铁路运输论文_韶山Ⅳ型电力机车整流电路的改造

文章目录

摘要

abstract

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 谐波对电力系统的危害

1.3 国内外研究现状

    1.3.1 国外研究现状

    1.3.2 国内研究现状

1.4 本文工作及创新点

    1.4.1 本文工作

    1.4.2 本文的创新点

1.5 本章小结

第二章 电力机车主电路谐波电流分析与计算

2.1 SS4 型电力机车介绍

2.2 SS4 型电力机车整流电路及特性分析

    2.2.1 SS4 型电力机车运行原理

    2.2.2 SS4 型电力机车整流电路以及工作原理

2.3 SS4 型电力机车主电路的数学模型

2.4 SS4 型电力机车谐波分析

    2.4.1 谐波定义

    2.4.2 谐波电流分析

    2.4.3 谐波电流仿真计算

    2.4.4 谐波电流对功率因数PF的影响

2.5 本章小结

第三章 SS4 型电力机车数学建模与仿真

3.1 MATLABSIMULINK简介

3.2 .SS4 型电力机车控制特性

3.3 SS4 型电力机车仿真与分析

    3.3.1 SS4 型电力机车主要器件的介绍

    3.3.2 SS4 型电力机车的建模与分析

3.4 本章小结

第四章 韶山Ⅳ型电力机车整流电路的改造设计与优化

4.1 交直交型HXD3 型电力机车牵引传动系统分析

4.2 四象限整流器工作原理

4.3 单相四象限整流器谐波分析

4.4 四象限整流器的SPWM调制

4.5 单相电压型四象限整流器双闭环控制系统分析

    4.5.1 电流内环控制系统分析

    4.5.2 电压外环控制系统分析

4.6 瞬态直接电流控制系统分析

4.7 SS4 型电力机车主电路设计

    4.7.1 牵引工况电路分析

    4.7.2 制动工况电路分析

    4.7.3 直流侧二次滤波器设计

    4.7.4 直流侧储能电容设计

4.8 IGBT的选型与建模

    4.8.1 IGBT结构及工作原理

    4.8.2 IGBT工作特性

    4.8.3 IGBT模型建模及仿真

4.9 驱动的选型与建模

4.10 单相四象限整流器建模

4.11 Boost升压电路设计

    4.11.1 电路原理结构

    4.11.2 升压电路模式分析

    4.11.3 控制电路设计

    4.11.4 Boost升压电路模型搭建

4.12 本章小结

第五章 优化后韶山Ⅳ型电力机车整流电路的分析与仿真

5.1 系统硬件设计

    5.1.1 主控芯片选型与控制过程

    5.1.2 过零检测电路

    5.1.3 电流检测电路

    5.1.4 电压检测电路

    5.1.5 IGBT过温保护电路

    5.1.6 IGBT缓冲电路

5.2 系统软件设计

    5.2.1 Keil MDK开发环境

    5.2.2 主程序的设计

    5.2.3 A/D采样软件设计

    5.2.4 保护程序设计

5.3 系统实验测试

5.4 优化后SS4 型电力机车主电路的建模与仿真

    5.4.1 牵引工况分析

    5.4.2 制动工况分析

    5.4.3 功率因数分析

    5.4.4 网压波动时机车主电路运行状态分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文

文章摘要:随着我国铁路事业的不断发展,传统使用的内燃机车已经逐渐被淘汰,以节能、环保、高效为特点的电力机车在我国铁路运输中占据主导地位。由于机车中有较多的非线性元器件存在于变流电路中,而且电力机车在运行时存在各种复杂的工况,这些都会使得机车在运行时产生较多的谐波,危害电力系统并产生不必的损耗,因此对于谐波治理问题必须尤为重视。为建立关于机车主电路的数学模型,本文首先需要先对机车的主电路进行研究,但由于电力机车在运行过程中具有较为复杂的工况,因此还需考虑机车在实际情况下的运行状况。关于求解机车的取用电流大小,可先采用迭代法进行计算,再通过快速傅里叶变换（FFT）最终求解出其数学表达式,分析出机车主电路在不同工作状态下谐波电流的大小,以及谐波电流对功率因数所产生的影响。然后详细介绍SS4型电力机车的控制特性,并对其主要器件进行了阐述,利用MATLAB/Simulink搭建其仿真模型,从仿真结果中分析当机车运行于牵引工况下时电流、电压波形的变化以及谐波的含量。其次分析HXD3型电力机车牵引传动系统中四象限整流器的作用,利用其特性对原SS4型电力机车的整流电路进行优化与设计;详细阐述了四象限整流器工作原理,并对其谐波进行分析;介绍单极性、双极性PWM调制方法在单相电压型四象限整流器中的应用;对四象限整流器的控制策略进行了分析;针对传统SS4型电力机车在运行时所出现的问题,引用四象限整流器设计出一种新的主电路,分析在不同工况下电路的工作原理;对IGBT做了较为详细的介绍,包括其结构、工作原理等,通过选择合适型号的IGBT及其驱动并对其仿真建模,验证了所搭建的模型的正确性;基于瞬态直接电流控制策略,利用所搭建的IGBT及其驱动模型通过MATLAB/Simulink建立单相四象限整流器的仿真模型;最后设计Boost升压电路,并建立相应的仿真模型。最后对系统的硬件以及软件进行设计,确定所需的STM32芯片型号,设计电压检测电路、IGBT缓冲电路等外围电路,通过STM32定时器控制PWM波的占空比,利用输出的PWM波形来实现整流和逆变过程。建立相应的系统实验,验证设计的正确性。利用第四章所建立的IGBT模型、驱动模型、Boost升压电路模型,通过MATLAB/Simulink仿真平台建立优化后SS4型电力机车主电路的仿真模型,针对机车不同的运行工况,对变压器二次侧电压、电流波形、谐波频谱以及功率因数曲线进行分析,通过观察仿真结果验证主电路设计的正确性与可行性。

文章来源：《电力机车与城轨车辆》 网址: http://www.dljcycgcl.cn/qikandaodu/2022/0130/988.html