引言
电力电子牵引变压器主电路拓扑结构可分为三个部分，分别为输入级、隔离级、输出级，每级均有不同拓扑结构可以选择。输入级主要承担电能的控制，变换；隔离级承担原副边的电气隔离与电压等级转换；输出级为电力机车牵引电动机提供所需的输出功率与频率。本文对每级可能的不同拓扑结构进行分析比较，以我国电力机车牵引传动系统参数为设计条件，确定了输入级H桥级联，隔离级LLC谐振电路和独立铁心高频变压器，输出级三电平牵引逆变器的电力电子牵引变压器拓扑结构。针对提出的主电路拓扑结构，本文详细研究了其输入级的控制方法与隔离级的设计方法。输入级采用电压外环、电流内环作为四象限整流器上层控制，在其基础上加入级联单元电压矢量叠加的均压控制，保证其各级单元之间的电压均衡，并对其原理及稳定性进行分析。在隔离级的设计上本文首先对其原理进行研究，利用有限元方法对高频变压器漏感与励磁电感进行计算，之后将变压器漏感与LLC谐振变换器进行集成设计，利用LLC谐振电路实现隔离级高频软开关功能，降低开关损耗。
1电力电子变压器的分类及主要应用领域
电力电子变压器（PowerElectronicTransformer，PET）先通过电力电子变换器将直流电或工频交流电变换为百、千赫兹甚至更高数量级频率的交流电，经由相应的变压器隔离变压后再通过电力电子变换器变换回所需的直流电或工频交流电的装置。这一中间环节的交流电具体频率由设计所需的功率等级、电力电子器件、变压器铁芯材料等因素决定。一般来说，中、小功率等级的PET，其中间环节的频率目前可达几十千赫兹至几百千赫兹；大功率等级的PET，中间环节的频率目前大致在几百赫兹至几千赫兹。大功率PET的基本组成环节为中频变压器（Medium-frequencytransformer，MFT）和电力电子变换器。电力电子变换器先将输入电压（交流电或直流电）变换为中频交流电，经MFT隔离变压后，再由电力电子变换器输出所需的输出电压（交流电或直流电）。PET的输入和输出既能是交流（Alternatingcurrent，AC）端口，也可以为直流（Directcurrent，DC）端口，根据PET端口特性的差异，可以将其大致分为三种类型：AC-AC型PET，AC-DC型PET和DC-DC型PET。
2电力电子牵引变压器功能试验方法研究
2.1双移相控制原理
双向隔离型DC-DC变换器的控制方式一般为移相控制，这种控制因其容易实现“软开关”、动态响应快等优点受到广泛关注。传统的单移相控制较为成熟，通过调节原副边电压的相角差，即可实现对传输功率的大小和方向的控制。然而，在传统单移相控制策略下双向隔离型DC-DC变换器，由于无法对回流功率进行有效抑制导致变换器功率传输效率降低及电感电流应力和输出电压纹波的增大。较高的电流应力不利于电力电子器件的选择，较大的电流纹波，使得系统为了满足特定的电压纹波要求，将增加直流滤波电容器的容量，不利于牵引变压器轻量化的实现。
2.2单单元空载启动试验
单单元空载启动试验方法：给系统提供AC2083V电压，按下试验控制台预充电按键进行CHB预充电，预充电完成后按下启动按键，CHB开始启动，完成后LLC开始启动，待输出电压达到额定值DC1800V左右后，启动完成。
2.3提高系统灵活性和可维护性
PETT为了适应牵引网高电压、大功率的供电环境，通常采用模块化串并联结构。这种模块化设计，有利于实现装置的“即插即用”，有助于设备的安装和维护。并且，PETT的输入侧直接与牵引网相连，通过合理调节主电路模块数量，即可直接兼容不同制式的牵引网，有助于实现动车组和电力机车的多制式供电，从而提高系统的灵活性和可维护性。由此可见，PETT所具有的高功率密度、高效率、良好的控制性能和灵活性完全符合我国新一代高效能牵引部件的发展方向。近年来，国外的企业、高校针对PET在轨道交通和智能电网等关键领域开展了广泛深入的研究，而我国在相关方面的研究则起步较晚。为了进一步提升我国牵引传动领域的技术水平，奠定轨道交通行业在世界范围内的领跑地位，有必要对PETT的关键技术开展深入的研究。
2.4单单元牵引满载特性试验
单单元牵引满载特性试验方法：给系统提供AC2083V电压，按下试验控制台预充电按键进行CHB预充电，预充电完成后按下启动按键，CHB开始启动，完成后LLC开始启动，待输出电压达到额定值DC1800V左右后，启动负载变流器并工作在牵引工况，给定电机转速1500r/min，逐步加载至单单元额定负载。
2.5电力机车牵引变压器
牵引变压器的主要作用是将来自铁路牵引电网的高电压等级交流电降压为开关器件可以耐受的低电压等级交流电。由于其抑制变流器电流纹波和限制短路电流的需要，其短路阻抗设计可达40％(标幺值)。同时，根据机车车体空间有限，对安全性的要求，还需满足体积小、重量轻、可靠性高等特点。目前我国机车牵引变压器均为单相多绕组变压器，其主要部件包括：变压器铁心，绕组，油箱以及保护装置等。大部分牵引变压器本体采用芯式结构，采用循环油冷却。
2.6单单元制动满载特性试验
单单元制动满载特性试验方法：给系统提供AC2083V电压，按下试验控制台预充电按键进行CHB预充电，预充电完成后按下启动按键，CHB开始启动，完成后LLC开始启动，待输出电压达到额定值DC1800V左右后，启动负载变流器并工作在制动工况，给定电机转速1500r/min，逐步加载至单单元额定负载。
结语
（1）提出一种采用低压IGBT的PETT电路拓扑，实现对电力电子牵引变压器开关频率、效率、变压器数量和成本的综合优化。（2）针对电力电子牵引变压器DC/DC环节的参数设计，提出一种适用于LLC谐振变换器的修正增益模型及其参数设计方法，提升增益曲线的精度并保留参数设计的简便性。提出大功率LLC谐振变换器死区时间优化设计方法和基于谐振电流二次纹波抑制的输出电容参数设计方法。（3）提出一种适用于电力电子牵引变压器的LLC-LC型能量双向控制策略，在无能量流向检测的情况下，实现DC/DC环节功率正、反向的自由切换和母线电压稳定。
参考文献
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