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机车供电系统
方案概述

      交流传动机车具有高起动力、大持续功率和完善功率区的优点,在铁路系统有着大规模的应用。交一直一交型电力机车系统的原理是先将从接触网获得的单相交流高电压经变压器降压后,再经整流器变换为平稳的直流电压,直流电压经逆变器变换为三相交流电压,供给机车轮对上的牵引电机或者其他电源负载。

      考虑电力机车制造和试验的成本与安全,电力机车的设计一般采用预先仿真的方法,利用Saber混合系统、混合信号的仿真能力,对上述过程中的变压、整流、逆变等进行建模,模拟电力机车系统在各种控制条件下的运作情况,观测各种性能指标参数指导电力机车的设计和运行。

需求与挑战
      由于计算机技术取得了长足的进步,通过计算机对电力电子产品进行仿真己经成为电源系统设计的关键技术之一,越多的科研工作者意识到前期精确仿真对于实际设备调试重要的指导价值。在电力机车设计中,存在着大功率、大注入、负载时刻变换等多种问题,怎么样对上述变压、整流、逆变等进行精确建模、进行各种有效的分析已经成为提高设计效率的关键。
解决方案
      Saber产品创建于1987年,是混合信号、混合技术的仿真软件,广泛应用在航空领域。Saber的仿真是建立在虚拟原型的基础上的,它用一系列的数学表达式和方程建立起对真实世界的物体及其连接关系的描述(虚拟原型),通过解算方程得到有关实际工作情况信息。
     针对于电力机车设计要求,Saber主要有以下的特点:
  • SABER秉承了模块化(Modular)、自顶向下(Top-down)、层次化(Hierarchy)的设计思想,增强了设计的科学性,提高了设计效率。SABER是通过硬件描述语言实现其真正的Top-down理念的,模拟和混合信号器件的模型采用MAST语言来描述,同时还可以读取C, C++及Fortran语言写的器件模型,而规模大的数字器件则用VHDL或Verilog来描述。这种兼容性允许你建模并仿真在模拟及数字领域的行为器件、功能器件及原始层面上的器件。
  • SABER具有丰富的模型,它的模型库中包括了电力电子、机械、液压等领域的各种常用模型。
  • 顺序使用了5种强大算法,有效控制开关电源电路的仿真收敛性能
  • SABER提供了强大的系统分析功能。设计者可以从各个方面对系统进行考察。在时域方面有直流分析(DC Analysis)、瞬态分析(Transient Analysis)等;在频域方面有傅立叶分析(FFT) ,频响分析(Small-Signal Frequency Analysis)、畸变分析(Small-Signal Distortion Analysis)等。SABER还可用于应力分析(Stress Analysis)及统计学方面的蒙特卡罗分析(Monte Carlo Analysis)o SABER还有一个非常实用的分析功能—参数敏感性分析(Parametric Sensitivity Analysis),利用这种分析功能,设计者可以控制一个或几个参数在一定的范围内变化,观察它们对系统特性的影响,从而找出它们最合适的数值来。
  • SABER不仅对数模混合系统仿真得心应手,而且可以对由电力电子、电磁、机械、液压等数个不同系统构成的一个混合系统进行仿真,这种强大的混合仿真能力其实是SABER的最大优点。
     交—直—交传动系统的核心部件就是牵引变流器, 它主要分为网侧变流器和电机侧逆变器。四象限变流器之所以优于其它各类交—直变流器, 在于它较好地解决了电力牵引设备对于功率因数、等效干扰电流、优化粘着利用和再生制动能力方面的特殊而苛刻的要求。
     变流器
 
 
     逆变器
     机车逆变器通常由主电路和控制回路构成。
     根据逆变器主电路的形式基本上可以分为单相逆变器、三相逆变器两大类。
     控制逆变器输出量(电压或电流)有两种方法,一种是脉冲幅度调制(脉幅调制Pulse Amplitude  Modulation,简称PAM),其特点是保持脉冲宽度不变而改变脉冲幅值;另一种是脉冲宽度调制(脉宽调制Pulse--Width Modulation,简称PWM),其特点是保持脉冲幅值不变而改变脉冲宽度。
      以下是采用SPWM控制波逆变器的谐波的电路图,仿真SPWM波中注入谐波、互锁时间、IGBT本身的开关过程等诸多因素对逆变器输出电压幅值及谐波的影响。
      

 
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