大功率牵引变流器输入回路设计

刘 军



大功率牵引变流器输入回路设计

刘 军

大功率变流器输入回路在控制系统逻辑命令下控制充电短接回路的换接，并将其工作情况反馈给传动控制单元，同时还具有电路保护作用。本文对大功率牵引变流器输入回路基本原理、控制方法以及各部件选型进行研究，并进行了优化设计。

大功率变流器；输入回路；部件；控制

0 引言

牵引变流器是轨道车辆牵引系统的核心部件，堪称列车的“心脏”。其利用电力电子开关元器件的高速关断功能，将接触网提供的直流或单相交流电转变为可变频变压的三相交流电以驱动电机，实现对牵引电机的矢量或力矩控制。

实现交流电向直流电转变的称为整流器，主要应用于“韶山”系列电力机车；实现直流电向交流电转变的称为逆变器，主要应用于城市轨道交通，如地铁车辆、低地板车辆等；实现交-直-交转变的称为变流器，主要应用于“和谐”系列电力机车以及动车、高铁列车。牵引变流器主要由输入回路单元、整流单元、中间直流回路、逆变单元、冷却系统、检测单元以及控制单元组成。本文主要研究牵引变流器输入回路的功能及控制策略。

1 输入回路主电路

牵引变流器输入回路连接主变压器的次边绕组和整流模块或逆变模块，是整个变流器的输入端。其典型主电路如图1、图2所示。

由图1可知，牵引变流器输入回路主要由1个线路接触器KM1和1个由充电接触器KM2、充电电阻R1组成的支路并联而成。KM1为干路接触器，在变流器正常工作时，电流由其输入整流器模块。KM2和R1串联组成充电回路，在变流器启动时，为中间直流回路中的支撑电容充电，防止瞬时冲击电流损坏器件。当电容电量充电至85%时，合上线路接触器KM1，断开充电接触器KM2，变流器进入正常工作工况[1]。

图1 牵引变流器输入回路典型主电路

图2 牵引逆变器输入回路典型主电路

由图2可知，牵引逆变器的输入回路在图1基础上增加了1个线路电抗器FL、1个电压传感器VH1和1个电流传感器LH2。线路电抗器FL的功能为减小输入直流电的波动，保持电流的稳定。电压传感器VH1的功能是检测输入电压的大小，将检测结果反馈给传动控制单元，当输入电压大于或小于某一设定的保护值时，传动控制单元发出命令将输入回路断开，以保护变流器。电流传感器LH1、LH2一方面检测输入电流的大小，另一方面可检测主电路的接地，理论上2个电流传感器检测的电流大小相等，当主电路发生接地故障时，2个电流值会出现一个差值，该差值大于某一设定值（50～100 A）时认为主电路接地。

2 部件选型计算

2.1 线路接触器

线路接触器KM1通过低电压控制信号控制大电压电流的通断，并具有信号反馈功能，机械性能满足变流器整体可靠性要求，选型主要通过电压和电流值确定。接触器原理结构如图3所示。

图3 线路接触器原理

图3中，1A-1B为主线路触点；1A1-1A2为控制线圈连接点；11-12触点与充电接触器的相关触点组成联锁开关，以保证充电短接回路在某一时间点只存在一条通路；13-14触点将接触器的状态反馈给控制单元。

2.2 充电接触器

充电接触器KM2的额定工作电压值与线路接触器额定工作电压值一致，其额定工作电流由额定工作电压值除以充电电阻阻值并取一定裕量得到。在选择接触器时还应注意直流与交流的区别。充电接触器的原理结构如图4所示。

图4中，2A-2B为主线路触点；2A1-2A2为控制线圈连接点；21-22触点与线路接触器的相关触点组成联锁开关；25-26为状态反馈信号触点。

图4 充电接触器原理

2.3 充电电阻

充电电阻的作用是限制充电电流的大小，同时需满足设计的充电时间。充电电阻R1与支撑电容C组成RC电路，根据RC电路的特性，当电容初始电量为0时，其电压随充电时间的变化式[2]为

式中，u为充电s后电容电压值，V；为电容终止电压值，V；为充电时间，s；为时间常数，s。

时间常数的计算式[2]为

=（2）

式中，为充电电阻值，W；为支撑电容容量，F。

由式（1）、式（2）可得电阻的计算式为

充电电阻工况特殊，会瞬时通过较大电流并产生较大热量，选用时应考虑其耐冲击性和散热性。

2.4 线路电抗器

线路电抗器的作用是稳定线路中的电压电流。由于机车变流器中整流器和逆变器可对中间回路实行两端控制，减小了线路中电流的波动，因此机车变流器中线路电抗器已基本取消。城轨用牵引逆变器变流模块向电网馈能时，电流有较大波动，其电抗器必须保留。

2.5 传感器

根据所测电压电流的平均值和最大值选择电压电流传感器。因为电流信号的抗干扰能力较强且能适应较长的传输距离，优先选用电流型传感器。对传感器的变换比，设计时应考虑传动控制单元对电流大小的限定。

3 控制策略

变流器开始工作时，传动控制单元首先发出命令使充电回路接通，充电完成后合上线路接触器并断开充电接触器，变流器正常工作。其控制原理如图5所示。

变流器启动时，传动控制单元向继电器2发出充电控制信号，使继电器2的控制线圈得电，继电器2连通后控制充电接触器的控制线圈得电，使充电回路接通，变流器中间回路开始充电。控制单元通过充电时间决定充电短接回路的换接。充电完成后，控制单元发出短接控制信号控制继电器1接通，进而控制短接接触器的主触点闭合。

图5 输入回路控制原理

短接接触器和充电接触器之间通过辅助触点实现联锁控制，即同一时间内只有一个接触器接通，防止短路烧损器件。

充电接触器和短接接触器通过辅助触点将主触点的接通/断开状态反馈给传动控制单元。当控制单元向某个接触器发出闭合的控制信号，而该接触器反馈的信号为断开时，则判断该接触器卡分，同理可判断其卡合。

电源模块向接触器提供控制用电源，城轨用变流器一般使用24 V电源，机车及动车组用变流器一般使用110 V电源。

4 输入回路优化设计

通过分析大量现场使用情况可知，输入回路电流的波动对模块和整个供电接触网的影响较大，可在输入回路中接入一LC滤波回路对输入回路进行优化。优化设计的输入回路如图6所示。

图6 优化后输入回路

5 结语

大功率变流器输入回路的设计及部件选型应综合考虑电压、电流等级以及可靠性、经济性等要求。本文介绍了大功率变流器输入回路的基本原理、部件的选型计算及控制方法，并设计了一种优化后的输入回路，具有一定的参考意义。

[1] 饶沛南. 大功率交流传动机车牵引变流器的研究与开发[D]. 成都：西南交通大学，2010：9-28.

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

[3] 陈坚，康勇. 电力电子学-电力电子变换和控制技术（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

刘 军.成都阿尔斯通交通电气有限公司，助理工程师。