牵引变流器

牵引变流器

牵引变流器从负载来看可分为电压型和电流型两种。由于电压型变流器相对于电流型变流器具有较大的优势，所以在交流传动领域大多采用电压型逆变器。电压型变流器的驱动一般采用“四象限变流器＋中间直流电路＋电压型逆变器＋异步牵引电动机”的方式。

根据变流器输出交流侧相电压的可能取值可将电压型变流器分为两点式和三点式。在交流传动领域，当中间电路直流电压kV kV U d 8.2~7.2>时，主电路中通常采用两点式结构；当kV U d 3>时，宜采用三点式结构。下面将分别介绍两点式变流器和三点式变流器的工作原理。

一、两点式牵引变流器

图3.1为两点式牵引变流器的一种典型电路。它主要由两点式四象限脉冲整流器、中间直流电压回路和两点式PWM 逆变器组成，由牵引变压器的二次绕组供电。

图3.1 两点式变流器电路原理图

逆变器把中间回路直流电压变成幅值和频率可调的三相交流电压，供给异步牵引电机。在起动范围内，逆变器按脉宽调制模式进行控制，当逆变器输出达到规定值时，转入方波模式。有时，在逆变器和异步牵引电机之间串入平波电抗器，用以抑制起动过程电动机电流中的谐波分量，改善转矩脉动状况，并减少损耗。起动完成后，通过接触器把它短接。

当机车进行再生制动时，整个系统的工作原理及方式没有发生什么变化，主电路结构也不发生任何变化。为了使牵引电动机能够进入发电机状态，控制系统应使异步牵引电动机工作在负的转差频率。在交流传动电力机车发展的初期，为保证电气制动的可靠性和安全性，还装有制动电阻和转换开关。如果电网不能接受再生能量或网侧整流器故障，应立即在无电流状态下接入制动电阻。

1.两点式四象限脉冲整流器及中间储能环节

1) 两点式四象限脉冲整流器

在交流传动领域，网侧变流器现大多采用四象限脉冲整流器，它具有以下优点：

(1)能量可以双向流动；

(2)从电网侧吸收的电流为正弦波；

(3)功率因数可到达1；

(4)减低了接触网的等效干扰电流，减少对通讯的干扰；

(5)可以保证中间回路直流电压在允许偏差内。

四象限脉冲整流器的结构如图3.2所示。

图3.2 四象限脉冲整流器原理图

与PWM 逆变器的控制类似，整流器的每个桥臂电路的控制方法也是由三角形载波与正弦调制波的交点来决定桥臂中的上下两个元件的换流时刻。二个桥臂的正弦调制波相位差为180°。由于电源侧存在回路电感（或机车牵引变压器的漏抗），因而可使中间直流电压d U 高于由整流二极管41D D -所产生的最大可能的整流电压，即：d U >N U

式中N U 为网压的峰值。比如s U >0时，触发2T ，那么变压器次边绕组通过2T —4D 短接；由于变压器具有相当大的短路电抗(对于50Hz 接触网，通常短路阻抗%30>K U ），所以电流上升率是有限的。现在如果使2T 4D 重新关断，那么变压器经由1D 和4D 流入中间回路。正是这种升压斩波的结果，使得在较低的变压器次绕组电压下，能够得到较高的中间回路直流电压d U 。对于负半波也有类似的情况。

四象限整流器分别在四象限的工作状态：

表3.1 两点式四象限脉冲整流器的工作状态表

如果把一台机车上的几组四象限整流器错开相位进行斩波，比如4组四象限整流器相互位移90°，从而成倍地提高接触网上的等效斩波频率，进一步改善接触网的性能。所以不同于一般的交直整流电路，它是一种交直斩波升压电路。与此同时，通过调制，可使直流电压d U 在电源回路的s U 两端产生工频交流正弦电压s U 。通过对s U 相位和幅值的控制，可以达到电源侧回路内电流N I 与N U 同相位，即基波相位移系数等于1，同时由于调制的频率足够高或者电感N L 足够大，可使电流畸变系数接近于1，这样就可使功率因数接近于1。

必须指出，在有限的调制开关频率和电感N L 之下，S u 除了基波1S u 外，还包括高次谐波。因此，整流电流除了直流分量a I 和二倍网频交流分量2i 外，还包括更高次谐波分量。同时，在接触网中同样存在高次谐波分量。所以接触网的功率因数略小于1。

图3.3 PWM 整流器的等效电路及其向量图

由四象限整流器的等效电路可知道：

S N N U L j U +=ω （3.1）

（a ）整流状态 （b ）回馈状态

图3.4 电压型PWM 整流器基波向量图

由上面等式关系及向量图，可知当N U 与N I 方向的关系可以断定四象限整流器的工作

状态，即：N U 与N I 方向一致时，为整流状态，N U 与N I 方向相反时，为逆变状态，从上面

四象限整流器工作状态表我们可以看出整流状态有4个，而实际在机车里只要一象限和三象限的整流状态，而逆变要二象限和四象限的逆变状态。

四象限变流器控制主要有瞬态电流控制和电压相量控制两种方法。而比较起来，瞬态电流控制具有更好的瞬态特性，并且在电网电压发生畸变的情况下，四象限变流器输入电流的畸变也很小。因此在实际应用中，大多数都采用瞬态电流控制的方法。我国“中原之星”电动车组和“奥星”电力机车都采用瞬态电流控制的方法。

2）中间储能环节

在交—直—交变流器中，储能器是作为变流器的四象限整流器和负载端变流器的逆变器之间的联接纽带，一般称之为中间回路。在电压型脉四象限整流器中，由两个部分组成：一个是相应于2倍电网频率的串联谐振电路(也可以取消)，但是本动车组取用2倍电网频率滤波；另一个是滤波电容器或支撑电容器。

(1) 二次谐波滤波电路

从四象限整流工作介绍中我们可知：

第一，因为串联谐振电路对2 倍网频调谐，所以二次谐波电流从这个谐振电路流过，而直流分量d I 流入负载。

第二，2倍网频的串联谐振电路的无功功率，来自与阻抗N L 的功率交换，并因而降低电源的瞬时功率的脉动分量。

第三，表示电源的感性的无功功率需要一个容性的无功功率来加以平衡，所以，从电源侧来看，四象限整流器可以用一个可变电容c 和一个可变电阻L R 的并联电路来等效地表示。可变电容代表其与漏感N L 交换无功功率的那个部分，而L R 代表不同负载所要求的有功功率。

在选择串联谐振电路的电感和电容值时，除了考虑很大的谐振电流可能在电容器上产生过电压的危险外，还必须考虑电抗器的结构尺寸与电感值、持续电流与最大电流有关，而电容器的结构尺寸与电容值、最大电压与充电损耗有关。所以，适当选择参数，将有助于减少总费用。

(2)支撑电容器d C

在理想情况下，特别是当负载纯粹是一个电阻时，并不需要另外一个储能器的。因为反应漏感和四象限整流器之间无功功率变换的二次谐波电流从串联谐振电路上流过，而流到负载上去的是一个纯直流分量。但是实际上，由于以下原因，在脉冲整流器的输出端，或者说在中间回路中，由电容器构成的另一个储能器是必不可少的，这是因为：

(1)与脉冲整流器、逆变器交换无功功率和谐波功率。它们是在脉宽调制过程中产生的。

(2)与异步电动机交换无功功率。

(3)由于串联谐振回路中实际存在的电阻，二次谐波电流并非全部通过串联谐振电路，而是由串联谐振电路和支撑电容器d C 分流。所以，从这个角度出发来说，支撑电容器d C 也