交流傳動車輛無變壓器拓撲結構及控制直流輸出的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及交流傳動車輛無變壓器拓撲結構及控制直流輸出的方法。
【背景技術】
[0002] 目前，在傳統的大功率電力機車或者動車組上牽引電傳動系統的結構是：接觸 網一牽引變壓器一整流器一中間直流電路一逆變器一牽引電機。其中，牽引變壓器笨重、造 價昂貴，并占用大量的空間，既增加了機車的重量和制造成本，也在列車牽引或者再生制動 時，產生銅耗和鐵耗，使電能利用率降低。此外，變壓器還會帶來溫升、漏抗等一系列問題。

【發明內容】

[0003] 為了去掉變壓器，避免變壓器帶來的問題，為了讓每一轉換單元具有穩定的直流 輸出，保證各轉換單元之間電壓穩定且不相互影響，本發明提供了一種交流傳動車輛無變 壓器拓撲結構及控制直流輸出的方法。
[0004] 為達到上述目的，交流傳動車輛無變壓器拓撲結構，包括相互級聯的二個以上的 轉換單元；所述的轉換單元包括控制器、脈沖整流器、電阻和電感，控制器接收電網側的交 流電壓信號Ua。和交流電流信號Ia。，同時控制器接收脈沖整流器輸出端的直流電壓信號Ud。 和直流電流信號Ib。，控制器的輸出端與脈沖整流器相連接，控制器上具有直流電壓給定值 輸入端；控制器將直流電壓Ud。與直流電壓給定值進行比較，將比較的差值輸入到控制 器中的PI調節器中，PI調節器輸出參考電流IN1;當參考電流IN1增大，控制器控制脈沖整 流器的輸入電流增大，從而使脈沖整流器的輸出電流增大；當參考電流IN1減小，控制器控 制脈沖整流器的輸入電流減小，從而使脈沖整流器的輸出電流減小；反復上述控制過程，讓 直流電壓仏。相對于直流電壓給定值在給定范圍內變化；電阻的輸出端與電網側連接， 電阻的輸出端通過與電感串聯與脈沖整流器相連接。
[0005] 交流傳動車輛無變壓器控制直流輸出的方法是：電網向相互級聯的二個以上的轉 換單元供電，各轉換單元對電網的電壓進行分壓，轉換單元將交流轉換為直流輸出；具體的 過程是：在每一轉換單元中，電網通過相互串聯的電阻R和電容LN供電給脈沖整流器，在脈 沖整流器中交流電被轉換給直流電輸出；脈沖整流器在交流轉換為直流過程中，通過控制 器控制脈沖整流器的直流輸出，具體的過程是：轉換單元中的控制器檢測電網側的交流電 壓14。、交流電流Ia。和脈沖整流器輸出端的直流電壓Ud。、直流電流Ib。，同時向控制器中輸入 一直流電壓給定值舊；將直流電壓Ud。與直流電壓給定值扣進行比較，將比較的差值輸入 到控制器中的PI調節器中，PI調節器輸出參考電流IN1;當參考電流IN1增大，控制器控制 脈沖整流器的輸入電流增大，從而使脈沖整流器的輸出電流增大；當參考電流IN1減小，控 制器控制脈沖整流器的輸入電流減小，從而使脈沖整流器的輸出電流減小；反復上述控制 過程，讓直流電壓Ud。相對于直流電壓給定值在給定范圍內變化。
[0006] 上述拓撲結構和控制直流輸出的方法，由于利用了多個轉換單元對電網側的電壓 進行分壓，利用脈沖整流器將交流電轉換為直流電，從而省去了變壓器，解決了變壓器笨 重、造價昂貴、占用大量空間的技術問題，也解決了在列車牽引或者再生制動時產生銅耗和 鐵耗的技術問題，使電能利用率高。此外，還解決了變壓器帶來溫升、漏抗等一系列的技術 問題。在本發明中，由于采用了控制器的比較方法，從而保證直流電壓Ud。相對于直流電壓 給定值舊在給定范圍內變化，保證各轉換單元之間電壓穩定且不相互影響，這里所記載的 給定范圍是指在±U值中邊緣，U值根據需要設定。
[0007] 進一步的，所述的脈沖整流器為三電平脈沖整流器，其中三電平脈沖整流器的A 極與電感的輸出端連接，三電平脈沖整流器的B極與相鄰轉換單元的A極連接，三電平脈沖 整流器的g極與控制器的輸出端連接。
[0008] 進一步的，在三電平脈沖整流器輸出正極和N極之間設置了第一電容，在三電平 脈沖整流器的負極與N極之間設置了第二電容，由于設置了第一電容和第二電容，起到了 平衡電壓的作用，保證N極為0電位。
[0009] 進一步的，在脈沖整流器上并聯有交流電壓傳感器，控制器接收交流電壓傳感器 的交流電壓信號；在電網側與電阻之間串聯有交流電流傳感器，控制器接收交流電流傳感 器上的交流電流信號。
[0010] 進一步的，在脈沖整流器的輸出端并聯有直流電壓傳感器，控制器接收直流電壓 傳感器的直流電壓信號；在脈沖整流器的輸出端串聯有直流電流傳感器，控制器接收直流 電流傳感器的直流電流信號。由于設置了交流電壓傳感器、交流電流傳感器、直流電壓傳感 器和直流電流傳感器，因此，方便精確的得到交流電壓、交流電流、直流電壓和直流電流。
[0011] 進一步的，根據t/I和ud。得到IN1的方法為：
[0012]
[0013] 其中，Kp為控制器中PI調節器的比例系數，Ti為控制器中PI調節器的積分時間 常數。
[0014] 進一步的，在控制器中產生電壓仏信號，將電壓^信號的波形轉換成脈沖信號，通 過脈沖信號控制脈沖整流器，產生電壓Us信號的過程為：
[0015] (1)在控制器中，根據1&、1^和UN計算出IN2;
[0016] IN2=IdcUdc/UN
[0017] 其中，仏為交流側電壓有效值；
[0018] (2)在控制器中，根據4和IN2計算出I，
[0019] !n*=Ini+In2
[0020] (3)在控制器中，計算出Us;
[0021]
[0022] 其中，R為電阻值，LN為電感值，《為電網側電壓的角頻率，G2為比例放大系數，iN 為交流側電流有效值。
[0023] 上述方法，一方面為了讓脈沖整流器能夠接收到能夠識別的信號，另一方面，通過 上述計算能得到較為精確的控制信號。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發明的拓撲結構圖。
[0025] 圖2為脈沖整流器輸出的波形圖。
【具體實施方式】
[0026] 如圖1所示，交流傳動車輛無變壓器拓撲結構包括相互級聯的二個以上的轉換單 元100,所述的級聯是指利用轉換單元進行分壓，每一轉換單元都具有輸出端。所述的轉換 單元100包括控制器1、脈沖整流器2、電阻3和電感4。
[0027] 控制器1具有直流電壓給定值輸入端、交流電壓信號輸入端、交流電流信號輸入 端、直流電壓信號輸入端、直流電流信號輸入端和輸出端pulse。直流電壓給定值輸入端 接收直流電壓給定值，交流電壓信號輸入端接收來自交流電壓傳感器的交流電壓信號 Ua。，交流電流信號輸入端接收來自交流電流傳感器的交流電流信號Ia。，直流電壓信號輸入 端接收來自直流電壓傳感器的直流電壓信號Ud。，直流電流信號輸入端接收來自直流電流傳 感器的直流電流信號Id。，輸出端pulse與脈沖整流器的g極連接。
[0028] 所述的脈沖整流器2為三電平脈沖整流器，其中三電平脈沖整流器的A極與電感4 的輸出端連接，三電平脈沖整流器的B極與相鄰轉換單元中的三電平脈沖整流器的A極連 接，三電平脈沖整流器的g極與控制器1的輸出端pulse連接。
[0029] 在三電平脈沖整流器輸出正極和N極之間設置了第一電容5,在三電平脈沖整流 器的負極與N極之間設置了第二電容6,起到了平衡電壓的作用，保證N極為0電位。
[0030] 電阻3和電感4依次串聯，電阻3的輸出端連接在電感4的輸入端。電阻3的輸 入端與電網200側連接。
[0031] 在電網側200與第一個轉換單元中的三電平脈沖整流器B極之間并聯有交流電壓 傳感器7 ;第二個轉換單元中的三電平脈沖整流器B極與第一個轉換單元中的三電平脈沖 整流器B極之間并聯有交流電壓傳感器，第三個轉換單元中的三電平脈沖整流器B極與第 二個轉換單元中的三電平脈沖整流器B極之間并聯有交流電壓傳感器，依次類推直到倒數 第二個轉換單元，最后一個轉換單元中的三電平脈沖整流器B極之間并聯有交流電壓傳感 器7,控制器的交流電壓信號輸入端接收交流電壓傳感器7的交流電壓信號。在電網200側 與電阻3之間串聯有交流電流傳感器8,控制器的交流電流信號輸入端接收交流電流傳感 器8上的交流電流信號。在脈沖整流器2的輸出端并聯有直流電壓傳感器9,控制器的直 流電壓信號輸入端接收直流電壓傳感器9的直流電壓信號；在脈沖整流器的輸出端串聯有 直流電流傳感器10,控制器的直流電流信號輸入端接收直流電流傳感器10的直流電流信 號。通過交流電壓傳感器7、交流電流傳感器8、直流電壓傳感器9和直流電流傳感器10可 直觀、精確的得到交流電壓、交流電流、直流電壓和直流電流。
[0032] 為了更加直觀的得到的電流變化的情況，在交流電流傳感器的輸出端連接有第一 顯示屏11，在直流電流傳感器的輸出端上連接有第二顯示屏12。
[0033] 交流傳動車輛無變壓