HXD2辅助变流柜输入熔断器与过压抑制电路的研究

傅雪军, 邢　亮, 杨　帆

(中车大同电力机车有限公司　技术中心， 山西大同 037038)



HXD2辅助变流柜输入熔断器与过压抑制电路的研究

傅雪军, 邢亮, 杨帆

(中车大同电力机车有限公司技术中心， 山西大同 037038)

以HXD2的Crowbar电路为基础，研究了辅助变流柜输入熔断器的参数及选取原则，同时对过压抑制电路参数进行了分析，并对熔断器和过压抑制电路中器件参数的配合进行了分析，提出了相应的保护阀值，对保护辅助供电系统过压提供了一定的参考价值。

Crowbar电路; 输入熔断器; 辅助供电

HXD2牵引变流器中间回路直流电压是通过四象限整流变化而得来，因此当负载突变等情况发生时，四象限变流器控制的电压调节器来不及进行调整，常常会引起直流环节的过电压。而辅助变流器是从牵引变流器中间回路(中间回路电压DC 1 800 V)取入，经输入熔断器送入斩波模块，然后进行三相逆变对机车的负载进行供电。因此当直流环节产生过电压或者斩波模块失控时，如果没有适当的保护机制，很容易造成辅助变流器中的器件的烧毁。

HXD2辅助变流器采用Crowbar电路和输入熔断器互相配合机制，达到限压和限流的目的，从而对整个辅助变流器进行保护。从HXD2机车辅助变流器电路保护的工作原理出发，对过压抑制和熔断器参数的计算及选型理解它们之间的联系。

1　辅助变流器电路保护原理

从图1中可以得知，辅助变流器取入牵引变流器中间回路直流电压，经输入熔断器和RC吸收电路送入斩波电路，然后经过压抑制保护电路，最后经三相逆变和充电机给负载供电。其中过压抑制电路是由晶闸管、电感和二极管等组成，根据直流环节电压的波动情况来控制晶闸管元件的通断，将过电压的能量通过电抗器热损耗方式释放，从而将中间直流环节电压抑制在规定范围内。

图1　辅助变流器原理

2　输入熔断器参数计算

辅助变流器输入为直流1 800 V,经过斩波电路变化为中间电压为DC 545V,在这种BUCK电路的输入端，为了防止辅助电路发生短路或者不可控的情况下而导致输入电流过大，因此需要引入熔断器以保护后续电路器件的安全。

为了计算熔断器的相关参数，需要搭建其Matlab仿真模型，为了简化相应模型，等效电阻R的计算如下：

输出三相功率和功率因数：S=135 kVA,cosφ=0.94,三相逆变器效率η1=0.95

充电机输出功率P=14 kW(充电机输入电压由中间电压DC 545 V提供),充电机效率η2=0.95

因此斩波输出功率

(1)

等效电阻为

(2)

Matlab仿真模型搭建如下(如图2)：

图3　BUCK输入端电流波形

根据图3，计算输入熔断器电流有效值：

(3)

其中式(3)中Imax=360 A,Imin=220 A，δ=0.363。

最后选取熔断器参数如图4。

根据图4，最后选取熔断为D302SD24C350QF，可以满足其要求。

3　Crowbar电路参数设计

根据HXD2电力机车中辅助系统的实际工作状况设计的Crowbar电路，为了保证过压抑制模块能够及时、可靠地响应过电压而动作，以抑制过电压、保护负载和器件，必须选取合适的电感等器件，和设计过压阀值，保护主电路，以实现最佳性能。

3.1过压阀值

如图1，辅助输入电压是来自于主变流柜的四象限整流，其输入电压Ud为1 800 V(电压范围1 500 V～2 100 V)，因此当输入为Ud=2 100 V，当考虑电压波

图4　熔断器的相关参数和熔断曲线

动波纹取5﹪时，因此取阀值为730 V。当中间电压到达730 V时，控制单元发出触发脉冲，使开关管导通进而抑制过电压。同时，为了避免软件反应时间太慢而来不及开通触发脉冲，而导致电压继续上升引起IGBT、电容等器件的损坏，需要设计第二级硬件阀值，由于此IGBT选取的耐压等级为1 200 V，一般需要预留1.5倍余量，因此硬件阀值设为800 V。

综合所述，过压阀值设为两级，第一级软件阀值为730 V，第二级硬件阀值为800 V。

3.2晶闸管与电抗器

在主电路中，过压抑制电路的一端与HT(高压电路)相连，另一端与电感相连，在选择晶闸管时，主要考虑的参数包括重复峰值电压VDRM、断态不重复峰值电压VDSM，通态电流临界上升率di/dt等。最终通过选取晶闸管型号为N0910LS200，二极管型号为W1748LC160。

晶体闸管的技术参数如表1。

表1　晶闸管参数

3.2.1电抗器感抗值和等效电阻值

从上述分析，可以假设电抗器吸收的能量为500 kJ,为了限制电流上升率，必须选取合适的电感值，保护晶闸管，由于晶闸管的通态电流临界上升率di/dt=300 A/μs,根据

(4)

当U=1 800 V时，

(5)

同时考虑，考虑到电容器的容量：

(6)

其中t取0.01 s，综述分析，电抗器感抗值L=500 μH,电抗器等效电阻值R=0.06 Ω。

3.2.2熔断器与晶闸管I2t比较

斩波器失控时，辅助变流器的输入电压就会被持续加在中间回路的滤波器上，当中间电压大于800 V(硬件导通)时，ACU控制晶闸管导通，由于电抗器的限流作用，电流从0开始上升，上升曲线为：

(7)

根据式(7)随着电流不断加大，中间电压得到抑制。

从图5可以看出抑制电流到10 000 A时(10 000 A的确定是图4的熔断器熔断曲线中得到的假设电流，当电流达到10 000 A时，熔断器的熔断时间也持续一定的时间,取电抗器等效电阻)，时间t为0.011 39，所以:

(8)

用Matlab计算,计算结果为5.066 4×105

从计算结果I2t=506 640，小于晶闸管的I2t，因此选取的电抗器参数符合要求。

图5　一阶Matlab仿真图

4　结　论

根据HXD2辅助变流器Crowbar电路的相关参数，详细分析了其熔断器和晶闸管参数的配合计算。研究表明，过压抑制模块电路保护不但响应快，而且熔断器和过压抑制配合可以很好的保护辅助变流主电路，避免电路中的器件损坏，对辅助变流中间发生过压现象起到了很好的保护。

[1]徐德鸿. 电力电子建模与控制[M]. 北京：机械工业出版社,2005.

[2]林飞,杜欣.电力电子应用技术的Matlab仿真[M].北京：中国电力出版社，2008.

Research of Auxiliary Converter Cabinet Input Fuse and Crowbar Circuit

FUXuejun,XINGLiang,YANGFan

(DaTong Electric Locomotive Co.,Ltd., Datong 037038 Shanxi, China)

In this paper, the Crowbar circuit HXD2 studied based on the auxiliary converter cabinet input fuse parameters and selection principle, while the overvoltage suppression circuit parameters were analyzed in detail, fuses and overvoltage suppression circuit device parameters with a detailed analysis, the corresponding protection threshold, the protection of the auxiliary power supply system overpressure provide some reference value.

crowbar circuit, input fuse, auxiliary power supply

1008-7842 (2016) 04-0112-03

��)男，高级工程师(

2015-12-18)

U264.5+6

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.29