变流技术
提高大功率逆变器的输出电压
加贺重夫
等
（日）
【摘要】日本磁悬浮铁路，基于降低成本，研究出在不改变主电路结构前提下提高大功率逆变器输出电压的控制方式，并将其应用于山梨试验线上，通过运行试验确认了其特性，获得了满意的结果。
关键词：磁悬浮铁路； 直线电机；变流器； 逆变器控制；输出电压中图分类号：Ｕ２６４．３＋７文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－８４１０（２００４）０３－００２８－０４
Ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ Ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ Ｏｕｔｐｕｔ Ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ Ｌａｒｇｅ Ｃａｐａｃｉｔｙ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ （Ｍａｇｌｅｖ） ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｓ ａ ｌｉｎｅａｒ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ （ＬＳＭ） ｗｉｔｈ ｏｎｂｏａｒｄ ｓｕｐｅｒｃｏｎ－ｄｕｃｔｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｓ ａｎｄ ａｒｍａｔｕｒｅ ｃｏｉｌｓ ｏｎ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ． Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ａｂｌｅ ｔｏ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｖａｒｉａｂｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｖａｒｉａｂｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｔｈｒｕｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｉｎ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｗｅ ａｄｏｐｔｅｄ ａ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ （ＰＷＭ） ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｔ ｔｈｅ ＹａｍａｎａｓｈｉＭａｇｌｅｖ Ｔｅｓｔ Ｌｉｎｅ． Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｍａｇｌｅｖ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ａ ｌａｒｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ＰＷＭ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｔ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎｔｏ ｔｈｉｓ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ， ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｃｏｓｔ ｍｕｓｔ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｗｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅｗｉｔｈｏｕｔ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｇｌｅｖ； ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ； ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ； ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ
１引言
电方式，平常采用２台逆变器供电，分区切换时则采用３台逆变器供电。
磁悬浮铁路，以安装在列车上的超导磁铁与地面推进线圈构成的地面一次式直线同步电动机（ＬＳＭ）作为驱动系统。在相当于ＬＳＭ电枢线圈的推进线圈上，要通进与列车位置、速度及ＬＳＭ的推力大小相应的电流，这就需要用可变频多压（ＶＶＶＦ）的变流器，现在采用的是脉宽调制（ＰＷＭ）逆变器。
新干线等铁路是采用几台ＶＶＶＦ变流器驱动一列车，所以变流器的输出功率不大。而磁悬浮铁路只用２组变流器驱动一列车，所以需要大功率的变流器。
变流器的额定功率与设备规模由其最大输出电流与最大输出电压来决定。在高速区域加速时需要最大电压，但使用该最大电压的时间还不到变流器总工作时间的百分之几。因此，从降低成本方面考虑，要求在不改变主电路结构的情况下，通过控制来提高输出电压。本文介绍了提高磁悬浮铁路变流器输出电压的各种控制方式原理及其特性。
图１磁悬浮铁路的供电系统
位置检测装置，采用交叉感应回线，连续地测出列车运行中时刻变化的位置，并传给驱动控制系统。驱动控制系统的速度控制，是根据列车位置信号计算出列车运行速度；再根据运行计划指示的列车位置与表示速度的运行曲线，求出必要的推力，由变流器控
２供电系统
磁悬浮铁路的供电系统示于图１。它是采用３线馈
制装置给出变流器输出电流值与电流相位指令。变流系统是将工频电源转换为直流电源，并使之产生需要的电压，以便将驱动控制系统指令的电流送到推进线圈。３电力变流器
传统铁路与磁悬浮铁路的驱动用变流器的差异示
于图２。传统铁路以每２￣３辆车为一个单元，采用１台变流器；磁悬浮铁路是每一列车的直线电动机全部串联连接，用２台变流器驱动。为此，在磁悬浮铁路的列车启动时，变流器要求有高电压输出。磁悬浮铁路的变流器为图３所示的多段结构，即设置多个单元逆变器，在输出侧由变压器把各单元逆变器的输出电压迭加后输出。单元逆变器采用由可以输出大功率的Ｕ与Ｘ２个支路构成的单相桥式逆变器，其ＰＷＭ控制时的输出波形示于图４。
图２
传统铁路与磁悬浮铁路的比较
图
３
电力变流器的构成（一相）
从输出电压的目标信号Ｅｃ与三角波形的调制波Ｆｃ
的交点，产生电压脉宽，Ｕ支路与Ｘ支路的电压差就
是输出电压。为使开关动作稳定，变流器元件从截止
状态向导通状态或从导通状态向截止状态转换时，各种状态达到稳定需要一定的时间。要确保该段时间，Ｕ、Ｘ支路的最大脉宽是有限界的，以该限界值决定的最大调制比ａｍａｘ作为峰值的相电压，就是最大输出电压。
我们对提高这种逆变器输出电压的控制方法进行了研究。
４
提高输出电压的控制
４．１
不依赖于供电电路的控制
这是在需要输出高电压的时间内，停止ＰＷＭ调制而将直流电压直接输出的方法。如能对其他相不产生影响，只在本相中处理，则在三相３线式和三相４线式的供电电路中都可以应用。这种一度停止ＰＷＭ调制的方法有调制比偏置控制和顺序段饱和控制两种。４．１．１调制比偏置控制
调制比偏置控制的工作原理示于图５。其控制方法是，当输出电压为最大调制比ａｍａｘ以上时，使Ｕ及Ｘ支路中的一条作为直流电压输出（饱和），另一条支路的输出电压则为正弦波，由于各单元逆变器独立，所以，逆变器的段数即使为１段也可应用这一方法。
采用该方式时，输出电压的最大增加率可用式（１）表示，最大调制比为０．８时，理论上输出电压最大可增加１２．５％。
F=1−amax
2a×100(%) ………………………（１）max 式中：Ｆ——电压增加比率；ａｍａｘ——最大调制比。４．１．２顺序段饱和控制
顺序段饱和控制的工作原理示于图６。适用于以多段单元逆变器组成的多重ＰＷＭ逆变器中。在没有达到最大调制比的时间内，各段都输出相同电压，但是，从超过最大调制比ａｍａｘ的时刻开始，则根据输出电压
分段顺序饱和，以使一相中的输出电压总是为正弦波。该方式是当最终段的输出电压达到最大调制比时
就输出。其输出电压最大增加率可用式（２）表示，当最
大调制比为０．８，采用４段时，理论上电压增加率为１８．７５％。
…………………（２）
式中：Ｆ——电压增加比率；ａｍａｘ——最大调制比；ｎ——段数。
４．２
三相３线式的中点偏置控制
如果供电电路采用三相３线式，则通过对负载的中性点主动施加偏置电压，可在不增大输出相电压峰值条件下提高线电压，这种控制被称为中点偏置控制。磁悬浮铁路的变流器应用这种控制时可有相电压分配控制和３次谐波叠加控制两种方式。４．２．１相电压分配控制
作为利用三相３线的特性来提高输出电压的一种方法，它是用其它２相的输出电压分担超过最大调制比ａｍａｘ的一相电压不足部分，这种控制方式称作相电压分配控制。如图７所示，不足的电压部分用其他２相线电压的扩大来补偿。其间，不足的电压使负载的中性点电压产生偏移。
采用这种控制可能输出最大电压是在仅一相不足，图７
相电压分配控制其他２相电压足够的时候。这就意味着电压不足期间的电角最大为６０度。因此，采用该方式时输出电压的最大增加率可用式（３）表示，理论上为１５．４％。
…………………………（３）
４．２．２３次谐波叠加控制
叠加３次谐波控制的工作原理示于图８。在输出电压中叠加３次谐波分量，使负载中性点电压偏移，并降低相电压的峰值，从而输出相电压峰值以上的电压。采用该控制方式提高输出电压时，若叠加基波分量的１／６的３次谐波，则其输出电压最大增加率理论上与相电压分配控制一样用式（３）表示。
图８
叠加３
次谐波的控制
４．２．３组合控制
在三相３线式馈电电路中，有可能将中性点偏头控制与前述的不依赖于馈电电路的控制方式并用，从而大幅度提高输出电压。例如：顺序段饱和控制及中性点偏压控制并用，４段型逆变器的电压理论上可增加３７％。
５试验结果
将上述各种控制方式应用于山梨试验线的大功率逆变器，模拟逆变器直流输入电压下降、输出电压不足的工况，进行了性能考核运行试验，结果表明，使
图９
顺序段饱和控制的工作特性
用可变频率进行电流控制的大功率逆变器的工作很稳定，正如理论分析的那样。另外，还确认了多种控制方式并用时的工作特性。
确认工作特性的１个实例示于图９，这是实施顺序段饱和控制的结果。４段逆变器中２段饱和，剩下的２段为正弦波输出，该动作状态可用各段的目标电压Ｅｃ来确认。输出电压虽有些畸变，但输出电流尚未见到紊流，显示良好的工作状态。
此外，输出电压与输出电流的谐波分析结果示于图１０，图中给出各谐波对于基波分量的比例，输出电压中可见到超过１％的谐波分量，而输出电流谐波则在１％以下。应用本控制方式，并无新增加的谐波。
６结语
将提高大功率逆变器输出电压的各种控制方式应用于山梨试验线上，在运行试验中，进行了其特性确认。结果表明，获得了几乎接近于理论值的特性，由此，可望降低运营线上变流器的成本。
图１０
顺序段饱和控制时的谐波
３篇略）
译自《铁道综研报告》２００３，№５
译者：彭惠民校者：易厚梅
（参考文献
变流技术
提高大功率逆变器的输出电压
加贺重夫
等
（日）
【摘要】日本磁悬浮铁路，基于降低成本，研究出在不改变主电路结构前提下提高大功率逆变器输出电压的控制方式，并将其应用于山梨试验线上，通过运行试验确认了其特性，获得了满意的结果。
关键词：磁悬浮铁路； 直线电机；变流器； 逆变器控制；输出电压中图分类号：Ｕ２６４．３＋７文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－８４１０（２００４）０３－００２８－０４
Ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ Ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ Ｏｕｔｐｕｔ Ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ Ｌａｒｇｅ Ｃａｐａｃｉｔｙ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ （Ｍａｇｌｅｖ） ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｓ ａ ｌｉｎｅａｒ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ （ＬＳＭ） ｗｉｔｈ ｏｎｂｏａｒｄ ｓｕｐｅｒｃｏｎ－ｄｕｃｔｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｓ ａｎｄ ａｒｍａｔｕｒｅ ｃｏｉｌｓ ｏｎ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ． Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ａｂｌｅ ｔｏ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｖａｒｉａｂｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｖａｒｉａｂｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｔｈｒｕｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｉｎ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｗｅ ａｄｏｐｔｅｄ ａ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ （ＰＷＭ） ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｔ ｔｈｅ ＹａｍａｎａｓｈｉＭａｇｌｅｖ Ｔｅｓｔ Ｌｉｎｅ． Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｍａｇｌｅｖ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ａ ｌａｒｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ＰＷＭ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｔ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎｔｏ ｔｈｉｓ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ， ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｃｏｓｔ ｍｕｓｔ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｗｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅｗｉｔｈｏｕｔ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｇｌｅｖ； ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ； ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ； ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ
１引言
电方式，平常采用２台逆变器供电，分区切换时则采用３台逆变器供电。
磁悬浮铁路，以安装在列车上的超导磁铁与地面推进线圈构成的地面一次式直线同步电动机（ＬＳＭ）作为驱动系统。在相当于ＬＳＭ电枢线圈的推进线圈上，要通进与列车位置、速度及ＬＳＭ的推力大小相应的电流，这就需要用可变频多压（ＶＶＶＦ）的变流器，现在采用的是脉宽调制（ＰＷＭ）逆变器。
新干线等铁路是采用几台ＶＶＶＦ变流器驱动一列车，所以变流器的输出功率不大。而磁悬浮铁路只用２组变流器驱动一列车，所以需要大功率的变流器。
变流器的额定功率与设备规模由其最大输出电流与最大输出电压来决定。在高速区域加速时需要最大电压，但使用该最大电压的时间还不到变流器总工作时间的百分之几。因此，从降低成本方面考虑，要求在不改变主电路结构的情况下，通过控制来提高输出电压。本文介绍了提高磁悬浮铁路变流器输出电压的各种控制方式原理及其特性。
图１磁悬浮铁路的供电系统
位置检测装置，采用交叉感应回线，连续地测出列车运行中时刻变化的位置，并传给驱动控制系统。驱动控制系统的速度控制，是根据列车位置信号计算出列车运行速度；再根据运行计划指示的列车位置与表示速度的运行曲线，求出必要的推力，由变流器控
２供电系统
磁悬浮铁路的供电系统示于图１。它是采用３线馈
制装置给出变流器输出电流值与电流相位指令。变流系统是将工频电源转换为直流电源，并使之产生需要的电压，以便将驱动控制系统指令的电流送到推进线圈。３电力变流器
传统铁路与磁悬浮铁路的驱动用变流器的差异示
于图２。传统铁路以每２￣３辆车为一个单元，采用１台变流器；磁悬浮铁路是每一列车的直线电动机全部串联连接，用２台变流器驱动。为此，在磁悬浮铁路的列车启动时，变流器要求有高电压输出。磁悬浮铁路的变流器为图３所示的多段结构，即设置多个单元逆变器，在输出侧由变压器把各单元逆变器的输出电压迭加后输出。单元逆变器采用由可以输出大功率的Ｕ与Ｘ２个支路构成的单相桥式逆变器，其ＰＷＭ控制时的输出波形示于图４。
图２
传统铁路与磁悬浮铁路的比较
图
３
电力变流器的构成（一相）
从输出电压的目标信号Ｅｃ与三角波形的调制波Ｆｃ
的交点，产生电压脉宽，Ｕ支路与Ｘ支路的电压差就
是输出电压。为使开关动作稳定，变流器元件从截止
状态向导通状态或从导通状态向截止状态转换时，各种状态达到稳定需要一定的时间。要确保该段时间，Ｕ、Ｘ支路的最大脉宽是有限界的，以该限界值决定的最大调制比ａｍａｘ作为峰值的相电压，就是最大输出电压。
我们对提高这种逆变器输出电压的控制方法进行了研究。
４
提高输出电压的控制
４．１
不依赖于供电电路的控制
这是在需要输出高电压的时间内，停止ＰＷＭ调制而将直流电压直接输出的方法。如能对其他相不产生影响，只在本相中处理，则在三相３线式和三相４线式的供电电路中都可以应用。这种一度停止ＰＷＭ调制的方法有调制比偏置控制和顺序段饱和控制两种。４．１．１调制比偏置控制
调制比偏置控制的工作原理示于图５。其控制方法是，当输出电压为最大调制比ａｍａｘ以上时，使Ｕ及Ｘ支路中的一条作为直流电压输出（饱和），另一条支路的输出电压则为正弦波，由于各单元逆变器独立，所以，逆变器的段数即使为１段也可应用这一方法。
采用该方式时，输出电压的最大增加率可用式（１）表示，最大调制比为０．８时，理论上输出电压最大可增加１２．５％。
F=1−amax
2a×100(%) ………………………（１）max 式中：Ｆ——电压增加比率；ａｍａｘ——最大调制比。４．１．２顺序段饱和控制
顺序段饱和控制的工作原理示于图６。适用于以多段单元逆变器组成的多重ＰＷＭ逆变器中。在没有达到最大调制比的时间内，各段都输出相同电压，但是，从超过最大调制比ａｍａｘ的时刻开始，则根据输出电压
分段顺序饱和，以使一相中的输出电压总是为正弦波。该方式是当最终段的输出电压达到最大调制比时
就输出。其输出电压最大增加率可用式（２）表示，当最
大调制比为０．８，采用４段时，理论上电压增加率为１８．７５％。
…………………（２）
式中：Ｆ——电压增加比率；ａｍａｘ——最大调制比；ｎ——段数。
４．２
三相３线式的中点偏置控制
如果供电电路采用三相３线式，则通过对负载的中性点主动施加偏置电压，可在不增大输出相电压峰值条件下提高线电压，这种控制被称为中点偏置控制。磁悬浮铁路的变流器应用这种控制时可有相电压分配控制和３次谐波叠加控制两种方式。４．２．１相电压分配控制
作为利用三相３线的特性来提高输出电压的一种方法，它是用其它２相的输出电压分担超过最大调制比ａｍａｘ的一相电压不足部分，这种控制方式称作相电压分配控制。如图７所示，不足的电压部分用其他２相线电压的扩大来补偿。其间，不足的电压使负载的中性点电压产生偏移。
采用这种控制可能输出最大电压是在仅一相不足，图７
相电压分配控制其他２相电压足够的时候。这就意味着电压不足期间的电角最大为６０度。因此，采用该方式时输出电压的最大增加率可用式（３）表示，理论上为１５．４％。
…………………………（３）
４．２．２３次谐波叠加控制
叠加３次谐波控制的工作原理示于图８。在输出电压中叠加３次谐波分量，使负载中性点电压偏移，并降低相电压的峰值，从而输出相电压峰值以上的电压。采用该控制方式提高输出电压时，若叠加基波分量的１／６的３次谐波，则其输出电压最大增加率理论上与相电压分配控制一样用式（３）表示。
图８
叠加３
次谐波的控制
４．２．３组合控制
在三相３线式馈电电路中，有可能将中性点偏头控制与前述的不依赖于馈电电路的控制方式并用，从而大幅度提高输出电压。例如：顺序段饱和控制及中性点偏压控制并用，４段型逆变器的电压理论上可增加３７％。
５试验结果
将上述各种控制方式应用于山梨试验线的大功率逆变器，模拟逆变器直流输入电压下降、输出电压不足的工况，进行了性能考核运行试验，结果表明，使
图９
顺序段饱和控制的工作特性
用可变频率进行电流控制的大功率逆变器的工作很稳定，正如理论分析的那样。另外，还确认了多种控制方式并用时的工作特性。
确认工作特性的１个实例示于图９，这是实施顺序段饱和控制的结果。４段逆变器中２段饱和，剩下的２段为正弦波输出，该动作状态可用各段的目标电压Ｅｃ来确认。输出电压虽有些畸变，但输出电流尚未见到紊流，显示良好的工作状态。
此外，输出电压与输出电流的谐波分析结果示于图１０，图中给出各谐波对于基波分量的比例，输出电压中可见到超过１％的谐波分量，而输出电流谐波则在１％以下。应用本控制方式，并无新增加的谐波。
６结语
将提高大功率逆变器输出电压的各种控制方式应用于山梨试验线上，在运行试验中，进行了其特性确认。结果表明，获得了几乎接近于理论值的特性，由此，可望降低运营线上变流器的成本。
图１０
顺序段饱和控制时的谐波
３篇略）
译自《铁道综研报告》２００３，№５
译者：彭惠民校者：易厚梅
（参考文献