基于pwm直流電和llc諧振的高速列車充電機(jī)研究

根據(jù)交通流流量變換類型，鐵路列車充電機(jī)主要分為dd-dc充電機(jī)和ac-d充電機(jī)。dc-cd-c1c-c1c-c1c-c變換充電機(jī)主要用于高速列車。在AC-DC變換列車充電機(jī)領(lǐng)域，考慮到充電機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)成熟度，目前大部分充電機(jī)均采用不控整流配合全橋或半橋電路拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)AC-DC變換，將列車輔助變流器輸出的AC380V轉(zhuǎn)換為DC110V給列車控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、旅客信息系統(tǒng)等低壓直流負(fù)載供電目前，AC-DC變換列車充電機(jī)在輸入端的不控整流技術(shù)應(yīng)用雖然實(shí)現(xiàn)成本較低，但是導(dǎo)致了列車輔助交流供電網(wǎng)側(cè)電流波形嚴(yán)重畸變，功率因數(shù)較低，造成諧波干擾，對(duì)交流供電系統(tǒng)和負(fù)載帶來一系列的危害文中設(shè)計(jì)研究了一種基于PWM整流和LLC諧振的軌道交通列車充電機(jī)實(shí)現(xiàn)AC-DC變換給列車直流負(fù)載供電，充電機(jī)前級(jí)采用PWM整流實(shí)現(xiàn)三相交流電轉(zhuǎn)換為中壓直流電，提高了輸入的功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)了列車的交流供電網(wǎng)側(cè)友好；后級(jí)采用LLC諧振實(shí)現(xiàn)中壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，相比傳統(tǒng)移相全橋控制拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)了全負(fù)載范圍的軟開關(guān)技術(shù)，提高了功率轉(zhuǎn)換效率。通過原理分析、電路仿真和樣機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行了研究。1開關(guān)頻率及后級(jí)電路基于PWM整流和LLC諧振的軌道交通列車充電機(jī)主電路原理如圖1所示，采用兩級(jí)電路實(shí)現(xiàn)，前級(jí)電路為PWM整流電路，IGBT開關(guān)頻率設(shè)置為8kHz；后級(jí)電路為全橋LLC諧振電路，SiCMOSFET諧振頻率設(shè)置為30kHz。前級(jí)PWM整流電路將三相AC380V轉(zhuǎn)換為可控的中間直流電壓U如式（1）所示，d軸和q軸的分量是耦合的，通過電壓鎖相和空間矢量解耦控制實(shí)現(xiàn)三相交流輸入的單位功率因數(shù)，降低交流供電網(wǎng)側(cè)的諧波干擾并為后級(jí)電路提供穩(wěn)定的中間直流電壓。后級(jí)LLC諧振電路將中間直流電壓U2旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系解耦的電流補(bǔ)償根據(jù)前級(jí)PWM整流在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，可以得到式（3），其中v從式（3）可知在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流的有功分量和無功分量相互耦合，控制穩(wěn)定性不好，需要進(jìn)行電流補(bǔ)償，消除耦合電流之間的相互影響，實(shí)現(xiàn)解耦。令電壓控制矢量：其中Δv從式（5）可知在控制矢量v基于LLC諧振電路工作原理(a）當(dāng)開關(guān)頻率等于諧振頻率f(b）當(dāng)開關(guān)頻率小于諧振頻率f文中結(jié)合前級(jí)PWM整流對(duì)U3u2009模擬帶負(fù)載模擬系統(tǒng)在Simulink仿真環(huán)境下進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，在理想環(huán)境下，仿真參數(shù)如表1所示，輸出采用阻性負(fù)載模擬充電機(jī)帶列車直流負(fù)載。模擬帶載25kW,PWM整流波形如圖7所示，LLC諧振波形如圖8所示。從仿真波形可知三相交流輸入電流為正弦波形，電流相位跟蹤輸入電壓相位，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，在輸出電壓U4充電機(jī)啟動(dòng)電路文中設(shè)計(jì)了一臺(tái)25kW充電機(jī)樣機(jī)，實(shí)物參數(shù)與仿真參數(shù)一致，模型如圖9所示，實(shí)現(xiàn)了AC380V到DC110V的功率變換，功率轉(zhuǎn)換效率95.3%，交流側(cè)功率因數(shù)0.997。圖10所示為充電機(jī)的啟動(dòng)波形，充電機(jī)啟動(dòng)過程中共5個(gè)過程，（a）、（b）為中間直流電壓不控整流預(yù)充電過程，（c）為LLC諧振電路占空比線性增加到100%過程，（d）為PWM整流電路啟動(dòng)工作過程，（e）為系統(tǒng)達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定狀態(tài)。圖11所示為U圖12所示為穩(wěn)定工作時(shí)的充電機(jī)電路波形，PWM整流部分相電流波形為正弦波且滯后線電壓30°相位，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)；LLC諧振部分諧振電流近似正弦波，實(shí)現(xiàn)了較高的能量變換效率。5振幅頻率的確定研究設(shè)計(jì)了一種基于PWM整流和LLC諧振的新型高速動(dòng)車組充電機(jī)，介紹了系統(tǒng)的工作原理和控制策略，在交流輸入側(cè)實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，在高頻變換側(cè)采用高頻諧振提高變換效率，通過電路仿真驗(yàn)證了充電機(jī)的工作原理，并試制了一臺(tái)25kW充電機(jī)樣機(jī)，證明了系統(tǒng)控制策略可靠，輸出電壓穩(wěn)定。其中，較低的電感比例m選擇可以獲得更高的增益和更窄的頻率調(diào)節(jié)范圍，如圖2所示。較高的電感比例m選擇可以獲得更大的勵(lì)磁電感L從圖3可知，在相同頻率下，品質(zhì)因