交流工礦電機車用牽引變流器主電路設計

郭敬軍

【摘 要】在目前交流傳動成為主流的牽引領域，牽引變流器作為核心部件一直是設計的難點。本文件簡要介紹了交流牽引優于直流牽引的一些特點，詳細介紹了架線式交流傳動工礦電機車用牽引變流器主電路的原理、牽引變流器的參數計算，同時對牽引變流器主電路中主要元件的功能進行了描述，并對其參數進行選擇計算以及選型。本文還詳細闡述了牽引變流器各保護電路的原理。

【關鍵詞】交流牽引 牽引變流器 IGBT 保護

1引言

近年來，隨著電力電子技術、微電子技術、電動機和控制理論的發展，交流電動機調速系統有了很大的發展，高性能的交流調速系統已經能與直流調速系統媲美，交流電動機調速系統正在成為調速傳動的主流。

架線式交流傳動工礦電機車以直流網線為電源，由受電弓將網線電源引入牽引變流器，通過牽引變流器逆變為電壓和頻率可調的三相交流電供給三相交流異步牽引電機來完成機車牽引，現已成為直流牽引工礦電機車的替代產品。因為交流牽引有著直流牽引所無法比擬的優點：交流電機無換向裝置，結構簡單，故障率低；直流電機由于要改善換向能力，要求電樞漏感小，轉子短粗，導致轉動慣量大，影響系統動態性能；交流牽引其牽引力在同等條件下，比直流牽引大30%以上；交流牽引制動性能好，可用純電力制動使機車制停等等。

2主電路及工作原理

變流器主電路如圖1所示，主要由充電電路、濾波電路、制動電路和逆變電路等部分組成。在機車運行前，通過充電電路將網線電源沖到濾波電路中的電解電容CF1-CF6上，當電容上的電壓上升到額定電壓的70%時，可控硅打開，將充電電路切除，變流器主電路準備工作結束。當接到運行信號后，由變流器控制電路通過IGBT驅動電路控制IGBT的導通和關斷，產生電壓和頻率可調的三相交流電供給三相交流異步牽引電機來完成機車牽引。當機車減速時，三相交流異步牽引電機處于制動狀態，將機車動能轉化為電能通過逆變橋的反并聯二極管回饋到直流回路，當直流回路電壓達到設定值305V（此值可通過軟件調整）時，制動回路IGBT打開，通過制動電阻將電能釋放掉。

為了使架線式交流傳動工礦電機車適應大多數情況，取消了交流傳動所特有的再生制動功能，設置了整流管以阻止制動電流流向架線網，將電網頂掉。可以根據實際情況開通系統的再生制動功能。

3變流器技術參數

由于大部分煤礦的架線網老化嚴重，網壓波動較大，網線高度起伏嚴重，會產生較大的沖擊電流，這增加了變流器主電路的設計難度，在元器件選型時要充分考慮。

10噸架線式交流傳動工礦電機車的主傳動形式為一臺牽引變流器帶動兩臺電機，網線電壓為250V（+20%，-25%），交流電機的主要技術參數為：

額定功率 25kW

額定電壓 190V

額定電流 87A

額定頻率 29Hz

功率因數 0.85

效率 0.9

根據電機的參數可以對變流器的主要參數進行選擇計算。

由于工礦機車采用的是架控方式，即一臺變流器拖動二臺電機，變流器輸出功率必須大于二臺電機的功率之和，選為50kW。

變流器的輸出電流為：

IO=P/（1.732UOηCOSφ）

=50000/（1.732×190×0.9×0.85）

=198A

式中：P—牽引變流器額定輸出功率

UO—牽引變流器額定輸出電壓

η—牽引電動機的效率

COSφ—牽引電動機功率因數

因為工礦電機車牽引的礦車無制動裝置，給變流器帶來的沖擊較大，所以將變流器的輸出電流適當放大，由此得出變流器的主要技術參數：

額定功率： 50kW

輸入電壓： DC250V（187V～300V）

輸出額定電壓：AC190V

輸出額定電流：198A

額定頻率： 29Hz

4主電路元件的選擇計算

4.1 逆變器IGBT元件的選擇計算

由于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊具有驅動功率小、開關速度高、飽和壓降低、保護靈敏等許多優點，所以逆變器的主要元件選擇為IGBT。

IGBT承受的最高電壓為

UM=（K1Udmax+UP）K2

=（1.15×300+100）×1.1

=489.5V

式中：K1—過電壓系數

K2—安全系數

Udmax—直流電壓最大值

UP—關斷即將結束時的尖峰電壓

流過IGBT的最大電流為

IM=1.414IOα1α2α3

=1.414×198×1.2×1.2×1.4

=564A

式中：α1—電流尖峰系數

α2—溫度降額系數

α3—過載系數

由以上計算，可選擇600V/300A的雙管IGBT模塊兩并作為逆變橋的一相橋臂。

4.2 可控硅的選擇計算

牽引變流器的設計本著無觸點電路的原則，因此選擇可控硅作為主電路的電子開關。

可控硅的反向阻斷電壓必須大于IGBT承受的最高電壓即489.5V，考慮到意外情況和國內現有元件的生產情況，取反向阻斷電壓為800V。

直流側電流為

Id=（3×1.414/π）IOCOSφ

=1.35×198×0.85

=227A

流過可控硅的最大電流為

Idmax=α1α3Id

=1.2×1.4×227

=381A

由此，可選擇400A/800V的可控硅整流管臂對模塊作為電子開關。

4.3 直流側電抗器的選擇計算

設置濾波電抗器主要有以下幾方面的考慮：

⑴濾除受電網側的工頻整流脈動，減小變流器輸入直流電壓的紋波；

⑵濾除變流器工作電流對直流電網的干擾；

⑶限制引機車脫弓復弓和直流網側電壓突然升高引起的電流沖擊。

由于電網電壓本身就是直流電壓，因此關于電感值的計算主要按第（3）條進行。

系統可耐受的最大沖擊電流為

IIMP=Idβ1

=227×15

=3405A

式中：β1—沖擊電流系數

濾波電抗器的電感值為

L=cUD2/IIMP2

=0.15×2502/34052

=8mH

式中：c—電壓紋波系數

電抗器的持續電流為

IL=P/Ud

=50000/250

=200A

通過以上計算，電抗器選擇8mH/200A的空心電感。

4.4 濾波電容器的選擇計算

直流回路設置濾波電容器的主要功能是

（1）濾平電網的電壓紋波；

（2）當負載變化時，使直流電壓保持平穩

濾波電容器的電容值為

C=0.04IO/（ω1UdK）×106

=0.04×198/（2×3.14×0.5×250×0.1）

=10098μf

式中：ω1—變流器輸出電壓基波角頻率，ω1=2πf1，f1取最低頻率

K—系統允許的直流電壓波動系數

電容器的耐壓值為

U≥1.5Ud=375V

電容值選擇越大，其濾波效果越好，直流電壓保持的越平穩，根據變流器的結構尺寸和電解電容的尺寸，選擇3300μf/400V的電解電容6只并聯作為直流回路的濾波電容器。則濾波電容器的總電容值為

C=6×3300=19800μf

4.5 制動回路的選擇計算

三相交流異步牽引電機在減速時，會將機械能轉化為電能，向電網回饋。當電網的吸收能力飽和時，多余的電能將通過制動回路釋放。

4.5.1 制動電阻的選擇計算

由于制動電阻消耗的是交流電機再生時產生的能量，因此其瞬時功率必須滿足以下條件：

Udmax2/Rd≥P

則R≤Udmax2/P

≤3002/50000

≤1.8Ω

式中：P—變流器拖動的交流電機總功率

制動電阻也不宜太小，若該阻值太小，制動回路開通時，直流電壓下降太快會引起系統不穩定。因此制動電阻阻值選為

Rd=1Ω

制動電阻的額定功率為PR=50kW

4.5.2 制動回路中IGBT的選擇計算

該元件承受的電壓與逆變器IGBT元件的電壓相同，由于電流流過制動電阻，考慮到電網的波動，選取電網電壓最大的情況，因此最大電流為

IRM=Udmaxα2/R

=300×1.2/1

=360A

考慮到IGBT元件的采購方便，選用300A/600V的雙管IGBT模塊，將其上橋臂驅動封死只用反并二極管作為制動電阻的續流二極管。

4.6 充電電阻的選擇計算

在變流器剛接通電源的瞬間，濾波電容器的充電電流非常大，過大的沖擊電流可能使可控硅整流管臂對模塊損壞，因此用充電電阻來限制充電電流。假設在2秒內濾波電容器電壓沖至85%，由下式

0.85Ud= Ud（1-e-（t/RC））

則R=-t/（C×ln0.15）

=2/（19800×10-6×1.9）

=60Ω

充電電流為

IR=（Ud/R）e-（t/RC）

充電時充電電阻上的電壓為

UR=Ude-（t/RC）

則充電電阻的功率為

PR= IR UR

=（Ud2/R）e-（2t/RC）

=37W

按照一般經驗，為防止電阻過熱，長期使用電阻時，其功率應在電阻額定功率的1/3～1/2之間，因此充電電阻選為60Ω/100W的瓷管電阻。

5牽引變流器的保護

牽引變流器保護的目的是保證電力電子器件、電路、設備安全可靠運行，在各種非正常工作狀態下不損壞，主要設置了快速熔斷器保護、短路保護和過壓保護。由于牽引變流器主電路以IGBT為核心組成，所以IGBT的保護是牽引變流器保護的核心。

5.1 快速熔斷器保護

在主電路進線側安裝一個快速熔斷器，防止出現意外情況時，損壞主電路中的功率器件。

已知變流器直流回路電流值為

Id=227A

快速熔斷器額定電流為

IFU≥KiId=1.5×227=340.5A

取快速熔斷器額定電流為IFU=350A

快速熔斷器額定電壓與逆變器IGBT額定電壓相同，選取快速熔斷器的參數為600V/350A。

5.2 短路保護

因為電力電子器件抗浪涌電流能力差，所以當發生短路或過載故障，器件中流過大于額定值的電流時，極易使器件管芯結溫迅速升高，導致器件損壞，因此短路保護十分重要。

變流器的短路保護按照檢測方法可分為過流保護和欠飽和保護兩種。

5.2.1 過流保護

圖2 過流保護原理

過流保護原理見圖2所示，在主電路的直流側，安裝一個電流傳感器，對變流器短路電流進行檢測，如果檢測電流大于保護閥值，則保護電路動作，封鎖全部控制脈沖，關斷IGBT，達到保護的目的。

5.2.2 欠飽和保護

IGBT的驅動芯片M57962L帶有保護功能，可檢測IGBT集電極C和發射極E間的電壓值，當短路發生時，電流增大，VCE增大，VCE達到動作閥值時，M57962L發出短路信號，由控制器封鎖控制脈沖。

短路發生時，降低基極、發射極兩端電壓VGE能減小IGBT關斷時的內部應力，為此采取了以下措施：

（1）柵極電壓被分布減少，這樣短路電流會減小，當IGBT關斷時，di/dt也會減小，毛刺尖峰電壓亦同時減小。

（2）在基極、發射極兩端直接跨接兩個反向連接的穩壓二極管以限制VGE，從而限制短路電流的峰值，如圖3所示。

圖3 基、射極兩端跨接反向連接

5.3 過壓保護

IGBT在開通和關斷過程中，會產生電壓尖峰，在IGBT模塊正負電源之間設置了無感吸收電容，用以控制關斷浪涌電壓和續流二極管恢復浪涌電壓。

變流器在設計時，其直流側到逆變橋臂存在線路分布電感，當IGBT關斷時，正向電流突變會因此電感存在而在IGBT兩端產生過電壓。為了減小線路分布電感，采用以下方法：

（1）直流側濾波電容與逆變橋臂安裝位置盡量靠近以縮短連線，兩部分之間連接的正負母線盡量靠近，以減小所包圍面積；

（2）無感吸收電容通過一塊印刷電路板直接安裝在IGBT的正負母線上，以減小線路分布電感；

（3）采用疊層功率母線設計，既可以減小線路電感，又兼有吸收電路功能，同時還可以減小主電路體積。

另外，直接檢測直流回路的電壓，當其高過直流網線最大波動電壓，達到305V時，制動回路IGBT打開，通過制動電阻將電能釋放掉。如果電壓仍繼續上升到315V時，由控制電路將逆變回路切斷，同時發出過壓信號。

6結語

本文詳細介紹了10噸架線式交流傳動工礦電機車用牽引變流器的主電路設計及幾種保護的原理，牽引變流器經過實際裝車運行，效果很好，達到了設計目的。

參考文獻：

[1]三菱電機應用手冊（第三代IGBT和智能功率模塊）.MitsubishiElectric Company

[2]王兆安，張明勛. 電力電子設備設計和應用手冊. 機械工業出版社.

[3]張燕賓. SPWM變頻調速應用技術.機械工業出版社.