劉 軍

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大功率牽引變流器輸入回路設(shè)計(jì)

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(dòng)控制單元，同時(shí)還具有電路保護(hù)作用。本文對(duì)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(jìn)行研究，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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(chē)輛牽引系統(tǒng)的核心部件，堪稱(chēng)列車(chē)的“心臟”。其利用電力電子開(kāi)關(guān)元器件的高速關(guān)斷功能，將接觸網(wǎng)提供的直流或單相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺冾l變壓的三相交流電以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引電機(jī)的矢量或力矩控制。

實(shí)現(xiàn)交流電向直流電轉(zhuǎn)變的稱(chēng)為整流器，主要應(yīng)用于“韶山”系列電力機(jī)車(chē)；實(shí)現(xiàn)直流電向交流電轉(zhuǎn)變的稱(chēng)為逆變器，主要應(yīng)用于城市軌道交通，如地鐵車(chē)輛、低地板車(chē)輛等；實(shí)現(xiàn)交-直-交轉(zhuǎn)變的稱(chēng)為變流器，主要應(yīng)用于“和諧”系列電力機(jī)車(chē)以及動(dòng)車(chē)、高鐵列車(chē)。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(cè)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(gè)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(gè)線(xiàn)路接觸器KM1和1個(gè)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(shí)，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(dòng)時(shí)，為中間直流回路中的支撐電容充電，防止瞬時(shí)沖擊電流損壞器件。當(dāng)電容電量充電至85%時(shí)，合上線(xiàn)路接觸器KM1，斷開(kāi)充電接觸器KM2，變流器進(jìn)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(chǔ)上增加了1個(gè)線(xiàn)路電抗器FL、1個(gè)電壓傳感器VH1和1個(gè)電流傳感器LH2。線(xiàn)路電抗器FL的功能為減小輸入直流電的波動(dòng)，保持電流的穩(wěn)定。電壓傳感器VH1的功能是檢測(cè)輸入電壓的大小，將檢測(cè)結(jié)果反饋給傳動(dòng)控制單元，當(dāng)輸入電壓大于或小于某一設(shè)定的保護(hù)值時(shí)，傳動(dòng)控制單元發(fā)出命令將輸入回路斷開(kāi)，以保護(hù)變流器。電流傳感器LH1、LH2一方面檢測(cè)輸入電流的大小，另一方面可檢測(cè)主電路的接地，理論上2個(gè)電流傳感器檢測(cè)的電流大小相等，當(dāng)主電路發(fā)生接地故障時(shí)，2個(gè)電流值會(huì)出現(xiàn)一個(gè)差值，該差值大于某一設(shè)定值（50～100 A）時(shí)認(rèn)為主電路接地。

2 部件選型計(jì)算

2.1 線(xiàn)路接觸器

線(xiàn)路接觸器KM1通過(guò)低電壓控制信號(hào)控制大電壓電流的通斷，并具有信號(hào)反饋功能，機(jī)械性能滿(mǎn)足變流器整體可靠性要求，選型主要通過(guò)電壓和電流值確定。接觸器原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 線(xiàn)路接觸器原理

圖3中，1A-1B為主線(xiàn)路觸點(diǎn)；1A1-1A2為控制線(xiàn)圈連接點(diǎn)；11-12觸點(diǎn)與充電接觸器的相關(guān)觸點(diǎn)組成聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)，以保證充電短接回路在某一時(shí)間點(diǎn)只存在一條通路；13-14觸點(diǎn)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(xiàn)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(shí)還應(yīng)注意直流與交流的區(qū)別。充電接觸器的原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4中，2A-2B為主線(xiàn)路觸點(diǎn)；2A1-2A2為控制線(xiàn)圈連接點(diǎn)；21-22觸點(diǎn)與線(xiàn)路接觸器的相關(guān)觸點(diǎn)組成聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)；25-26為狀態(tài)反饋信號(hào)觸點(diǎn)。

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(shí)需滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的充電時(shí)間。充電電阻R1與支撐電容C組成RC電路，根據(jù)RC電路的特性，當(dāng)電容初始電量為0時(shí)，其電壓隨充電時(shí)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(shí)間，s；為時(shí)間常數(shù)，s。

時(shí)間常數(shù)的計(jì)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(jì)算式為

充電電阻工況特殊，會(huì)瞬時(shí)通過(guò)較大電流并產(chǎn)生較大熱量，選用時(shí)應(yīng)考慮其耐沖擊性和散熱性。

2.4 線(xiàn)路電抗器

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

2.5 傳感器

根據(jù)所測(cè)電壓電流的平均值和最大值選擇電壓電流傳感器。因?yàn)殡娏餍盘?hào)的抗干擾能力較強(qiáng)且能適應(yīng)較長(zhǎng)的傳輸距離，優(yōu)先選用電流型傳感器。對(duì)傳感器的變換比，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮傳動(dòng)控制單元對(duì)電流大小的限定。

3 控制策略

變流器開(kāi)始工作時(shí)，傳動(dòng)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(xiàn)路接觸器并斷開(kāi)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(dòng)時(shí)，傳動(dòng)控制單元向繼電器2發(fā)出充電控制信號(hào)，使繼電器2的控制線(xiàn)圈得電，繼電器2連通后控制充電接觸器的控制線(xiàn)圈得電，使充電回路接通，變流器中間回路開(kāi)始充電。控制單元通過(guò)充電時(shí)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(hào)控制繼電器1接通，進(jìn)而控制短接接觸器的主觸點(diǎn)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(guò)輔助觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制，即同一時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)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(guò)輔助觸點(diǎn)將主觸點(diǎn)的接通/斷開(kāi)狀態(tài)反饋給傳動(dòng)控制單元。當(dāng)控制單元向某個(gè)接觸器發(fā)出閉合的控制信號(hào)，而該接觸器反饋的信號(hào)為斷開(kāi)時(shí)，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(jī)車(chē)及動(dòng)車(chē)組用變流器一般使用110 V電源。

4 輸入回路優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)分析大量現(xiàn)場(chǎng)使用情況可知，輸入回路電流的波動(dòng)對(duì)模塊和整個(gè)供電接觸網(wǎng)的影響較大，可在輸入回路中接入一LC濾波回路對(duì)輸入回路進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計(jì)的輸入回路如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后輸入回路

5 結(jié)語(yǔ)

大功率變流器輸入回路的設(shè)計(jì)及部件選型應(yīng)綜合考慮電壓、電流等級(jí)以及可靠性、經(jīng)濟(jì)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(jì)算及控制方法，并設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)車(chē)牽引變流器的研究與開(kāi)發(fā)[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2010：9-28.

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

[3] 陳堅(jiān)，康勇. 電力電子學(xué)-電力電子變換和控制技術(shù)（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。