中点g₁与中高频变压器(MFT)原边绕组末端相连并连接至e₁点；而其左半桥串联开关管(S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂)中点f₁经电感L_r连接至中频变压器(MFT)原边绕组始端，其副边绕组始端与直直变换器右半桥串联开关管(S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆)中点h₁相连,副边绕组末端连接至右半桥嵌位二极管(D₇、D₈)中点i₁，并与直流侧电容(C₃、C₄)中点j₁相连。每个模块中直直变换器直流输出端口k₁、l₁、k₂、l₂…k_n、l_n呈并联结构。

Claims (1)

1.一种无工频变压器的三电平电力电子牵引变压器，通过输入电抗器L与牵引网(V)连接后实现车载电力变压，由n个采用输入串联输出并联连接的相同的功能模块(M₁-M_n)，所述模块为单相结构的交流-直流变换器的电力电子装置，其特征在于，所述电力电子装置主要由单相二极管嵌位三电平整流电路、半桥三电平双向直直变换器组成，其中：

a、左侧牵引网(V)与输入电抗器(L)的一端相连；输入电抗器(L)的另一端接至模块1(M₁)中整流电路的左桥臂串联开关管(S₁、S₂、S₃、S₄)的中点a₁；模块1(M₁)中整流电路的右桥臂串联开关管(S₅、S₆、S₇、S₈)中点c₁与之相邻模块(M₂)中整流电路的左桥臂上的中点a₂点相连，以此类推，n个模块的输入端呈串联结构，最后一个模块(M_n)中的整流电路右桥臂中点c_n牵引网的负端(R)相连；

b、每个模块中整流电路中左右桥臂的箝位二极管(D₁、D₂与D₃、D₄)中点b₁、d₁及直流侧两个串联电容(C₁、C₂)中点e₁相连；半桥三电平双向直直变换器的左半桥的嵌位二极管中点g₁与中高频变压器(MFT)原边绕组末端相连并连接至e₁点；而其左半桥串联开关管(S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂)中点f₁经电感L_r连接至中频变压器(MFT)原边绕组始端，其副边绕组始端与直直变换器右半桥串联开关管(S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆)中点h₁相连,副边绕组末端连接至右半桥嵌位二极管(D₇、D₈)中点i₁，并与直流侧电容(C₃、C₄)中点j₁相连；每个模块中直直变换器直流输出端口k₁、l₁、k₂、l₂…k_n、l_n呈并联结构。