电力轨道机车车辆用空调逆变器拓扑和控制方法

1.本发明属于电力电子技术领域，本发明涉及一种电力轨道机车车辆用空调逆变器拓扑和控制方法。


背景技术：

2.电力轨道机车在运行过程中有很大的流动性，机车振动大，温度高，电磁干扰严重，车门频繁开闭，且供电品质较差，这里以dc600v旅客列车用空调逆变器为例，直流输入电源dc600v，但是当直流输入电源的电压范围较大(宽电压输入)时，往往会导致逆变器使用受到限制无法满足要求。三相空调机加逆变电源的使用是最为普遍的空调系统，但在使用过程中由于输入电压波动较大等问题该系统的故障率一直居高不下，达50％以上，其主要问题集中在逆变电源上，占全部故障的95％以上。当输入电压出现较大的波动(宽电压输入)时，逆变器输出质量变差，导致列车车辆用空调制冷/制热效果变差。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种电力轨道机车车辆用空调逆变器拓扑和控制方法，解决了现有dc400v～dc600v旅客列车用空调逆变器输入电压波动造成的空调效率下降的问题。
4.本发明所采用的技术方案是：
5.电力轨道机车车辆用空调逆变器拓扑，包括dc400-600v输入电源，dc400-600v输入电源与并联半桥逆变组连接、并联半桥逆变组包括并联的四个半桥逆变电路，每个半桥逆变电路均连接一个隔离变压器，每个隔离变压器均连接一个不控整流电路，四个不控整流电路串联组成串联不控整流组，串联不控整流组的输出正极依次与l1电感的一端、c9电容的一端和串联不控整流组的输出负极连接，c9电容的一端与c9电容的另一端之间并联有三相全桥逆变电路，c9电容的一端与c9电容的另一端之间还并联有单相全桥逆变电路。
6.本发明的特点还在于：
7.每个半桥逆变电路包括c1电容，c1电容的一端连接s1功率开关管的源极，c1电容的另一端与c2电容的一端，c2电容的另一端依次连接s2功率开关管的漏极和s1功率开关管的漏极，c1电容的另一端与s1功率开关管的另一端之间与隔离变压器的一次侧连接；
8.每个不控整流电路包括d1二极管，d1二极管的负极依次连接d2二极管的负极、d4二极管的负极和d3二极管的正极和d1二极管的正极，隔离变压器的二次侧连接在d1二极管的正极和d4二极管的负极之间；
9.每个不控整流电路中d3二极管的正极与相邻不控整流电路中的d1二极管的负极实现串联，其中第一个不控整流电路的d1二极管的负极为串联不控整流组的输出正极，其中第四个d3二极管的正极为串联不控整流组的输出负极。
10.三相全桥逆变电路包括ga1功率开关管，ga1功率开关管的源极与c9电容的一端连接，ga1功率开关管的漏极依次连接ga4功率开关管的源极、c9电容的另一端，ga1功率开关管的源极依次连接ga2功率开关管的源极、ga5功率开关管源极和ga4功率开关管的漏极，
ga1功率开关管的源极还依次连接ga3功率开关管的源极、ga6功率开关管的源极和ga4功率开关管的漏极，ga1功率开关管的漏极依次与la1滤波电感的一端、ca1电容的一端连接，ga2功率开关管的漏极依次与la2滤波电感的一端、ca2电容的一端连接，ga3功率开关管的漏极依次与la3滤波电感的一端、ca3电容的一端连接，ca1电容的另一端分别与ca2电容的另一端连接和ca3电容的另一端连接，la1滤波电感的另一端、la2滤波电感的另一端和la3滤波电感的另一端为三相全桥逆变电路的三相输出端。
11.单相全桥逆变电路包括gb1功率开关管、gb1功率开关管的源极与c9电容的一端连接，gb1功率开关管漏极依次连接有gb3功率开关管的源极、c9电容的另一端，gb1功率开关管的源极还依次连接gb2功率开关管的源极和gb4功率开关管的源极和gb3功率开关管的漏极，gb1功率开关管的源极还与cb1滤波电容的一端连接，cb1滤波电容的另一端和gb4功率开关管的源极为单相全桥逆变电路的输出端。
12.本发明还涉及一种电力轨道机车车辆用空调逆变器拓扑的控制方法包括以下步骤：
13.步骤1，dc400-600v输入电源将直流电压输入到并联半桥逆变组，采用pid控制并联半桥逆变组的功率开关管的占空比在，10％-45％的范围内，经隔离变压器进行电气隔离然后再经过串联不控整流组进行ac-dc的变换，最终使得串联不控整流组输出电压稳定在dc600v输出；
14.步骤2，利用svpwm控制算法将dc600v直流电经过三相全桥逆变电路5逆变为三相ac380v交流电输出；
15.步骤3，单相全桥逆变通过spwm调制算法输出ac220v交流电。
16.步骤2具体的为：
17.svpwm算法首先合成电压空间矢量的进行扇区的划分，三相静止坐标系和两相静止坐标系的关系如式(1)所示，从而可以计算出参考电压v
ref
的分量u
α
和u
β
：
[0018][0019]
判断矢量v
ref
所处的扇区；分析u
α
和u
β
的关系，可得如下关系：若u
β
＞0，
[0020]
则a＝1，否则a＝0；若则b＝1，否则b＝0；若则c＝1，否则c＝0；因此，扇区n＝a 2b 4c；然后计算矢量的作用，时间扇区确定之后，利用扇区边界上的两个基本矢量合成所需的矢量v
ref
；以扇区iii为例，以α和β为基准轴，将两个基准矢量向两个基准轴投影，可以得到：α轴：β轴：其中，t为采样周期，通常为pwm调制周期；从而，可以解得：通过对其他几个扇区的求解，可以看出他们都是一些时
间的组合，所以定义三个基本时间变量x、y、z；分别为间的组合，所以定义三个基本时间变量x、y、z；分别为最后进行矢量切换点的计算tcm1、tcm2、tcm3；如下图4所示：可得矢量切换点为：矢量切换点为：
[0021]
步骤3具体的为：用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的pwm波形即spwm波形控制单相全桥逆变电路的gb1-gb4功率开关管的通断，使其输出的脉冲电压的面积与期望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值，最终输出ac220v/50hz单相正弦交流电。
[0022]
本发明的有益效果是：
[0023]
本发明实现了针对宽电压输入(dc400v-dc600v)电力轨道机车车辆用空调逆变器拓扑设计及控制方法，采用多级半桥逆变并联、隔离变压器隔离、不控整流和三相/单相全桥逆变的方式，实现了在宽电压输入范围内机车空调逆变器仍可以有效的进行工作，同时本发明拓扑引出一路ac220v交流电供机车其他用电器使用，缓解了机车上用电紧张问题。
附图说明
[0024]
图1是本发明所涉及的机车车辆用空调逆变器拓扑；
[0025]
图2是本发明所涉及逆变器拓扑的控制结构框图；
[0026]
图3是svpwm算法中各矢量位置于扇区分布图；
[0027]
图4是svpwm算法中矢量切换点。
[0028]
图中，1.dc400-600vdc400-600v输入电源，2.并联半桥逆变组，3.并联隔离变压器组，4.串联不控整流组，5.三相全桥逆变电路，6.单相全桥逆变电路，7.dc-ac-dc电能变换，8.pwm调制和pid控制算法，9.svpwm控制算法，10.spwm调制方法。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0030]
本发明的电力轨道机车车辆用空调逆变器拓扑，如图1所示，其中包括dc400-600v输入电源1，用于输入电源dc400v-dc600v，dc400-600v输入电源1将电能输送给并联半桥逆变组2，并联半桥逆变组2有四组半桥逆变电路并联而成，例如其中一个半桥逆变电路，包括c1电容、c2电容和s1功率开关管、s2功率开关管。其中c1电容、c2电容组成左桥臂，s1功率开关管、s2功率开关管组成右桥臂。并联半桥逆变组2与并联隔离变压器组3相连，并联隔离变压器组3由四组隔离变压器组成，每组半桥逆变电路左桥臂中点与隔离变压器一端相连，右桥臂中点与隔离变压器另一端相连，并联隔离变压器组3与串联不控整流组4相连，串联不控整流组4分别由四组不控整流电路串联组成，每组具有四个不控整流二极管，左右桥臂均是由两个二极管组成。隔离变压器副边一端与左桥臂中点相连，另一端与右桥臂中点相连。串联不控整流组4的输出正极依次与l1电感的一端、c9电容的一端和串联不控整流组4的输出负极连接，c9电容的一端与c9电容的另一端之间并联有三相全桥逆变电路(5)，c9电容的
一端与c9电容的另一端之间还并联有单相全桥逆变电路6。
[0031]
三相全桥逆变电路5包括ga1-ga6功率开关管、三个la1-la3滤波电感、其中ga1功率开关管、ga4功率开关管组成全桥电路左桥臂，ga1功率开关管、ga5功率开关管组成全桥电路中桥臂，ga3功率开关管、ga6功率开关管组成全桥电路右桥臂。功率开关管ga1、功率开关管ga2、功率开关管ga3的源极与串联不控整流组4输出的正极相连，功率开关管ga2、功率开关管ga5、功率开关管ga6的漏极与串联不控整流组4输出的负极相连，左桥臂中点和la1滤波电感相连，中桥臂中点和la2滤波电感相连，右桥臂中点和la3滤波电感相连，la1-la3滤波电感和ca1-ca3电容组成滤波电路最终输出ac380v交流电。
[0032]
单相全桥逆变电路6包括gb1-gb4功率开关管和cb1滤波电容组成。功率开关管gb1、功率开关管gb3组成左桥臂，功率开关管gb1、功率开关管gb4组成右桥臂，串联不控整流组4输出的正极与功率开关管gb1、功率开关管gb2的源极相连，串联不控整流组4输出的负极与功率开关管gb3、功率开关管gb4的漏极相连，左桥臂中点与电容cb1相连，最终输出ac220v交流电。
[0033]
电力轨道机车车辆用空调逆变器拓扑的控制方法，包括以下几个步骤：
[0034]
步骤1：dc-ac-dc的电能变换，dc400v-dc600v的直流电压通过dc400-600v输入电源1输入到并联半桥逆变组2，通过pid控制算法控制并联半桥逆变组2功率开关管的占空比控制输出电压，占空比最大50％，向下进行调节占空比，经过并联隔离变压器组3进行电气隔离，然后再经过串联不控整流组4进行ac-dc的变换，最终使得串联不控整流组4输出电压稳定在dc600v的输出。
[0035]
步骤2：利用svpwm控制算法将dc600v直流电经过三相全桥逆变电路逆变为三相ac380v交流电，svpwm算法首先进行合成电压空间矢量的扇区划分，三相静止坐标系和两相静止坐标系的关系如式(1)所示，从而可以计算出参考电压v
ref
的分量u
α
和u
β
。
[0036][0037]
判断矢量v
ref
所处的扇区。分析u
α
和u
β
的关系，可得如下关系：若u
β
＞0，
[0038]
则a＝1，否则a＝0；若则b＝1，否则b＝0；若则c＝1，否则c＝0；因此，扇区n＝a 2b 4c。然后计算矢量的作用，时间扇区确定之后，利用扇区边界上的两个基本矢量合成所需的矢量v
ref
。以扇区iii为例，以α和β为基准轴，将两个基准矢量向两个基准轴投影，可以得到：α轴：β轴：其中，t为采样周期，通常为pwm调制周期。从而，可以解得：通过对其他几个扇区的求解，可以看出他们都是一些时
间的组合，所以定义三个基本时间变量x、y、z。分别为间的组合，所以定义三个基本时间变量x、y、z。分别为最后进行矢量切换点的计算tcm1、tcm2、tcm3。如下图4所示：可得矢量切换点为：ta＝(t-t
1-t2)/4)/4由于各扇区的电压矢量作用时间不同，因此每个扇区的矢量的切换点不同。通过计算可以得到不同扇区的矢量切换点如表1所示。
[0039]
表1各扇区矢量切换点分布
[0040]
扇区123456tcm1tbtatatctctbtcm2tatctbtbtatctcm3tctbtctatbta
[0041]
通过一个pwm周期各扇区矢量切换点进行矢量切换从而控制功率开关管sa1-sa6的开通关断，形成ac380v/50hz三相正弦交流电。
[0042]
步骤3：单相全桥逆变6通过spwm调制算法输出ac220v交流电。用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的pwm波形即spwm波形控制逆变电路6的功率开关管sb1-sb4的通断，使其输出的脉冲电压的面积与期望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值，最终输出ac220v/50hz单相正弦交流电。
[0043]
本发明的电力轨道机车车辆用空调逆变器拓扑及方法的工作原理是：当机车直流侧提供dc400v-dc600v的宽电压直流电时，首先电能经并联半桥逆变组2进行电能变换，由于四组半桥电路采用并联的形式因此每一组得到的直流电均为dc400v-dc600v，因此考虑在电压范围极限的情况下，当输入为dc400v和dc600v时均需要满足提供给三相全桥逆变电路5和单相全桥逆变电路6的直流侧电压达到dc540v，为满足余量因此将不控整流输出的直流侧电压需要稳定在dc600v，因此前级采用dc-ac-dc电能变换的方式，并联半桥逆变组2输出
±
ud/2的交变电压，ud为机车直流侧输入电源，当直流侧输入电源为dc600v时，那么隔离变压器一次侧输入的电压为
±
300v交变电压，当直流侧输入电源为dc400v时，那么隔离变压器一次侧输入的电压为
±
200v交变电压，本发明所用到的并联隔离变压器组3主要是进行电气隔离的，将前后级电路进行隔离，因此隔离变压器采用的变比为1：1。这样并联隔离变压器组3就分别输出四组
±
200v—
±
300v的电压，然后电能经过串联不控整流组4形成直流电压，单相不控整流的输出电压为输入电压的0.9倍，四组不控整流电路是串联连接的，因此不控整流组3输出的电压范围为dc720v-dv1080v均是大于dc600v的，但是不满足稳定在dc600v的要求，串联不控整流组4输出dc720v-dv1080v是因为前级并联半桥逆变组2每一个开关管的开通占空比按照50％，而且半桥右桥臂的开关管相位差是固定在180度的相位差，两个管子之间的死区是固定的处于对称波形。因此通过调整并联半桥逆变组2功率开关管的触发脉冲占空比可以做到控制电压输出的作用，dc-ac-dc电能变换7部分采用pid控制输出pwm波的占空比将串联不控整流组4输出的直流侧电压稳定在dc600v，如图2所示。当串
联不控整流组4输出电压稳定在dc600v时，三相全桥逆变电路5采用两电平下的空间矢量脉宽调制(svpwm)控制算法9进行电压波形的调制。svpwm控制算法首先将空间矢量进行划分，8种安全的开关状态。其中000、111(这里是表示三个上桥臂的开关状态)为零矢量。另外6种矢量(v1(001)、v2(010)、v3(011)、v4(100)、v5(101)、v6(110))，如图3所示。然后进行扇区的划分，最后进行矢量切换点的计算tcm1、tcm2、tcm3。这样就可以将三相全桥逆变电路的输出波形更加趋向于正弦波形，形成质量较高的ac380v交流电。单相全桥逆变电路6利用spwm调制算法，将三角载波和正弦调制波进行调制，通过控制正弦调制波的幅值，将输出电压控制到ac220v。