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摘要：在我国快速发展的过程中，我国的综合经济在快速发展，社会在不断的进步，人们的生活质量在不断的提高，牵引变流器是保障列车安全、稳定运行的重要设备。而单相PWM整流器作为牵引变流器的组成部分，其最终目的是获得平稳的直流电压，保证负载的可靠运行。本文以单相PWM整流器为研究对象，分析其工作原理及直流侧二次脉动电压产生机理。
关键词：牵引变流器；二次脉动电压；整流器
引言
随着电力电子技术、计算机技术以及现代控制技术的迅速发展，牵引变流器技术水平得到了不断提高。各国新型高速列车所采用的牵引变流器系统，逐渐向大功率、小体积、轻质量、高可靠性、低成本方向发展。为给变频器提供稳定的直流电压，目前采用的多为单相PWM整流器进行整流，它可实现功率的四象限运行，能有效解决机车的能量再生制动问题。由于整流器输入的正弦电压和电流会向中间直流回路引入与用功功率同量级的二次脉动功率，导致中间直流回路出现二次脉动电压。低频的直流电压脉动经变频器调制向电机引入低频谐波电流，增加电机损耗，使得电机铁芯发热，同时产生低频脉动电磁转矩，引起电机低频振荡和噪音污染。因此文中重点在于分析高速列车牵引变流器中产生直流电压脉动的原因、直流电压脉动对牵引电机的影响以及减小直流电压脉动的抑制方法，并利用仿真对分析结果进行验证。
1单相PWM整流器的工作原理
在单相PWM整流器中，uN为网侧输入电压，iN为网侧输入电流，LN为牵引变压器绕组漏感，RN为牵引变压器绕组电阻。为简化分析，定义理想开关函数Sa、Sb。其中，Sa、Sb的状态只有0、1两种状态。由于上、下两个桥臂不能同时导通，因此在每个桥臂中，上、下两桥臂的开关信号要保持互异。单相PWM整流器的输入电压有uab、Ubc、0、Ubc三种模式选择，而开关函数Sa、Sb的定义决定了电路共有4种不同状态，即：Sa、Sb=00、Sa、Sb=01、Sa、Sb=10以及Sa、Sb=11。与这4中开关状态相对应，电路共有3种工作模式：短路、整流以及反馈。
2牵引变流器直流侧二次脉动电压产生机理
2.1奇次重复控制器的原理
重复控制器是一种基于内模原理的控制方案，最早于1981年由日本学者moue等提出。重复控制的基本思想是根据内模原理，在控制系统中添加周期信号的数学模型，当周期性重复信号输入时，使系统的稳态误差为零且输出稳定的控制信号。重复控制器可以实现对周期性指令的无稳态误差跟踪。重复控制器一般应用在指令为固定值，且需要克服系统存在的周期性扰动的控制系统中。由第二章可知，本文主要控制中低频率段，重复控制器只需无稳态误差跟踪特定频率信号。因此，本小节分别从重复控制器的构成、稳定性和参数设计进行论述。
2.2电压外环抑制方法
在电压外环反馈信号前加入低通滤波器，用以降低直流侧二次脉动电压对网侧的影响。通过实验分析，低通滤波器对网侧谐波有很好的抑制效果，但低通滤波器的引入，会延长系统的响应时间，并且其抑制二次脉动电压的效果不好。为弥补这种不足，取得更佳的抑制效果。采用数字陷波器来取代原有的低通滤波器，实验结果表明，这种方法对二次脉动电压有很好的抑制效果，且不会对系统的响应时间造成影响。但由于直流侧还存在其它高次脉动电压，所以系统鲁棒性不强。采用N次陷波器代替传统数字陷波器，这种方法可以有效抑制其它高次脉动电压对系统的影响，且可以增强系统的鲁棒性能。
2.3直流电压脉动的影响
1）直流电压脉动对牵引逆变器的影响为了得到即可变压又可变频的三相电源，对逆变器采用脉宽调制技术使6个IGBT开关依次动作。其中同一桥臂上的两个开关管的状态总是相反的。当供给电机的电压中包含有频率为ωi±ωr的低次谐波时，其产生的电流中也会有同样频率的低次谐波。当逆变器输出电压频率ωr和直流电压脉动的频率ωi相等时，谐波电流ih1=k1Iicos准，且k1取得最大值。这种情况下相当于给异步牵引电机通入直流电流，会使三相异步牵引电机产生很大的短路电流，并产生大量的热量，同时会产生负的牵引力矩等其他不良影响。
2）直流电压脉动对牵引电机的影响若考虑直流侧电压的脉动，逆变器输出电压中含有ωi±ωr两种频率的低次谐波。牵引电机瞬时力矩公式为：
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由上式可知，由于直流侧二次脉动电压的存在，导致电机输出力矩含有二次及4次的脉动力矩。这在电机运行中对电机本身及列车机械均会产生不良影响。，不仅造成电机等列车组成部分器件寿命缩短，而且易造成安全隐患。
2.4电流内环抑制方法
在四象限脉冲整流器中，其电流内环通常采用PI控制。但传统PI控制器对交流量而言，无法实现对系统的零稳态误差控制。而电流内环的输入信号为网侧交流电流，所以传统PI控制器无法达到控制要求。在电流内环采用PR控制器替换传统PI控制器。相比于传统PI控制器，PR控制器可以实现对交流信号的零稳态误差控制。但传统PR控制器的鲁棒性能较差。针对传统PR控制器的不足，对其进行改进，即采用低通滤波器替换原有的积分环节，从而提高了系统的鲁棒性能。但这种改进方法对网侧电流中的谐波抑制效果不好。对PR控制器进行改进，针对不同次数的谐波进行PR控制器的多级设计。实验结果表明，改进后的控制器可以有效地抑制网侧电流低次谐波。
2.5多模式PWM调制策略
对于高速动车组和大功率电力机车而言，其功率一般都较大，同时大功率牵引变流器工作在高电压大电流的环境下，考虑到开关损耗、散热以及效率等影响，现阶段牵引逆变器的开关频率限制在1kHz以下。当牵引逆变器输出频率增大、载波比减小时，异步调制的脉冲不对称性将严重影响输出波形的对称性，谐波成分增加，改用分段同步调制模式。载波比保持不变的同步调制能够输出对称的波形，有效减小谐波含量。当被调制信号频率继续增大，而载波频率受到限制时，即载波比较小时，若仍采用同步调制方式，单周期内的脉冲数减少，产生较大的低次谐波，实际输出基波电压与期望电压偏差大，造成牵引电机产生较大的转矩脉动和噪声等问题，此时，就应根据一定的原则优化PWM调制模式，将电压谐波对牵引电机的影响降到最低。
2.6直流电压脉动对牵引电机的影响分析
目前，电力牵引交流传动系统多采用异步牵引电机，异步牵引电机的控制方法大致分为转差一电流控制、矢量控制、直接转矩控制三种。其中矢量控制已在中国的多种型号的动车组和电力机车上得到了应用。在异步牵引电机的矢量控制中，既要控制磁场的大小，又要控制磁场的相位，因此矢量控制又称为磁场定向控制。其中定子磁场定向矢量控制应用最为广泛。矢量控制使异步牵引电机在同步旋转坐标系下，实现定子电流的解藕，对异步牵引电机的电磁转矩和转子磁链单独控制。按照得到解祸角度方式的不同分为直接和间接两种矢量控制方法。直接矢量控制通过直接观测得到的转子磁链矢量来确定转子的位置，而间接矢量控制通过计算转差频率间接得到转子磁链的位置角。
结语
由于单相PWM整流器独特的工作特性，导致在其直流侧会产生二次脉动电压，而二次脉动电压的引入会对牵引变流器的正常工作带来影响。因此，本文在研究单相PWM整流器工作原理的基础上，对直流侧二次脉动电压产生机理进行分析。
参考文献：
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