劉 軍

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大功率牽引變流器輸入回路設計

劉 軍

大功率變流器輸入回路在控制系統(tǒng)邏輯命令下控制充電短接回路的換接，并將其工作情況反饋給傳動控制單元，同時還具有電路保護作用。本文對大功率牽引變流器輸入回路基本原理、控制方法以及各部件選型進行研究，并進行了優(yōu)化設計。

大功率變流器；輸入回路；部件；控制

0 引言

牽引變流器是軌道車輛牽引系統(tǒng)的核心部件，堪稱列車的“心臟”。其利用電力電子開關元器件的高速關斷功能，將接觸網提供的直流或單相交流電轉變?yōu)榭勺冾l變壓的三相交流電以驅動電機，實現(xiàn)對牽引電機的矢量或力矩控制。

實現(xiàn)交流電向直流電轉變的稱為整流器，主要應用于“韶山”系列電力機車；實現(xiàn)直流電向交流電轉變的稱為逆變器，主要應用于城市軌道交通，如地鐵車輛、低地板車輛等；實現(xiàn)交-直-交轉變的稱為變流器，主要應用于“和諧”系列電力機車以及動車、高鐵列車。牽引變流器主要由輸入回路單元、整流單元、中間直流回路、逆變單元、冷卻系統(tǒng)、檢測單元以及控制單元組成。本文主要研究牽引變流器輸入回路的功能及控制策略。

1 輸入回路主電路

牽引變流器輸入回路連接主變壓器的次邊繞組和整流模塊或逆變模塊，是整個變流器的輸入端。其典型主電路如圖1、圖2所示。

由圖1可知，牽引變流器輸入回路主要由1個線路接觸器KM1和1個由充電接觸器KM2、充電電阻R1組成的支路并聯(lián)而成。KM1為干路接觸器，在變流器正常工作時，電流由其輸入整流器模塊。KM2和R1串聯(lián)組成充電回路，在變流器啟動時，為中間直流回路中的支撐電容充電，防止瞬時沖擊電流損壞器件。當電容電量充電至85%時，合上線路接觸器KM1，斷開充電接觸器KM2，變流器進入正常工作工況[1]。

圖1 牽引變流器輸入回路典型主電路

圖2 牽引逆變器輸入回路典型主電路

由圖2可知，牽引逆變器的輸入回路在圖1基礎上增加了1個線路電抗器FL、1個電壓傳感器VH1和1個電流傳感器LH2。線路電抗器FL的功能為減小輸入直流電的波動，保持電流的穩(wěn)定。電壓傳感器VH1的功能是檢測輸入電壓的大小，將檢測結果反饋給傳動控制單元，當輸入電壓大于或小于某一設定的保護值時，傳動控制單元發(fā)出命令將輸入回路斷開，以保護變流器。電流傳感器LH1、LH2一方面檢測輸入電流的大小，另一方面可檢測主電路的接地，理論上2個電流傳感器檢測的電流大小相等，當主電路發(fā)生接地故障時，2個電流值會出現(xiàn)一個差值，該差值大于某一設定值（50～100 A）時認為主電路接地。

2 部件選型計算

2.1 線路接觸器

線路接觸器KM1通過低電壓控制信號控制大電壓電流的通斷，并具有信號反饋功能，機械性能滿足變流器整體可靠性要求，選型主要通過電壓和電流值確定。接觸器原理結構如圖3所示。

圖3 線路接觸器原理

圖3中，1A-1B為主線路觸點；1A1-1A2為控制線圈連接點；11-12觸點與充電接觸器的相關觸點組成聯(lián)鎖開關，以保證充電短接回路在某一時間點只存在一條通路；13-14觸點將接觸器的狀態(tài)反饋給控制單元。

2.2 充電接觸器

充電接觸器KM2的額定工作電壓值與線路接觸器額定工作電壓值一致，其額定工作電流由額定工作電壓值除以充電電阻阻值并取一定裕量得到。在選擇接觸器時還應注意直流與交流的區(qū)別。充電接觸器的原理結構如圖4所示。

圖4中，2A-2B為主線路觸點；2A1-2A2為控制線圈連接點；21-22觸點與線路接觸器的相關觸點組成聯(lián)鎖開關；25-26為狀態(tài)反饋信號觸點。

圖4 充電接觸器原理

2.3 充電電阻

充電電阻的作用是限制充電電流的大小，同時需滿足設計的充電時間。充電電阻R1與支撐電容C組成RC電路，根據RC電路的特性，當電容初始電量為0時，其電壓隨充電時間的變化式[2]為

式中，u為充電s后電容電壓值，V；為電容終止電壓值，V；為充電時間，s；為時間常數(shù)，s。

時間常數(shù)的計算式[2]為

=（2）

式中，為充電電阻值，W；為支撐電容容量，F(xiàn)。

由式（1）、式（2）可得電阻的計算式為

充電電阻工況特殊，會瞬時通過較大電流并產生較大熱量，選用時應考慮其耐沖擊性和散熱性。

2.4 線路電抗器

線路電抗器的作用是穩(wěn)定線路中的電壓電流。由于機車變流器中整流器和逆變器可對中間回路實行兩端控制，減小了線路中電流的波動，因此機車變流器中線路電抗器已基本取消。城軌用牽引逆變器變流模塊向電網饋能時，電流有較大波動，其電抗器必須保留。

2.5 傳感器

根據所測電壓電流的平均值和最大值選擇電壓電流傳感器。因為電流信號的抗干擾能力較強且能適應較長的傳輸距離，優(yōu)先選用電流型傳感器。對傳感器的變換比，設計時應考慮傳動控制單元對電流大小的限定。

3 控制策略

變流器開始工作時，傳動控制單元首先發(fā)出命令使充電回路接通，充電完成后合上線路接觸器并斷開充電接觸器，變流器正常工作。其控制原理如圖5所示。

變流器啟動時，傳動控制單元向繼電器2發(fā)出充電控制信號，使繼電器2的控制線圈得電，繼電器2連通后控制充電接觸器的控制線圈得電，使充電回路接通，變流器中間回路開始充電?？刂茊卧ㄟ^充電時間決定充電短接回路的換接。充電完成后，控制單元發(fā)出短接控制信號控制繼電器1接通，進而控制短接接觸器的主觸點閉合。

圖5 輸入回路控制原理

短接接觸器和充電接觸器之間通過輔助觸點實現(xiàn)聯(lián)鎖控制，即同一時間內只有一個接觸器接通，防止短路燒損器件。

充電接觸器和短接接觸器通過輔助觸點將主觸點的接通/斷開狀態(tài)反饋給傳動控制單元。當控制單元向某個接觸器發(fā)出閉合的控制信號，而該接觸器反饋的信號為斷開時，則判斷該接觸器卡分，同理可判斷其卡合。

電源模塊向接觸器提供控制用電源，城軌用變流器一般使用24 V電源，機車及動車組用變流器一般使用110 V電源。

4 輸入回路優(yōu)化設計

通過分析大量現(xiàn)場使用情況可知，輸入回路電流的波動對模塊和整個供電接觸網的影響較大，可在輸入回路中接入一LC濾波回路對輸入回路進行優(yōu)化。優(yōu)化設計的輸入回路如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后輸入回路

5 結語

大功率變流器輸入回路的設計及部件選型應綜合考慮電壓、電流等級以及可靠性、經濟性等要求。本文介紹了大功率變流器輸入回路的基本原理、部件的選型計算及控制方法，并設計了一種優(yōu)化后的輸入回路，具有一定的參考意義。

[1] 饒沛南. 大功率交流傳動機車牽引變流器的研究與開發(fā)[D]. 成都：西南交通大學，2010：9-28.

[2] 秦曾煌，姜三勇. 電工學（第七版）[M]. 北京：高等教育出版社，2012：35-156.

[3] 陳堅，康勇. 電力電子學-電力電子變換和控制技術（第三版）[M]. 北京：高等教育出版社，2014：110-289.

The high power converter input circuit controls the switching of charging circuit and short circuit under logic order of control system, feeds the working conditions back to the transmission control unit and undertakes protection functions for the circuit; the paper introduces the researches of basic principles of input circuit, control methods and model selection of various components for the high power traction converter; the optimized design has been provided for it accordingly.

High power converter; input circuit; component; control

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.006

U264.3+7

B

1007-936X(2018)05-0022-03

2018-01-22

劉 軍.成都阿爾斯通交通電氣有限公司，助理工程師。