Current Distortion Evaluation in Traction 4Q Constant Switching Frequency Converters

The paper deals with the power quality analysis of interlaced four quadrant (4Q) converters with constant switching frequency. These are in fact the input stages of the locomotives and high speed trains supplied by 25 kV, 50 Hz and 15 kV, 16.7 Hz lines. Due to the high power needed for the trains circulation, the 4Q converter can absorb distorted currents, whose harmonic content can affect the signaling systems and communication devices. The presence of more converters gives the opportunity, using dedicated commutation strategy, to interlace them in order to reduce the harmonic content in the absorbed current. In the paper a suitable model of more 4Q converters is developed. The control logic implemented in the model allows the evaluation of the harmonic contribution of both single converter and the interlaced configuration. The analysis is carried out through electromagnetic transient simulations.

DC Traction Power Supply System Based on Modular Multilevel Converter Suitable for Energy Feeding and De-icing

A novel DC traction power supply system suitable for energy feeding and de-icing is proposed in this paper for an urban rail transit catenary on the basis of the full bridge submodule (FBSM) modular multilevel converter (MMC). The FBSM-MMC is a novel type of voltage source converter (VSC) and can directly control the output DC voltage and conduct bipolar currents, thus flexibly controlling the power flow of the urban rail transit catenary. The proposed topology can overcome the inherent disadvantages of the output voltage drop in the diode rectifier units, increase the power supply distance and reduce the number of traction substations. The flexible DC technology can coordinate multiple FBSM-MMCs in a wide area and jointly complete the bidirectional control of catenary power flow during the operation of the electric locomotive, so as to realize the local consumption and optimal utilization of the recovered braking energy of the train. In addition, the FBSM-MMCs can also adjust the output current when the locomotive is out of service to prevent the catenary from icing in winter. The working modes of the proposed topology are illustrated in detail and the control strategy is specially designed for normal locomotive operations and catenary de-icing. Simulation cases conducted by PSCAD/EMTDC validate the proposed topology and its control strategy.

轨道交通能量互馈式交流牵引传动综合测试系统的设计

针对轨道交通牵引传动系统性能测试与特性试验需求,设计一种列车交流牵引传动测试系统。系统由四象限整流器、DSP控制单元、牵引变流器、负载变流器、牵引电机与负载电机组成。牵引变流系统采用全新的“双变流器--交流电机负载反馈”方案,能量通过直流侧在牵引电机与负载电机之间互馈,避免试验过程中能量的大量消耗。系统可实现牵引变流器的牵引/制动工况性能测试,牵引电机性能测试、特性试验与功率测量,具有高智能化与自动化、安全可靠、测试准确度高、能量利用率高的优点。

城市轨道交通碳化硅三电平牵引变流器应用探索

城轨交通将绿色节能作为发展目标,城轨牵引变流器以低损耗为发展方向。碳化硅器件具有耐高温、所承受开关频率较高和功率损耗低的优势,应用于三电平变流器,可有效提高系统效率、降低能耗、减轻设备重量。针对碳化硅三电平牵引变流器在城轨牵引领域的应用,首先分析城轨牵引变流器功率器件和拓扑的发展现状,从牵引系统的发展需求提炼出牵引变流器的优化需求;结合材料特性研究碳化硅器件应用于城轨牵引领域的性能优势,以及可能给牵引系统设计带来的技术挑战。对比探究5种常用的三电平逆变器拓扑结构和各种牵引传动控制方法在城轨领域的适应性,总结其结构特点对碳化硅器件应用的促进作用。归纳三电平变流器在城轨牵引系统中的应用局限,探讨碳化硅器件对其输出性能的优化作用。讨论碳化硅三电平变流器拓扑在城轨牵引系统中的应用可能,通过仿真实验对比不同拓扑的器件损耗分布。研究结果表明:碳化硅器件本身即对降低功率损耗具有明显优势,三电平拓扑及合适的控制策略可降低碳化硅器件的应用成本,二者结合可进一步缩小变流器和相关设备的体积,延长系统使用寿命。因此,将碳化硅三电平变流器应用于城轨交通符合发展需求。研究可为后续城市轨道交通牵引变流器的优化提供参考。

三臂凿岩台车液力机械传动系统的牵引性能

三臂凿岩台车在隧道作业时,路面平整度低、负载波动大,导致牵引性能输出不稳定。在三臂凿岩台车动力总成的基础上,建立了液力机械系统的功率平衡理论与力学平衡方程。进一步,开展了三臂凿岩台车的发动机外特性和液力变矩器原始特性实验,研究了共同工作的输入特性和输出特性。建立了三臂凿岩台车的动力传动系统仿真模型,同时开展了整机牵引性能实验。整车实验与仿真计算对比结果表明:一挡、二挡、三挡最大牵引力误差分别为1.8%,2.4%,1.7%,最大车速误差分别为2.1%,1.9%,2.3%,验证了三臂凿岩台车的牵引性能理论,对复杂工况下工程车辆牵引性能研究具有一定的指导意义。

考虑ESR老化的支撑电容寿命评估方法研究

文中以高速列车的金属化薄膜支撑电容为研究对象,研究了一种考虑ESR老化及任务剖面的支撑电容寿命评估方法。首先从薄膜电容的物理结构及失效机理出发,分析了电容失效过程中的退化特征;然后对薄膜电容电应力、热应力进行了探讨;最后结合某线路的实车空载工况的测试数据,基于经验寿命模型、线性累积损伤理论以及等效串联电阻ESR的老化模型对支撑电容的寿命评估方法进行了分析。研究结果表明,随着运行年限的增长,ESR的老化会导致功率损耗以及热点温度的明显增加,从而导致电容的寿命损伤率逐步加快。

高原双源动力集中动车组内燃车牵引变流器关键技术分析与验证

针对高原型内燃机车运行海拔高、散热工况复杂和轻量化要求高的特点,文章介绍了一种复兴号高原双源动力集中动车组内燃车牵引变流器的主电路结构、工作原理及其设计方法。对于运行海拔高的特点,使用海拔修正的方法对柜内电气绝缘性能进行加强;对于散热工况复杂的特点,选择合理的冷却方案,并对整柜的损耗和散热能力进行精细化热设计,确保其散热能力;对于轻量化要求高的特点,使用模块化布局和有限元结构仿真的方法,在保证结构强度的同时实现轻量化设计。试验表明,牵引变流器能满足各项性能指标要求。

基于信息交互的牵引系统控制策略研究

采用独立轮对的有轨电车可最大程度降低低地板车辆的地板高度,无需高站台设计且方便乘客上下车,发展前景十分广阔。但是独立轮对理论上不存在纵向蠕滑力,曲线导向能力下降,因此对列车牵引制动过程中的出力及控制策略提出更高要求,针对独立轮对有轨电车的特点,本文介绍了一种牵引变流器的设计方案及控制策略,从主电路设计、工作原理、硬件结构等方面进行阐述,基于双功率模块的信息交互,从顶层给出牵引力的优化施加目标,基于分段同步调制及矢量控制策略,实现列车牵引力输出的优化控制。最后,通过现场牵引制动试验及极端恶劣线路空转滑行试验验证了所提设计方案的有效性,对独立轮对牵引系统及类似应用场合的牵引系统硬件设计及控制策略具有一定的指导意义。

牵引级联变流器低次谐波分析与抑制策略优化

以级联H桥变流器为前级拓扑的电力电子变压器是未来列车牵引的重要发展方向,降低牵引级联变流器的低次谐波对提高电力电子变压器的控制性能具有重要意义。然而,引起级联H桥变流器低次谐波的影响因素与常规四象限变流器存在差异,其机理分析和抑制策略尚未得到深入研究。对此,文章详细探究了电力牵引网侧级联H桥变流器低次电流谐波产生机理,揭示了除直流电压波动、器件死区和管压降外,其低次谐波还与H桥级联的模块数及拓扑结构有关。在此基础上,设计一种兼顾直流电压波动和电路拓扑特性的低次谐波抑制算法。同时,结合功率器件的死区效应与管压降影响,提出级联H桥变流器低次电流谐波综合抑制策略。最后,搭建小功率试验平台进行测试,试验结果验证了理论分析的正确性和优化抑制方案的有效性。

含双向变流装置的城市轨道交通牵引供电系统研究进展

[目的]我国城市轨道交通线路传统的牵引供电系统大多采用二极管整流机组,该方式存在电能只能单向流动、再生制动能量无法回馈到供电系统等问题。可有效解决此问题的基于IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的双向变流装置已研制成功,并有应用案例。为了促进双向变流技术的进一步发展,需了解双向变流装置的研究进展。[方法]阐述了双向变流装置特点,整流/逆变双向变流技术概要及双向变流能量综合管理系统构架。分析了双向变流装置在国内外的应用现状,阐述了2个电压控制策略(恒压控制策略、下垂控制策略)的直流电压、电流输出外特性。介绍了既有的潮流计算算法,探讨了含双向变流装置的城市轨道牵引供电系统的算法要求。[结果及结论]双向变流装置在城市轨道交通供电系统中的成功应用,实现了列车的再生制动能量回馈,提高了整个供电系统的运行效率。

高寒动车组牵引变流器的振动测试及分析

针对我国西北部地区恶劣天气和老化线路影响高寒动车组安全可靠运行的问题,开展实际线路运行时振动测试及分析。根据即墨至乌鲁木齐的车辆运行速度和地形特征,划分青岛—济南、济南—西安、西安—兰州、兰州—乌鲁木齐4个区间,对比分析不同区间内的振动有效值。结合IEC 61373标准,对比分析实测振动有效值、冲击峰值与标准值的差异。通过振动频谱分析牵引变流器不同部件的振动特性,利用统计容差法编制不同部件的实测载荷谱,并利用有限元方法分析中频和高频振动对牵引变流器结构的影响。结果表明,济南—西安区间内的振动高于其他区间,西安—兰州区间内的冲击高于其他区间;柜体吊耳和控制箱的振动主要体现在垂向与纵向,而横向较小,且以中频段和低频段为主;冷却风机的振动集中在低频段,来自于风机转频;功率模块振动以横向和纵向为主,中频段和高频段的振动远大于低频段。

机车牵引变流器输入侧接地故障诊断策略研究

机车运用过程中,为区分不同点接地故障,一般通过判断接地电压传感器的接地电压波形变化特征进行区分。为精确判断出有运用风险的输入侧接地故障点,对牵引变流器输入回路进行了研究,针对目前机车牵引变流器发生输入侧接地故障时未对不同接地点接地电压波形进行区分的故障判断逻辑,通过分析输入回路不同点发生接地时,接地电压的变化特征,提出针对输入回路不同点发生接地故障后的优化检测判断逻辑。通过半实物仿真和地面试验验证,表明采用通过区分接地电压变化特征,优化输入侧接地判断逻辑,对输入回路接地点的接地故障判断更加精准,极大地降低因发生输入侧接地故障导致的停车机破事故,提升机车运用的可靠性。

轨道交通柔性交流牵引供电系统无源一致性稳定控制方法

针对以双向变流器为核心的轨道交通柔性交流牵引供电系多变量、强耦合、非线性特性,在dq坐标下建立双线性系统模型,满足状态变量与控制变量同步线性变换,设计形式简单的无源性控制律,将相邻双向变流器一致性误差嵌入无源性控制器输出量,实现变流器直流侧电压与dq轴电流期望轨迹同步快速跟踪,达成多变流器协同控制目标。基于MATLAB的仿真结果验证所提方法在列车负荷功率需求变化、控制器参数摄动情形下能实现多变流器功率精确分配,相比传统下垂PI控制,所提方法具有动态响应快、同步性好、稳定性高的特点。

考虑制动能量转移的复杂电气化铁路牵引用光伏发电系统综合能量管理策略

本研究提出了一种新的光伏发电系统,以有效缓解外部电网的压力,并实现有效的再生制动能量回收。首先对系统的能量控制模式进行了详细的分析;其次设计了一种考虑到相互制动能量转移的综合能源管理策略;利用粒子群(PSO)算法和优化过的粒子群算法,对背靠背变流器补偿功率参考值进行了计算;最后,通过实验来验证这一策略的有效性,并且比较两种算法的仿真结果的收敛性。通过MATLAB/Simulink仿真系统,建立了一个基于背靠背变流器的光伏接入牵引供电系统模型,并且设计了一套有效的能量管理策略和编码算法,以及一系列典型工况下的能源利用、相间制动能量转移情况,以及与不用算法的效果进行比较。经过研究发现,采用提出的系统架构和综合能源管理策略,可以有效地利用光伏发电,最大限度地优化相间制动能量的使用,而且优化后的收敛性也更加出色。

轻型跨座式单轨供电系统方案研究

为降低轻型跨座式单轨供电系统建设成本,文章结合轻型跨座式单轨特点、线路条件,充分利用先进电力电子设备,尤其是兼顾整流和逆变功能的双向变流装置和低压成套逆变电源装置对供电系统进行设计,并以某旅游轻型跨座式单轨项目为例,分析供电系统功能及需求、优化外电源供电方案、中压网络接线方案、整流设备配置方案、牵引回流系统方案以及低压配电接线方案,提出适用轻型跨座式单轨的供电系统方案。通过与传统方案在技术、经济方面的比对,得出优化方案在满足供电系统运营要求的基础上,有效减少房间面积需求并降低供电系统投资成本及运营成本,为轻型跨座式单轨的推广应用创造有利条件。

HXD1型电力机车的振动测试及分析

为了获得电力机车从轮轨至牵引变流器的振动特性,开展了HXD1型电力机车从怀化至张家界线路运行的振动测试,并结合标准GB/T 21563—2018要求,从时域和频域角度分析了待车、匀速上坡和匀速行驶等工况的振动特征。研究结果表明:电力机车的振动冲击来源于轮轨冲击、车体冲击和接触器冲击,车下悬挂系统对轮轨冲击的减振效果良好;牵引变流器内部的功率模块主要受电容电磁振动影响,3个方向振动有效值超出标准值,垂向冲击峰值超出标准值;换热器风机主要受安装基础影响,横向振动有效值超出标准值。实际线路的振动测试数据和分析结果可为后续开展车载设备的可靠性研究和结构优化设计提供数据支撑。

基于阻抗约束的铁路电力牵引变流器稳定性控制

在铁路电力牵引供电系统中,dq阻抗是衡量系统稳定性的重要参数。若无法将dq阻抗控制在合理范围内,则会导致不稳定、低效或低质量的电力传输,为此,提出铁路电力牵引变流器稳定性自动控制技术。基于四象限变流器的能量转换分析结果测量阻抗,获取变流器的dq阻抗测量值,引入Hilbert变换法将其转换为响应信号作为自适应自抗扰比例积分控制器的输入信号,建立阻抗阈值,将dq阻抗控制在设定的阈值内,对低频振荡现象展开控制。结果证明,所提方法处理低频振荡现象时响应速度快、抑制效率高,能够实现对铁路电力牵引变流器稳定性的自动控制。

Research and improvement of leakage protection system in traction motor

Because the leakage protection circuit in traction motor of coal mining machine is impacted by frequency converter devices,malfunctions appear frequently.This paper makes an in-depth analysis,proposes a solution of using the subtraction circuit to offset interference signals and conducts a simulation analysis.The above scheme,which is simple and easily realized,can improve the reliability of leakage protection device in traction motor.

轨道车辆永磁牵引电动机控制技术综述

永磁同步电动机由于具有高效率、高功率密度、启动特性好、加速能力强及噪声低等优点,在轨道交通领域得到广泛关注,具有广阔的应用前景。针对轨道车辆永磁牵引传动系统的驱动变流器拓扑和控制技术两方面展开综述。概述永磁牵引电动机变流器拓扑及其调制策略的研究现状,分析基于两电平拓扑和三电平拓扑牵引变流器的优缺点;综述碳化硅电力电子器件在轨道车辆牵引变流系统的优势和应用现状;对永磁牵引电动机的矢量控制、直接转矩控制及模型预测控制等方法进行总结与分析;针对轨道车辆的应用特点,阐述现有永磁牵引电动机弱磁控制和无位置传感器控制方法的研究现状。最后,对永磁牵引电动机控制技术的发展趋势进行展望。

高速动车组牵引变流器EMI建模仿真研究

牵引变流器是动车组电磁兼容问题中的主要干扰源。结合某型动车组牵引变流器及牵引变流系统的电路结构,阐述了牵引变流器EMI干扰的产生机理及其主要危害,搭建了IGBT动态模型和相应的牵引变流器EMI模型。牵引变流器产生的干扰电流主要通过线缆传导耦合和线缆辐射耦合对其他系统产生干扰,因此,对牵引变流器输入及输出线缆上的高频传导电流进行系统仿真分析并进行了试验验证。研究结果为动车组牵引系统的电磁兼容设计及优化提供了仿真方法,为进一步分析牵引变流器辐射EMI及对弱电敏感设备产生的影响提供了仿真分析基础。