交流传动电力机车主变流器原理及功能介绍

交流传动电力机车主变流器原理及功能介绍

发表时间：2017-08-31T10:20:15.647Z 来源：《电力设备》2017年第12期作者：马连凤田鹏刚丁巧娅孙湘漪[导读] 摘要：本文详细介绍大功率交流传动电力机车主变流器的电路原理、结构特点、工作方式、理论基础、安全保护方法与实施情况。 (中车永济电机有限公司技术中心西安 710018) 摘要：本文详细介绍大功率交流传动电力机车主变流器的电路原理、结构特点、工作方式、理论基础、安全保护方法与实施情况。

关键词：交流传动；机车主变流器；四象限整流器、PWM逆变器。

一、引子

大功率交流传动电力机车主变流器是机车交流传动系统的核心构成。在正常的牵引/制动工况下，主变流器内的牵引控制单元接收司机控制指令，控制各变流器单元实现电源从工频、高压不可控单相交流电源到三相可控变压、变频的交流电源的转化，拖动异步牵引电动机，实现对牵引电机的控制。

二、主变流器的电路原理

大功率交流传动电力机车采用交—直—交电传动方式，主变压器的次边牵引绕组向主变流器中的四象限脉冲整流器供电，实现电源从交流到直流的转换；四象限脉冲整流器输出形成一个中间直流电路，变流器直流环节实现二次谐波吸收、直流储能、各种保护；中间直流电路向电压型牵引逆变器供电，实现直流到3相交流的VVVF变换，拖动一台异步牵引电动机，实现机车牵引电机轴控方式。牵引时能量从电网流向电机，电能转化为机械能；制动时过程相反，机械能转化为电能回馈电网。主变流器内部设置有向加热装置提供交流电源的接口，使机车电传动系统可以根据需求进行合理配置。

主变流器电路原理如上图1所示，按照功能可分为：四象限变流电路（输入电路）、中间直流电路、VVVF逆变电路（输出电路）。

2.1四象限变流器 2.1.1 四象限变流器电路构成

如图1所示，四象限变流器通过主变压器的牵引绕组得电，每组四象限变流电路由1个充电电阻、1个预充电接触器、一个主接触器及1个四象限变流器构成，四象限脉冲整流器由一个功率模块单元构成，其每一臂IGBT模块组成。四象限变流器将交流电变换成直流电向中间回路供电。

2.1.2 四象限变流器工作原理

正常情况下，主变流器刚启动工作时，中间电压为零，所以首先开始预充电，此时主接触器断开，预充电接触器闭合，四象限以自然整流方式向中间回路电容充电，预充电电阻的作用在于限制充电电流。中间回路电压上升一定阀值后充电完成，主接触器闭合，充电接触器断开并切除预充电电阻。四象限变流器采取瞬态电流控制方式实现中间电路电压的稳定，同时实现变压器次边的功率因素接近于1。

2.2中间直流电路 2.2.1 中间直流回路构成

中间直流电路由中间电压支撑电容、二次滤波LC谐振电路，能耗电路、放电保护电路和接地保护电路组成。

2.2.2 二次滤波电路

二次滤波电路由二次滤波电抗器L和二次滤波电容器C组成谐振电路，谐振频率为100Hz，谐振电抗器置于主变压器中，谐振电容器置于主变流器中。

2.2.3 能耗电路

中间直流环节并联有耗能电阻，利用逆变器功率模块中一个富余的桥臂实现斩波放电耗能控制。当电力机车进入电制动工况，主变流器完成能量回馈；如果四现象馈网能量小于牵引逆变器回馈能量，会造成中间电压升高，此时主变流器启动中间保护回路进行放电耗能；如果中间回路继续上升至设定安全阀值，则判定为主变流器故障，机车会自动切除主接触器以避免故障扩大。

2.2.4 放电保护电路

中间直流支撑电容及二次滤波电容均装有硬短接放电保护电路，当机车入库停车或停车维修时，关断主接触器使变流器断电，此时放电保护电路使中间回路电容在设定的时间范围内放电至安全值以内。

2.3 牵引逆变器 2.

3.1 牵引逆变器电路

电力机车每台牵引电机由一个PWM逆变器单独供电，实现牵引电机轴控。牵引逆变器主电路由两个功率模块组成，配置输出电流传感器，完成直流向交流的控制变换、机车制动时能量回馈、IGBT的散热及保护。

2.3.2 牵引逆变器控制原理 PWM逆变电路采用磁场定向控制策略，此策略是一种基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制技术，通过对定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦控制，达到分别控制电机磁链和转矩，实现快速响应的目的。通过正弦脉宽调制技术控制PWM变流器的输出，根据电机特性曲线要求优化变流器的输出特性。使得在牵引和制动工况下，对牵引电动机的电流最大值限制进行控制。

2.4主变流器的保护

主变流器内部两个不同的单元完全独立设置，且高压电路、低压控制电路、冷却风道各自分区隔离，同时高压区封闭且设置安全锁，只有满足一定条件下才能开锁，打开高压区，这是主要的安全操作设计。

2.4.1 过压保护

在直流回路电压大于整定值时，首先触发中间放电保护；如果中间电压继续上升或长时间触发中间放电保护，则判定出现故障，断开主接触器，切断一个牵引单元，防止故障扩散。

2.4.2过流保护

在主变流器的输入和输出侧有电流传感器，在短路和其它故障情况下，在达到最大电流设定值时自动封锁相关的模块触发脉冲，完成设定的逻辑保护动作并通过网络实现信息共享。

2.4.3 接地保护

中间回路负端设置有接地保护电路，由一个接地电流传感器实现牵引电机、中间回路等接地现象的检测并反馈回控制单元。如果主变流器控制单元判定出现接地故障，则断开主接触器，同时封锁四象限和牵引逆变器的触发脉冲。

2.4.4 能耗电路过流保护

在能耗电路中装有电流传感器，当检测到过流状态时，断开主接触器，同时封锁四象限和牵引逆变器的触发脉冲。

2.4.5 防烟火保护

主变流器内部配置安全防火装置，出现火灾时自动实现保护，属于安全运用性设计。

四、冷却系统的工作原理

水冷却系统的原理如图2所示。变流器功率模块中功率元器件产生的热量通过功率模块中的冷却基板与循环流过功率模块的水冷却液进行热量交换，水泵作为水冷却液的循环动力，将进行过热量交换的冷却液通过水分配器的进水口抽入到空气-水热交换器中，然后从水分配器的出水口将水冷却液抽回到水泵，依次不断循环。为了达到更好的冷却效果，热交换器通过其上方的冷却风机进行强制风冷。

冷却系统中压力传感器用于检测水冷却液的压力和泵的旋转方向，当水冷却液的压力超出系统要求的范围或泵的旋转方向错误时，压力传感器输出故障信号进行保护；温度传感器用于检测水冷却液的温度，当温度超出系统要求的范围时，温度传感器输出故障信号进行保护。

参考文献：

[1]黄济荣.电力牵引交流传动与控制，北京：机械工业出版社，1998.