带双向直流能馈环节的交流电机牵引试验平台

摘要

本发明涉及一种交流电机牵引试验平台，特别是一种带双向直流能馈环节的交流电机牵引试验平台，它包括整流器、被试电机用逆变器、被试交流电机、电机联轴器、陪试交流电机、陪试电机用逆变器、直流母线，并依次连接构成闭环，其特征在于陪试电机用逆变器与直流母线之间串接双向直流变换器，双向直流变换器输入和输出侧的电压，分别与直流母线的电压和所连接陪试电机用逆变器的输入电压相等。本发明的双向直流变换器本身具备突出的支持能量双向流动的特性，使整个系统保持了能量互馈特性，具有低能耗的优点，实现了与节能要求的完美结合。本发明广泛适用于电气传动、轨道交通、科研教学等多领域的生产试验场合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种交流电机牵引试验平台，特别是一种带双向直流能馈环节的交流电机牵引试验平台。

背景技术

随着我国电力机车技术的发展，对电力机车牵引试验平台控制技术的要求越来越高。目前已有的交流电机牵引试验平台，大多采用电阻箱或水阻等作为负载，但均属耗能型试验平台。中国专利ZL200720016195.4介绍了一种新型的交直-交直交电气传动试验装置，采用了交直传动的直流电动机和交直交传动的交流电动机直接硬件连接、互馈的连接方式，取消了传统试验装置的直流发电机励磁装置和电阻箱，变压器的一路输出送到直流传动装置，直流传动装置带动直流电动机，变压器的另一路输出送到交直交传动装置，交直交传动装置带动交流电动机，交流电动机和直流电动机经连接装置相连接，连接装置是一个联轴器，连接交流电动机和直流电动机。这种牵引试验平台采用了互馈方式可以做到能量互馈，减少了整个系统的能量消耗。但是在实际应用中，需要针对交流电机和直流电机分别制造两套原理完全不同的电机控制器，控制方式复杂，从而影响了整个系统的工作稳定性和实用性，同时还大大增加了整个系统的制造成本。如何解决现有技术存在的不足，已成为电力机车技术领域亟待解决的一大难题。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术所存在的不足，而提供一种带双向直流能馈环节的交流牵引试验平台，能够很好地满足电气传动、轨道交通、科研教学等多领域的生产试验要求。

根据本发明提出的带双向直流能馈环节的交流牵引试验平台，它包括整流器、被试电机用逆变器、被试交流电机、电机联轴器、陪试交流电机、陪试电机用逆变器、直流母线，并依次连接构成闭环，其特征在于陪试电机用逆变器与直流母线之间串接双向直流变换器，双向直流变换器输入和输出侧的电压，分别与直流母线的电压和所连接陪试电机用逆变器的输入电压相等。本发明的工作原理是：采用被试电机用逆变器和陪试电机用逆变器与直流母线连接的方式，可以提供系统中能量的双向流动通路，在做被试电机牵引试验时直流母线能够吸收陪试电机的馈能，而在做被试电机制动试验时则通过直流母线对陪试电机供电。特别是在陪试电机用逆变器的直流侧与直流母线之间串接了双向直流-直流(DC-DC)变换器，有利于在保证双向直流变换器两端的直流电压极性不变、幅值稳定的前提下，实现电流双向流动，从而调节能量双向传输。双向直流变换器置于电源U₁和U₂之间，根据实际应用的需要，可以通过双向直流变换器的变换控制，使能量从U₁传输到U₂，称为正向工作模式(Forward mode)；或使能量从U₂传输到U₁，称为反向工作模式(Backward mode)，由此可以实现双向直流变换器两端能量的双向流动。在此基础上，通过控制双向直流变换器的输入输出侧电压，来满足系统中被试交流电机和陪试交流电机的供电电压，从而降低了对电机功率和电压等级的限制。被试电机用逆变器的交流侧和陪试电机用逆变器的交流侧分别连接被试交流电机和陪试交流电机，两者各自的输出交流电压分别与所接电机的输入电压匹配，两者可采用相同的控制策略，如V/F标量控制、矢量控制或者直接转矩控制等，需要注意的是，应针对被控电机的电气参数，修改控制器中的相关控制参数。被试交流电机和陪试交流电机的功率和电压等级可以不同，还可以互换各自在系统中的角色，即陪试交流电机或被试交流电机职能互换，但要求处于电动运行状态电机的实际功率应不大于处于制动状态电机的最大功率。陪试交流电机和被试交流电机之间采用电机联轴器来实现硬连接，保证了两者的机械角速度相等。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：一是本发明实现以同一控制策略控制两台电机的运行，使电机控制的难度大大降低，整个系统的工作可靠性大幅提高；二是本发明对电机型号的限制降低，具有更广阔的应用空间；三是本发明的双向直流变换器的输入和输出侧电压能够得到准确而稳定的控制，为逆变器提供了良好而可靠的供电；四是本发明的双向直流变换器本身具备突出的支持能量双向流动的特性，使整个系统保持了能量互馈特性，具有低能耗的优点，实现了与节能要求的完美结合。本发明广泛适用于电气传动、轨道交通、科研教学等多领域的生产试验场合。

附图说明

图1是本发明提出的带双向直流能馈环节的交流电机牵引试验平台的结构示意图。

图2是本发明电流型双向直流变换器的双向Buck/Boost直流变换器拓扑结构示意图。

图3是本发明电流型双向直流变换器的双向Buck-Boost直流变换器拓扑结构示意图。

图4是本发明四象限直流变换器的单相全桥双向直流变换器拓扑结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

结合图1，带双向直流能馈环节的交流牵引试验平台是由整流器(1)、被试电机用逆变器(2)、被试交流电机(3)、电机联轴器(4)、陪试交流电机(5)、陪试电机用逆变器(6)、双向直流变换器(7)和直流母线(8)组成。双向直流变换器(7)采用电流型双向直流变换器或四象限直流变换器。整个系统的搭建方式是：被试交流电机(3)和陪试交流电机(5)通过电机联轴器(4)实现轴连，被试交流电机(3)的进线侧连接至被试电机用逆变器(2)，陪试交流电机(5)的进线侧连接至陪试电机用逆变器(6)，被试电机用逆变器(2)和陪试电机用逆变器(6)的直流母线(8)通过双向直流变换器(7)连接至直流母线(8)，直流母线(8)上的直流网压由交流电网经整流器(1)整流得到。本发明由被试交流电机(3)和陪试交流电机(5)搭建而成，两台电机的控制器原理相同，从根本上解决了现有技术存在的两台电机的控制器原理不相同所带来的可实施性差的问题，从而大大降低了系统的复杂程度；通过把双向直流变换器(7)引入系统中，在保证系统稳定供电运行的同时，也保持了系统原有的能量互馈特性，使系统低能耗的优点更加突出；本发明所选用被试交流电机(3)和陪试交流电机(5)的功率相同或不相同均可，但要满足搭建试验平台的整体要求；在设计电机的驱动控制器时，可以采用相同的控制策略，仅需要把控制参数与相应电机的电气参数作配套即可，简化了系统设计；同时加入的双向直流变换器(7)环节，能够保证被试交流电机(3)和陪试交流电机(5)的良好供电，并实现系统能量的互馈，保持了系统低耗能的优良特性。

结合图2、图3和图4，双向直流变换器(7)可采用电流型双向直流变换器或四象限直流变换器。电流型双向直流变换器可选用双向Buck/Boost直流变换器或双向Buck-Boost直流变换器；四象限直流变换器可选用单相全桥双向直流变换器。

图2是电流型双向直流变换器的双向Buck/Boost直流变换器，它由输入滤波电容C₁、升压开关管Q₁、升压续流二极管D₁、降压开关管Q₂、降压续流二极管D₂、储能电感L_f、输出滤波电容C₂等组成。结合图1和图2，以制作一套采用双向Buck/Boost直流变换器的交流电机牵引试验平台为例：整流器(1)可选择1500V直流输出大功率三相全桥整流器；被试电机用逆变器(2)选择300kVA高压大功率变频器；被试交流电机(3)采用190kW三相交流鼠笼型异步电机；电机联轴器(4)采用金属弹性元件联轴器；陪试交流电机(5)选用550kW三相交流鼠笼型异步电机；陪试电机用逆变器(6)选用630kVA高压大功率变频器；双向直流变换器(7)使用属于电流型双向直流变换器的550kW双向Buck/Boost直流变换器；直流母线(8)采用铜制母线。

图3是电流型双向直流变换器的双向Buck-Boost直流变换器，它由输入滤波电容C₁、开关管Q₁、续流二极管D₁、储能电感L_f、开关管Q₂、续流二极管D₂、输出滤波电容C₂等组成。结合图1和图3，以制作一套采用双向Buck-Boost直流变换器的交流电机牵引试验平台为例：整流器(1)选用三相全桥整流器；被试电机用逆变器(2)选择1.1kW标量V/F控制型变频器；被试电机(3)选择1kW三相交流鼠笼型异步电机；电机联轴器(4)采用刚性夹壳联轴器；陪试电机(5)采用1kW三相交流鼠笼型异步电机；陪试电机用逆变器(6)选用1.1kW标量V/F控制型变频器；双向直流变换器(7)使用属于电流型双向直流变换器的1.5kW双向Buck-Boost直流变换器；直流母线(8)采用铜制母线。

图4是四象限直流变换器的单相全桥双向直流变换器，它由输入滤波电容C₁、开关管Q₁～Q₄、续流二极管D₁～D₄、储能电感L_f、输出滤波电容C₂等组成。结合图1和图4，以制作一套采用单相全桥双向直流变换器的交流电机牵引试验平台为例：整流器(1)选用三相全桥整流器；被试电机用逆变器(2)选择1.1kW标量V/F控制型变频器；被试电机(3)选择1kW三相交流鼠笼型异步电机；电机联轴器(4)采用尼龙夹壳联轴器；陪试电机(5)采用3kW带电磁制动式三相交流鼠笼型异步电机；陪试电机用逆变器(6)选用3.7kW标量V/F控制型变频器；双向直流变换器(7)使用属于四象限直流变换器的4.5kW单相全桥双向直流变换器；直流母线(8)采用铜制母线。