CN113120006A - 电传动系统、变流控制方法及电力机车 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种电传动系统、变流控制方法及电力机车，包括：牵引变压器，全SiC变流器以及异步牵引电机，牵引变压器与全SiC变流器的输入端相连，全SiC变流器的输出端与异步牵引电机相连，牵引变压器以及全SiC变流器根据控制频率向异步牵引电机输出电流，控制异步牵引电机工作，提高了异步牵引电机的效率，进而使电传动系统的效率得到提升。

Description

电传动系统、变流控制方法及电力机车

技术领域

本发明涉及电力电子器件技术领域，尤其涉及一种电传动系统、变流控制方法及电力机车。

背景技术

经济的高速持续发展，给环境保护和能源供应带来了压力。积极发展绿色经济已成为我国经济发展的新模式，节能减排已成为我国的首要任务。电力电子器件作为电力电子技术的关键，控制电能产生、传输、转换和存储的核心。通过改善电力电子器件的性能，可大大提高能源传输效率，电力电子器件技术是我国节能降耗、发展绿色经济的关键技术之一。

目前，基于硅材料的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)、金属-氧化层半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)等器件，其性能已逼近材料物理特性决定的理论极限，却也无法满足节能减排对电力电子器件性能的需求。进而，以硅绝缘栅双极性晶体管Si IGBT变流器作为器件的大功率交流异步电机电传动系统，通常采用低开关频率控制方式，增大功率器件的输出电流，降低IGBT温升。

然而，由于功率器件开关频率较低，采用方波、三分频等低开关同步调制时，由于谐波电流较大，导致电机转矩脉动、铜损较大，电传动系统整体效率偏低。

发明内容

本发明提供一种电传动系统、变流控制方法及电力机车，在同等体积、同等散热条件下，提高了电传动系统的效率。

第一方面，本发明提供一种电传动系统，包括：

牵引变压器，全SiC变流器以及异步牵引电机；

所述牵引变压器与所述全SiC变流器的输入端相连，所述全SiC变流器的输出端与所述异步牵引电机相连；

所述牵引变压器以及所述全SiC变流器根据控制频率向所述异步牵引电机输出电流，控制所述异步牵引电机工作。

在一种具体的实现方式中，所述系统还包括：列车主处理单元MPU；

所述MPU与所述全SiC变流器连接；所述全SiC变流器根据所述MPU发送的控制指令，向所述异步牵引电机输出电流。

可选的，所述全SiC变流器包括：牵引控制单元TCU；

所述牵引控制单元与MPU连接，用于根据所述MPU的控制指令控制输入所述全SiC变流器的开关频率，使所述全SiC变流器根据所述开关频率，向所述异步牵引电机输出电流。

在一种具体的实现方式中，所述全SiC变流器包括：全SiC四象限功率单元和全SiC逆变功率单元；

所述全SiC四象限功率单元和所述全SiC逆变功率单元分别与所述牵引控制单元连接；

所述全SiC四象限功率单元根据所述牵引控制单元的控制将所述牵引变压器输入的交流电压转换成直流电压，所述全SiC逆变功率单元根据所述牵引控制单元的控制将所述直流电压转换成用于输入所述异步牵引电机的交流电压。

可选的，其特征在于，

所述全SiC变流器的数量为至少一个，所述异步牵引电机的数量为至少一个，每个全SiC变流器连接一个异步牵引电机。

可选的，

所述全SiC变流器的数量为4个，所述异步牵引电机的数量为4个，其中，每个全SiC变流器的输入端与所述牵引变压器的输出端连接，且每个全SiC变流器的输出端连接一个异步牵引电机。

第二方面，本发明实施例提供一种变流控制方法，应用于第一方面所述的电传动系统，所述方法包括：

根据预先获取的四象限载波频率以及预先获取的SiC逆变调制频率曲线，确定开关频率，所述开关频率大于预设频率阈值；所述四象限载波频率为所述全SiC变流器四象限的最大开关频率；

根据所述开关频率控制所述全SiC变流器，以提高输入至异步牵引电机的电流的品质。

在一种具体的实现方式中，所述根据预先获取的四象限载波频率以及预先获取的SiC逆变调制频率曲线，确定开关频率，包括：

根据所述预先获取的四象限载波频率，确定四象限的开关频率；

根据所述预先获取的SiC逆变调制频率曲线，确定逆变的开关频率。

可选的，所述方法还包括：

根据所述全SiC变流器的散热性能参数以及电机特性曲线，确定所述SiC逆变调制频率曲线。

第三方面，本发明实施例提供一种电力机车，包括：第一方面所述的电传动系统。

本发明实施例提供的一种电传动系统、变流控制方法及电力机车，包括：牵引变压器，全SiC变流器以及异步牵引电机，牵引变压器与全SiC变流器的输入端相连，全SiC变流器的输出端与异步牵引电机相连，牵引变压器以及全SiC变流器根据控制频率向异步牵引电机输出电流，控制异步牵引电机工作，提高了异步牵引电机的效率，进而使电传动系统的效率得到提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电传动系统实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电传动系统实施例二的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种电传动系统实施例三的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种电传动系统实施例四的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种电传动系统实施例五的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种变流控制方法实施例一的流程示意图；

图7为本发明提供的一种调制频率曲线对比示意图；

图8为本发明实施例提供的一种变流控制方法实施例二的流程示意图；

图9为本发明实施例提供的一种电传动系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本文中使用的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明的说明书中通篇提到的“一实施例”或“另一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一实施例中”或“本实施例中”未必一定指相同的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

现有的3300V等级大功率交流异步电机电传动系统，一般采用硅功率单元的变流器。由于电传动系统高电压和大电流的需求，及Si-IGBT开关器件开关损耗高的缺点，电传动系统通常采用低开关频率控制方式，增大功率器件的输出电流，降低IGBT温升，导致其缺点如下：

1)系统整体效率不高

由于功率单元中Si-IGBT开关器件的开关频率较低，采用方波、三分频等低开关同步调制时，谐波电流较大，导致电机转矩脉动、铜损较大，电传动系统整体效率偏低。

2)四象限输入谐波电流高，网侧谐波干扰大

由于四象限整流功率器件开关频率较低，受控制方式影响，会产生与开关频率相关的低次特征谐波含量注入电网。同时，由于开关频率较低，对应的控制在低采样频率下数字信号处理造成的延迟，将对控制系统的动态性能、保护可靠性造成不利影响。

为克服现有技术的问题，本方案提供一种电传动系统、变流控制方法及电力机车，能够在同等体积、同等散热条件下，提升大功率的电传动系统的整体效率，降低网侧电流谐波；并且，本方案电传动系统采用的全碳化硅(Silicon Carbide，SiC)变流器，具有开关频率高的特点，且变流控制方法为全SiC变流器提供一种控制技术方案，适用于全SiC变流器开关频率，最大程度降低变流器输入、输出电流谐波，提升变流系统运行效率。

下面通过几个具体实施例对该方案进行详细说明。

图1为本发明实施例提供的一种电传动系统实施例一的结构示意图，如图1所示，电传动系统包括：

牵引变压器1，全SiC变流器2以及异步牵引电机3。

其中，牵引变压器1与全SiC变流器2的输入端相连，全SiC变流器2的输出端与异步牵引电机3相连；

牵引变压器1以及全SiC变流器2根据控制频率向异步牵引电机3输出电流，控制异步牵引电机3工作。

应理解，牵引变压器1和全SiC变流器2还与列车主处理单元(MicroprocessorUnit，MPU)连接，牵引变压器1向全SiC变流器2供电，MPU根据需要提供的牵引力，向牵引变压器1和全SiC变流器发送控制指令，全SiC变流器根据接收的控制指令，以一定的开关频率，向异步牵引电机输入满足控制指令的电流，使异步牵引电机工作。

本实施例提供的一种电传动系统，包括：牵引变压器1，全SiC变流器2以及异步牵引电机3，牵引变压器1与全SiC变流器2的输入端相连，全SiC变流器2的输出端与异步牵引电机3相连，牵引变压器1以及全SiC变流器2根据控制频率向异步牵引电机3输出电流，控制异步牵引电机3工作，基于全SiC变流器的特性，大大降低了网侧谐波的干扰，提高了异步牵引电机3的效率，进而使电传动系统的效率得到提升，同时，由于SiC变流器的开关频率较高，避免了SiIGBT变流器因低开关频率，为电传动系统带来的低采样频率下数字信号处理延迟的问题。

在图1所示实施例的基础上，图2为本发明实施例提供的一种电传动系统实施例二的结构示意图，如图2所示，电传动系统还包括：MPU4。

MPU4与全SiC变流器2连接，全SiC变流器2根据MPU4发送的控制指令，向异步牵引电机3输出电流。

进一步地，全SiC变流器2包括：牵引控制单元TCU 21。

牵引控制单元21与MPU4连接，用于根据MPU的控制指令控制输入全SiC变流器2的开关频率，使全SiC变流器2根据该开关频率，向异步牵引电机3输出电流。

在一种可能的设计中，全SiC变流器2的电路包括碳化硅-金属氧化层半导体场效晶体管(SiC-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，SiC-MOSFET)功率单元和牵引控制单元，其中，牵引控制单元采用SiC逆变控制算法，全SiC变流器2的电路采用低电感回路布局设计，例如一种复合母排，使得在相同环境、工况及散热条件下,全SiC变流器较Si IGBT变流器的开关频率得到大幅提高(例如，全SiC变流器的开关频率约为SiIGBT变流器开关频率的一倍)。

在上述实施例中的全SiC变流器2的数量为至少一个，异步牵引电机3的数量为至少一个，每个全SiC变流器2连接一个异步牵引电机3。

应理解，在实际应用场景中，每个牵引变压器所连接的全SiC变流器的数量，以及与每个全SiC变流器连接的异步牵引电机的数量可以是一至多个，本方案对此不做要求。当牵引变压器连接了多组全SiC变流器和异步牵引电机时，可通过多重化的控制，将每组全SiC变流器的载波相位角设置为不同的相位角，使全SiC变流器在多轴同时工作时，降低网侧的谐波电流。

作为一种示例，图3为本发明实施例提供的一种电传动系统实施例三的结构示意图，如图3所示，电传动系统中全SiC变流器2的数量为4个，异步牵引电机3的数量为4个，其中，每个全SiC变流器2的输入端与牵引变压器1的输出端连接，且每个全SiC变流器2的输出端连接一个异步牵引电机3。可选的，通过将4个全SiC变流器2的载波相位角设置为不同的相位角，使4个全SiC变流器在多轴同时工作时，降低网侧的谐波电流。

图4为本发明实施例提供的一种电传动系统实施例四的结构示意图，如图4所示，全SiC变流器包括：牵引控制单元TCU21，牵引控制单元21与MPU4连接，用于根据MPU4的控制指令控制输入全SiC变流器2的开关频率，使全SiC变流器2根据开关频率，向异步牵引电机3输出电流。

示例性的，MPU4发送的控制指令用于指示电传动系统生成对应的牵引力，牵引控制单元21根据MPU4发送的控制指令，控制全SiC变流器2产生与所要生成的牵引力对应的电流，并将电流输入给异步牵引电机，进一步地，牵引控制单元21可通过开关频率控制全SiC变流器2产生对应的电流，可选的，该开关频率包括四象限侧的载波频率和逆变侧的调制曲线。

图5为本发明实施例提供的一种电传动系统实施例五的结构示意图，如图5所示，全SiC变流器2包括：全SiC四象限功率单元201和全SiC逆变功率单元202；

全SiC四象限功率单元201和全SiC逆变功率单元202分别与牵引控制单元21连接；

全SiC四象限功率单元201根据牵引控制单元21的控制将牵引变压器1输入的交流电压转换成直流电压，全SiC逆变功率单元202根据牵引控制单元21的控制将直流电压转换成用于输入异步牵引电机3的交流电压。

在上述电传动系统的实施例的基础上，图6为本发明实施例提供的一种变流控制方法实施例一的流程示意图，如图6所示，应用于上述任一电传动系统的变流控制方法，包括以下具体步骤：

S101：根据预先获取的四象限载波频率以及预先获取的SiC逆变调制频率曲线，确定开关频率。

其中，开关频率大于预设频率阈值，若开关频率大于预设频率阈值，则控制全SiC变流器生成的对应的电流是符合本方案要求的高品质的电流，否则，不能生成满足要求的电流。

可选的，预设频率阈值为相同系统结构下采用Si功率器件的开关频率。

预先获取的四象限载波频率为预先计算得到的全SiC变流器的四象限载波频率，该四象限载波频率为全SiC变流器四象限的最大开关频率。

预先获取的SiC逆变调制频率曲线，如图7所示，图7为本发明提供的一种调制频率曲线对比示意图，黑色线为全SiC变流器的调制频率曲线，灰色线为SiIGBT变流器的调制频率曲线。在全SiC功率单元(即全SiC变流器)允许的开关频率下，通过最大化异步区调试，并在同步调制区间内，设计较高的载波比，通过高开关频率实现全速度范围输出电流品质的改善，并根据同步区电压需求重新设计四象限控制中间电压给定值，并核算四象限在变流器损耗要求下的最高开关频率。

根据预先获取的四象限载波频率和预先获取的SiC逆变调制频率曲线，通过四象限开关频率提升，及多重化技术，得到开关频率。

S102：根据开关频率控制全SiC变流器，以提高输入至异步牵引电机的电流的品质。

步骤S101确定的开关频率，应理解，该开关频率基于全SiC变流器设定的开关频率，相较于传统SiIGBT变流器的开关频率更高，全SiC变流器根据该开关频率生成的电流，有效降低了网侧的谐波电流，实现网侧电流的改善，提高了电流的品质。

本实施例中，根据预先获取的四象限载波频率以及预先获取的SiC逆变调制频率曲线，确定开关频率，该开关频率大于预设频率阈值，四象限载波频率为全SiC变流器四象限的最大开关频率，并根据开关频率控制全SiC变流器，以提高输入至异步牵引电机的电流的品质，同时降低逆变输出电流谐波含量，降低了网侧谐波。

在图6所示实施例的基础上，图8为本发明实施例提供的一种变流控制方法实施例二的流程示意图，如图8所示，步骤S101根据预先获取的四象限载波频率以及预先获取的SiC逆变调制频率曲线，确定开关频率，具体包括以下步骤：

S1011：根据预先获取的四象限载波频率，确定四象限的开关频率。

在本步骤中，牵引控制单元将根据全SiC变流器的散热功率以及全SiC四象限功率单元的发热损耗预先计算的四象限载波频率，确定为四象限的开关频率，使得后续能够根据四象限的开关频率对全SiC四象限功率单元进行控制，使全SiC四象限功率单元根据四象限的开关频率，将牵引变压器输入的交流电压转换为对应的直流电压。

S1012：根据预先获取的SiC逆变调制频率曲线，确定逆变的开关频率。

在本步骤中，牵引控制单元将根据全SiC变流器的散热功率和全SiC逆变功率单元的发热损耗，确定逆变的开关频率，应理解，该逆变的开关频率为动态的开关频率，使得后续能够根据逆变的开关频率对全SiC逆变功率单元进行控制，使全SiC逆变功率单元根据逆变的开关频率，将全SiC四象限功率单元转换的直流电压转换为对应的交流电压。

在一种具体的实现方式中，本方案提供的一种变流控制方法还包括：根据全SiC变流器的散热性能参数以及电机特性曲线，确定SiC逆变调制频率曲线。

本实施例中，根据预先获取的四象限载波频率，确定四象限的开关频率，并根据预先获取的SiC逆变调制频率曲线，确定逆变的开关频率，使牵引控制单元根据四象限的开关频率和逆变的开关频率分别对全SiC四象限功率单元和全SiC逆变功率单元进行控制，最终得到满足品质要求的电流，进一步控制牵引电机工作。

在上述实施例的基础上，结合图9所示，图9为本发明实施例提供的一种电传动系统的结构示意图，图9中仅示出了与牵引变压器1连接的一个全SiC变流器2，和一个异步牵引电机3，应理解，本方案对变流器和异步牵引电机的数量不做限制，在实际应用场景中，作为一种优选的方案，可设置4个变流器和4个异步牵引电机，图6仅以一组全SiC变流器和异步牵引电机为例。示例性的，以3300V/750A的SiC-MOSFET功率器件为核心器件，设计一种适用于大功率电力机车的牵引电传动系统，该系统由一个牵引变压器，四个3300V全SiC变流器，四个异步牵引电机组成。四个全SiC变流器的四象限单元，通过全SiC变流器的牵引控制单元TCU控制提频、四重化后，通过牵引变压器，实现网侧电流谐波的降低；四个全SiC变流器的逆变单元，通过变流器的牵引控制单元TCU控制提频，并设计调制曲线，控制四个异步牵引电机实现电机侧效率的提升。

本方案还提供一种电力机车，该电力机车上设置有上述任一实施例中的电力传动系统，通过牵引变压器以及全SiC变流器根据控制频率向异步牵引电机输出电流，控制异步牵引电机工作，提高了异步牵引电机的效率，进而使电传动系统的效率得到提升。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电传动系统，其特征在于，包括：

牵引变压器，全SiC变流器以及异步牵引电机；

所述牵引变压器与所述全SiC变流器的输入端相连，所述全SiC变流器的输出端与所述异步牵引电机相连；

所述牵引变压器以及所述全SiC变流器根据控制频率向所述异步牵引电机输出电流，控制所述异步牵引电机工作。

2.根据权利要求1所述的电传动系统，其特征在于，所述系统还包括：列车主处理单元MPU；

所述MPU与所述全SiC变流器连接；所述全SiC变流器根据所述MPU发送的控制指令，向所述异步牵引电机输出电流。

3.根据权利要求2所述的电传动系统，其特征在于，所述全SiC变流器包括：牵引控制单元TCU；

所述牵引控制单元与MPU连接，用于根据所述MPU的控制指令控制输入所述全SiC变流器的开关频率，使所述全SiC变流器根据所述开关频率，向所述异步牵引电机输出电流。

4.根据权利要求3所述的电传动系统，其特征在于，所述全SiC变流器包括：全SiC四象限功率单元和全SiC逆变功率单元；

所述全SiC四象限功率单元和所述全SiC逆变功率单元分别与所述牵引控制单元连接；

所述全SiC四象限功率单元根据所述牵引控制单元的控制将所述牵引变压器输入的交流电压转换成直流电压，所述全SiC逆变功率单元根据所述牵引控制单元的控制将所述直流电压转换成用于输入所述异步牵引电机的交流电压。

5.根据权利要求1至4任一项所述的电传动系统，其特征在于，

所述全SiC变流器的数量为至少一个，所述异步牵引电机的数量为至少一个，每个全SiC变流器连接一个异步牵引电机。

6.根据权利要求5所述的电传动系统，其特征在于，

所述全SiC变流器的数量为4个，所述异步牵引电机的数量为4个，其中，每个全SiC变流器的输入端与所述牵引变压器的输出端连接，且每个全SiC变流器的输出端连接一个异步牵引电机。

7.一种变流控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至6任一项所述的电传动系统，所述方法包括：

根据预先获取的四象限载波频率以及预先获取的SiC逆变调制频率曲线，确定开关频率，所述开关频率大于预设频率阈值；所述四象限载波频率为所述全SiC变流器四象限的最大开关频率；

根据所述开关频率控制所述全SiC变流器，以提高输入至异步牵引电机的电流的品质。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据预先获取的四象限载波频率以及预先获取的SiC逆变调制频率曲线，确定开关频率，包括：

根据所述预先获取的四象限载波频率，确定四象限的开关频率；

根据所述预先获取的SiC逆变调制频率曲线，确定逆变的开关频率。

9.根据权利要求7或8所述的变流控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述全SiC变流器的散热性能参数以及电机特性曲线，确定所述SiC逆变调制频率曲线。

10.一种电力机车，其特征在于，包括：权利要求1至6任一项所述的电传动系统。

Images