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摘 要
整流器作为电力机车电源侧变流器，是整个交流牵引传动系统的重要组成部分。采用二极管不控整流或者半导体晶闸管相控阵整流都会对电网造成污染，而且整流出的直流脉动较大，谐波含量较多，对电机造成不良影响，而且不能实现能量的双向流动，制动时造成能量的浪费。但是采用以全控型器件组成的PWM脉冲整流器可以获得近似单位功率因数，低谐波污染并且能实现能量的双向流动，拥有更好的应用前景。
本课程设计回顾了我国铁路的发展史，论述了牵引传动技术发展和电力电子器件发展的关系；分析了以CRH1和CRH2为原型的两电平和三电平整流器的工作原理和和开关工作模式，构建了基于拓扑电路的数学模型；采用瞬态直接电流控制和预测直接电流控制两种不同的控制策略，分析比较了二者控制的区别和控制的性能。本文在MATLAB/Simulink仿真环境下建立了各种控制策略的双闭环仿真模型，进行了对比仿真实验，对仿真结果进行了分析，并得出相关结论。
关键词： 牵引传动；PWM整流器；控制策略；MATLAB仿真
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目 录
第1章 牵引传动.............................................................................................................................. 1
1.1 我国铁路发展史 .................................................................................................................... 1 1.2 电力电子器件与电力牵引传动 ............................................................................................ 2 第2章 四象限脉冲整流器 ............................................................................................................. 5
2.1 概述 ........................................................................................................................................ 5 2.2 两电平脉冲整流器拓扑结构及工作原理 ............................................................................ 7 2.3 三电平脉冲整流器拓扑结构及工作原理 ............................................................................ 9 2.4 四象限脉冲整流器控制策略 .............................................................................................. 11 第3章 CRH2型机车的谐波及抑制技术.................................................................................... 15
3.1 概述 ...................................................................................................................................... 15 3.2 CRH2型电力机车二次侧滤波 ........................................................................................... 15 3.3 三电平脉冲整流器中点电位平衡策略 .............................................................................. 16 3.4 移相多重化技术 .................................................................................................................. 17 第4章 基于MATLAB的控制策略仿真 .................................................................................... 19
4.1基于CRH1型机车两电平控制仿真 .................................................................................. 19
4.1.1 基于瞬态直接电流控制仿真 .................................................................................... 19 4.1.2 基于预测直接电流控制仿真 .................................................................................... 21 4.2 基于CRH2型机车三电平控制仿真 ................................................................................. 24
4.2.1 基于瞬态直接电流控制仿真 .................................................................................... 24 4.2.2 瞬态直接电流控制的二重化仿真 ............................................................................ 27 4.3 仿真结果分析 ...................................................................................................................... 29 总 结 ............................................................................................................................................ 30 参考文献 ............................................................................................................................................ 31
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第1章 牵引传动
1.1 我国铁路发展史
世界上大多数国家的铁路仍然是客运和货运兼顾的常规铁路，高速铁路、重载铁路和常规铁路虽然基本形式相同，但在技术方面，包括机车和车辆、线路和轨道以及列车的编组和运行都各不相同。因此，各国铁路根据各自的具体情况，采取不同的技术修建或改造本国的铁路。铁路运输的这些发展，成为铁路新发展时期的突出特点。
中国的铁路发展已有一百多年的历史，在这一百多年中，中国铁路与时俱进，不断地消化吸收先进的铁路技术，再创新推出新的技术，因而，我国也在世界铁路领域取得了举世瞩目的成就，成为世界铁路先进技术的代表性国家。
中国的第一条铁路是由英国怡和洋行组织修建的吴淞铁路。线路全长14.5km，轨距762mm，机车重量仅15吨，运行速度为每小时24~32公里，于1876年正式通车。虽然这是中国的第一条铁路，但依然不是中国人自己组织修建的铁路，而由中国人自己组织修建的第一条铁路是唐山至胥各庄铁路，线路全长10km，轨距为1435mm，于1881年11月8日正式通车。从唐胥铁路到1949年中华人民共和国成立这60多年间，中国铁路里程达到了21810公里。 新中国成立以后，以1950年7月1日成渝铁路开工为起点，我国铁路网规模不断扩大，到2009年底，总营业里程已达到8.6万公里。1952年，我国自己生产蒸汽机车，一直到1988年9月停止新造，36年间内共制造了9600台蒸汽机车。到2005年底，我国蒸汽机车完成其历史使命，全部退出正线运输生产。早年间，我国铁路机车多采用蒸汽机车，不仅效率低，而且列车速度也比较低，很难满足日益增长的运输需求，此时，牵引动力的改革势在必行。因而，我国牵引动力改革在1958年开始规划、设计施工和试生产机车，在1961年8月，我国第一条电气化铁路（宝鸡—凤州段）开通，从1965年起，开始批量生产内燃机车。
随着国外高速铁路的兴建，电力机车逐步取代了内燃机车，成为牵引领域新的主角。我国牵引电力机车最开始采用的交直传动的方式，共经历了3个发展阶段。第一阶段从1958年至70年代末，经历了一个漫长的起步期；第二阶段从20世纪70年代末到80年代中期，是电力机车发展的成长期。这个阶段发展的主要目标是研制我国自己的相控机车，提高机车功率，充分发挥电力机车的优越性。这时期的代表机型是韶山3型和韶山4型电力机车；第三阶段始于80年代后期8K、6K、8G等国外电力机车技术引进之后。这个阶段可称为电力机车发展的还代期，即从相控车到多段相控。随着我国经济的不断发展，铁路交通运输水平已经成为滞后经济发展的一个重要因素，在此种背景下，铁道部提出按照“全面引进技术、联合设计生产，打造中国品牌”的原则，引进国外高速铁路技术，打造属于中国自己的品牌，在此情况下，中国的高速动车组应运而生，正式登上了中国铁路的大舞台。
在“八五”期间，我国以德国高速列车作为蓝本进行消化吸收和研制实践，通过比较论证世界各国高速列车技术，最终确定了我国高速列车上的发展模式。“九五”期间，铁道部立项对法国万向轴是高速动力车，以及日本动力分散型高速动车组技术进行了跟踪研究，研制了目标速度为每小时300公里的万向轴高速动力转向架和运营速度为每小时200公里的动车组。1996年6月，我国首列采用交直传动的时速为200公里的高速电动车组研制成功，并于同年10月1日投入在广深线运营。随后，我国铁道部组织有关铁路局通过招标采购，与国外高速列车生产公司通过合作方式，消化吸收技术，逐步研制了具有中国知识产权的和谐号动车组，其时速高达300多公里。在2010年12月3日，由中国自行研制的“和谐号”380A新一代高速动车组最高时速达到486.1公里，成为世界铁路领域第一运营速度，震惊了世界。至2020年底，中国已投入运营的高速铁路营业里程达到了7531公里，居世界第一位，现在，中国每天开行的动车组有1000多列，运送旅客约百万人次。另根据中长期铁路网规划，到2020年，中国铁路营业里程将达到12万
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公里以上[1-2]。
尽管我国高速动车组发展迅速，全国各地也在兴建高速铁路，但就目前而言，我国牵引动力仍以交—直传动为主，但可以预见的是在不久的将来，交—直—交传动所占比重将迅速扩大，成为新世纪铁路牵引领域新的领军人物。
1.2 电力电子器件与电力牵引传动
牵引传动装置的构成离不开器件，没有先进的器件，也就不会有先进的传动装置应用于机车车辆，在没有发明电力电子器件之前的蒸汽机时代，用蒸汽机和连杆机构实现简单的机械牵引传动，机车运动振动大，效率低，内燃机发明以后，就产生了内燃机与机械传动，液力变扭器等组成的以机械传动为生的内燃机车传动方式，它虽比蒸汽机车有了很大的进步，但是液力传动机械的加工精度要求很高、传动效率较低、传动功率不大，到了电气时代，由电传动装置代替了液力变扭器，这在机械复杂性和效率方面取得了很大的进步，由此产生了电传动内燃机车，并且出现了用点力接触网供电的牵引电动机驱动的机车车辆。这些牵引方式的不断更新换代，与元器件的创新是密不可分的，而随着牵引传动技术的不断发展，也对器件提出了新的更高的要求，从而也促进了元器件的发展，因而，牵引传动的发展与电力电子器件的发展是相互促进，相互依存的关系。
电力牵引传动以牵引电机为控制对象，通过开环或者闭环控制系统对牵引电机的牵引力和速度进行控制调节，以满足车辆牵引和制动特性的要求，从而实现对各类交通运输工具的运行控制。电力牵引传动与内燃机车、蒸汽机车的动力牵引传动方式相比，因其从电力接触网取电能，具有不受动力设备容量的限制，所以，牵引功率可以达到很大，牵引能力有较大的提高，而且发电系统的效率较高不污染环境，因此现代
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化国家均以电力牵引为主体。而电力牵引传动却经历了一个十分漫长的发展过程。
第一代交—直传动机车是采用引燃管实现整流的，此种方法是把地面的直流供电系统搬到了机车之上，采用单相工频交流供电，通过机车上的受流装置，向机车供给交流电。机车通过变压装置和由引燃管组成整流装置将交流电转坏为直流电，驱动直流电机工作，这是牵引变电所从直流供电向交流供电的转化的巨大飞跃。但由于引燃管电真空器件制造难度大和使用不可靠，容易发生故障，所以几乎未得到大的发展，而我国由于器件的制造水平相对较低，因此在刚开始使用引燃管的时候，差不多就进入到后来居上的硅半导体器件时代。
60年代初，硅半导体整流器发展迅速，以其可靠性高，寿命长、冷却简单串并联任意组合等优点显示了强大的生命力，我国的电力机车也逐步采用此类型的电力电子器件，SS1型131号机车就使用了此套整流装置，其性能得到了很大的提高。二极管整流器之所以能很好的取代了引燃管，其主要原因是硅二极管整流装置重量轻、体积小、效率高、可选择理想的牵引电机电压等，因而可以说，电力电子器件的不断发展，对整流装置的进步起到了决定性作用，同时，也对电气传动装置水平的提高起到了巨大的推动作用。 70年代晶闸管横空出世，打破了硅半导体二极管整流器的一枝独秀的局面，成为当时交—直传动机车上新一代电力电子器件；80年代其技术已达到十分成熟的阶段，应用领域也不断扩大，正式成为那个阶段代表性的电子器件。晶闸管属于电流半控型器件，三个端子，其中一个是控制端，另两个是阴极和阳极两个端子，晶闸管一旦导通，控制极就失去作用，当主回路电流减小到接近于零，晶闸管才能被关断。利用晶闸管可以使交流整流器机车由开关调压方式提升到相位控制调压方式，使交—直传动进入相控调压这一比较先进的传动方式。相控机车与调压开关机车相比，无需多级的调压开关，因而也就减小了由于触头开关产生电弧发生故障的概率，且其通过改变相控触发角的大小，使得输出电压幅值连续，不会发生跳跃式的变化，而且相对于调压开关机车，相控机车的动态响应更快，维修量也较小。随后，为了提高功率因数，减少谐波，采用了多段半空桥技术和电容补偿等方式，而随着微机技术的发展，也促进了相控电力机车从模拟控制发展到微机数字控制，微机可以作特性计算和逻辑处理，扩大控制功能，还可以监测和显示故障，存储数据，进行保护，控制的自动化程度高，因此，微机技术的发展也为此时的相控机车锦上添花，交—直牵引传动相控机车进入了完善和成熟的阶段。 迄今为止，全国仍有一定量的相控交—直传动电力机车在铁路上驰骋。
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20世纪70年代出现了世界范围内的“能源危机”。交—直型相控机车虽然具有相应快速、启动转矩较大，以及调速性能优越等优点，但是功率因数不高，谐波干扰较大，制动时不能回收回馈的能量，造成了能量的浪费，这些因素也制约了直流牵引的进一步发展。相较于直流电机，交流电机结构简单，工作可靠、维修量小单位功率质量小、转变发电容易，但交流电机的调速一直是阻碍其进入牵引领域一大缺点，但随着PWM调制技术的成熟，交流电机能够轻易地实现变频调速，因而，交流电机逐步成为牵引电机的首选。而其中的关键技术在于将整流以后的直流电逆变为三相交流电驱动电机，于是，在20世纪70年代~80年代，能胜任这种情况的大功率电力电子器件GTO得到大力发展和应用。变频逆变器对电压幅值和频率均要调节，和晶闸管过零时自然关断不同，需要设置频率可变的关断电源来强迫换相。可关断晶闸管GTO既能导通控制也能关断控制，属于全控型器件，非常适合于PWM的变频逆变电路，相较于普通的晶闸管，可关断GTO有如下几个明显的优点：
1）具有自关断能力，无需换流关断装置，简化了设备，使得设备质量大大减小，成本降低；
2）GTO工作频率较高，有较宽的调频范围虽然开关损耗增加，但是却避免了过电压，杂散电感小，总损耗并不大；
3）GTO因可以工作在大电压和大电流电路中，因此在大容量变流设备中优势明显。
正因为如此，GTO在各个变频调速、直流斩波等领域得到迅速推广，在直—直地铁动车和直-交干线机车上，DC斩波器和三相逆变器结合起来，实现了直—交的电力牵引。
可关断晶闸管的优势虽然明显，但是也有其不可忽视的缺点，首先，其关断增益较小，所需门极驱动电流较大；其次，为了限制电压的变化率和关断损耗需要设置专门的缓冲电路，这也增加了一定的损耗，而且需要快速恢复二极管、无感电阻、无感电容等器件。在这种情况下，发展具有更优性能的电力电子器件势在必行。90年代中期，电力电子器件实现了第三次重大突破，具有大电流、高电压、低损耗、体积小、保护好、易触发等众多优异性能的IGBT出现在了人们的面前。
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是电力MOSFET工艺技术开发出的一种新器件，与MOSFET的结构非
IGBT的功耗比最初减少了许多，常的相似，经历了几次更新换代，其价格也低于GTO，因而国外认为GTO
的应用还有五年时间，在未来3~5年内IGBT的生产量和应用份额将逐年上涨，以至最后大部分取代GTO。目前，高速、重载电力机车普遍采用IGBT器件，这也使得牵引变流器能够实现小型化、高效化、轻量化、低噪化的目标。
智能功率模块（IPM）是以IGBT技术为基础的电力电子开关，由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成，其优点如下： 1）高可靠性； 2）低损耗；
3）低噪音、低振动； 4）具有检测监控功能； 5）小型化、维修量少；
6）IPM为绝缘栅极，模块基块绝缘与散热器安装无需再绝缘。
IPM是IGBT的完善和补充和延伸，加入前级驱动和本身的自保护功能，使用IPM比使用IGBT更简单、更可靠。在现在全球经济的情形下，IPM将朝着更高集成度、更加小型化、多功能方向发展。 目前，众多高性能的器件还在研发之中，这些高性能器件为交流传动领域不断地注入新鲜的血液，使得交流传动始终处于高速发展之中。我国通过消化吸收外国先进技术，自行研制的具有自主知识产权的和谐号动车组就是在这种环境中应运而生的，和谐号动车组有高速客运专列（CRH系列）和大功率货运电力机车（HXD系列）等几种形式的电力机车，其全部采用的是交—直—交的牵引传动系统，其不仅具有优良的牵引性能、动态性能、而且还具有粘着利用好、电网功率因数高、谐波干扰小等优点，因而，可以预
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见，交—直—交传动必将成为未来电力牵引领域的主导力量。
近半个世纪以来，电力电子器件不断发展，产品种类繁多，性能不断优化，从只能通过调压或者相控的直流牵引机车，到可关断晶闸管GTO的调频调压大功率三相交流传动机车，再到如今的高性能IGBT全控型器件的使用，以及集成化、模块化的IPM的应用，进一步推动了电力牵引传动的发展。每一种新器件的诞生，都会推动牵引传动领域向前迈进一步，这也不断地激励研发者去开发出更高性能的电力电子器