郭敬軍

（青島四方川崎車輛技術(shù)有限公司，山東青島　266111）

交流工礦電機(jī)車用牽引變流器主電路設(shè)計

郭敬軍

（青島四方川崎車輛技術(shù)有限公司，山東青島266111）

在目前交流傳動成為主流的牽引領(lǐng)域，牽引變流器作為核心部件一直是設(shè)計的難點。本文件簡要介紹了交流牽引優(yōu)于直流牽引的一些特點，詳細(xì)介紹了架線式交流傳動工礦電機(jī)車用牽引變流器主電路的原理、牽引變流器的參數(shù)計算，同時對牽引變流器主電路中主要元件的功能進(jìn)行了描述，并對其參數(shù)進(jìn)行選擇計算以及選型。本文還詳細(xì)闡述了牽引變流器各保護(hù)電路的原理。

交流牽引牽引變流器IGBT保護(hù)

1　引言

近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、電動機(jī)和控制理論的發(fā)展，交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有了很大的發(fā)展，高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)能與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美，交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)正在成為調(diào)速傳動的主流。

架線式交流傳動工礦電機(jī)車以直流網(wǎng)線為電源，由受電弓將網(wǎng)線電源引入牽引變流器，通過牽引變流器逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電供給三相交流異步牽引電機(jī)來完成機(jī)車牽引，現(xiàn)已成為直流牽引工礦電機(jī)車的替代產(chǎn)品。因為交流牽引有著直流牽引所無法比擬的優(yōu)點：交流電機(jī)無換向裝置，結(jié)構(gòu)簡單，故障率低；直流電機(jī)由于要改善換向能力，要求電樞漏感小，轉(zhuǎn)子短粗，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動慣量大，影響系統(tǒng)動態(tài)性能；交流牽引其牽引力在同等條件下，比直流牽引大30%以上；交流牽引制動性能好，可用純電力制動使機(jī)車制停等等。

2　主電路及工作原理

變流器主電路如圖1所示，主要由充電電路、濾波電路、制動電路和逆變電路等部分組成。在機(jī)車運(yùn)行前，通過充電電路將網(wǎng)線電源沖到濾波電路中的電解電容CF1-CF6上，當(dāng)電容上的電壓上升到額定電壓的70%時，可控硅打開，將充電電路切除，變流器主電路準(zhǔn)備工作結(jié)束。當(dāng)接到運(yùn)行信號后，由變流器控制電路通過IGBT驅(qū)動電路控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，產(chǎn)生電壓和頻率可調(diào)的三相交流電供給三相交流異步牽引電機(jī)來完成機(jī)車牽引。當(dāng)機(jī)車減速時，三相交流異步牽引電機(jī)處于制動狀態(tài)，將機(jī)車動能轉(zhuǎn)化為電能通過逆變橋的反并聯(lián)二極管回饋到直流回路，當(dāng)直流回路電壓達(dá)到設(shè)定值305V（此值可通過軟件調(diào)整）時，制動回路IGBT打開，通過制動電阻將電能釋放掉。

為了使架線式交流傳動工礦電機(jī)車適應(yīng)大多數(shù)情況，取消了交流傳動所特有的再生制動功能，設(shè)置了整流管以阻止制動電流流向架線網(wǎng)，將電網(wǎng)頂?shù)?。可以根?jù)實際情況開通系統(tǒng)的再生制動功能。

3　變流器技術(shù)參數(shù)

由于大部分煤礦的架線網(wǎng)老化嚴(yán)重，網(wǎng)壓波動較大，網(wǎng)線高度起伏嚴(yán)重，會產(chǎn)生較大的沖擊電流，這增加了變流器主電路的設(shè)計難度，在元器件選型時要充分考慮。

10噸架線式交流傳動工礦電機(jī)車的主傳動形式為一臺牽引變流器帶動兩臺電機(jī)，網(wǎng)線電壓為250V（+20%，-25%），交流電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為：

額定功率25kW

額定電壓190V

額定電流87A

額定頻率29Hz

功率因數(shù)0.85

效率0.9

根據(jù)電機(jī)的參數(shù)可以對變流器的主要參數(shù)進(jìn)行選擇計算。

由于工礦機(jī)車采用的是架控方式，即一臺變流器拖動二臺電機(jī)，變流器輸出功率必須大于二臺電機(jī)的功率之和，選為50kW。

變流器的輸出電流為：

IO=P/（1.732UOηCOSφ）

=50000/（1.732×190×0.9×0.85）=198A

式中：P—牽引變流器額定輸出功率

UO—牽引變流器額定輸出電壓

η—牽引電動機(jī)的效率

COSφ—牽引電動機(jī)功率因數(shù)

因為工礦電機(jī)車牽引的礦車無制動裝置，給變流器帶來的沖擊較大，所以將變流器的輸出電流適當(dāng)放大，由此得出變流器的主要技術(shù)參數(shù)：

額定功率：50kW

輸入電壓：DC250V（187V～300V）

輸出額定電壓：AC190V

輸出額定電流：198A

額定頻率：29Hz

4　主電路元件的選擇計算

圖1　牽引變流器主電路原理圖

4.1 逆變器IGBT元件的選擇計算

由于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊具有驅(qū)動功率小、開關(guān)速度高、飽和壓降低、保護(hù)靈敏等許多優(yōu)點，所以逆變器的主要元件選擇為IGBT。

IGBT承受的最高電壓為

UM=（K1Udmax+UP）K2

=（1.15×300+100）×1.1

=489.5V

式中：K1—過電壓系數(shù)

K2—安全系數(shù)

Udmax—直流電壓最大值

UP—關(guān)斷即將結(jié)束時的尖峰電壓

流過IGBT的最大電流為

IM=1.414IOα1α2α3

=1.414×198×1.2×1.2×1.4

=564A

式中：α1—電流尖峰系數(shù)

α2—溫度降額系數(shù)

α3—過載系數(shù)

由以上計算，可選擇600V/300A的雙管IGBT模塊兩并作為逆變橋的一相橋臂。

4.2可控硅的選擇計算

牽引變流器的設(shè)計本著無觸點電路的原則，因此選擇可控硅作為主電路的電子開關(guān)。

可控硅的反向阻斷電壓必須大于IGBT承受的最高電壓即489. 5V，考慮到意外情況和國內(nèi)現(xiàn)有元件的生產(chǎn)情況，取反向阻斷電壓為800V。

直流側(cè)電流為

Id=（3×1.414/π）IOCOSφ

=1.35×198×0.85

=227A

流過可控硅的最大電流為

Idmax=α1α3Id

=1.2×1.4×227

=381A

由此，可選擇400A/800V的可控硅整流管臂對模塊作為電子開關(guān)。

濾波電抗器的電感值為

L=cU2/

D

=0.15×2502/34052

=8mH

式中：c—電壓紋波系數(shù)

電抗器的持續(xù)電流為

IL=P/Ud

=50000/250

=200A

通過以上計算，電抗器選擇8mH/200A的空心電感。

4.4濾波電容器的選擇計算

直流回路設(shè)置濾波電容器的主要功能是

（1）濾平電網(wǎng)的電壓紋波；

（2）當(dāng)負(fù)載變化時，使直流電壓保持平穩(wěn)

濾波電容器的電容值為

C=0.04IO/（ω1UdK）×106

=0.04×198/（2×3.14×0.5×250×0.1）

=10098μf

式中：ω1—變流器輸出電壓基波角頻率，ω1=2πf1，f1取最低頻率

K—系統(tǒng)允許的直流電壓波動系數(shù)

電容器的耐壓值為

U≥1.5Ud=375V

電容值選擇越大，其濾波效果越好，直流電壓保持的越平穩(wěn)，根據(jù)變流器的結(jié)構(gòu)尺寸和電解電容的尺寸，選擇3300μf/400V的電解電容6只并聯(lián)作為直流回路的濾波電容器。則濾波電容器的總電容值為

C=6×3300=19800μf

4.5制動回路的選擇計算

三相交流異步牽引電機(jī)在減速時，會將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，向電網(wǎng)回饋。當(dāng)電網(wǎng)的吸收能力飽和時，多余的電能將通過制動回路釋放。

4.5.1制動電阻的選擇計算

由于制動電阻消耗的是交流電機(jī)再生時產(chǎn)生的能量，因此其瞬時功率必須滿足以下條件：

Udmax

2/Rd≥P

則R≤Udmax2/P

≤3002/50000

≤1.8Ω

式中：P—變流器拖動的交流電機(jī)總功率

制動電阻也不宜太小，若該阻值太小，制動回路開通時，直流電壓下降太快會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此制動電阻阻值選為

Rd=1Ω

制動電阻的額定功率為PR=50kW

圖2　過流保護(hù)原理

4.3直流側(cè)電抗器的選擇計算

設(shè)置濾波電抗器主要有以下幾方面的考慮：

⑴濾除受電網(wǎng)側(cè)的工頻整流脈動，減小變流器輸入直流電壓的紋波；

⑵濾除變流器工作電流對直流電網(wǎng)的干擾；

⑶限制引機(jī)車脫弓復(fù)弓和直流網(wǎng)側(cè)電壓突然升高引起的電流沖擊。

由于電網(wǎng)電壓本身就是直流電壓，因此關(guān)于電感值的計算主要按第（3）條進(jìn)行。

系統(tǒng)可耐受的最大沖擊電流為

IIMP=Idβ1

=227×15

=3405A

式中：β1—沖擊電流系數(shù)

圖3　基、射極兩端跨接反向連接

4.5.2 制動回路中IGBT的選擇計算

該元件承受的電壓與逆變器IGBT元件的電壓相同，由于電流流過制動電阻，考慮到電網(wǎng)的波動，選取電網(wǎng)電壓最大的情況，因此最大電流為

IRM=Udmaxα2/R

=300×1.2/1

=360A

考慮到IGBT元件的采購方便，選用300A/600V的雙管IGBT模塊，將其上橋臂驅(qū)動封死只用反并二極管作為制動電阻的續(xù)流二極管。

4.6充電電阻的選擇計算

在變流器剛接通電源的瞬間，濾波電容器的充電電流非常大，過大的沖擊電流可能使可控硅整流管臂對模塊損壞，因此用充電電阻來限制充電電流。假設(shè)在2秒內(nèi)濾波電容器電壓沖至85%，由下式

0.85Ud=Ud（1-e-（t/RC））

則R=-t/（C×ln0.15）

=2/（19800×10-6×1.9）

=60Ω

充電電流為

IR=（Ud/R）e-（t/RC）

充電時充電電阻上的電壓為

UR=Ude-（t/RC）

則充電電阻的功率為

PR=IRUR

=37W

按照一般經(jīng)驗，為防止電阻過熱，長期使用電阻時，其功率應(yīng)在電阻額定功率的1/3～1/2之間，因此充電電阻選為60Ω/100W的瓷管電阻。

5　牽引變流器的保護(hù)

牽引變流器保護(hù)的目的是保證電力電子器件、電路、設(shè)備安全可靠運(yùn)行，在各種非正常工作狀態(tài)下不損壞，主要設(shè)置了快速熔斷器保護(hù)、短路保護(hù)和過壓保護(hù)。由于牽引變流器主電路以IGBT為核心組成，所以IGBT的保護(hù)是牽引變流器保護(hù)的核心。

5.1快速熔斷器保護(hù)

在主電路進(jìn)線側(cè)安裝一個快速熔斷器，防止出現(xiàn)意外情況時，損壞主電路中的功率器件。

已知變流器直流回路電流值為

Id=227A

快速熔斷器額定電流為

IFU≥KiId=1.5×227=340.5A

取快速熔斷器額定電流為IFU=350A

快速熔斷器額定電壓與逆變器IGBT額定電壓相同，選取快速熔斷器的參數(shù)為600V/350A。

5.2短路保護(hù)

因為電力電子器件抗浪涌電流能力差，所以當(dāng)發(fā)生短路或過載故障，器件中流過大于額定值的電流時，極易使器件管芯結(jié)溫迅速升高，導(dǎo)致器件損壞，因此短路保護(hù)十分重要。

變流器的短路保護(hù)按照檢測方法可分為過流保護(hù)和欠飽和保護(hù)兩種。

5.2.1過流保護(hù)

過流保護(hù)原理見圖2所示，在主電路的直流側(cè)，安裝一個電流傳感器，對變流器短路電流進(jìn)行檢測，如果檢測電流大于保護(hù)閥值，則保護(hù)電路動作，封鎖全部控制脈沖，關(guān)斷IGBT，達(dá)到保護(hù)的目的。

5.2.2欠飽和保護(hù)

IGBT的驅(qū)動芯片M57962L帶有保護(hù)功能，可檢測IGBT集電極C和發(fā)射極E間的電壓值，當(dāng)短路發(fā)生時，電流增大，VCE增大，VCE達(dá)到動作閥值時，M57962L發(fā)出短路信號，由控制器封鎖控制脈沖。

短路發(fā)生時，降低基極、發(fā)射極兩端電壓VGE能減小IGBT關(guān)斷時的內(nèi)部應(yīng)力，為此采取了以下措施：

（1）柵極電壓被分布減少，這樣短路電流會減小，當(dāng)IGBT關(guān)斷時，di/dt也會減小，毛刺尖峰電壓亦同時減小。

（2）在基極、發(fā)射極兩端直接跨接兩個反向連接的穩(wěn)壓二極管以限制VGE，從而限制短路電流的峰值，如圖3所示。

5.3過壓保護(hù)

IGBT在開通和關(guān)斷過程中，會產(chǎn)生電壓尖峰，在IGBT模塊正負(fù)電源之間設(shè)置了無感吸收電容，用以控制關(guān)斷浪涌電壓和續(xù)流二極管恢復(fù)浪涌電壓。

變流器在設(shè)計時，其直流側(cè)到逆變橋臂存在線路分布電感，當(dāng)IGBT關(guān)斷時，正向電流突變會因此電感存在而在IGBT兩端產(chǎn)生過電壓。為了減小線路分布電感，采用以下方法：

（1）直流側(cè)濾波電容與逆變橋臂安裝位置盡量靠近以縮短連線，兩部分之間連接的正負(fù)母線盡量靠近，以減小所包圍面積；

（2）無感吸收電容通過一塊印刷電路板直接安裝在IGBT的正負(fù)母線上，以減小線路分布電感；

（3）采用疊層功率母線設(shè)計，既可以減小線路電感，又兼有吸收電路功能，同時還可以減小主電路體積。

另外，直接檢測直流回路的電壓，當(dāng)其高過直流網(wǎng)線最大波動電壓，達(dá)到305V時，制動回路IGBT打開，通過制動電阻將電能釋放掉。如果電壓仍繼續(xù)上升到315V時，由控制電路將逆變回路切斷，同時發(fā)出過壓信號。

6　結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了10噸架線式交流傳動工礦電機(jī)車用牽引變流器的主電路設(shè)計及幾種保護(hù)的原理，牽引變流器經(jīng)過實際裝車運(yùn)行，效果很好，達(dá)到了設(shè)計目的。

［1］三菱電機(jī)應(yīng)用手冊（第三代IGBT和智能功率模塊）.MitsubishiEle ctricCompany.

［2］王兆安，張明勛.電力電子設(shè)備設(shè)計和應(yīng)用手冊.機(jī)械工業(yè)出版社.

［3］張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.