張創(chuàng)業(yè)++孟丹

摘 要：為解決多種機(jī)車(chē)變流器四象限電源供電問(wèn)題，依據(jù)四象限工作等效模型，電源系統(tǒng)采用一種雙感應(yīng)接觸式調(diào)壓器和串聯(lián)電抗器結(jié)構(gòu)，滿足了四象限工作要求，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。同時(shí)文中還給出了兩種調(diào)壓器二次側(cè)漏感測(cè)量和計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：四象限；感應(yīng)接觸式調(diào)壓器；漏感測(cè)量和計(jì)算；串聯(lián)電抗器

中圖分類號(hào)：TP39；TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）10-00-02

0 引 言

與傳統(tǒng)的不可控或相控整流器相比，四象限變流器具有中間直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定、電流波形畸變小、動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)快、功率因數(shù)高和能量雙向流動(dòng)等特點(diǎn)[1，2]，在鐵路機(jī)車(chē)大功率變流器中應(yīng)用越來(lái)越多。

近年來(lái)隨著機(jī)車(chē)變流器產(chǎn)品類型的不斷增多，每種變流器對(duì)四象限輸入電壓等級(jí)和變壓器漏感要求各不相同，試驗(yàn)中如果給每個(gè)產(chǎn)品都配套一個(gè)變壓器，則存在試驗(yàn)站設(shè)計(jì)成本高，工藝布局占地面積大，電源系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜，日常保養(yǎng)和維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題。本文著重針對(duì)四象限電源供電問(wèn)題提出了一套解決方案。

1 四象限工作原理

機(jī)車(chē)變流器四象限全部采用單相電壓型PWM整流器，模型電路由交流供電回路，功率開(kāi)關(guān)管橋路以及直流回路組成。PWM四象限整流器模型電路如圖1所示。

Upn為變壓器的原邊電壓，Uso為變壓器的牽引二次側(cè)繞組電壓，Rs為牽引繞組的直流電阻，Ls為牽引繞阻的漏感，Upmcf為調(diào)制基波電壓，Uc為整流輸出直流電壓，Is為牽引繞組基波電流。

四象限整流器整流時(shí)的工作原理實(shí)際上是一個(gè)升壓斬波過(guò)程，在該過(guò)程中，根據(jù)波形的特點(diǎn)控制相應(yīng)橋臂IGBT導(dǎo)通，則會(huì)造成繞阻短路，且由于變壓器具有較高的短路阻抗，因此電流的上升率有限。能量?jī)?chǔ)存在牽引繞阻的漏感Ls上，在IGBT關(guān)斷過(guò)程中，牽引繞組的電壓加上儲(chǔ)能電感感應(yīng)的電壓就會(huì)通過(guò)二極管整流后加到整流輸出電路，通過(guò)反復(fù)進(jìn)行這樣的過(guò)程，就會(huì)在整流輸出端得到較高的中間電路直流電壓[3]，該電壓高于通過(guò)4個(gè)整流二極管整流后的電壓。

根據(jù)四象限整流器等效電路圖可以得到圖2所示的四象限整流器牽引工況。

2 雙感接觸式調(diào)壓器技術(shù)特點(diǎn)

從式（1）和四象限工作原理可以看出變壓器電壓和漏感值對(duì)四象限變流器控制至關(guān)重要。在變流器試驗(yàn)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了滿足不同變流器電壓等級(jí)和新產(chǎn)品研制中電壓可調(diào)需求，試驗(yàn)站電源采用單相雙感接觸式調(diào)壓器，調(diào)壓器原邊繞組和次邊繞組相互獨(dú)立，輸出電壓能從0 V開(kāi)始調(diào)節(jié)，輸出電壓范圍為0～1 800 V，并可無(wú)極調(diào)壓；由于雙感接觸式調(diào)壓器鐵心氣隙小，漏感較小，根據(jù)圖1四象限等效模式可知，在調(diào)壓器二次側(cè)串聯(lián)多抽頭結(jié)構(gòu)電抗器，能滿足四象限二次側(cè)漏感2～5 mH的要求。

3 調(diào)壓器漏感測(cè)量和計(jì)算

由于漏感參數(shù)對(duì)四象限控制影響較大，因此調(diào)壓器漏感測(cè)量和計(jì)算方法尤為重要。雙感接觸式調(diào)壓器與變壓器結(jié)構(gòu)和原理相似，二次側(cè)漏感與變壓器漏感等效模型和方法相同，圖3所示為變壓器T型等效模型。

其中：U1為一次側(cè)繞組電壓，I1為一次側(cè)繞組電流，I10為一次側(cè)勵(lì)磁電流，m為變壓器變比，U2為二次側(cè)繞組電壓，I2為二次側(cè)繞組電流，Rs為二次側(cè)等效電阻，Is為二次側(cè)等效漏感。

3.1 調(diào)壓器漏感測(cè)量和計(jì)算方法1

通常變壓器二次側(cè)漏感測(cè)量方法是將近似正弦波的電壓施加到一次側(cè)繞組上，另一個(gè)繞組短路。在施加電壓的繞組電流達(dá)到額定電流時(shí)，測(cè)量一側(cè)繞組兩端電壓U11，由于變壓器一次側(cè)和二次側(cè)繞組電壓變比固定[4，5]，可根據(jù)公式（2）計(jì)算變壓器二次等效漏感電感值：

3.2 調(diào)壓器漏感測(cè)量和計(jì)算方法2

調(diào)壓器漏感測(cè)試電路如圖4所示。其中，P為瓦特表測(cè)試的有功功率值（W）； V為電壓表測(cè)量二次側(cè)短路后原邊電壓 （V）；I1為電流表一次側(cè)繞組電流（A）；I2為電流表二次側(cè)繞組電流（A）。

漏感測(cè)試時(shí)，兩側(cè)的線圈中都流過(guò)額定電流，因而產(chǎn)生漏磁通。繞組中一部分是電流流過(guò)繞組產(chǎn)生的電阻損耗，另一部分是由試驗(yàn)電流所形成的漏磁通在繞組中及其他部件上產(chǎn)生的渦流損耗，還有一部分損耗是勵(lì)磁損耗，因負(fù)載試驗(yàn)時(shí)電壓很低，鐵心中磁通密度很低，而鐵心內(nèi)部損耗很小，這部分損耗所占的比重很小，因此可以忽略，這時(shí)可將原邊輸入有功功率P等同為次邊RS上消耗的有功功率。

可由公式（5）計(jì)算二次側(cè)繞組等效電阻Rs：

在公式（7）中，P、U11、I1和I2都為試驗(yàn)測(cè)量值。

3.3 兩種方法計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比

某試驗(yàn)站調(diào)壓器技術(shù)參數(shù)為額定容量800 kVA，輸入端電壓為2.5 kV ，輸出電壓0～1 800 V。連續(xù)可調(diào)二次側(cè)漏感試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列。

對(duì)比兩種測(cè)量方法試驗(yàn)數(shù)據(jù)，方法1得到的漏感值約比方法2高0.03 mH，是因?yàn)榉椒?短路阻抗不僅是電感阻抗測(cè)量值，還附加了線圈電阻阻抗，因此計(jì)算值偏高。機(jī)車(chē)變流器要求牽引變壓器短路阻抗（40～50%）都較大，一般試驗(yàn)用調(diào)壓器漏感小于8%，在調(diào)壓器二次側(cè)還要串聯(lián)電抗器以滿足四象限工作要求，因此該差值可忽略不計(jì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述了機(jī)車(chē)變流器試驗(yàn)用調(diào)壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并提出了調(diào)壓器兩種漏感測(cè)量和計(jì)算方法，解決了不同電壓等級(jí)機(jī)車(chē)變流器四象限電源供電問(wèn)題。目前已在動(dòng)車(chē)組等牽引輔助變流器試驗(yàn)站中使用，所有技術(shù)參數(shù)完全滿足四象限試驗(yàn)要求，大大節(jié)省了投資和維修成本，在實(shí)際試驗(yàn)應(yīng)用中也收到了良好的效果，更為機(jī)車(chē)變流器試驗(yàn)平臺(tái)搭建提供了很好的經(jīng)驗(yàn)。

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