基于移相全桥直流变换器的机车辅助电源关键技术研究

发布时间：2020-04-26 14:10

【摘要】：随着铁路行业的飞速发展,我国实现了令人瞩目的巨大成就,列车运行速度、运输量和装备技术均取得了新的进展。在电力电子技术的进步与铁路运输行业向着“绿色、节能、环保”方向发展的基础上,电力机车的技术研究受到越来越多的重视。在电力机车轨道交通电力系统中,辅助电源模块承担了除牵引系统外电力机车上各种辅助设备的供电需求,保证其高效、安全且可靠的工作,是电力机车高速运行至关重要的条件。本文以基于移相全桥直流变换器的电力机车辅助电源为研究对象,针对传统整数阶PID控制,难以满足这种强非线性特征且时变的隔离型直流变换器对输出动态响应和稳定性的要求,采用基于平均电流模式的双闭环分数阶PIλDμ控制器改善系统的性能。此外在建立移相全桥直流变换器仿真模型的基础上,针对其作为机车辅助电源的主电路结构,功率开关管故障类型复杂,故障信息量大,提出了一种基于小波包和优化的极限学习机故障诊断方法。本文所做的主要研究工作如下:(1)电力机车辅助电源关键技术的研究现状及难点。在查阅相关国内外文献的基础上,总结了高频隔离机车辅助电源选用移相全桥作为主电路拓扑的优点,然后针对基于移相全桥直流变换器的机车辅助电源,在控制方法和开关管故障诊断技术所存在的问题,提出了本文的重点研究内容。(2)机车辅助电源移相全桥直流变换器的特性分析及建模。根据其拓扑结构的特点,对工作原理及所固有的特性进行分析。并通过状态空间平均法,考虑变换器特性占空比丢失现象的影响,推导了移相全桥直流变换器的小信号模型。最后基于相关传递函数开环稳定性的分析,总结了设计闭环控制系统的必要性。(3)基于粒子群优化算法的移相全桥变换器双闭环分数阶PIλDμ控制器设计。为改善移相全桥直流变换器的控制器性能,设计了基于平均电流控制模式的电压外环及电流内环双闭环分数阶PIλDμ-PIλ控制策略。同时针对分数阶PIλDμ控制器由于引入了积分阶次λ和微分阶次μ带来的控制器参数设计变得复杂的问题,基于粒子群智能优化算法对PIλDμ-PIλ控制器优化整定,并对得到的控制器性能进行了 Bode图稳定性分析。最后基于Simulink仿真模型对不同控制方案进行仿真结果比较,证明了该方法相对于常规的PID控制器,具有控制特性更好,适应参数变化的能力更强,响应速度快且鲁棒性好的特点。(4)机车辅助电源移相全桥直流变换器的故障诊断策略。首先分析了变换器运行过程中的故障特点,确定了主电路功率开关管的故障类型。然后基于小波包对各故障状态输出电压特征信号数据进行分解归一化处理获得故障特征值,最后通过极限学习机算法进行故障分类,并针对由于极限学习机随机产生输入权值和隐含层偏置而使分类精度降低,引入萤火虫算法优化其相关参数以提高分类准确率。最后通过仿真验证了该方法对于移相全桥变换器故障诊断具有较高准确率和稳定性。(5)样机平台的设计与实验分析。根据机车辅助电源移相全桥直流变换器主要指标的要求,计算设计了变换器功率主电路原理图、主要器件参数和硬件电路,以及隔离驱动和信号采样调理电路,并基于TMS320F28335 DSP控制芯片完成了软件的双闭环分数阶PIλDμ控制程序编程和测试。最后通过功率实验样机对数字控制策略的有效性及相关性能进行验证。
【图文】：

电力机车,辅助电源系统,牵引供电系统,轨道交通

在电力机车轨道交通的电力系统中，按照电源模块的功能可以分为两种供电逡逑系统，，分别是主牵引供电系统和辅助电源系统。主牵引电力系统的主要作用是为逡逑电力机车的电动机牵引驱动系统提供动力能量，而图１－２所示的机车辅助电源系逡逑统承担了除牵引系统外电力机车上各种辅助设备的供电需求，其中包括主牵引驱逡逑动的控制系统供电、冷凝风机与机车通风空调、机车照明以及备用蓄电池充电等逡逑设备在辅助电源系统方面，西门子、ＡＢＢ等国外公司电力电子变换器技术逡逑成熟，常处于领先地位，在世界上拥有较大的市场占有率［１１］。２０世纪８０年代，逡逑我国的机车辅助电源变流器基本是从国外引进相关的设备及技术，同时开启了国逡逑内轨道机车辅助电源变流器系统的开发，９０年代，主要是对国外引进的技术消逡逑２逡逑

辅助电源,机车,控制单元,工频变压器

力机车辅助电源的关键技术展开研宄。逡逑１．２机车辅助电源拓扑结构逡逑电力机车辅助电源变换器起初大多采用工频变压器隔离拓扑结构，如图１－３逡逑所示此类辅助电源一般是将输入的直流电压经过滤波器处理后，然后通过逆变电逡逑路逆变为三相交流电，最后经过工频变压器提供给负载。这种辅助电源系统变换逡逑器结构简单、控制策略容易实现，但是也有着输出电压质量不高、谐波含量较多、逡逑３逡逑
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46

【参考文献】