主、辅逆变器构造及维护

2.6 Crow Bar 短路放电装置 • 短路放电装置是一个保护模块，由一个硬 短路放电装置(HCB) 和一个软短路放电装 置(SCB) 组成。
软短路放电装置是一个短路晶闸管， 它与一 个 0.5 Ω的短路电阻 （与短路放电装置分 开，但也在牵引变流器内部）相连。触发 的条件是： • . 中间直流回路过压， • . 两个中间直流电压传感器的差值太大， • . 为短路放电装置供电的 24 V 电源丢失， • . 过程监视(TCU)， • . 中央控制单元（CCU）复位。
3 四象限整流电路 四象限整流器在牵引工况下进行交—直变换，为 中间直流电路提供电能；在再生制动工况时， 通过中间直流电路进行直—交变换，将电能回 馈给电网。
每节车的牵引电路中有两套 独立的变流器。在每套变 流器中，由 1 个预充电电 阻和 3 个交流接触器把 2 个四象限变流器和主变压 器的 2 个牵引绕组连接起 来，两个变流器将交流电 变换成直流电，并联向中 间回路供电。四象限电路 使得中间直流环节的电压 保持稳定，并使变压器次 边的功率因数接近于 1。
7 库用动车电路 三相 380 V 交流电由库内电源插 座引入到机车的辅助系统，经 辅助变压器反向升压后由相应 的辅助逆变器向中间直流回路 充电至大约 500 V 直流电压。 这个电压通过 PWM 逆变器在 牵引电机上所产生的力矩，足 以驱动双节机车以约 5 km/h 的 速度运行。此时机车由司机台 的主控制器进行操纵。
他节机车：在本节机车主断路器闭合后通过本节机 车高压隔离开关，经高压连接器、他节机车高压 隔离开关，由他节机车的主变压器的原边绕组高 压端子给他节机车电路供电，再由他节机车的主 变压器原边低压端子经接地碳刷、轮对、钢轨， 返回变电所。
2.1.2 升起两个受电弓的受流过程 • 在此模式下两节机车中至少要有 1 节机车的高压 隔离开关处于断开位置。 • 各用各的电。
4 中间直流回路 中间直流电路由中间支撑电容、二次滤波 LC 谐 振电路、短路保护电路和接地检测电路组成。
5 PWM 逆变电路 PWM 逆变电路根据机车运行要求，将中间直流 电压变换为所需要的频率和幅值的三相交流电 压。 • 每套变流器包含一台牵引逆变器和一台辅助逆 变器， • 牵引逆变器向一台转向架上的 2 台牵引电机供 电； • 辅助逆变器通过隔离开关给辅助系统的辅助变 压器供电。 • 每节车 2 套变流器中的 2 个辅助逆变器之间设 置了 3 个隔离开关，用于单辅助逆变器故障时 的冗余切换。
Байду номын сангаас
后视图
10 中间直流电容 11 预充电/放电电阻器 12 软短路放电电阻 13 谐振电容器组 14 风机
牵引变流器由下列功能模块组组成： • . 线路接触器和预充电单元 • . 四象限整流器 • . 中间直流回路，包含支撑电容和接地检测单 元 • . 和外部揩振电抗器一起构成的谐振电路 • . 保护模块单元 • . 脉宽调制逆变器（用于牵引和辅助驱动） • . 控制和监视
牵引电路按其主要功能和电压等级可分为： 网侧 电路、四象限变流电路、中间直流回路、PWM 逆变电路、保护电路等几部分。
2 网侧电路 • 网侧电路主要功能是从网侧获取 电能，属于 25 kV 电路。 • 每节机车网侧电路由一台受电弓、 一台带高压接地装置的主断路器、 一台避雷器、一台高压电压传感 器、一台高压电流传感器、一台 高压隔离开关、主变压器原边、 回流侧互感器和接地碳刷等组成。
第2章 主、辅逆变器构造及使 用维护说明
许金福 参考文献： HXD1机车培训教材-主、 辅逆变器构造及使用维护说明
第一节牵引电传动系统概述
供电制式：AC 25kV，50Hz HXD1 型双节电力机车两节车上都配备了独立的、相同的电传动系 统，其网侧电路可通过车顶高压连接器相连，既可固定重联运用， 也可解编后各自独立运用，同时还具有外重联功能。 每节车的电传动系统由一台拥有 1 个原边绕组、 4 个牵引绕组和 2 个二次谐振电抗器的主变压器， 通过 4 个四象限斩波器 （4QC） 向两个独立的中间直流电压环节充电。每台转向架上的 2 台三相 异步电动机作为一组负载，由连接在中间直流环节中的一个脉宽 调制逆变器供电。 两路中间直流环节相互独立，整台机车牵引力有 75%的冗余，从而 提高了机车的可利用率。中间直流环节还连接有谐波吸收电路、 过压保护电路和接地检测电路。机车采用再生制动，再生制动时 机车能量反馈回电网，达到节能的效果。四象限斩波器和脉宽调 制逆变器采用水冷IGBT 模块。
图 6 一台牵引变流器的一条支路概略图
2.1 线路接触器和预充电单元
图 7 四象限整流器的输入电路
线路接触器用于控制牵引变流器与主变压器的通断。如果 牵引变流器出现故障，可以通过分断线路接触器将故障牵 引变流器隔离，而与变压器相连的其它工作部件（如其它 牵引变流器）不会受到影响。 只有在无电流的状态下，该输入断路器才可以断开。当主 断路器处于闭合状态时，不得将其断开。
2.5 谐振吸收回路 谐振吸收回路是一个谐振电路， 由谐振电容器和置于主变压 器中的谐振电抗器组成，用 来过滤中间直流回路中两倍 于输入电压频率的纹波。为 了保证其谐振频率，谐振电 容器分为固定电容器和可调 电容器两部分。可调电容器 可由用户定期调整（每 10 年） ，以避免频率漂移。谐 振吸收回路电容组电容值共 计为 Cn=9.85 mF。
两节机车间网侧电路通过车顶高压连接器相连。
2.1 网侧受流过程 2.1.1 升起本节机车受电弓的受流 过程 • 本节机车：接触网电流通过受电 弓，经本节主断路器，通过本节 机车的主变压器的原边绕组高压 端子给本节机车电路供电，再由 本节机车的主变压器原边低压端 子经接地碳刷、轮对、钢轨，返 回变电所。
在正常工况下，传感器测得的电压值等于中间直流 电压的 1/4。必须考虑±30％(相对于1/4 中间直 流电压，由部件的公差引起)的允差。如果发生 接地故障，被测电压就会因电容器充电的改变而 发生变化。电容器的电压值将达到中间直流电压 的 0 %或者 100 %。这样，就可以检测到接地故 障。
图 12 谐振电路
第二节 牵引电路
1 牵引电路结构
每 2 个四象限脉冲 整流器并联输出， 共用一个中间直流 回路。
主变压器的原边通过受电弓、主 断路器得电。 主变压器 4 个独立的次边牵引绕 组分别向 4 个四象限脉冲整流器 供电，
这个中间直流回路同时向 2 个电 压型 PWM 逆变器（1 个牵引逆 变器和1 个辅助逆变器）供电， 每个牵引逆变器分别向一个转向架的 2 台异步牵 引电动机供电，实现牵引电机架控。 再生制动过程相反。 其主变流器内包含机车辅助供电电源模块。 其主变流器内包含机车辅助供电电源模块。
每套变流器包含一台牵引逆变器 和一台辅助逆变器， 牵引逆变器向一台转向架上的 2 台牵引电机供电； 辅助逆变器通过隔离开关给辅助 系统的辅助变压器供电。 每节车 2 套变流器中的 2 个辅助 逆变器之间设置了 3 个隔离开 关，用于单辅助逆变器故障时 的冗余切换。
6 四象限变流器和 PWM 逆变器模块的保护 6.1 过压保护 在直流回路电压大于整定值时，触发软短路器， 断开主断路器 HVB。 6.2 过流保护 每个 4QC 和 PWM 的支路有两个并联的 IGBT 模块。在短路和其它故障情况下，在达到最大 支路电流前自动封锁相关的模块触发脉冲。 6.3 牵引电机的短路保护 当牵引电机端子或绕组内发生短路时，PWM 的 触发脉冲将被封锁。
图 10 中间直流电容组
2.4 中间直流回路中固定放电电阻器及接地故 障检测 高阻值电阻器并联在子变流器的中间直流回 路和谐振吸收电容器上。这些电阻器用于 子变流器非正常关闭后电容的放电。
接地故障检测由分压器、拟位势绝缘的差动放大器 和一个比较电路组成。固定放电电阻器按 102 kΩ: 34 kΩ的比例划分成两部分。电阻器的中心 抽头接地，一个滤波电容器并联在阻值低的电阻 器上。监控该电容器的电压，当发生接地故障时， 被测电压发生变化，由此，相关联的牵引控制单 元 TCU 就能识别一个接地故障。
第三节 牵引变流器
1 概述 该型牵引变流器是为中国DJ4 型机车设计的，机 车由25 kV, 50 Hz 单相交流电源供电，通过主变 压器（车载）变换成 970 V 输入电压。 每台机车由 2 节车组成，每节车设有 1 个牵引变 流器柜，每个牵引变流柜由 2 套相互独立的变流 器组成。一个变流器包含 2 个并联的四象限整流 器、1 个牵引逆变器和 1 个辅助逆变器。 牵引变流器的安装在机械间内，该设备不包含操作 性或指示器元件。牵引控制单元（TCU）位于牵 引变流器柜内部；操作性和指示器元件必须靠近 驾驶员，因而设置在司机室内。
2 技术说明
泄漏电阻/ 保护模块单元 （软保护模块 接地检测 和硬保护模块） 单元
脉宽调 制逆变 器
主 变 压 器
预充电 单元和 线路接 触器
四象 限整 流器
谐振电 路（吸 收回路）
中间直 流回路电 容电池
牵引电动机
变流器柜中重要部件的机械布置
正视图
1 4QC 功率模块 2 PWM 逆变器功率模块 3 辅助逆变器功率模块 4 保护模块单元 5 断路器 6 牵引控制单元(TCU) 7 预充电接触器 8 风机 9 辅助供电接触器
IGBT 是电子开关元件，其开关频率很高。 下面通过整流器从一个电流为零的状态开始工作的 例子来说明其功能。 如果在正半波时，S2 或 S3 两个 IGBT 开关元件中 的一个处于开通状态，变压器次边绕组处于短路 状态，电流开始上升。此时，如果原来开通的晶 体管关断， 由于变压器的漏电感， 电流不能被中 断。 电流通过 IGBT 开关元件 S1 或 S4 的续流 二极管流入中间直流回路并缓慢降低。利用这一 原理，电流就可以围绕一个参考值上下波动且 cos φ 和中间直流电压值能保持在要求的范围内。
2.2 四象限整流器 (4QC)
图 8 四象限整流器原理图
在每一子变流器中，有两个并联的四象限整流器。 一个四象限整流器由两个相模块（半桥）组成。 四象限整流器将来自主变压器的单相交流输入 电压转换为直流电压供给中间直流回路。 四象限整流器（4QC）指的是在牵引工况以及制 动工况下，电压UST 和电流 IN 之间的相位角 是完全可调节的。通过对电压和电流间的相位 角的控制，能实现整流器的四象限运行。
2.2 网侧保护电路 2.2.1 网侧短路保护 当流经高压电流互感器的电流超过整定值时，主断路器将进行分断 保护。 2.2.2 网侧过压保护 网侧装有避雷器，主要用于抑制操作过电压及运行时的雷击过电压。 2.2.3 网压监测保护 通过高压电压互感器的检测，在网压＜15 kV 或＞32 kV 的情况下， 主断路器将进行分断，保护主电路相关设备的正常工作。 2.2.4 网侧过流保护 通过高压电流互感器的检测，在电流超过整定值时，主断路器将分 断保护。 2.2.5 原边接地保护 检测原边电流和回流电流的差值，当大于整定值时，判定为原边接 地，主断路器进行分断保护。 2.2.6 主变压器次边和主变流器短路保护 如果变压器二次线圈或主变流器发生短路，则在检测到短路的瞬间 断开主断。由于变压器的高短路阻抗，从而限制了短路电流。
图 9 四象限整流器的电流/电压波形
IGBT 的开关频率除以电网频率得到每个周期 的脉冲数。脉冲数越高，电流值就越精确 地追踪参考电流值。
2.3 中间直流电容 中间直流电容作为储能器，起缓冲和平滑中间直 流回路电压的作用。每个单独的变流器的中间 直流电容组由 4 x 3 mF 电容器组成，共计 12 mF 。
预充电单元以并联方式连接到线路接触器上。预 充电单元由一个预充电接触器和一个预充电电 阻组成。当牵引变流器投入运行时，首先通过 预充电单元对中间直流电容进行充电，然后再 闭合线路接触器，这样可以避免大的电流冲击。 否则，如果输入电压直接加载到未充电的支撑 电容器组上，将会导致瞬间峰值电流。当中间 直流电压达到其理论终值（牵引绕组的峰值电 压）的 95％后，线路接触器才可以切换至闭 合状态。