馬 瑞， 李 莎， 沈紅彬

（1.中車永濟(jì)電機(jī)公司， 陜西 西安 710016；2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司咸陽(yáng)供電公司， 陜西 咸陽(yáng) 712000）

1 研究背景

RC 吸收回路具有抑制過(guò)電壓幅值和抑制高頻振蕩的作用，可將回路從欠阻尼狀態(tài)調(diào)節(jié)為無(wú)震蕩狀態(tài)，在軌道交通電力機(jī)車、動(dòng)車組和城市軌道交通等車型廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，由于過(guò)電壓、過(guò)電流、變壓器變比設(shè)置不合理等原因，可能導(dǎo)致電阻電容以及開關(guān)器件燒損，影響車輛安全可靠運(yùn)行[1]。

2 RC 吸收回路選型原則

在RC 吸收回路中，電容通過(guò)其兩端電壓不能突變的特性限制電壓上升率，同時(shí)減少回路能耗。電阻的接入可增大系統(tǒng)阻尼，加速分相過(guò)電壓的衰減，改善欠阻尼狀態(tài)下的高頻振蕩?？紤]到回路中雜散電感、變壓器漏感等對(duì)系統(tǒng)性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，往往要在選型計(jì)算的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2.1 電阻取值

電阻取值為開關(guān)所能承受的瞬時(shí)電壓與初始電流的比值。電阻選型中需注意：適當(dāng)增大電阻取值可增加系統(tǒng)阻尼，但該取值有一個(gè)閾值。電阻取值過(guò)大會(huì)增大回路的時(shí)間常數(shù)，延長(zhǎng)暫態(tài)過(guò)程，降低回路保護(hù)的有效性，取值過(guò)小會(huì)增大動(dòng)態(tài)損耗。

2.2 電容取值

增大電容量能夠提升RC 回路的吸收能力，降低電壓尖峰。電容選型中需注意：依據(jù)負(fù)載的電流大小和交流電的工作頻率進(jìn)行選型，而非依據(jù)負(fù)載的電壓和功率。增大電容取值可使震蕩回路接近于工頻，但容值過(guò)大會(huì)增加損耗。

3 RC 回路器件燒損原因分析

如圖1 所示，整流橋前端連接變壓器次邊，對(duì)變壓器次邊單相交流電進(jìn)行整流，并聯(lián)RC 阻容電路吸收電壓尖峰。

3.1 變壓器變比過(guò)高

變壓器變比過(guò)大使得變壓器次邊輸出電壓尖峰過(guò)高，而RC 回路吸收能力不足以吸收此尖峰，考慮到電壓尖峰倍數(shù)隨輸入電壓的增大而增大，當(dāng)電壓尖峰超過(guò)整流二極管器件的最大工作電壓時(shí)，會(huì)導(dǎo)致二極管損壞。同時(shí)，RC 吸收回路的電流過(guò)大，可能導(dǎo)致電阻燒損。

3.2 過(guò)壓、過(guò)流影響

軌道交通車輛運(yùn)行時(shí)，由電源側(cè)產(chǎn)生的高次諧波電流及電壓波形畸變會(huì)對(duì)系統(tǒng)供電性能造成一定影響，交直交型軌道交通車輛變流器大多采用PWM 調(diào)制方式，易出現(xiàn)高次諧波串聯(lián)諧振，當(dāng)諧波過(guò)電壓超過(guò)變壓器次邊開關(guān)器件所能承受的最高電壓和阻容吸收回路的最大吸收能力時(shí)，將導(dǎo)致開關(guān)器件燒損，過(guò)壓、過(guò)流沖擊超過(guò)吸收電阻的耐受范圍時(shí)，將導(dǎo)致吸收電阻燒損[3]。

3.3 部件選型不合理

電阻和電容選型未考慮特殊工況下的過(guò)電流或過(guò)電壓尖峰，電容取值小，吸收能力弱。電阻取值小、功率低不能耐受過(guò)電壓、過(guò)電流的沖擊而造成燒損。

4 故障案例及優(yōu)化驗(yàn)證

4.1 故障描述

本文選取導(dǎo)軌電車輔助功率模塊進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，直流母線輸入額定電壓為750 V（波動(dòng)范圍400～900 V），變壓器變比1.87，整流二極管最大工作電壓、電流分別為2 400 V、250 A，RC 回路選取1 個(gè)47 Ω/600 W 電阻、3 個(gè)33 nF 電容并聯(lián)。當(dāng)輸入750 V 電壓時(shí)，電容炸裂，二極管被燒損。

4.2 故障排查

斷開變壓器后端全部線路，直接監(jiān)測(cè)變壓器次邊輸出，如下頁(yè)圖2 所示，變壓器次邊輸出電壓尖峰達(dá)到正常值的近2 倍。在未接入吸收回路的情況下，輸入電壓100 V 時(shí)，整流側(cè)輸出電壓202 V，輸出電壓尖峰達(dá)386 V，電壓尖峰為輸出電壓的1.9 倍，如圖3所示。

變壓器變比過(guò)大使得變壓器次邊輸出電壓尖峰過(guò)高，而RC 回路吸收能力不足以吸收此尖峰，當(dāng)電壓升至600 V 左右時(shí)，會(huì)超過(guò)二極管器件的最大工作電壓2 400 V，從而導(dǎo)致二極管被燒損。同時(shí)，流經(jīng)RC吸收回路的電流過(guò)大，導(dǎo)致電阻被燒損。

在上述電路中接入吸收回路，當(dāng)輸入電壓為100 V 時(shí)，由圖4 可知，整流二極管反向恢復(fù)時(shí)的電壓尖峰被RC 電路部分吸收。此時(shí)RC 上流過(guò)的電流尖峰IRC-p=3.22 A。在R、C 值均不變的情況下，將輸入電壓升到127 V 時(shí)，IRC-p=3.84 A。該波形驗(yàn)證了RC 回路的吸收作用，但隨著電壓的增大，RC 回路的吸收能力不足以吸收隨之增大的電流尖峰，出現(xiàn)了前述當(dāng)電壓升至600 V 時(shí)二極管和電阻被燒損的故障。

經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，流過(guò)單只功率800 W 電阻的電流在9 A 以內(nèi)時(shí)，吸收電阻可以安全工作。

4.3 優(yōu)化方案一

過(guò)大的電壓尖峰增大系統(tǒng)損耗，并可能對(duì)部件造成損傷，通過(guò)原因分析和故障復(fù)現(xiàn)數(shù)據(jù)可知，由于吸收回路前端電壓尖峰過(guò)高，RC 回路的吸收能力有限，導(dǎo)致故障發(fā)生。建議進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，降低變壓器變比和漏感，同時(shí)，需增大模塊RC 回路的吸收能力。

為解決此問(wèn)題，將變壓器變比由1.87 調(diào)整為1.44。同時(shí)，經(jīng)過(guò)仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證、部件參數(shù)調(diào)整優(yōu)化、再次試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)電阻電容選型修正如下：

電阻：100 Ω/800 W，3 個(gè)，并聯(lián)。

電容：100 nF，2 個(gè)，并聯(lián)。

4.3.1 母線輸入電壓750 V

經(jīng)測(cè)試，在母線輸入為額定電壓750 V 時(shí)，流過(guò)每個(gè)電阻的電流5 A。整流兩端電壓尖峰1.15 倍，達(dá)到1 612 V，較二極管的最大工作電壓2 400 V 還有較大裕量。對(duì)比圖3 和圖5 波形可知，該方案實(shí)現(xiàn)了在額定電壓下對(duì)電壓尖峰的較好地吸收效果，達(dá)到了改進(jìn)的目的。

4.3.2 母線輸入電壓950 V

將母線輸入電壓升至950V 進(jìn)行過(guò)壓運(yùn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為：流過(guò)每個(gè)電阻的電流6.9 A。整流兩端電壓尖峰1.2 倍，達(dá)到2 130 V，較二極管的最大工作電壓2 400 V 還有一定裕量。

經(jīng)驗(yàn)證，該方案可有效吸收過(guò)電壓尖峰，使電阻、二極管工作在可靠范圍內(nèi)。

4.4 優(yōu)化方案二

為避免回路過(guò)載而發(fā)生電阻等器件燒損故障，可通過(guò)在RC 吸收回路串聯(lián)電感來(lái)降低高次諧波電流。應(yīng)用該方法并非消除高次諧波，而是通過(guò)串聯(lián)電感來(lái)吸收部分諧波分量，消除高次諧波對(duì)回路的影響，實(shí)現(xiàn)降低電阻、功率器件等故障發(fā)生率的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

RC 吸收回路在實(shí)際應(yīng)用中受電源品質(zhì)、變壓器漏感及負(fù)載電感等多方面因素影響，為發(fā)揮最佳性能，電阻、電容的取值與計(jì)算值存在一定偏差，需根據(jù)整流回路的性能指標(biāo)，綜合考慮性能和效率。在測(cè)試過(guò)程中進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，得出RC 吸收回路中電阻和電容的最優(yōu)匹配方案。同時(shí)，可通過(guò)串聯(lián)電感的方式降低回路的高次諧波分量，保證各器件在其可承受的工作范圍內(nèi)可靠運(yùn)行。