Moderní způsoby regulace polovodičových měničů se zaměřením na pulzní usměrňovače

Ing. Vojtěch BLAHNÍK

Doctoral thesis

Control of Traction Converter with Medium-Frequency Transformer

Abstract:

Tato disertační práce se zabývá řešením optimální topologie výkonového obvodu trakčního měniče se středofrekvenčním transformátorem, která je určena pro novou generaci lokomotiv a příměstských jednotek napájených ze střídavé troleje. V prvním kroku byla navržena optimální varianta výkonového obvodu trakčního měniče. Tato varianta se skládá z kaskádně řazených nepřímých měničů kmitočtu, které tvoří primární vysokonapěťový měnič připojený k napájecí troleji. Dále trakční měnič obsahuje středofrekvenční transformátor (400Hz), který napájí sekundární nepřímý měnič kmitočtu. Tato technologie byla vybrána s ohledem na možnost rychlého uvedení do průmyslového vývoje a následné výroby. Hlavní část práce se zabývá návrhem a analýzou algoritmů řízení primárních pulzních usměrňovačů, které jsou spojeny do série. Jsou zde navrhnuty a analyzovány čtyři různé varianty regulace: regulace úhlu ?, řízení s přímou regulací proudu na bázi PR regulátoru, řízení s přímou regulací proudu troleje vycházející ze statického modelu pulzního usměrňovače, vektorové řízení v rotujícím souřadném systému svázaném s vektorem napětí troleje. Další část výzkumu se zabývá návrhem algoritmů řízení a regulace měničů kolem středofrekvenčního transformátoru ? řízení primárních střídačů a sekundárního pulzního usměrňovače. Algoritmy řízení a regulace všech částí trakčního měniče jsou testovány na sestaveném simulačním modelu celého trakčního měniče. Je zde testováno chování měniče v ustálených a vybraných přechodových stavech. Experimentální ověření výsledků je uskutečněno na prototypu trakčního měniče se středofrekvenčním transformátorem o jmenovitém výkonu 12kW.

Abstract:

This dissertation deals with the optimal solution of the power circuit topology of traction converter with medium-frequency transformer which is designed for new generation of locomotives and suburban units fed from ac catenary. The first step was design of the optimal configuration of the power circuit of traction converter. The presented configuration consists of cascaded primary cells composed of indirect frequency converters that represent a primary medium-voltage power converter which is directly connected to ac catenary. Furthermore, the traction converter contains the medium-frequency transformer (400Hz), which feeds the secondary indirect frequency converter. This technology has been selected with regard to the possibility of rapid industrial development and subsequent production. The main part of this dissertation deals with the design and analysis of the control algorithms for the primary voltage-source active rectifiers which are connected in series. There are four different types of the control algorithm designed and analyzed: control of ? angle, direct control of trolley wire current based on the PR controller, direct control of trolley wire current based on the static model of active rectifier, vector control in ?virtual? revolving reference frame linked to a space vector of trolley wire voltage. Next part of presented research deals with the design of control algorithms for converters around the medium-frequency transformer ? it is a control of primary voltage-source inverters and secondary voltage-source active rectifier. The control algorithms of all parts of the traction converter have been investigated on the developed simulation model of the traction converter. The traction converter has been studied under both steady-state and selected transient conditions. The experimental verification of proposed control algorithms has been made on developed small-scale laboratory prototype of traction converter of rated power of 12kW.

Keywords

Napěťový pulzní usměrňovač, Jednofázový pulzní usměrňovač, Trakční měnič, Středofrekvenční transformátor, PWM, PR regulátor, Rezonanční regulátor, Vektorové řízení, Dvouhodnotová regulace, Trakce, Víceúrovňový měnič, Vysokonapěťový měnič, Kolejové vozidlo, Lokomotiva, Příměstská jednotka, Střídavá trolej

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 1. 2011

Accessible from:: 1. 1. 2099

Thesis defence

• Date of defence: 15. 6. 2011
• Supervisor: Doc. Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D.

University of West Bohemia

Fakulty of Electrical Engineering

Doctoral programme / field:
Electrical Engineering and Informatics / Electronics