牽引變流器測量

要正確測量牽引變頻器輸出的基波電壓有效值，必須注意:

1、采用正確的變頻電量測量裝置。 電壓、電流傳感器及儀表應該有合理的帶寬、正確的測量模式(基波有效值模式)、輸出頻率下滿足準確級要求等等。

2、牽引變頻器顯示的基波有效值(接近理論值)與實際測量結(jié)果一致的前提是開關(guān)頻率(載波頻率)足夠高(至少大于基波頻率的20倍)。實際上，牽引變頻器的開關(guān)頻率往往比較低，一般低于1KHz，而基波頻率較高，所以并不滿足該條件。

3、要對基波有效值進行準確的、穩(wěn)定的測量，前提是變頻器輸出為周期信號(傅里葉變換針對周期信號)。實際上由于牽引變頻器的開關(guān)頻率較低，當開關(guān)頻率不是基波頻率整數(shù)倍時，其輸出信號不是周期信號。例如:開關(guān)頻率為500Hz，基波頻率為60Hz，假如當前的基波周期從第0個脈沖的開始時刻開始，將在第9個脈沖的1/3時刻結(jié)束，而下一個基波周期，將從第9個脈沖的1/3時刻開始，顯然，這兩個基波周期不是一樣的信號，也就是說，變頻器輸出并非周期信號(當開關(guān)頻率較高時，這種非周期性的表現(xiàn)相對較弱)。

小結(jié): 基于上述原因，一般的測量系統(tǒng)很難準確、穩(wěn)定的測量牽引變頻器輸出的電壓。

為了準確獲取電機的效率，應該采用低頻精度較高、帶微處理器的變頻功率分析儀和準確級較高的變頻功率傳感器。

變流器由不控整流器向可控變流器的發(fā)展，變流器的電子控制系統(tǒng)也發(fā)生變化。變流器在60年代采用分立元件的開環(huán)控制系統(tǒng)，70年代過渡到線性集成元件(運算放大器等)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，70年代末則應用大集成度的數(shù)字集成器件和微處理機的閉環(huán)控制系統(tǒng)。這些電子控制技術(shù)的應用使變流器的性能，進而使整個機車的性能和自動化程度顯著提高。

牽引整流器可分為下述四類。

將交流電整成直流電,主要有兩種形式:采用橋式整流線路的橋式整流器和采用中抽整 流線路的中抽整流器。圖1a為應用在電力機車上的單相橋式線路，交流電壓u正半周經(jīng)二級管1和二極管3、負半周經(jīng)二極管2和二極管4接到直流側(cè)，從而在直流側(cè)得到不變方向的脈動電壓Ud,經(jīng)過平波電抗器Ld濾去脈動成分后用于驅(qū)動直流牽引電動機，其電壓波形圖如圖1a上部所示。圖1b為單相中抽整流線路圖和電壓波形圖。圖1c為柴油機車采用的三相橋式整流線路圖和電壓波形圖。若用適當數(shù)量的二極管串聯(lián)(以增加電壓)和并聯(lián)(以增加電流)代替原理圖中的一個元件，則可構(gòu)成所需功率的交-直整流器。

在上述整流器中換用控制元件就可得到可控整流器。以晶閘管代替圖1中的二極管,就成為全控橋式整流器，又稱相控整流器?？刂凭чl管每周期中的開始導通時刻(ɑ角)，從而控制直流側(cè)電壓。圖2為單相全控橋式整流電路圖和相應的電壓電流波形圖。如果控制 ɑ>π/2并人為地使牽引電動機電勢反向，則變流器進入再生制動工況,此時全控橋式整流器就處于有源逆變的工況,將機車的動能反饋給電網(wǎng)。如果晶閘管和二極管混合接成圖3的方式，則構(gòu)成單相半控橋式整流器，二極管在晶閘管未開通前起負載續(xù)流作用。半控橋式整流器只能調(diào)壓，不能再生制動。全控橋和半控橋是橋式整流器的兩大類，應用較廣。

又稱斬波器,用以改變直流電壓平均值的一種裝置。用晶閘管強迫關(guān)斷方法，周期性地控制直流電源和負載間的通斷，使斬波器輸出端得一脈動電壓，用平波電抗器Ld濾去脈動成分，則在負載上得到一由周期導通角ɑ控制的直流電壓Ud。圖4為其原理圖，其中F為強迫關(guān)斷器件，D為續(xù)流二極管，M為負載。電壓Ud實為由ɑ角控制的斬波器出端電壓U2的平均值。斬波器經(jīng)適當?shù)母慕涌捎性偕苿有阅?。直流斬波器多用在直流電力機車、動車組和地鐵車輛上。

又稱逆變器,將直流電變成交流電的變流器，有電壓型和電流型兩種。

①電壓型逆變器:單相作用原理如圖5a所示，由于換向要求直流側(cè)電壓Ud需保持恒定而得名。如果控制電路觸發(fā)脈沖使器件F1、F2的通斷次序如圖5b，則交流側(cè)可得一矩形波電壓如圖。5c該交流電壓幅值為Ud,而頻率可由控制回路進行調(diào)節(jié)。圖5a中 c為支撐直流電壓用的支撐電容，D1、D2為當負載電流和電壓不同相時做續(xù)流用的續(xù)流二極管。

異步牽引電動機起動時要求逆變器供出幅值可變的、接近正弦的低頻電壓,這可用分諧波調(diào)制法控制F1、F2的通斷順序來達到。電壓型逆變器在控制電路作用下能順利地轉(zhuǎn)入再生制動。利用這一可逆性又可制成交-直-交電力機車電源側(cè)變流器，它能提供恒定的中間環(huán)節(jié)直流電壓，又可調(diào)節(jié)交流電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)和改善電流波形，這就是電壓型四象限變流器。

②電流型逆變器:電路原理如圖6a,它要求直流側(cè)是一電流源，即Id要相對穩(wěn)定,這可以采用串聯(lián)電抗器Ld來達到。如果控制各強迫關(guān)斷器件的導通順序(圖6b)，則在電機每相繞組中可得到2π/3電角度導通的交變電流(圖6c)。在低頻起動時為了避免因 2π/3矩形波電流而造成過大的電機力矩脈動，也可采用電流分諧波調(diào)制方法。電流型逆變器只能調(diào)頻不能調(diào)壓，調(diào)壓功能由電源側(cè)交-直變流器來完成。電流型逆變器已在地鐵車輛上應用。

交流-交流變流器 不需經(jīng)過直流中間環(huán)節(jié),可直接將單相交流電變成三相可調(diào)頻的交流電。這種變流器中較成功的是用次驅(qū)動同步型牽引電動機的兩組三相反并橋式系統(tǒng)，它在原理上類似一電流型直-交逆變器,并借助于電源和負載電勢進行換向。這種類型的變流器已在蘇聯(lián)ВЛ83型電力機車上應用。循環(huán)變流器是另一種降頻交-交變流器,是燃氣輪機車電傳動系統(tǒng)可以選擇的一種設備。

1879年德國西門子公司建造的直流125伏、3馬力的電車應用牽引變流器取得成功。20世紀50年代 牽引變流器

法國、匈牙利、聯(lián)邦德國、日本等國研制成多種工頻牽引變流器，有單相-三相變頻式變流器、單相交流-直流旋轉(zhuǎn)式變流器、多陽極水銀式變流器和引燃管式變流器等。這些牽引變流器還未推廣就被60年代新出現(xiàn)的大功率半導體器件構(gòu)成的變流器所替代。起初僅用大功率二極管進行交流-直流間的整流。晶閘管和電子控制器件出現(xiàn)后,牽引整流器便具有交-直流間的可控整流和有源逆變、直-直流間的變換的功能，并且試制出直-交流間的變換器。80年代，牽引變流器在電力機車、電力傳動柴油機車、燃氣輪機車、動車組以及地下鐵道車輛上得到廣泛的應用。應用何種牽引變流器已成為表明機車特性的主要標志之一。

牽引變流器主要包括大功率二極管以及晶閘管、電容器和電抗器等。這些器件主要在兩個方面得到了發(fā)展:一是向大功率發(fā)展。提高元件質(zhì)量、加強冷卻措施(采用強迫通風、風冷、油冷及氟冷方法)使單個元件開關(guān)峰值功率由 100千伏安增加到1000千伏安以上;二是增加品種。聯(lián)邦德國、日本等國已實現(xiàn)變流器元件產(chǎn)品系列化、專用化，如快速二極管和快速晶閘管用于強迫換向電路;普通二極管和晶閘管用于電源換向電路。此外，制成逆導通晶閘管，它在較高頻的強迫換向電路中得到了應用,還有自關(guān)斷器件:控制極關(guān)斷晶閘管GTO和大功率三極管，因為它們不需要強迫換流用的電容器和電抗器而使變流器大為簡化。電容器分為支撐電容器、濾波電容器和換流電容器。電抗器有濾波、換流和飽和電抗器之分。各類器件都有其獨自特點。

牽引變流器正在朝大功率、調(diào)節(jié)控制性能齊全和對通信、電網(wǎng)無干擾的方向發(fā)展。80年代初在牽引變流器中得到推廣應用的是二極管整流、晶閘管相控和直流斬波,而以應用交流牽引電動機為目標的直-交、交-交逆變技術(shù)雖然性能優(yōu)越，并已有小批量生產(chǎn)應用，但因價格昂貴、技術(shù)復雜以及操作、維修要求高等還未得到普遍推廣。提高功率半導體器件的性能，特別是提高自關(guān)斷類的GTO和大功率三極管的功率和性能,應用氟冷卻和大規(guī)模集成數(shù)字電路技術(shù)等，將會推進牽引變流技術(shù)的發(fā)展。

主傳動采用交直交電傳動。主電路由雙星形繞組交流主發(fā)電機、牽引變流器、異步牽引電動機、電阻制動裝置等組成。柴油發(fā)電機組輸出三相交流電,經(jīng)主硅整流器整流成穩(wěn)定的中間直流電壓,再經(jīng)牽引變流器變換成電壓和頻率可調(diào)的三相交流電供給異步電動機,實現(xiàn)電動機變頻調(diào)速,從而控制機車的速度和牽引力。牽引變流器采用架控式、元件為GTO (4500V/3000A) 、水冷式,最高中間直流電壓2600V ,中間直流回路設支撐電容和制動電阻,支撐電容用以吸收整流回路輸出的交流分量和異步牽引電動機返回的無功能量;制動電阻在機車制動時由微機控制投入,同時制動電阻與GTO 元件串聯(lián)在中間直流回路還兼作中間直流電壓限制器,在機車牽引工況下用以吸收過高的直流電壓。機車牽引和制動工況的控制由控制系統(tǒng)控制變流器實現(xiàn),電動機變頻調(diào)速采用直接力矩控制方式。機車主電路中不設電空接觸器,機車方向的轉(zhuǎn)換由GTO 開關(guān)元件實現(xiàn), 線路得以大大簡化。