軌道交通變流器RC 吸收回路優化驗證研究

馬 瑞， 李 莎， 沈紅彬

（1.中車永濟電機公司， 陜西 西安 710016；2.國網陜西省電力有限公司咸陽供電公司， 陜西 咸陽 712000）

1 研究背景

RC 吸收回路具有抑制過電壓幅值和抑制高頻振蕩的作用，可將回路從欠阻尼狀態調節為無震蕩狀態，在軌道交通電力機車、動車組和城市軌道交通等車型廣泛應用。在實際應用中，由于過電壓、過電流、變壓器變比設置不合理等原因，可能導致電阻電容以及開關器件燒損，影響車輛安全可靠運行[1]。

2 RC 吸收回路選型原則

在RC 吸收回路中，電容通過其兩端電壓不能突變的特性限制電壓上升率，同時減少回路能耗。電阻的接入可增大系統阻尼，加速分相過電壓的衰減，改善欠阻尼狀態下的高頻振蕩。考慮到回路中雜散電感、變壓器漏感等對系統性能會產生一定的影響，在實際應用中，往往要在選型計算的基礎上根據實際情況進行適當調整。

2.1 電阻取值

電阻取值為開關所能承受的瞬時電壓與初始電流的比值。電阻選型中需注意：適當增大電阻取值可增加系統阻尼，但該取值有一個閾值。電阻取值過大會增大回路的時間常數，延長暫態過程，降低回路保護的有效性，取值過小會增大動態損耗。

2.2 電容取值

增大電容量能夠提升RC 回路的吸收能力，降低電壓尖峰。電容選型中需注意：依據負載的電流大小和交流電的工作頻率進行選型，而非依據負載的電壓和功率。增大電容取值可使震蕩回路接近于工頻，但容值過大會增加損耗。

3 RC 回路器件燒損原因分析

如圖1 所示，整流橋前端連接變壓器次邊，對變壓器次邊單相交流電進行整流，并聯RC 阻容電路吸收電壓尖峰。

3.1 變壓器變比過高

變壓器變比過大使得變壓器次邊輸出電壓尖峰過高，而RC 回路吸收能力不足以吸收此尖峰，考慮到電壓尖峰倍數隨輸入電壓的增大而增大，當電壓尖峰超過整流二極管器件的最大工作電壓時，會導致二極管損壞。同時，RC 吸收回路的電流過大，可能導致電阻燒損。

3.2 過壓、過流影響

軌道交通車輛運行時，由電源側產生的高次諧波電流及電壓波形畸變會對系統供電性能造成一定影響，交直交型軌道交通車輛變流器大多采用PWM 調制方式，易出現高次諧波串聯諧振，當諧波過電壓超過變壓器次邊開關器件所能承受的最高電壓和阻容吸收回路的最大吸收能力時，將導致開關器件燒損，過壓、過流沖擊超過吸收電阻的耐受范圍時，將導致吸收電阻燒損[3]。

3.3 部件選型不合理

電阻和電容選型未考慮特殊工況下的過電流或過電壓尖峰，電容取值小，吸收能力弱。電阻取值小、功率低不能耐受過電壓、過電流的沖擊而造成燒損。

4 故障案例及優化驗證

4.1 故障描述

本文選取導軌電車輔助功率模塊進行試驗測試，直流母線輸入額定電壓為750 V（波動范圍400～900 V），變壓器變比1.87，整流二極管最大工作電壓、電流分別為2 400 V、250 A，RC 回路選取1 個47 Ω/600 W 電阻、3 個33 nF 電容并聯。當輸入750 V 電壓時，電容炸裂，二極管被燒損。

4.2 故障排查

斷開變壓器后端全部線路，直接監測變壓器次邊輸出，如下頁圖2 所示，變壓器次邊輸出電壓尖峰達到正常值的近2 倍。在未接入吸收回路的情況下，輸入電壓100 V 時，整流側輸出電壓202 V，輸出電壓尖峰達386 V，電壓尖峰為輸出電壓的1.9 倍，如圖3所示。

變壓器變比過大使得變壓器次邊輸出電壓尖峰過高，而RC 回路吸收能力不足以吸收此尖峰，當電壓升至600 V 左右時，會超過二極管器件的最大工作電壓2 400 V，從而導致二極管被燒損。同時，流經RC吸收回路的電流過大，導致電阻被燒損。

在上述電路中接入吸收回路，當輸入電壓為100 V 時，由圖4 可知，整流二極管反向恢復時的電壓尖峰被RC 電路部分吸收。此時RC 上流過的電流尖峰IRC-p=3.22 A。在R、C 值均不變的情況下，將輸入電壓升到127 V 時，IRC-p=3.84 A。該波形驗證了RC 回路的吸收作用，但隨著電壓的增大，RC 回路的吸收能力不足以吸收隨之增大的電流尖峰，出現了前述當電壓升至600 V 時二極管和電阻被燒損的故障。

經多次試驗驗證，流過單只功率800 W 電阻的電流在9 A 以內時，吸收電阻可以安全工作。

4.3 優化方案一

過大的電壓尖峰增大系統損耗，并可能對部件造成損傷，通過原因分析和故障復現數據可知，由于吸收回路前端電壓尖峰過高，RC 回路的吸收能力有限，導致故障發生。建議進行系統優化，降低變壓器變比和漏感，同時，需增大模塊RC 回路的吸收能力。

為解決此問題，將變壓器變比由1.87 調整為1.44。同時，經過仿真、試驗驗證、部件參數調整優化、再次試驗驗證，對電阻電容選型修正如下：

電阻：100 Ω/800 W，3 個，并聯。

電容：100 nF，2 個，并聯。

4.3.1 母線輸入電壓750 V

經測試，在母線輸入為額定電壓750 V 時，流過每個電阻的電流5 A。整流兩端電壓尖峰1.15 倍，達到1 612 V，較二極管的最大工作電壓2 400 V 還有較大裕量。對比圖3 和圖5 波形可知，該方案實現了在額定電壓下對電壓尖峰的較好地吸收效果，達到了改進的目的。

4.3.2 母線輸入電壓950 V

將母線輸入電壓升至950V 進行過壓運行測試，測試結果為：流過每個電阻的電流6.9 A。整流兩端電壓尖峰1.2 倍，達到2 130 V，較二極管的最大工作電壓2 400 V 還有一定裕量。

經驗證，該方案可有效吸收過電壓尖峰，使電阻、二極管工作在可靠范圍內。

4.4 優化方案二

為避免回路過載而發生電阻等器件燒損故障，可通過在RC 吸收回路串聯電感來降低高次諧波電流。應用該方法并非消除高次諧波，而是通過串聯電感來吸收部分諧波分量，消除高次諧波對回路的影響，實現降低電阻、功率器件等故障發生率的目的。

5 結語

RC 吸收回路在實際應用中受電源品質、變壓器漏感及負載電感等多方面因素影響，為發揮最佳性能，電阻、電容的取值與計算值存在一定偏差，需根據整流回路的性能指標，綜合考慮性能和效率。在測試過程中進行適當調整，得出RC 吸收回路中電阻和電容的最優匹配方案。同時，可通過串聯電感的方式降低回路的高次諧波分量，保證各器件在其可承受的工作范圍內可靠運行。