◎王芳蘭

交流傳動(dòng)電力機(jī)車動(dòng)力性能控制

◎王芳蘭

文章通過對機(jī)車動(dòng)力控制方式，交流電機(jī)的特性，及電機(jī)工作參數(shù)控制的方法，對機(jī)車牽引變流器的原理、結(jié)構(gòu)、控制進(jìn)行了細(xì)致的分析和論述。機(jī)車的控制是通過動(dòng)態(tài)調(diào)整交流牽引電機(jī)實(shí)際工作點(diǎn)，以適應(yīng)機(jī)車牽引特性的要求，四象限整流器調(diào)節(jié)的是輸入電壓與電網(wǎng)電壓的相位關(guān)系，牽引逆變器調(diào)節(jié)的是輸出電壓與交流牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系，調(diào)節(jié)的主線是保持能量傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)平衡。使機(jī)車性能控制滿足重載牽引運(yùn)輸?shù)男枰⒆畲笙薅鹊乩昧穗娋W(wǎng)的牽引供電能力。

和諧系列大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車現(xiàn)在已經(jīng)成為我國重載牽引的主力機(jī)型，到現(xiàn)在我段配屬機(jī)車中，和諧1型、和諧2型大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車占到配屬機(jī)車的80%以上。而現(xiàn)有技術(shù)資料有限，且由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)和技術(shù)保密等原因，至今還沒有一種技術(shù)資料對其控制方式進(jìn)行系統(tǒng)解釋和說明。為了方便廣大職工學(xué)習(xí)和掌握和諧型重載機(jī)車的理論知識(shí)，結(jié)合和諧1型、和諧2型、和諧3型大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車的控制方式不同和本人的理解，現(xiàn)對和諧系列大功率交流傳動(dòng)機(jī)車性能控制理論進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

機(jī)車動(dòng)力控制概況分析

機(jī)車性能參數(shù)的控制主要是由機(jī)車司機(jī)通過司機(jī)控制器來控制機(jī)車的工作狀態(tài)和參數(shù)，以達(dá)到控制機(jī)車動(dòng)力輸出的工作狀態(tài)。從內(nèi)燃機(jī)車、交直流傳動(dòng)電力機(jī)車到交直交傳動(dòng)機(jī)車，其控制方式和控制原理是有較大的區(qū)別的。

內(nèi)燃機(jī)車由于機(jī)車自帶全部動(dòng)力系統(tǒng)，其動(dòng)力控制是通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率以及機(jī)車的牽引制動(dòng)工況，實(shí)現(xiàn)完全控制機(jī)車的動(dòng)力性能。

交直流傳動(dòng)電力機(jī)車，由于其饋電電源來自交流電網(wǎng)，無法對線路上的每臺(tái)機(jī)車單獨(dú)控制，在電源動(dòng)力轉(zhuǎn)換時(shí)，主變壓器采用有級控制的方式。通過控制主變壓器工作時(shí)的變比，控制傳動(dòng)裝置輸出的電壓和功率。

對于以上兩種類型的機(jī)車，由于傳動(dòng)裝置輸出能在較大速率范圍內(nèi)符合牽引動(dòng)力的牛馬特性，利用傳動(dòng)裝置的自然特性，不需要對傳動(dòng)裝置進(jìn)行專門控制，只需要把司機(jī)控制器手柄信號(hào)轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)或主變級數(shù)控制信號(hào)，就完全可以實(shí)現(xiàn)機(jī)車牽引動(dòng)力和狀態(tài)的控制。

對于交直交流傳動(dòng)的和諧系列大功率電力機(jī)車，由于采用了交流牽引電機(jī)作為機(jī)車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元，而交流電機(jī)的工作特性自適應(yīng)的工作范圍比較窄，只有在電源工作頻率下方很小的范圍內(nèi)電機(jī)才能穩(wěn)定工作，所以必需對傳動(dòng)裝置進(jìn)行相對復(fù)雜的動(dòng)態(tài)控制，使其在機(jī)車全部工作狀態(tài)的范圍內(nèi)，輸出使交流電機(jī)能夠穩(wěn)定工作的可控制電源。

和諧系列機(jī)車的牽引特性分析

由和諧1型、和諧2型及和諧3型大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車的牽引特性（如圖）可以看出，機(jī)車的全部工作范圍按速度可以分為3個(gè)階段：即恒牽引力工作區(qū)段、線性控制工作區(qū)段和恒功率控制工作區(qū)段三個(gè)限制工作區(qū)段。

在牽引工況下，分為機(jī)車恒牽引力（轉(zhuǎn)矩）啟動(dòng)階段、線性控制加速階段和恒功率調(diào)速牽引工作區(qū)段。在啟動(dòng)階段，機(jī)車速度低于5km/h（和諧3型機(jī)車為10km/ h）時(shí)，機(jī)車牽引力恒定不變，在機(jī)車速度達(dá)到65km/h(25噸軸重機(jī)車為70km/h)時(shí)，機(jī)車進(jìn)入恒功率調(diào)速控制模式，在5km/h到65km/h之間的區(qū)間采用線性調(diào)速控制模式。和諧1型和和諧2型機(jī)車控制采用無級調(diào)速恒速控制方式，而和諧3型機(jī)車采用分級調(diào)速控制方式，在機(jī)車手柄級數(shù)較低時(shí)（5級以下）不會(huì)進(jìn)入力矩限制工作區(qū)段，機(jī)車從恒牽引力工作狀態(tài)直接進(jìn)入準(zhǔn)恒速工作狀態(tài)；在機(jī)車手柄級數(shù)較高（7級以上）時(shí)，機(jī)車經(jīng)過恒牽引力控制、線性控制和恒功率控制三個(gè)限制工作區(qū)段進(jìn)入準(zhǔn)恒速工作狀態(tài)，當(dāng)機(jī)車速度進(jìn)入較高速度范圍，電機(jī)工作電壓和工作電流都達(dá)到最大值時(shí)，只能改變輸出頻率進(jìn)行調(diào)速，機(jī)車進(jìn)入限制特性工作區(qū)。

在機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)工況下，在機(jī)車運(yùn)行速度較高時(shí)，機(jī)車工作在恒功率制動(dòng)控制模式，在機(jī)車運(yùn)行速度較低接近停車區(qū)域時(shí)，機(jī)車工作在線性控制工作模式，在中間區(qū)段，機(jī)車工作在恒制動(dòng)力的限制工作模式。在參數(shù)設(shè)計(jì)上，和諧1型機(jī)車23噸軸重和25噸軸重機(jī)車工作區(qū)段轉(zhuǎn)折點(diǎn)相同，都是5km/h和75km/h。和諧2型機(jī)車線性限制工作區(qū)與恒制動(dòng)力限制工作區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是10km/h，恒功率制動(dòng)限制工作曲線在機(jī)車不同軸重情況下，進(jìn)入恒制動(dòng)力限制工況轉(zhuǎn)折點(diǎn)的速度和制動(dòng)力是不同的，軸重越大，其制動(dòng)力越大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度越低。和諧3型機(jī)車采用有級控制準(zhǔn)恒速控制模式，機(jī)車采用25噸軸重時(shí)在恒制動(dòng)力區(qū)和恒功率區(qū)的制動(dòng)力都要比23噸軸重機(jī)車的制動(dòng)力要大，而各個(gè)手柄位的限制曲線不變，手柄位越高，其限制制動(dòng)速度越高，當(dāng)機(jī)車運(yùn)行速度低于限制速度時(shí)機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)力會(huì)迅速下降，機(jī)車失去動(dòng)力制動(dòng)的作用，在操縱中司機(jī)要根據(jù)機(jī)車運(yùn)行速度的變化及時(shí)調(diào)整手柄位置，保證機(jī)車處于正常動(dòng)力制動(dòng)的工作狀態(tài)。

和諧系列機(jī)車牽引電機(jī)特性分析

和諧系列大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車牽引電機(jī)采用感應(yīng)式三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)。根據(jù)交流電機(jī)的扭矩特性（如圖4）可以看出，交流電機(jī)在電源電壓和頻率不變的情況下，其工作范圍可分為三個(gè)部分，從電機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)A到最大扭矩點(diǎn)B之間，電機(jī)的扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，電機(jī)處于加速啟動(dòng)狀態(tài)，在電機(jī)轉(zhuǎn)速超過最大制動(dòng)扭矩B’點(diǎn)以后，制動(dòng)扭矩隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，在這兩個(gè)工作區(qū)段，電機(jī)處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)；從電機(jī)最大扭矩點(diǎn)B到同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)C之間，電機(jī)輸出扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增加迅速減小至零，超過同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)C之后，電機(jī)進(jìn)入動(dòng)力制動(dòng)狀態(tài)，變?yōu)榘凑瞻l(fā)電機(jī)工作狀態(tài)運(yùn)行，到最大制動(dòng)扭矩B’點(diǎn)之間，制動(dòng)扭矩隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，電機(jī)輸出特性與負(fù)載特性相匹配，電機(jī)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。當(dāng)機(jī)車由于負(fù)載變化，速度增加時(shí)，電機(jī)通過減小輸出扭矩或增加制動(dòng)扭矩，使機(jī)車速度回復(fù)穩(wěn)定的工作速度，達(dá)到新的工作平衡點(diǎn)。同樣，當(dāng)機(jī)車由于負(fù)載變化，速度減小時(shí)，電機(jī)通過增大輸出扭矩或減小制動(dòng)扭矩，使機(jī)車速度回復(fù)穩(wěn)定的工作速度，達(dá)到新的工作平衡點(diǎn)。在從B點(diǎn)到B’點(diǎn)的全部工作區(qū)段中，電機(jī)在每一點(diǎn)都可以通過動(dòng)態(tài)調(diào)整是電機(jī)自動(dòng)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。交流電機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)工作轉(zhuǎn)速范圍很小，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場一致達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)的輸出扭矩降為零。也就是說要使電機(jī)一直保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，必須把電機(jī)的轉(zhuǎn)差率控制在一個(gè)很小的范圍內(nèi),使電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工作在同步轉(zhuǎn)速附近。

轉(zhuǎn)子電流I2和轉(zhuǎn)子功率因數(shù)COSφ2可用公式表示，帶入轉(zhuǎn)矩公式后，公式可變換為：

E20為電機(jī)靜止時(shí)轉(zhuǎn)子自感電動(dòng)勢，S為轉(zhuǎn)差率，R為轉(zhuǎn)子內(nèi)阻，X20為電機(jī)靜止時(shí)轉(zhuǎn)子感抗。

額定工況工作時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)差率S很小，與轉(zhuǎn)子阻抗R2相比S·X20可以忽略不計(jì)，而Φ、E20都與電壓U成正比，交流電機(jī)的扭矩公式可以變換為T=K(U/f)2fs,fs為轉(zhuǎn)差頻率。從公式可以看出電機(jī)輸出扭矩與電源電壓與頻率的比值的平方成正比，與電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率成正比。根據(jù)交流電機(jī)特性曲線（如圖4）、和諧系列機(jī)車的牽引制動(dòng)特性曲線（如圖1-3）及和諧1型、和諧2型及和諧3型機(jī)車牽引電機(jī)特性曲線（如圖5-7）要求可以看出，只要分別控制變流器輸出的頻率、電壓，就可以控制交流牽引電機(jī)同步轉(zhuǎn)速和輸出扭矩，按機(jī)車設(shè)計(jì)的牽引和制動(dòng)特性曲線，控制機(jī)車按設(shè)定的參數(shù)運(yùn)行。

和諧系列機(jī)車牽引變流器性能控制的分析與探討

根據(jù)交流牽引電機(jī)的特性分析，通過調(diào)整主變流器輸出電壓的頻率，可以調(diào)控交流牽引電機(jī)的同步運(yùn)行轉(zhuǎn)速。在變流器輸出電壓不變時(shí)，隨著電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的增加，電機(jī)輸出扭矩與電源頻率的平方成反比例下降。為了使變流器的輸出與交流電機(jī)的工況相匹配，需要單獨(dú)控制變流器的輸出的電壓和頻率。

分析和諧1型、和諧2型、和諧3型大功率交流傳動(dòng)機(jī)車主變流器，雖然其所選原件和控制參數(shù)有所差異，其控制原理都是一樣的。

機(jī)車主牽引變流器分為四象限整流器、中間直流環(huán)節(jié)和四象限逆變器三個(gè)部分，整流器和逆變器的核心原件都是采用的IGBT模塊。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)絕緣柵雙極型晶體管，有輸入阻抗高和導(dǎo)通壓降低兩方面的優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)功率小，非常適合應(yīng)用于變頻器。IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成，封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器。中間直流環(huán)節(jié)采用巨型電容作為儲(chǔ)能元件，可以把整流器和逆變器隔離開來，吸收IGBT模塊通斷時(shí)產(chǎn)生的高次諧波，使中間直流環(huán)節(jié)保持穩(wěn)定的工作電壓。由于主變流器的四象限整流器和四象限逆變器都采用IGBT模塊，在不采取任何控制時(shí)，整流器就是一個(gè)全橋單相整流器，逆變器就是一個(gè)三相全橋整流器。在對IGBT進(jìn)行控制的情況下，整流器和逆變器都可以在四個(gè)相限進(jìn)行工作。通過控制IGBT模塊的通斷，控制交流端電壓的大小、頻率和相位角，就可以控制其工作在整流器或者逆變器的工作狀態(tài)。下面對變流器各工作單元在不同工況下工作狀態(tài)進(jìn)行具體的分析。

機(jī)車牽引工況下變流器工作狀態(tài)分析

由于IGPT模塊開關(guān)損耗及冷卻條件的限制，其最大工作頻率受到一定的限制，調(diào)制頻率不能超出IGPT的限制工作頻率。在高速區(qū)段，由于變流器輸出端電壓已經(jīng)達(dá)到工作的最大值，只能通過調(diào)整輸出頻率和轉(zhuǎn)差頻率來調(diào)節(jié)機(jī)車運(yùn)行速度，因此，在高速區(qū)段可采用單倍頻方波調(diào)制方式，直接輸出方波電壓波形。在速度較低時(shí)，由于輸出頻率較低，采用方波調(diào)制會(huì)產(chǎn)生較大的諧波干擾，功率因數(shù)較低，為了改善波形，提高效率，改善牽引電機(jī)的工作條件，一般釆取方波脈沖調(diào)制方式輸出。

變流器的輸出最終是要控制三相交流牽引電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，從牽引逆變器的控制來看逆變器要實(shí)現(xiàn)以下三方面作用：

首先要進(jìn)行相位控制來保證按三相交流電相位進(jìn)行輸出；通過對逆變器三相整流模塊W、M、N的IGPT模塊控制的調(diào)制基波按120度的相位差進(jìn)行控制，由于三相橋輸出波形與與其對應(yīng)的調(diào)制基波波形保持一致，可保證牽引逆變器按標(biāo)準(zhǔn)三相交流電相位進(jìn)行輸出。第二，要進(jìn)行電壓和頻率控制，保證牽引電機(jī)扭矩特性按機(jī)車的牽引特性要求輸出；要控制變流器輸出電壓與頻率的比值大小，使其與牽引電機(jī)輸出扭矩一致。逆變器的輸出是通過IGBT模塊的通斷，使其輸出端與中間直流電源或地直接聯(lián)通，使其輸出幅值為直流電源電壓的矩形脈沖。通過調(diào)制波與載波信號(hào)的比較來控制IGBT模塊的通斷，改變載波與調(diào)制波的幅值比，可以改變IGBT模塊輸出的占空比，相應(yīng)的改變單個(gè)周期的電壓的平均值；通過改變單位時(shí)間內(nèi)周期的個(gè)數(shù)，改變輸出電壓的頻率，可以改變交流電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。在調(diào)節(jié)過程中保持電壓與輸出頻率的比值不變，可以保持電機(jī)輸出的扭矩在速度變化時(shí)保持不變,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒扭矩調(diào)速。第三、要進(jìn)行轉(zhuǎn)差率控制，保證電機(jī)工作在穩(wěn)定工作區(qū)；從電機(jī)扭矩特性曲線可以看出，在電機(jī)加速調(diào)節(jié)過程中，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)差率迅速減小，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近到同步轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)輸出扭矩迅速減小到零輸出。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，轉(zhuǎn)差率增大時(shí)，電機(jī)輸出扭矩同時(shí)增大，提高機(jī)車的加速能力。如果超過最大扭矩點(diǎn)，電機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū)，就會(huì)造成扭矩輸出迅速減小，造成機(jī)車途中停車。所以，牽引逆變器的控制主要是根據(jù)機(jī)車實(shí)際運(yùn)行速度，也就是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制逆變器調(diào)制基波的頻率，使電機(jī)工作在規(guī)定的轉(zhuǎn)差率范圍內(nèi)，同時(shí)控制輸出電壓大小，使?fàn)恳姍C(jī)扭矩輸出按機(jī)車牽引曲線運(yùn)行。由于電機(jī)轉(zhuǎn)差率控制在很小的數(shù)字上，使電機(jī)的功率因數(shù)保持很高接近于1，保證電機(jī)輸入的功率全部用于對外輸出，提高了機(jī)車能源利用效率，同時(shí)減小了電機(jī)的諧波沖擊和電機(jī)發(fā)熱，改善了電機(jī)的工作條件。

根據(jù)電機(jī)的扭矩特性分析，電機(jī)在輸入電壓和頻率不變的情況下，電機(jī)的輸入電流可用以下公式表示：

I=(U-E1-E2)/R

U—輸入端電壓；E1—定子線圈自感電動(dòng)勢；E2—轉(zhuǎn)子線圈互感電動(dòng)勢；R—定子線圈電阻。

在電機(jī)啟動(dòng)之前，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，定子線圈的自感電動(dòng)勢是保持恒定抵消絕大部分電壓，E2反向最大，電源合成后，相當(dāng)于E2電壓全部加在定子電阻上，電機(jī)的啟動(dòng)電流非常大，一般電機(jī)的啟動(dòng)電流都在額定電流的6～8倍左右。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，E2迅速增大，使電機(jī)電流迅速減小。在電機(jī)穩(wěn)定工作區(qū)的范圍內(nèi)，電機(jī)電流隨轉(zhuǎn)速的增加成線性減小關(guān)系。

四象限整流器是變流器中的另一個(gè)主要環(huán)節(jié)，是變流器中的能量輸入環(huán)節(jié)，與中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)共同構(gòu)成能量傳遞的傳送控制鏈。

四象限整流器主要要解決以下幾個(gè)問題：保持中間直流環(huán)節(jié)的電壓保持穩(wěn)定；保持整流電流滿足牽引電機(jī)工作時(shí)的需要；保證機(jī)車供電電流變化趨勢與電網(wǎng)供電電壓相匹配。

從四象限整流器的結(jié)構(gòu)分析，四象限整流器采用IGBT元件與二極管反向并聯(lián)的方式，使其具有電流雙向流通單向可控的特點(diǎn)，按照全橋整流方式聯(lián)結(jié)后，使其整流具有雙向可控的能力，在交流端電壓或直流負(fù)載發(fā)生變化的情況下，直流輸出電壓可以控制在恒定的狀態(tài)。

四象限整流器在IGBT控制信號(hào)關(guān)閉的情況下，與二極管全橋整流電路是一樣的。由于電路中存在非線性的濾波電容和和電機(jī)線圈電感元件，電路的功率因數(shù)不可能達(dá)到1.0的數(shù)值。采用四象限整流的主要功能就是實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的控制。

四象限整流器控制功率因數(shù)的方法是讓網(wǎng)側(cè)電流接近正弦波，并且與電壓同相。為控制電壓和電流的相位關(guān)系，在變流器的四象限整流器與主變供電線圈之間串聯(lián)一個(gè)電感線圈，用以補(bǔ)償變流器工作時(shí)由于負(fù)載電流變化中間直流環(huán)節(jié)濾波電容造成的供電電源相位的變化。由于補(bǔ)償電感線圈的電壓Uls超前電流Is相位90度，電壓的大小與通過的電流Is和頻率f成正比，所以，必須控制四象限整流器輸入電壓Uc與電源電壓Us之間的相位與電源Us初相位偏移角φ，使電感線圈電壓與整流器輸入電壓的非線性分量Uc*sinφ相互抵消，才能使主變輸出端的電壓Us和電流Is相位保持一致，使機(jī)車的功率因數(shù)為1.0，其矢量圖如圖8所示。

由于串聯(lián)電感線圈的存在，并且四象限整流器釆用PWM調(diào)制技術(shù)，因此四象限整流器實(shí)質(zhì)上是個(gè)升壓斬波器。在交流電流正半周期內(nèi)當(dāng)V、X模塊導(dǎo)通時(shí)，電網(wǎng)電源Us和直流電源Ud形成疊加效應(yīng)，快速向電感線圈充電，當(dāng)V、X有一個(gè)模塊導(dǎo)通時(shí)，通過U、Y對應(yīng)的續(xù)流二極管，電網(wǎng)電源Us繼續(xù)對電感線圈進(jìn)行充電；當(dāng)V、X模塊全部截至?xí)r，由于電感元件電流的連續(xù)性，電網(wǎng)電源和電感線圈電壓疊加通過U、Y的續(xù)流二極管對中間直流電源進(jìn)行供電，由于電感的疊加作用，可以使中間直流電源獲得比電源最大整流電壓更高的電壓，具有升壓整流的作用。同樣在交流電流負(fù)半周期內(nèi)，U、Y模塊的作用與正半周V、X模塊起到的作用相同。

和諧系列機(jī)車四象限整流器的工作原理是一樣的，根據(jù)機(jī)車選用IGBT模塊參數(shù)的不同，其工作參數(shù)也各有所不同。和諧1型機(jī)車IGBT模塊最大開關(guān)頻率250Hz,采用5倍頻同步調(diào)制，最大輸入電流1712A。和諧2型機(jī)車最大開關(guān)頻率800Hz，采用15倍頻同步調(diào)制，最大輸入電流1699A。和諧3型機(jī)車最大開關(guān)頻率450Hz，采用9倍頻同步調(diào)制，最大輸入電流966A。逆變器與四象限整流器采用相同的元件，具有較高的輸出頻率范圍，分別是0-116Hz、0-141Hz和0-120Hz。最大輸出電流分別為1566A、1900A和520A。由于開關(guān)原件受到開關(guān)損耗和冷卻調(diào)件的影響，開關(guān)頻率收受到限制，在機(jī)車中高速工作區(qū)段，一般采用同步脈沖調(diào)制方式。隨著輸出頻率的降低，脈沖調(diào)制輸出波形失真逐步增大，功率因數(shù)降低，穩(wěn)定工作點(diǎn)的離散性也越來越大，工作狀態(tài)變差。為了充分利用IGBT模塊的開關(guān)頻率，改善逆變器在低頻率輸出區(qū)段的波形，一般采用異步脈沖調(diào)制方式。

機(jī)車制動(dòng)工況下變流器工作狀態(tài)分析

根據(jù)交流牽引電機(jī)的特性曲線可以看出，在電機(jī)轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速后，電機(jī)轉(zhuǎn)子相對旋轉(zhuǎn)磁場的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，轉(zhuǎn)差率變?yōu)樨?fù)值，電機(jī)輸出扭矩方向發(fā)生改變，電機(jī)進(jìn)入動(dòng)力制動(dòng)狀態(tài)。電機(jī)電流方向也發(fā)生改變，由流入電機(jī)變?yōu)榱鞒鲭姍C(jī)，電機(jī)由電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行。

對于牽引逆變器來說，其控制輸出的相位、電壓和頻率控制與牽引工況是一樣的，所不同的是輸出電流的方向發(fā)生改變，并控制電機(jī)轉(zhuǎn)差率為負(fù)值，使電機(jī)在穩(wěn)定的工作范圍以內(nèi)工作。

對于四象限整流器來說，牽引工況下控制整流器輸入電壓Uc相位角滯后電網(wǎng)電源電壓Us，能量流動(dòng)電網(wǎng)流向變流器方向。在動(dòng)力制動(dòng)工況下，整流器輸入電壓Uc相位角變?yōu)槌半娋W(wǎng)電源電壓Us，在同樣的控制信號(hào)狀態(tài)下，由于電壓的相位發(fā)生變化，在交流電流正半周期內(nèi)當(dāng)控制信號(hào)加在V、X模塊上時(shí)，由于模塊兩端的電位差反向，模塊并不導(dǎo)通，電感線圈通過V、X模塊對應(yīng)的續(xù)流二極管對電網(wǎng)和中間直流環(huán)節(jié)放電。當(dāng)控制信號(hào)加在U、Y模塊上時(shí)，模塊導(dǎo)通，直流電源Ud通過U、Y模塊向電感線圈Ls及電網(wǎng)電源Us反向充電，當(dāng)U、Y只有一個(gè)模塊導(dǎo)通時(shí)，由于電感元件電流的連續(xù)性，電感線圈通過導(dǎo)通模塊U（Y）和模塊V（X）的續(xù)流二極管，繼續(xù)對電網(wǎng)電源Us進(jìn)行充電；同樣在交流電流負(fù)半周期時(shí)，V、X模塊的作用與U、Y模塊在正半周起到的作用相同。

通過以上分析可以看出，在機(jī)車制動(dòng)工況下，牽引逆變器輸出電壓的頻率低于交流牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，電機(jī)在負(fù)轉(zhuǎn)差率工況下運(yùn)行，在交流電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流的頻率為f2-f1，電機(jī)工作在異步發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電頻率為f2-（f2-f1）= f1，與逆變器輸出頻率和相位都相同，幅值大于逆變器輸出，使逆變器工作電流反向，逆變器實(shí)際上工作在可控三相四象限整流器狀態(tài)。而四象限整流器，由于控制基波相位超前于電網(wǎng)電壓相位，四象限整流器交流端電流也同時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn)變?yōu)橄螂娋W(wǎng)饋電，四象限整流器工作在可控逆變器狀態(tài)。與牽引逆變器所不同的是，四象限整流器逆變工作的輸出頻率與電網(wǎng)頻率相同，是固定不變的。

在和諧系列大功率交流電力傳動(dòng)機(jī)車動(dòng)力傳輸系統(tǒng)中，交流牽引電機(jī)是動(dòng)力輸出的執(zhí)行環(huán)節(jié)，機(jī)車動(dòng)力與性能的控制是通過動(dòng)態(tài)調(diào)整交流牽引電機(jī)實(shí)際工作點(diǎn)，以適應(yīng)機(jī)車牽引特性的要求，并最大限度地利用牽引供電的能力。牽引變流器是電源與交流牽引電機(jī)之間的中間環(huán)節(jié)，把動(dòng)力源與輸出單元隔離開來，單獨(dú)的進(jìn)行控制，使交流變換控制的復(fù)雜問題得到簡單化的處理。同理通過大電容的變流器中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)把變流器的四象限整流器與逆變器隔離開，使整流器和逆變器的各種調(diào)節(jié)和變換都在中間直流環(huán)節(jié)保持穩(wěn)定的電壓下進(jìn)行。四象限整流器調(diào)節(jié)的是輸入電壓與電網(wǎng)電壓的相位關(guān)系，牽引逆變器調(diào)節(jié)的是輸出電壓與交流牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系，調(diào)節(jié)的主線是逆變器直流端輸入輸出的電流與整流器直流端輸入輸出的電流保持一致，也就是保持能量傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)平衡。牽引逆變器的控制基準(zhǔn)參數(shù)是牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，四象限整流器的控制基準(zhǔn)參數(shù)是中間直流環(huán)節(jié)的工作電流，由于中間直流環(huán)節(jié)電壓保持恒定，四象限整流器的實(shí)際控制基準(zhǔn)參數(shù)是牽引電機(jī)的輸出功率的大小。通過這種方式，使機(jī)車性能控制滿足重載牽引運(yùn)輸?shù)男枰?，并使功率因?shù)保持在1.0附近，最大限度地利用了電網(wǎng)的牽引供電能力。

（作者單位：大秦鐵路股份有限公司湖東電力機(jī)務(wù)段教育科）