HXD3型电力机车交流传动系统仿真分析

直流牵引电机在调速时由于换向器的存在，从而限制了其功率和容量，难以满足电力机车高速及重载的要求。交流牵引电机没有换向器和带绝缘的绕组，因而结构简单，运

行可靠，单机功率大，容量可达1 600 kW。机车的传动系统有直流传动升级为交流传动，符合铁路提速的要求和重载牵引的需要，也是机车电传动的主要发展形式。

1 HXD3型电力机车牵引特性

HXD3型电力机车采用恒牵引力与准恒速特性控制。短暂的恒牵引力控制可以获得很大的启动牵引力。准恒速控制将使机车牵引力按照恒速关系(线性关系)下降。当机车速度达到持续速度时，进入恒功率控制阶段，恒功率区位于机车运行的高速度段，可以充分发挥机车在高速段的牵引能力。

2 HXD3型电力机车牵引变流器

牵引变流器是机车交流传动系统的核心，为交流牵引电机提供VVVF三相交流电源。在交-直-交传动系统中，牵引变流器主要由四象限脉冲整流器(40C)、直流中间环节(DC—Link)和逆变器(PWM)组成。典型的两电平牵引变流器电路如图1所示。

电源侧变流器采用四象限脉冲整流器，构成交-直变换部分，通过PWM斩波控制方式，有利于提高机车功率因数，降低谐波干扰。

中间直流环节为支撑电容和二次滤波环节。电压型变流器转矩脉动小，对电网的反作用力小，适合于大功率的干线机车。因此干线交流传动电力机车普遍采用这种系统。

电动机侧采用三相PWM逆变器，形成直-交变换部分。

3 HXD3型电力机车牵引变流器数学建模

1)HXD3型机车四象限整流器仿真电路

额定输入电压：Ud=1 450 VAC，输入功率：50 Hz，输出直流电压：2 800 V，变压器漏感：LN=3 mH，二次滤波系数：C2=3mF，L2=0.84 mH，支撑电容器：Cd=8 mH。采用230bt算法，瞬态直流控制策略。

HXD3型机车四象限整流器仿真电路，如图2所示，仿真系统中包括了3个模块。模块一是电压外环控制器，为恒电压控制器，一般采用PI控制器。模块二是瞬态电流内环控制器，使系统动态响应好，对参数变化能很快做出调整。PWM模块是PWM信号发生器，由三角波和调制波进行比较产生。

2)两电平逆变器PWM数学建模

SVPWM逆变器数学模型采用开环控制，如图3所示。三相逆变器输入额定直流电压Udc=2 800V，SVPWM开关周期Ts=0.000 2 s，输入三相正弦电压Ua、Ub、Uc幅值为100 V。

4 HXD3型电力机车交流传动系统仿真

1)四象限整流器仿真分析

从仿真图4中可看出整流器输出额定电压为2 800 A，基本上满足HXD3型机车的四象限整流器额定工作的需求。并且通过瞬态直流控制策略，通过调整参考直流电压，可以实现调整输出电压以及电流的目的。

从仿真图5中可看出四象限整流器直流侧的输出电压含有很多低次及高次谐波。

低次谐波的产生机理，直流侧输出电压含有2倍电网频率的纹波，得到的网侧电流整定值，其中必然含有3次谐波。实际网侧电流跟踪给定的网侧电流，则最终实际网侧电流就会出现较大的3次谐波，依次类推，其中必然产生7、9、11等奇次谐波。

高次谐波的产生机理，由于开关频率远远高于调制波频率，网侧电流在一个开关周期内变化为5次，电流只含有奇次谐波。由于载波比N=25，则高次谐波主要分布在43、45、47、49次等。图5验证了上述分析的正确性。

2)两电平逆变器SVPWM仿真分析

本仿真采取了频率为6 000 Hz的三角波，如图6所示。在频谱中可看出谐波主要分布在整倍数的载波频率附近。图形中所含有的主要谐波频率要比基波频率高得多，很容易滤除。

载波频率越高，波形中谐波频率就越高，所需滤波器的体积就越小。因此想要消除高次谐波的影响，只需提高载波频率就可以通过滤波器进行滤波。

5 结论

本文重点介绍了HXD3型电力机车的交流传动系统，即牵引变流器部分。通过对四象限整流器及逆变器进行的仿真分析，与HXD3型机车实际运行状态下的参数对比，得出了两电平牵引变流器输出线电压的谐波主要分布在整倍数的载波频率附近，同时验证了四象限整流器除2倍工频仅含奇次谐波，而逆变器中仅含有高次谐波，同时得出通过提高载波频率可以更加容易的滤除该部分的谐波。