MATLAB高速动车组牵引变流器的分析与仿真(2)
3.2.2 三电平整流器的SPWM原理分析 15
4 动车组三电平牵引变流器的仿真研究 17
4.1 MATLAB/SIMULINK软件简介 17
4.2 交流直流变换器仿真 19
4.2.1 单相桥式全控整流电路的仿真 19
4.2.2 三相桥式全控整流电路的仿真 26
4.2.3 整流器仿真小结 31
4.3 直流-交流变换器仿真 32
4.3.1 三相三电平逆变器的仿真 32
4.3.2 逆变器仿真小结 37
5 结论与展望 38
致谢 39
参考文献 40
1 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
电力牵引作为轨道交通牵引动力的世界性趋势在发展，自1879年德国诞生第一辆电力机车以来，它已登上了牵引动力的首席。与以煤作为动力能源的蒸汽机车牵引和以油作为动力能源的内燃机车牵引相比，电力牵引具有突出的优越性。根据所采用传动电机是直流牵引电机还是交流牵引电机的不同，电力牵引传动方式可以分为直流传动和交流传动两大类。
到上世纪吹冰七十年代，国际上电力牵引直流传动技术已经发展到了顶峰。然而，长期以来的运用也暴露出了直流传动的弱点和缺陷，那就是受到直流换向的限制，电机的故障率高、检修文护困难、功率和转速难以进一步提升，再加上直流电机效率低、恒功范围窄、粘着利用率低、整车功率因数低。因此，从上世纪70年代国外就开始了交流传动机车的工程化工作。1979年，第一批工程化的E120系列大功率干线交流传动电力机车研制成功，揭开了交流传动技术发展的序幕。截止上世纪90年代，发达国家己经开始逐渐普及交流传动，不论是高速、干线还是城市轨道交通均采用交流传动动力装置，新造机车车辆已不再装备直流传动的动力装置。交流传动模式有两种，一种是同步传动，另一种是异步传动。后者是目前世界范围内的主流模式，前者仅在前期被法国等少数国家采用过。交流传动克服了直流传动的固有弱点，使轨道牵引动力的发展进入了一个崭新的时代。随着微机控制技术和大功率电力电子器件技术的发展，交流传动技术已经取得了工程化的巨大突破，交流传动单轴功率已达到1800kw，电机转速已超过4000r/min，较直流传动几乎提高了一倍，而重量则更轻。新型电力电子器件的出现，GTO晶闸管替代快速晶闸管，以及IGBT、IPM、IGCT等新器件的成功应用；微处理器替代电子模拟控制装置，具有高动态性能的磁场定向控制和直接转矩控制方法对转差频率控制方法的更新；冷却方式从风、油、沸腾等介质发展到水冷却等一系列新技术进步。这样就使得轨道电力牵引动力的重载化和高速化得以顺利实现。从过去30年来国际上电力牵引动力发展的历程看，交流传动有优异的牵引-制动特性，可以实现高粘着性能；持续功率大、重量轻、体积小，且有很宽的恒功速度范围，它所能达到的高起动力、大持续功率和宽大的恒功区等特点，使其成为名副其实的“通用型机车”。由于交流传动可以实现功率因数近似l，具有广泛的再生制动功能，很小的对通信干扰作用，大大减少了的文修量和文修成本等优势，使电力牵引动力从直流传动向交流传动转换的步伐不可逆转。中国铁路要实现技术上的跨越，必须尽快完成电力牵引动力从直流传动向交流传动的转换。
从上世纪70年代开始，我国就开始了对交流传动技术的跟踪和研究。经过较长时间的油冷变流机组和1025kw三相异步牵引电机的研制。1996年6月，株洲电力机车研究所和铁道部科学研究院合作研制成功我国首台干线交流传动原型车AC4000，同年年底在环行试验基地完成了最高速度120km/h的各项运行试验，实现了我国交流传动电力机车“零”的突破。1998年12月，铁道部提出“争取用十年左右的时间完成直流传动向交流传动转换”的目标，“十年转换”工程对交流传动系统的开发为高速运载工具提供了新的动力。根据国际发展潮流，铁道部又提出2000年为“高速、交传、发展”年。在引进、吸收、消化原则指导下，2000年“九方”号DJ型交流传动高速客运电力机车、“蓝箭”号DJJ1型动力集中式交流传动高速电动车组先后研制成功，2001年“先锋”号DJF1型动力分散式交流传动高速电动车组也相继问世，并都取得了高速运营的经验。2000年11月，“蓝箭”号广深线最高试验速度236km/h，并在广深线承担了“公交化”繁忙商业运营；2001年1月，“九方”号广深线最高试验速度231km/h，2001年11月，“先锋”号广深线最高试验速度249.5km/h，2002年9月秦沈线最高试验速度292km/h。在自主开发方面，2001年起我国相继研制成功了拥有自主知识产权DJ2型“奥星”交流传动高速客运电力机车和DJJ2“中华之星”交流传动高速客运电动车组，后者于2002年11月27日在秦沈客运专线试验中，创造了321.5km/h的中国铁路最高速度纪录。经过铁路科技工作人员多年的努力，我国的交流传动技术取得了很大的进步，但必须看到与世界先进水平相比仍然存在一定的差距，如牵引电机制造技术、牵引控制技术、大功率电力电子模块的制造等方面仍然比较落后，短期内很难达到国际先进水平。2004年初，国务院通过的《中长期铁路网规划》提出了我国铁路的发展目标为：到2020年，全国铁路营业里程达到10万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电气化率均达到50%，运输能力满足国民经济和社会发展需求，主要技术装备达到或接近国际先进水平。2004-2005年，按照中央提出的“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌”的要求，铁道部先后与加拿大庞巴迪、日本川崎重工、法国阿尔斯通和德国西门子公司签订高速电动车组引进合同，这四家国外公司分别与国内的青岛BSP公司、四方股份、长客股份和唐山机车车辆厂四家制造商合作生产2007年第吹冰次大提速和未来客运专线所需的200km/h(CRH1、CRH2、CRH5)和300km/h(CRH3)电动车组；与德国西门子、法国阿尔斯通和日本东芝公司签订大功率电力机车引进合同，这三家国外公司分别与国内的株洲电力机车公司、大同电力机车公司和大连机车车辆公司三家制造商合作生产和谐2Z、和谐2D、和谐3型大功率货运电力机车；并实现外方关键技术和主要配套技术的全面转让。执此难得的机遇，我国的铁路企业和研究机构都在扎实开展电动车组和电力机车关键技术及配套技术的消化吸收再创新工作，以提高我国电动车组和电力机车的制造水平，缩小与原创国家产品的差距，尽快提升我国铁路技术装备的水平。
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