交流工矿电机车用牵引变流器主电路设计

郭敬军

【摘 要】在目前交流传动成为主流的牵引领域，牵引变流器作为核心部件一直是设计的难点。本文件简要介绍了交流牵引优于直流牵引的一些特点，详细介绍了架线式交流传动工矿电机车用牵引变流器主电路的原理、牵引变流器的参数计算，同时对牵引变流器主电路中主要元件的功能进行了描述，并对其参数进行选择计算以及选型。本文还详细阐述了牵引变流器各保护电路的原理。

【关键词】交流牵引 牵引变流器 IGBT 保护

1引言

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、电动机和控制理论的发展，交流电动机调速系统有了很大的发展，高性能的交流调速系统已经能与直流调速系统媲美，交流电动机调速系统正在成为调速传动的主流。

架线式交流传动工矿电机车以直流网线为电源，由受电弓将网线电源引入牵引变流器，通过牵引变流器逆变为电压和频率可调的三相交流电供给三相交流异步牵引电机来完成机车牵引，现已成为直流牵引工矿电机车的替代产品。因为交流牵引有着直流牵引所无法比拟的优点：交流电机无换向装置，结构简单，故障率低；直流电机由于要改善换向能力，要求电枢漏感小，转子短粗，导致转动惯量大，影响系统动态性能；交流牵引其牵引力在同等条件下，比直流牵引大30%以上；交流牵引制动性能好，可用纯电力制动使机车制停等等。

2主电路及工作原理

变流器主电路如图1所示，主要由充电电路、滤波电路、制动电路和逆变电路等部分组成。在机车运行前，通过充电电路将网线电源冲到滤波电路中的电解电容CF1-CF6上，当电容上的电压上升到额定电压的70%时，可控硅打开，将充电电路切除，变流器主电路准备工作结束。当接到运行信号后，由变流器控制电路通过IGBT驱动电路控制IGBT的导通和关断，产生电压和频率可调的三相交流电供给三相交流异步牵引电机来完成机车牵引。当机车减速时，三相交流异步牵引电机处于制动状态，将机车动能转化为电能通过逆变桥的反并联二极管回馈到直流回路，当直流回路电压达到设定值305V（此值可通过软件调整）时，制动回路IGBT打开，通过制动电阻将电能释放掉。

为了使架线式交流传动工矿电机车适应大多数情况，取消了交流传动所特有的再生制动功能，设置了整流管以阻止制动电流流向架线网，将电网顶掉。可以根据实际情况开通系统的再生制动功能。

3变流器技术参数

由于大部分煤矿的架线网老化严重，网压波动较大，网线高度起伏严重，会产生较大的冲击电流，这增加了变流器主电路的设计难度，在元器件选型时要充分考虑。

10吨架线式交流传动工矿电机车的主传动形式为一台牵引变流器带动两台电机，网线电压为250V（+20%，-25%），交流电机的主要技术参数为：

额定功率 25kW

额定电压 190V

额定电流 87A

额定频率 29Hz

功率因数 0.85

效率 0.9

根据电机的参数可以对变流器的主要参数进行选择计算。

由于工矿机车采用的是架控方式，即一台变流器拖动二台电机，变流器输出功率必须大于二台电机的功率之和，选为50kW。

变流器的输出电流为：

IO=P/（1.732UOηCOSφ）

=50000/（1.732×190×0.9×0.85）

=198A

式中：P—牵引变流器额定输出功率

UO—牵引变流器额定输出电压

η—牵引电动机的效率

COSφ—牵引电动机功率因数

因为工矿电机车牵引的矿车无制动装置，给变流器带来的冲击较大，所以将变流器的输出电流适当放大，由此得出变流器的主要技术参数：

额定功率： 50kW

输入电压： DC250V（187V～300V）

输出额定电压：AC190V

输出额定电流：198A

额定频率： 29Hz

4主电路元件的选择计算

4.1 逆变器IGBT元件的选择计算

由于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块具有驱动功率小、开关速度高、饱和压降低、保护灵敏等许多优点，所以逆变器的主要元件选择为IGBT。

IGBT承受的最高电压为

UM=（K1Udmax+UP）K2

=（1.15×300+100）×1.1

=489.5V

式中：K1—过电压系数

K2—安全系数

Udmax—直流电压最大值

UP—关断即将结束时的尖峰电压

流过IGBT的最大电流为

IM=1.414IOα1α2α3

=1.414×198×1.2×1.2×1.4

=564A

式中：α1—电流尖峰系数

α2—温度降额系数

α3—过载系数

由以上计算，可选择600V/300A的双管IGBT模块两并作为逆变桥的一相桥臂。

4.2 可控硅的选择计算

牵引变流器的设计本着无触点电路的原则，因此选择可控硅作为主电路的电子开关。

可控硅的反向阻断电压必须大于IGBT承受的最高电压即489.5V，考虑到意外情况和国内现有元件的生产情况，取反向阻断电压为800V。

直流侧电流为

Id=（3×1.414/π）IOCOSφ

=1.35×198×0.85

=227A

流过可控硅的最大电流为

Idmax=α1α3Id

=1.2×1.4×227

=381A

由此，可选择400A/800V的可控硅整流管臂对模块作为电子开关。

4.3 直流侧电抗器的选择计算

设置滤波电抗器主要有以下几方面的考虑：

⑴滤除受电网侧的工频整流脉动，减小变流器输入直流电压的纹波；

⑵滤除变流器工作电流对直流电网的干扰；

⑶限制引机车脱弓复弓和直流网侧电压突然升高引起的电流冲击。

由于电网电压本身就是直流电压，因此关于电感值的计算主要按第（3）条进行。

系统可耐受的最大冲击电流为

IIMP=Idβ1

=227×15

=3405A

式中：β1—冲击电流系数

滤波电抗器的电感值为

L=cUD2/IIMP2

=0.15×2502/34052

=8mH

式中：c—电压纹波系数

电抗器的持续电流为

IL=P/Ud

=50000/250

=200A

通过以上计算，电抗器选择8mH/200A的空心电感。

4.4 滤波电容器的选择计算

直流回路设置滤波电容器的主要功能是

（1）滤平电网的电压纹波；

（2）当负载变化时，使直流电压保持平稳

滤波电容器的电容值为

C=0.04IO/（ω1UdK）×106

=0.04×198/（2×3.14×0.5×250×0.1）

=10098μf

式中：ω1—变流器输出电压基波角频率，ω1=2πf1，f1取最低频率

K—系统允许的直流电压波动系数

电容器的耐压值为

U≥1.5Ud=375V

电容值选择越大，其滤波效果越好，直流电压保持的越平稳，根据变流器的结构尺寸和电解电容的尺寸，选择3300μf/400V的电解电容6只并联作为直流回路的滤波电容器。则滤波电容器的总电容值为

C=6×3300=19800μf

4.5 制动回路的选择计算

三相交流异步牵引电机在减速时，会将机械能转化为电能，向电网回馈。当电网的吸收能力饱和时，多余的电能将通过制动回路释放。

4.5.1 制动电阻的选择计算

由于制动电阻消耗的是交流电机再生时产生的能量，因此其瞬时功率必须满足以下条件：

Udmax2/Rd≥P

则R≤Udmax2/P

≤3002/50000

≤1.8Ω

式中：P—变流器拖动的交流电机总功率

制动电阻也不宜太小，若该阻值太小，制动回路开通时，直流电压下降太快会引起系统不稳定。因此制动电阻阻值选为

Rd=1Ω

制动电阻的额定功率为PR=50kW

4.5.2 制动回路中IGBT的选择计算

该元件承受的电压与逆变器IGBT元件的电压相同，由于电流流过制动电阻，考虑到电网的波动，选取电网电压最大的情况，因此最大电流为

IRM=Udmaxα2/R

=300×1.2/1

=360A

考虑到IGBT元件的采购方便，选用300A/600V的双管IGBT模块，将其上桥臂驱动封死只用反并二极管作为制动电阻的续流二极管。

4.6 充电电阻的选择计算

在变流器刚接通电源的瞬间，滤波电容器的充电电流非常大，过大的冲击电流可能使可控硅整流管臂对模块损坏，因此用充电电阻来限制充电电流。假设在2秒内滤波电容器电压冲至85%，由下式

0.85Ud= Ud（1-e-（t/RC））

则R=-t/（C×ln0.15）

=2/（19800×10-6×1.9）

=60Ω

充电电流为

IR=（Ud/R）e-（t/RC）

充电时充电电阻上的电压为

UR=Ude-（t/RC）

则充电电阻的功率为

PR= IR UR

=（Ud2/R）e-（2t/RC）

=37W

按照一般经验，为防止电阻过热，长期使用电阻时，其功率应在电阻额定功率的1/3～1/2之间，因此充电电阻选为60Ω/100W的瓷管电阻。

5牵引变流器的保护

牵引变流器保护的目的是保证电力电子器件、电路、设备安全可靠运行，在各种非正常工作状态下不损坏，主要设置了快速熔断器保护、短路保护和过压保护。由于牵引变流器主电路以IGBT为核心组成，所以IGBT的保护是牵引变流器保护的核心。

5.1 快速熔断器保护

在主电路进线侧安装一个快速熔断器，防止出现意外情况时，损坏主电路中的功率器件。

已知变流器直流回路电流值为

Id=227A

快速熔断器额定电流为

IFU≥KiId=1.5×227=340.5A

取快速熔断器额定电流为IFU=350A

快速熔断器额定电压与逆变器IGBT额定电压相同，选取快速熔断器的参数为600V/350A。

5.2 短路保护

因为电力电子器件抗浪涌电流能力差，所以当发生短路或过载故障，器件中流过大于额定值的电流时，极易使器件管芯结温迅速升高，导致器件损坏，因此短路保护十分重要。

变流器的短路保护按照检测方法可分为过流保护和欠饱和保护两种。

5.2.1 过流保护

图2 过流保护原理

过流保护原理见图2所示，在主电路的直流侧，安装一个电流传感器，对变流器短路电流进行检测，如果检测电流大于保护阀值，则保护电路动作，封锁全部控制脉冲，关断IGBT，达到保护的目的。

5.2.2 欠饱和保护

IGBT的驱动芯片M57962L带有保护功能，可检测IGBT集电极C和发射极E间的电压值，当短路发生时，电流增大，VCE增大，VCE达到动作阀值时，M57962L发出短路信号，由控制器封锁控制脉冲。

短路发生时，降低基极、发射极两端电压VGE能减小IGBT关断时的内部应力，为此采取了以下措施：

（1）栅极电压被分布减少，这样短路电流会减小，当IGBT关断时，di/dt也会减小，毛刺尖峰电压亦同时减小。

（2）在基极、发射极两端直接跨接两个反向连接的稳压二极管以限制VGE，从而限制短路电流的峰值，如图3所示。

图3 基、射极两端跨接反向连接

5.3 过压保护

IGBT在开通和关断过程中，会产生电压尖峰，在IGBT模块正负电源之间设置了无感吸收电容，用以控制关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压。

变流器在设计时，其直流侧到逆变桥臂存在线路分布电感，当IGBT关断时，正向电流突变会因此电感存在而在IGBT两端产生过电压。为了减小线路分布电感，采用以下方法：

（1）直流侧滤波电容与逆变桥臂安装位置尽量靠近以缩短连线，两部分之间连接的正负母线尽量靠近，以减小所包围面积；

（2）无感吸收电容通过一块印刷电路板直接安装在IGBT的正负母线上，以减小线路分布电感；

（3）采用叠层功率母线设计，既可以减小线路电感，又兼有吸收电路功能，同时还可以减小主电路体积。

另外，直接检测直流回路的电压，当其高过直流网线最大波动电压，达到305V时，制动回路IGBT打开，通过制动电阻将电能释放掉。如果电压仍继续上升到315V时，由控制电路将逆变回路切断，同时发出过压信号。

6结语

本文详细介绍了10吨架线式交流传动工矿电机车用牵引变流器的主电路设计及几种保护的原理，牵引变流器经过实际装车运行，效果很好，达到了设计目的。

参考文献：

[1]三菱电机应用手册（第三代IGBT和智能功率模块）.MitsubishiElectric Company

[2]王兆安，张明勋. 电力电子设备设计和应用手册. 机械工业出版社.

[3]张燕宾. SPWM变频调速应用技术.机械工业出版社.