電力機車交流牽引變流器控制

田平川 孫斌 鄭飛

中國鐵路濟南局有限公司濟南機務段 山東濟南 250023

在國內經濟蒸蒸日上的背景下，鐵路線也變得越來越繁忙，相應的客運里程及數量也日益提升。尤其是高速鐵路往往效率高、很少占地、運輸量大、準時、能耗小、效益佳等，所以，國家大力扶持軌道交通制造業。其中軌道電力牽引領域的交通裝備，如變流器等的集成、創新控制，在改善國內軌道交通方面更是發揮著很關鍵的作用[1]。

1 交流電力機車中優化控制牽引變流器的必要性

為了鐵路裝備技術的飛快發展、鐵路運輸的不斷擴充，鐵道部推廣應用了當前最先進的牽引電力機車裝備，以快速適應現代社會。其中控制變流器時，通常僅考慮電能輸入質量與電機牽引輸出特性。但是，這種只考慮牽引變流器的控制并不科學，還需要根據牽引系統，來控制牽引變流器，以免控制不周而無法從外部電網振蕩至牽引變流器，甚至引起過電壓、并且產生軸承漏電流、加速損壞電機等。所以，變流器很有必要進一步改善控制，以增強變流作業的可靠性與實用性。

2 優化控制牽引變流器

2.1 車網振蕩控制優化

當20 臺電力機車一起運行時出現了振蕩問題，也即牽引變流器內部的整流器控制單元PWM 造成了車網振蕩。所以，應找出原因、建模，并且進一步改進控制PWM 整流器的模型。

根據控制框圖，適當優化控制PWM 整流器的軟件，便能避免系統不再出現振蕩。據改進后的供電牽引電壓、電流圖顯示，電網電壓及電流波形均正常。所以，經過優化控制后，不再會出現電壓、電流振蕩問題[2]。

2.2 中點電壓控制優化

在牽引變流器當中，逆變器控制直接關乎輸出中點電壓(即電壓零序分量)的分布。在逆變器單元中，存在兩種不一樣的PWM控制中點電壓標準分布圖。一般中點電壓會從兩個方面，來影響牽引電機。一方面，形成軸承電流，造成電機燒軸；另一方面，電機增大接地電流，極易致使電機接地出現保護誤動作。在中點定子電壓μN 處，引起電容性耦合。

在定轉子鐵芯間，不同軸承套內的等效電容，電容CBR、CBS 一般分布在內外軸承間、電容CSR 分布在滾珠、定轉子內。在電容性耦合內，等效阻抗內的電容量相對較小，線路中點電壓的PWM 采樣頻率、三次諧波中的次諧波，經由電容只會形成很小的耦合電流。但是，電壓幅值卻很大，常常會利用轉子上的電容，感應出相應的電壓。所以，中點電壓便施加在滾珠、軸承套間的電容上。其中的電容絕緣體就是潤滑機油位于滾珠、軸承套，而形成的一種薄膜。因為電機軸會轉動，所以其中的滾珠也會運動，這樣電容介質當中的潤滑機油也就會改變絕緣能力，令電容兩端出現變化的感應電壓。因此，在電容兩端會積聚電荷，一直至電勢大于稀薄位置的絕緣能力，而引起火花放電，并出現閃絡電流。

據外國軸承漏電流的消除方法可知，不僅可以使用正弦波濾波器，而且還可以將電機轉軸直接接地、隔絕軸承與軸頸以及引進陶瓷軸承襯、法拉第屏蔽層、導電潤滑機油等，來直接提供給轉軸通路。現階段，針對牽引電機，一般使用的是陶瓷氧化鋁軸承。但通過陶瓷軸承，僅僅阻隔了軸承出現電流，并未徹底消除掉中點電壓下的軸電壓。所以，軸電壓在自己的電壓當中，一直在試著發現通路釋放，一般就是負載或齒輪箱、轉速儀等，迫切需要注意。

2.3 電機過電壓控制優化

通過電壓型逆變器，主要提供給電機電壓波PWM。但電壓波PWM 往往具有很高的dv/dt 電壓變化率，所以，PWM 電壓主要經由電纜線，從逆變器向電機傳輸，就需要考慮電纜線當中分布參數帶來的影響。

在逆變器負載GBT 的電機端，主要就是波中高頻PWM 中有相當豐富的成份，而引起過電壓波形。一般經由逆變器，利用電纜向電機端傳送。這等同于很多階躍波形函數，經由電壓源，利用傳輸線，均勻向電機傳輸端。據傳輸波的理論知識可知，這個波形正向至電機端時，就會逆向傳播。直至逆變器側后，反射波再會又一次反射，并且一直正向傳播。就傳輸波頭而言，反射一次便會按阻抗匹配，相對衰減一些。這樣不斷重復進行反射，一直至波衰減至零。而PWM 波出現的脈沖波就會疊加到前面脈沖波發出的反射波，據整體上的相序正負，便可以形成不斷衰減的一種振蕩波形。據深入研究顯示，逆變器電纜線松散分布在電機間，電機端出現的過電壓便具有很高的振蕩頻率。當緊扎起電纜線，電機端就會出現過低振蕩頻率的電壓。在電機、逆變器間具有越長的電纜，電機端出現的過電壓就會具有越低的振蕩頻率。

很明顯，在電機端施加高頻過電壓，便會嚴重影響到電機絕緣性能。因為高頻過電壓僅僅會大幅影響到電機輸入電壓端口的頭幾匝，所以可以在設計電機的過程中，針對電機端口，出現的定子繞組采取兩倍的絕緣措施就好。主要就是從理論上看，波引起的過電壓往往是兩倍的PWM 波幅值[3]。

2.4 電機空轉、打滑控制優化

在控制牽引變流器中，往往有別于控制其他電機內部的傳動變流器。其中最關鍵的就是牽引變流器存在著粘著控制現象，也就是應優化控制電機出現空轉或打滑現象。

當起動的時候，應檢測列車中的車輪在空轉方面的情況。在空轉出現后，應及時降低牽引力，再撒沙、減小起動加速度，并以此來防止再次空轉出現。

當制動時，應準確判斷車輪的滑動情況。通常以第三軸速度為車速最為適合。滾過第一車輪轂后，就會改善第二軸黏著性，再至第三軸便極佳。

3 結語

總之，在交流電力機車中，作為核心動力件之一，牽引變流器的控制專業技術屬于鐵路中的一種關鍵性技術，具有很重要的作用。所以，應積極創新變流器的控制方法，以改善機車質量，促進運輸業的進步。