【文章內容簡介】 整流的多重化設計 。 (3)基于斬波器的二極管整流設計 。 (4)采用 PWM 整流器拓撲結構的高功率因數(shù)整流器設計 在三相橋式整流電路的基礎上增加整流相，如采用若干相位彼此錯開的多個整流機組串聯(lián)或者并聯(lián)起來，以構成更多脈波的整流輸出，即稱為多重化整流技術。通過多重化的整流技術，在一定程度上可以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，改善對電網的干擾，但嚴格意義上講，這仍然不能算作是單位功 率因數(shù)整流 器，因為它們是通過減少網側諧波電流來提高整流器的功率因數(shù)，所 以還不是最理想的狀態(tài)。 目前國內軌道交通牽引的直流供電系統(tǒng)中，正在經歷著從十二相多重化整流向二十四相多重化整流的過渡階段， 本文 則 嘗試 采用 基于單神經元 PWM 控制的整流技術對軌道交通 直流牽引供電換流器進行設計。 諧波與功率因數(shù)定義 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科 生 畢業(yè)設計 第 4 頁 由上面的章節(jié)可以注意到諧波與功率因數(shù)是整流技術中重點關注的問題 ，這倆個問題直接聯(lián)系到整流技術的作用，下文對這倆個概念做簡單介紹。 諧波含義為：“是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍數(shù) ” 。由于諧波頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)，我們通常稱之為高次諧波。 非線性負 荷接至供電系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)中本身存在非線性元件，是造成電網電壓、電流波形畸變的根本原因。 軌道交通 供電系統(tǒng)中的波形畸變則主要來源于車輛牽引供電的整流、逆變裝置，其次是直流電源成套裝置及其他電子裝置 。 根據(jù)電路的基本理論，功率因數(shù)（ PF）定義為有功功率（ P）與視在功率（ S）的比值 ,用公式表示為： IIIUIUSPPF 111 111 c osc os ?? ??? () 式中： 1I 為電流基波有效值； I 為電網電流有效值， 22221 nIIII ?????? ，其中1I ， 2I ，? nI 為輸入電流各次諧波的有效值； 1U 為輸入電壓基波有效值； 1cos? 為基波電壓和基波電流的位移因數(shù)。 可見，功率因數(shù)由 1cos? 決定。 1cos? 越小，則設備的無功功率越大，設備利用率越低，導線和變壓器組損耗越大 。而諧波會 造成電流波形畸 變，對電網造成污染，也會使 功率因數(shù)降低 ，因而抑制諧波分量也可以達到提高功率因數(shù)的目的 [7]。 牽引變電所整流機組 地鐵、輕軌交通和工礦運輸直流牽引變電所的主結線，包括高壓交流 (10Kv～35kV)受配電系統(tǒng)和直流 (～ )受饋電系統(tǒng)兩部分，整流機組 (整流變壓器— 整流器組 )則是作為交、直流系統(tǒng)變換的重要環(huán)節(jié)設置的 [8]。 牽引變電所的主要功能為 :將其交流進線電壓通過整流變壓器降壓，然后經整流器將交流電變成直流電供電動車輛的直流牽引電動機用。為了提高直流電的供電質量，降低直流電源的脈動 (波動 )量， 目前 通常采用 的是 多相整流的方法，它可以是六相、十二相整流，還可以增加到二十四相整流。為此，整流變壓 器不僅僅起降壓作用，還要將三相交流電變成多相交流電供整流器整流。 整流變壓器與整流器合稱為整流裝置。 整流機組從提高變壓器利用率、減少注入電網諧波含量兩方面考慮， 可以 在三相橋式整流電路的基礎上增加整流相數(shù)。 如 用三相橋式整流電路構 成十二相脈動整流或等效十二相整流的接線方式， 但 本論文將不做重點介紹。 PWM控制整流器 研究概況 PWM 控制整流器的發(fā)展 功率半導體開關器件技術的進步，促進了電力電子變流裝置技術的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了以脈寬調制 (PWM)控制為基礎的各類變流裝置，如變頻器、逆變電源、高頻 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科 生 畢業(yè)設計 第 5 頁 開關電源以及各類特種變流器等，這些變流裝置在國民經濟各領域中取得了廣泛應用。 消除諧波污染并提高功率因數(shù)，己成為城市軌道交通供電系統(tǒng)乃至電力電子技術中一個重大課題。 我們知道 降低電力電子裝置的諧波污染并提高功率因數(shù)的基本方法有兩種：一種是被動式，即裝設諧波補償裝置來補償諧波，如有源濾波 (APF)、靜止無功補 償 (SVC)等；另一種方法是主動式的，即設計輸入電流為正弦、諧波含量低、功率因數(shù)高的整流器 。通過 PWM 調制技術控制 PWM 整流電路，使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為 1， 這種電路常稱之為 PWM 整流器、單位功率因數(shù) PWM 變流器或高功率因數(shù) PWM 整流器。在本文中統(tǒng)一稱為 PWM 整流器。 PWM 整流器工作原理 PWM 整流器已不是一般傳統(tǒng)意義上的 AC/DC 變換器，由于電能的雙向傳輸，當 PWM 整流器從電網吸取電能時，其運行于整流工作狀態(tài)；而當 PWM 整流器向電網傳輸電能時，其運行于 有源逆變狀態(tài)。所謂單位功率因數(shù)是指：輸入電流波形正弦，且當 PWM 整流器運行于整流狀態(tài)時，網側電壓、電流同相位；當 PWM 整流器運行于有源逆變狀態(tài)時，其網側電壓、電流反相位。進一步研究表明，由于 PWM整流器其網側電流及功率因數(shù)均可控，因而可被推廣用于有源電力濾波及無功補償?shù)确钦鲬脠龊稀? PWM 整流器實際上是一個交、直流側可控的四象限運行的交流裝置，為方便于理解，以下首先從模型電路闡述 PWM 整流器的原理。圖 為 PWM 整流器模型電路，可以看出： PWM 整流器模型電路由交流回路、功率開關 管橋路以及直流回路組成 。其中交流回路包括交流電動勢 e 以及網側電感 L 等；直流回路包括負載電阻 R L 及負載電動勢 e L 等；功率開關管橋路可由電壓型或電流型橋路組成。 A CLivV d cI d cR l+ 圖 整流電路模型 當不及功率開關管橋路損耗時，由交、直流側功率平衡關系可得： dcdcviiv ? () 由上式不難理解：通過模型電路交流側的控制，就可以控制其直流側，反之也成立。以下著重從模 型電路交流側入手，分析 PWM 整流器的運行狀態(tài)和控制原理。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科 生 畢業(yè)設計 第 6 頁 穩(wěn)態(tài)條件下， PWM 整流器交流側矢量關系如圖 所示。 O NEV LVI（ a ） 純 電 感 特 性 運 行O NEV LVI（ b ） 單 位 功 率 因 數(shù) 運 行O NEV LVI（ c ） 無 功 補 償 運 行 特 性O NEV LVI（ d ） 逆 變 特 性 運 行ABCABCBCABAC 圖 交流側運行向量圖 為簡化分析，對于 PWM 整流器模型電路，只考慮基波分量而忽略 PWM 諧波分量，并且不計交流側電阻。這樣可從圖 分析：當以電網電動勢矢量為參考時，通過控制流電壓矢量 V即可實現(xiàn) PWM 整流器的四象限運行。若假設 |I |不變，因此 ILVL ?? 也 固定不變，在這種情況下， PWM 整流器交流電壓矢量 V 端點運動軌跡構成了一個以 |VL |為半徑的圓。當電壓矢量 V 端點位于圓軌跡 A 點時，電流矢量 I 比電動勢矢量 E 滯后 90176。此時 PWM 整流器網側呈現(xiàn)純電感特性，如圖 所示；當電壓矢量 V 端點運動至圓軌跡 B 點時，電流矢量 I 與電動勢 E 平行且同向，此時 PWM 整流器網側呈現(xiàn)正電阻特性，如圖 所示；當電壓矢量 V端點運動至圓軌跡 C 點時，電流矢量 I 比電動勢矢量 E 超前 90176。，此時 PWM 整流器網側呈現(xiàn)純電容特性，如圖 所示；當電壓矢量 V端點運動至圓軌跡 D 點時，電流矢量 I 與電動勢矢量 E 平行且反向，此時 PWM 整流器網側呈現(xiàn)負阻特性，如圖 所示。以上， A， B， C， D 四點是 PWM 整流器四象限運行的特殊工作狀態(tài)點，進一步分析，可得 PWM 整流器四象限運行規(guī)律如下： （ 1）電壓矢量 V端點在圓軌跡 AB 上運動時， PWM 整流器運行于整流狀態(tài)。此時， PWM 整流器需從電網吸收有功及感性無功功率，電能將通過 PWM 整流器由電網傳輸至直流負載。值得注意的是，當 PWM 整流器運行在 B 點時，則實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流制；而在 A 點運行時， PWM 整流器則不從電網吸收有功功率。 （ 2）電壓矢量 V端點在圓軌跡 BC 上 運動時， PWM 整流器運行于整流狀態(tài)。此時， WM 整流器需從電網吸收有功及容性無功功率，電能將通過 PWM 整流器由電網傳輸直流負載。當 PWM 整流器運行在 C 點時， PWM 整流器將不從電網吸收有功功率，只從電網吸收容性無功功率。 （ 3）電壓矢量 V端點在圓軌跡 CD 上運動時， PWM 整流器運行于有源逆變狀態(tài)。時， PWM 整流器向電網傳輸有功及容性無功功率，電能將從 PWM 整流器直 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科 生 畢業(yè)設計 第 7 頁 流側傳至電網。當 PWM 整流器運行在 D 點時， 便可實現(xiàn)單位功率因數(shù)有源逆變控制。 （ 4）電壓矢量 V端點在圓軌跡 DA 上運動時， PWM 整流器運行于 有源逆變狀態(tài)。此時， PWM 整流器向電網傳輸有功及感性無功功率，電能將從 PWM 整流器直流側傳輸至電網。 由以上分析可知，若要實現(xiàn) PWM 整流器的四象限運行，關鍵在于網側電流的控制，首先可以通過控制 PWM 整流器交流側電壓，來間接控制其網側電流；其次可以通過閉環(huán)控制來直接控制 PWM 整流器的網側電流。 PWM 整流器的分類 已經設計出的 PWM 整流器可以分類如下 ????????????????????????????????????????多電平電路三電平電路二電平電路按調制電平分類全橋開關半橋開關按橋路結構分類軟開關調制硬開關調制開關調制分類按多相開關三相開關單相開關按電網相數(shù)分類電流型電壓型按直流儲能形式分類整流器 P W MP W M 盡管分類方法多種多樣，但最基本的分類方法就是將 PWM 整流器分類成電壓型和電流型兩大類，這主要是因 為電壓型、電流型 PWM 整流器，無論是在主電路結構、 PWM 信號發(fā)生以及控制策略等方面均有各自的特點，并且兩者間存在電路上的對偶性。其他分類方法就主電路拓撲結構而言，均可歸類于電流型或電壓型PWM 整流器之列。 電壓型 PWM 整流器（ Voltage Source Rectifier— VSR，以下簡稱為“ VSR”）最顯著拓撲特征是直流側采用電容進行直流儲能，從而使 VSR 直流側呈低阻抗的電壓源特性；而電流型 PWM 整流器（ Current Source Rectifier— CSR）最顯著拓撲特征是直流側采用電感進行 直流儲能，從而使 CSR 直流側呈高阻抗的電流源特性[9]。考慮到地鐵車輛的實際運行情況中，有著頻繁的加減速運行，使得地鐵車輛所 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科 生 畢業(yè)設計 第 8 頁 需的電流是不斷變化的，加之所提供電能的電網是三相電網，故在城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中所要用到的將是三相 VSR。 人工神經網絡的基本概念及特點 神經網絡具有自適應和自學習能力，神經網絡對傳統(tǒng)的 PID控制器進行改造后，對工業(yè)控制中的復雜系統(tǒng)的控制有著更好的控制效果，可以有效地改善由于系統(tǒng)結構和參數(shù)變化而導致的控制效果不穩(wěn)定的狀況，因此 我們嘗試 將人工神經網絡的控制方法引入軌道交通 直流牽引整 流器 的控制中 。 神經元結構及神經元信息處理機理 圖 人腦神經元的結構 神經學早已證明，人的思維通過人腦完成，神經元是人腦的最基本單元 [10][11]。如圖 所示。神經元周圍的纖維分成兩類：樹突與軸突。樹突輸入信息，軸突輸出信息，兩者一一對接，其接口稱為突觸，其輸入 /輸出結構呈一多輸入 /單輸出模式。神經元細胞體對樹突輸入的信息進行處理，將處理結果由軸突輸出給下一個神經細胞。按此模式通過眾多簡單細胞體的復雜連接， 從而把眾多的神經元連成一個神經元網絡 ， 就可進行感受、記憶、聯(lián)想、反 應等復雜的人腦思維。 在生物神經元中，突觸為輸入輸出接口，樹突和細胞體為輸入端，接受突觸點的輸入信號 。細胞體相當于一個微型處理器，對各樹突和細胞體各部位收到的來自其他神經元的輸入信號進行組合，并在一定條件下觸發(fā)，產生一輸出信號 。輸出信號沿軸突傳至末梢，軸突末梢作為輸出端通過突觸將這一輸出信號傳向其他神經元的樹突和細胞體。神經細胞的細胞膜將細胞體內外分開，從而使細胞內外有不同的電位，一般內部電位比外部低，其內外電位差稱之為膜電位。突觸使神經細胞的膜電位發(fā)生變化，且電位的變化是可以累加的，該神經細胞膜電位是它所 有突觸產生的電位