基于移相全桥直流变换器的机车辅助电源关键技术研究

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1、学校代码10530学号201510171768分类号TM352密级公开硕士学位论文基于移相全桥直流变换器的机车辅助电源关键技术研究学位申请人任旭亮指导教师易灵芝学院名称信息工程学院学科专业电气工程研究方向电力电子与电力传动二〇一八年六月六日ResearchonKeyTechnologyofLocomotiveAuxiliaryPowerSupplybasedonPhaseShiftFullBridgeConverterCandidateXuliangRenSupervisorLingZhiYiCollegeColl

2、egeofInformationEngineeringProgramElectricalEngineeringSpecializationPowerElectronicsandPowerTransmissionDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune,6th,2018摘要随着铁路行业的飞速发展，我国实现了令人瞩目的巨大成就，列车运行速度、运输量和装备技术均取得了新的进展。在电力电子技术的进步与铁路运输行业向着“绿色、节能、环保”方向发

3、展的基础上，电力机车的技术研究受到越来越多的重视。在电力机车轨道交通电力系统中，辅助电源模块承担了除牵引系统外电力机车上各种辅助设备的供电需求，保证其高效、安全且可靠的工作，是电力机车高速运行至关重要的条件。本文以基于移相全桥直流变换器的电力机车辅助电源为研究对象，针对传统整数阶PID控制，难以满足这种强非线性特征且时变的隔离型直流变换器对输出动态响应和稳定性的要求，采用基于平均电流模式的双闭环分数阶PID控制器改善系统的性能。此外在建立移相全桥直流变换器仿真模型的基础上，针对其作为机车辅助电源的主电路结构，功

4、率开关管故障类型复杂，故障信息量大，提出了一种基于小波包和优化的极限学习机故障诊断方法。本文所做的主要研究工作如下：(1)电力机车辅助电源关键技术的研究现状及难点。在查阅相关国内外文献的基础上，总结了高频隔离机车辅助电源选用移相全桥作为主电路拓扑的优点，然后针对基于移相全桥直流变换器的机车辅助电源，在控制方法和开关管故障诊断技术所存在的问题，提出了本文的重点研究内容。(2)机车辅助电源移相全桥直流变换器的特性分析及建模。根据其拓扑结构的特点，对工作原理及所固有的特性进行分析。并通过状态空间平均法，考虑变换器特性占空

5、比丢失现象的影响，推导了移相全桥直流变换器的小信号模型。最后基于相关传递函数开环稳定性的分析，总结了设计闭环控制系统的必要性。(3)基于粒子群优化算法的移相全桥变换器双闭环分数阶PID控制器设计。为改善移相全桥直流变换器的控制器性能，设计了基于平均电流控制模式的电压外环及电流内环双闭环分数阶PIDPI-控制策略。同时针对分数阶PID控制器由于引入了积分阶次和微分阶次带来的控制器参数设计变得复杂的问题，基于粒子群智能优化算法对PIDPI-控制器优化整定，并对得到的控制器性能进行了Bode图稳定

6、性分析。最后基于Simulink仿真模型对不同控制方案进行仿真结果比较，证明了该方法相对于常规的PID控制器，具有控制特性更好，适应参数变化的能力更强，响应速度快且鲁棒性好的特点。(4)机车辅助电源移相全桥直流变换器的故障诊断策略。首先分析了变换器I运行过程中的故障特点，确定了主电路功率开关管的故障类型。然后基于小波包对各故障状态输出电压特征信号数据进行分解归一化处理获得故障特征值，最后通过极限学习机算法进行故障分类，并针对由于极限学习机随机产生输入权值和隐含层偏置而使分类精度降低，引入萤火虫算法优化其相关参数以提

7、高分类准确率。最后通过仿真验证了该方法对于移相全桥变换器故障诊断具有较高准确率和稳定性。(5)样机平台的设计与实验分析。根据机车辅助电源移相全桥直流变换器主要指标的要求，计算设计了变换器功率主电路原理图、主要器件参数和硬件电路，以及隔离驱动和信号采样调理电路，并基于TMS320F28335DSP控制芯片完成了软件的双闭环分数阶PID控制程序编程和测试。最后通过功率实验样机对数字控制策略的有效性及相关性能进行验证。关键词：电力机车辅助电源；移相全桥直流变换器；分数阶PID控制器；故障诊断；小波包变换；极限学习

8、机；IIAbstractWiththerapiddevelopmentofrailwayindustry,Chinahasachievedremarkableachievementsinrailwaytechnology,includingrunningspeed,transportvolumeandequipmenttechnology.Theprogre