阅读说明：本技术 一种辅助变流器、单相整流器及其控制方法 (Auxiliary converter, single-phase rectifier and control method of single-phase rectifier ) 是由 王方 张军 窦蕴萍 宋春雨 李欣 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种辅助变流器、单相整流器及其控制方法；单相整流器包括：二极管单相桥,用于将交流输入电流整流为直流电流；二极管单相桥的输出连接到boost半桥的桥臂中点；boost半桥,boost半桥包括串联的一个快恢复二极管和一个全控型器件；用于将交流输入电流的波形控制为正弦；直流电容,与boost半桥并联；控制器,用于对交流输入电流和直流输出电压进行采样；并根据交流输入电流的采样值、直流输出电压的采样值和直流输出电压的给定值,计算出boost半桥的占空比,并转换成控制脉冲发送至boost半桥。采用本发明提供的方案,仅需一个全控的功率半导体器件,显著的少于传统的四象限整流器。(The invention discloses an auxiliary converter, a single-phase rectifier and a control method thereof; the single-phase rectifier includes: the diode single-phase bridge is used for rectifying the alternating current input current into direct current; the output of the diode single-phase bridge is connected to the middle point of a bridge arm of the boost half bridge; a boost half-bridge comprising a fast recovery diode and a fully controlled device in series; the control circuit is used for controlling the waveform of the alternating input current to be sine; the direct current capacitor is connected with the boost half bridge in parallel; a controller for sampling the AC input current and the DC output voltage; and according to the sampling value of the alternating current input current, the sampling value of the direct current output voltage and the given value of the direct current output voltage, calculating the duty ratio of the boost half bridge, converting the duty ratio into control pulses and sending the control pulses to the boost half bridge. By adopting the scheme provided by the invention, only one fully-controlled power semiconductor device is needed, and the number of the fully-controlled power semiconductor devices is obviously less than that of a traditional four-quadrant rectifier.)

一种辅助变流器、单相整流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及轨道交通车载设备领域，具体而言，涉及一种辅助变流器、单相整流器及其控制方法。

背景技术

辅助变流器是轨道车辆(机车、动车)的重要车载设备，其为列车牵引以外的辅助负载提供三相交流电源。图1示出了辅助变流器在车辆中的示意图。传统上，常用一种牵引变压器中集成辅助绕组的方式为辅助变流器供电。辅助变流器包含了一个四象限整流器和一个三相逆变器。图2示出了现有技术中采用的四象限整流器的示意图。

这种方式中的辅助变流器没有任何工况需要四象限整流器工作在逆变状态，即四象限整流器只工作在功率单方向流动的工况。因此对既有的四象限整流器而言，是一种成本的浪费。

另外，传统的辅助变流器的控制中需要使用电网电压的相位信息，也增加了辅助变流器的复杂性和故障点。

发明内容

本发明提供一种辅助变流器、单相整流器及其控制方法，用以克服现有技术中存在的至少一个问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种单相整流器，包括：二极管单相桥，用于将交流输入电流整流为直流电流；二极管单相桥的输出连接到boost半桥的桥臂中点；boost半桥，boost半桥包括串联的一个快恢复二极管和一个全控型器件；用于将交流输入电流的波形控制为正弦；直流电容，所述直流电容与所述boost半桥并联；控制器，用于对交流输入电流和直流输出电压进行采样；并根据交流输入电流的采样值、直流输出电压的采样值和直流输出电压的给定值，计算出boost半桥的占空比，并转换成控制脉冲发送至boost半桥。

可选地，单相整流器还包括：交流开关和预充电装置，交流开关和预充电装置包括并联的预充电支路、主功率支路；预充电支路包括串联的预充电接触器、预充电电阻；预充电支路用于在首次上电时对直流电容进行预充电，降低启动电流；主功率支路上设置有主接触器，用于控制交流输入端连接或不连接至二极管单相桥；当预充电支路完成预充电后，主接触器闭合，将预充电支路旁路；以使交流输入端连接到二极管单相桥的桥臂中点。

可选地，当全控型器件闭合时，二极管单项桥的直流侧被短路，交流电流上升；当全控型器件断开时，二极管单项桥的直流侧通过boost半桥中的快恢复二极管向直流侧放电，交流电流下降。

可选地，全控型器件是IGBT器件或MOSFET器件。

可选地，单相整流器包括：多个boost半桥；多个Boost半桥的全控型器件并联；或者多个Boost半桥的全控型器件交错导通。

可选地，控制器包括：直流电压闭环模块，直流电压闭环模块用于根据直流输出电压的采样值和直流输出电压的给定值，确定电流幅度给定值；接触网电压相位观测模块，接触网电压相位观测模块用于根据boost半桥的占空比、直流输出电压的采样值和交流输入电流的采样值，确定接触网电压相位；交流电流指令生成单元，用于根据电流幅度给定值和接触网电压相位，确定电流给定值；交流电流闭环单元，用于根据电流给定值和交流输入电流的采样值，确定占空比；脉冲生成单元，用于将占空比转换为控制脉冲并发送至boost半桥。

可选地，接触网电压相位观测模块用于：根据占空比d，直流电压u_dc，和交流电流i的极性，计算得到输入交流电压值u_in＝(1-d)*u_dc*sign(i)；根据二次侧的电感值L和电阻R，计算得到二次侧的网压值u_net＝u_in+L*di/dt+R*i；对u_net进行积分；通过锁相环进行锁相，获得接触网电压u_net的相位信息θ。

可选地，单相整流器还包括：交流电流传感器，用于对交流输入电流进行转换，并输入至控制器；以及直流电压传感器，用于对直流输出电压进行转换，并输入至控制器。

为达到上述目的，本发明还提供了一种单相整流器的控制方法，包括：根据单相整流器的直流输出电压的采样值和直流输出电压的给定值，确定电流幅度给定值；根据单相整流器的boost半桥的占空比、直流输出电压的采样值和交流输入电流的采样值，确定接触网电压相位；根据电流幅度给定值和接触网电压相位，确定电流给定值；根据电流给定值和交流输入电流的采样值，确定占空比；将占空比转换为控制脉冲并发送至boost半桥。

为达到上述目的，本发明还提供了一种辅助变流器，包括：单相整流器；三相逆变器，三相逆变器的输入端与单相整流器的直流输出端连接。

本发明的有益效果如下：本发明的整流器主电路，仅需一个全控的功率半导体器件，显著的少于传统的四象限整流器。

采用的二极管单项桥不需要快恢复二极管，仅需普通的整流二极管，路在成本上具有显著优势。

本发明的单相整流器控制算法，不需要接触网电压信息，提高了系统可靠性。

本发明的单相整流器，通过控制boost桥臂中的全控型器件的开通或关段，可以控制交流电流的变化率，从而可以使得交流电流波形接近正弦，且和接触网电压波形同相位。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了辅助变流器在车辆中的示意图；

图2示出了现有技术中采用的四象限整流器的示意图；

图3示出了包括本发明的单相整流器的辅助变流器的连接示意图；

图4示出了根据本发明实施例的单相整流器的结构示意图；

图5示出了本发明实施例的控制器的结构示意图；

图6示出了本发明实施例的接触网电压相位观测模块的结构示意图；

图7示出了本发明实施例的单相整流器的控制方法的流程图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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付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。

本发明提出了一种新型拓扑的单相整流器和新的控制方法，用于轨道交通车辆中辅助变流器。

图3示出了包括本发明的单相整流器的辅助变流器的连接示意图。如图3所示，本发明的单相整流器的交流侧与牵引变压器的辅助绕组连接，直流侧与辅助变流器中的三相逆变器连接。其将牵引变压器的辅助绕组的单相交流电，变换为稳定的直流电，供给三相逆变器使用，同时控制交流输入电流波形正弦，且与接触网供电电压波形一致，使得功率因数接近1。

图4示出了根据本发明实施例的单相整流器的结构示意图。如图4所示，单相整流器包含二极管单相桥5、boost半桥6、直流电容7、交流开关和预充电装置12、直流电压传感器8和交流电流传感器1、控制器11。

本发明实施例中的单相整流器内部不需要设置交流电抗器，工作所必须的电抗器采用牵引变压器的漏抗，从而提高了系统的集成化程度，降低了辅助变流器的体积重量。

交流开关和预充电装置12包括并联的预充电支路、主功率支路。主功率支路上设置主接触器4，用于控制单相整流器的交流输入端连接或不连接到二极管单相桥上。预充电支路由预充电接触器2、预充电电阻3串联而成。首次上电时，通过预充电支路对直流电容7进行预充电，降低启动电流，也降低了启动过程对整个装置的冲击。完成预充电后，主接触器4闭合，将预充电支路旁路。交流输入端的两根电缆都连接到二极管单相桥的桥臂中点。

二极管单相桥5由四个二极管组成，这四个二极管可以分别是单独一个二极管，也可以是多个并联的二极管。二极管可以是普通的整流二极管，也可以是快恢复二极管。二极管单相桥5将单相整流器的交流输入整流成为直流电。二极管单相桥5连接到boost半桥6的桥臂中点。

boost半桥6由一个快恢复二极管9和一个全控型器件10构成。单相整流器可以只包括一个boost半桥，也可以包括并联的多个boost半桥。当多个Boost半桥一起工作时，既可以将全控型器件10并联，也可以令其交错导通，提高等效开关频率。全控型器件10既可以是IGBT器件，也可以是MOSFET器件。当全控型器件10闭合时，二极管单项桥5的直流侧被短路，交流电流上升；当全控型器件10断开时，二极管单项桥5的直流侧通过boost半桥中的快恢复二极管9向直流侧放电，交流电流下降。因此通过控制全控型器件10的开通和关断，就可以控制交流电流的变化率，因此可以将交流电流的波形控制为正弦。

交流电流传感器1和直流电压传感器8分别对交流输入电流和直流输出电压进行转换，并送至控制器中进行采样和转换，作为控制算法的输入。

控制器11，用于对交流电流和直流电压进行采样，并包括处理器以实现控制算法。具体地，可以根据采样值和控制目标(直流输出电压的给定值)，计算出boost半桥的所需占空比，在转换成控制脉冲送给全控型器件10。

本发明的控制算法的主要特点在于交流电流指令生成部分，分为幅值给定和相位给定。

幅值给定部分：直流电压闭环产生交流电流的幅值给定，直流电压的反馈通道上可以增加两倍接触网电压频率的带阻滤波器，也即100Hz的带阻滤波器，避免单相整流器中直流电压低频波动对电流幅值给定的影响。

相位给定部分：电流的相位给定不需要直接检测接触网电压；电网电压观测部分的输入是boost半桥的占空比、交流电流、直流电压，根据牵引变压器和单相整流器的模型，估算出接触网电压，然后通过锁相环，获得接触网电压相位信息，作为交流电流的相位给定。

电流闭环部分，电流的给定值和反馈值都首先取绝对值，然后做差后作为电流调节器的输入，电流调节器的输出为占空比的给定值，经过脉宽调制后产生boost半桥的控制脉冲。

图5示出了本发明实施例的控制器的结构示意图。如图5所示，本发明的单相整流器的控制器包括直流电压闭环模块、接触网电压相位观测模块、交流电流指令生成单元、交流电流闭环单元、脉冲生成单元五部分。

(1)直流电压闭环模块的输入是直流电压给定值，直流电压通过滤波器后作为反馈值。直流电压给定值和直流电压反馈值做差后送给调节器。调节器可以是比例积分调节器，也可以是比例积分微分调节器。直流电压的滤波器可以采用两倍接触网电压频率的带阻滤波器，也即100Hz的带阻滤波器，避免单相整流器中直流电压低频波动对电流幅值给定的影响。直流电压闭环模块中的调节器输出，即为电流幅值的给定值。

(2)接触网电压相位观测模块的输入为占空比，交流电流、直流电压u_dc。根据占空比d，直流电压u_dc，交流电流i的极性，可以计算出输入交流电压值u_in＝(1-d)*u_dc*sign(i)。已知变压器折算到二次侧的电感值L和电阻R，可以计算得到二次侧的网压值u_net＝u_in+L*di/dt+R*i。为了避免接触网电压u_net计算过程中的微分计算，可以对u_net进行积分，然后通过锁相环，获得接触网电压u_net的相位信息θ。图6示出了本发明实施例的接触网电压相位观测模块的结构示意图。

(3)交流电流指令生成单元，用于将接触网电压u_net的相位信息θ进行正弦运算，然后乘以电流幅值的给定值，得到电流给定值。

(4)交流电流闭环单元，用于将电流的给定值和交流电流i都首先取绝对值，然后做差后作为电流调节器的输入，电流调节器的输出为占空比。

(5)脉冲生成单元，用于通过脉宽调制，将占空比指令转换为某一开关频率的方波脉冲脉冲，作为boost半桥的全控器件的指令脉冲。

本控制算法，可以控制单相整流器，将牵引变压器的辅助绕组的单相交流电，变换为稳定的直流电。同时控制交流输入电流波形正弦，且与接触网供电电压波形一致，使得功率因数接近1。

本发明的有益效果如下：本发明的整流器主电路，仅需一个全控的功率半导体器件，显著的少于传统的四象限整流器。

采用的二极管单项桥不需要快恢复二极管，仅需普通的整流二极管，路在成本上具有显著优势。

本发明的单相整流器，通过控制boost桥臂中的全控型器件的开通或关段，可以控制交流电流的变化率，从而可以使得交流电流波形接近正弦，且和接触网电压波形同相位。

图7示出了本发明实施例的单相整流器的控制方法的流程图。如图7所示，本发明实施例的单相整流器的控制方法包括：

S701，根据单相整流器的直流输出电压的采样值和直流电压给定值，确定电流幅度给定值；

S702，根据单相整流器的boost半桥的占空比、直流输出电压的采样值和交流输入电流的采样值，确定接触网电压相位；

S703，根据电流幅度给定值和接触网电压相位，确定电流给定值；

S704，根据电流给定值和交流输入电流的采样值，确定占空比；

S705，将占空比转换为控制脉冲并发送至boost半桥。

本发明的单相整流器控制算法，不需要接触网电压信息，提高了系统可靠性。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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实施例技术方案的精神和范围。