[科普中国]-电力电子牵引变压器

电力电子牵引变压器的工作原理

电力电子牵引变压器是通过高频变换技术提高变压器额定频率，以实现变压器的小型化和轻量化，中间侧的中(高)频变压器主要实现隔离和变压的功能。给出了电力电子牵引变压器数学模型包括PETT单元模块数学模型和多模块级联PETT数学模型。其中级联PETT是由多个PETT单元模块级联组成，而每个PETT单元模块由单相AC/DC整流器和双向隔离型DC-DC变换器组成2。

图2-1为典型电力电子变压器系统，主要包含Ac/Dc单相整流环节，Dc-Dc直流变换环节，以及DC/AC三相逆变环节。其工作过程为:单相工频交流电压经单相整流器变换为直流电压;再通过一个单相全桥逆变电路将输入直流电压调制成为高频方波并加载至高频变压器，高频方波耦合至变压器副边，被还原为直流电压;最后，输出直流电压通过牵引逆变器为牵引电机提供所需的三相交流电。

输入级数学模型电力电子变压器输入级主要由单相PWM整流器构成，它具有较高的功率因数，可以获得稳定的直流电压，四象限运行等诸多优点，其基本结构如图2-3所示。其中， grid为网侧电压， ab为VSR交流输入电压，R为VSR的等效电阻与线路等效电阻之和，其值很小，可忽略，L为交流滤波电感，C1为直流滤波电容，RL为直流电阻负载，S为功率开关管。

图2-4和图2-5分别为变换器等值电路图与矢量图。

级联式矩阵变换器、铁芯共用的电路结构采用级联式矩阵变换器、变压器铁芯共用的电路结构的电力电子牵引变压器拓扑结构如图2-3所示，矩阵变换器实现频率的升高，中频变压器是一个多绕组变压器，副边是一个脉冲整流器，将交流电变换为直流电。该直流电可以接三相逆变器，直接控制电机。

但在该种拓扑结构中使用的矩阵变换器为电压型变换器，为了得到较好的输入电流，需要在前级加入输入滤波器。电压型变换器没法实现对输入电流的直接控制，所以该方案也无法实现对输入电流的直接控制，系统的电流环动态性能差。若采用冗余设计，由于输入滤波电容的存在，当一个单元故障时，需要先把滤波电容上的电放掉再将该故障单元切除，严重影响故障反应速度1。

此外采用该方案时，保证滤波电容上的均压也非常重要，但在实际应用中，由于器件参数的差异与初始状态的不同，滤波电容上的电压很难保证平均，若加入其它均压器件和控制策略又会加大设备体积重量与控制的复杂性。

该方案的中间变压器采用的是多绕组输入单绕组输入的结构，多绕组变压器制作工艺较为复杂，制作成本高，可靠性差，不易使用。所以中放弃了该种拓扑结构。

级联式矩阵变换器、铁芯独立的电路结构采用级联式矩阵变换器、变压器铁芯独立的电力电子牵引变压器拓扑结构图如图2-4所示，中频变压器的高压侧采用矩阵变换器，实现频率的升高，中频变压器的二次侧接一个脉冲整流器，将交流电变换为直流电。该直流电可以接三相逆变器，直接控制电机。

矩阵式变换器是一种交一交电源变换器。可以实现交流电诸参数(相数、相位、幅值、频率)的变换。和传统的变换器相比，它具有如下优点:

(1)输入电流和输出电压正弦度好，谐波含量少，无低次谐波;

(2)采用的开关器件为双向开关，能量能够双向传递，可四象限运行;

(3)输入功率因数可调，且与负载功率因数无关;

(4)无中间直流环节，动态响应快，设备体积小，结构紧凑，传输效率高;

(5)控制自由度大，输出电压的幅值、频率、相位均可调节。

虽然周波变换器有以上多种优点，但至今还没有工业产品问世，这是因为矩阵变换器还有一些具体问题还需要解决，譬如:

(1)需保证双向开关可靠换流与控制;

(2)需突破电压传输率(输出输入电压比)等于0.866的限制，以满足最高输出电压达到额定值的要求;

(3)应研制可双向导通的功率开关模块，使变换器的装置更加紧凑。

此外，该拓扑结构可以实现冗余设计，当某个单元出现故障不能正常工作时，将该单元切除，剩余单元仍然能保证整个电力电子变压器的正常运行。

ABB公司在2007年基于该拓扑结构制作了一款电力电子变压器样机，但是矩阵变换器的控制较为复杂，在之后的电力电子变压器设计中放弃了该拓扑结构。

为了保证设计的可行性与可靠性，放弃了该种拓扑结构。

矩阵式变换器是一种交一交电源变换器。可以实现交流电诸参数(相数、相位、幅值、频率)的变换。和传统的变换器相比，它具有如下优点

(1)输入电流和输出电压正弦度好，谐波含量少，无低次谐波;

(2)采用的开关器件为双向开关，能量能够双向传递，可四象限运行;

(3)输入功率因数可调，且与负载功率因数无关;

(4)无中间直流环节，动态响应快，设备体积小，结构紧凑，传输效率高;

(5)控制自由度大，输出电压的幅值、频率、相位均可调节。

虽然周波变换器有以上多种优点，但至今还没有工业产品问世，这是因为矩阵变换器还有一些具体问题还需要解决，譬如:

(1)需保证双向开关可靠换流与控制;

(2)需突破电压传输率(输出输入电压比)等于0.866的限制，以满足最高输出电

压达到额定值的要求;

(3)应研制可双向导通的功率开关模块，使变换器的装置更加紧凑。

此外，该拓扑结构可以实现冗余设计，当某个单元出现故障不能正常工作时，将该单元切除，剩余单元仍然能保证整个电力电子变压器的正常运行。

ABB公司在2007年基于该拓扑结构制作了一款电力电子变压器样机，但是矩阵变换器的控制较为复杂，在之后的电力电子变压器设计中放弃了该拓扑结构。

为了保证设计的可行性与可靠性，放弃了该种拓扑结构。

级联H桥变换器、铁芯独立的电路结构采用级联H桥变换器、变压器铁芯独立的电路结构的电力电子牵引变压器,中频变压器高压侧采用有直流环节的AC/DC/AC变换器，实现频率的升高;中频变压器副边是一个脉冲整流器，将交流电变换为直流电。该盲流申.可以榕三相逆变器，直接控制电机 。

该拓扑结构可以实现冗余设计，当某个单元出现故障不能正常工作时，将该单元切除，剩余单元仍然能保证整个电力电子变压器的正常运行。

该拓扑结构由变压器和IGBT构成的H桥构成，可集成性强，易于工业化生产，且控制方法经过多年研究己经较为成熟。ALSTOM公司和ABB公司已经将该拓扑结构用于铁路运营，是目前唯一装车运行的拓扑结构。

由以上分析对比可知，中频变压器的高压侧采用间接变换器的方案可控性强、结构简单，可以实现冗余设计，具有良好的实用性。

通过以上对三种电力电子牵引变压器主电路拓扑结构的分析比较，可以得到各个拓扑方案的特性以及优缺点，具体见表2-1。

展望(1)单元模块中DC/DC变换器的开关器件没有实现软开关，为了进一步减小电力电子牵引变压器的损耗，提高效率，DC/DC变换器应当使用软开关技术。

(2) 涉及电力电子牵引变压器与列车网络控制系统的连接与通信需要进一研究。为了将电力电子牵引变压器应用到实际列车中去，与列控的通信必不可少，而这一方面的内容还有待进一步研究1。