牽引變流器控制系統(tǒng)

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(yùn)算放大器等)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，70年代末則應(yīng)用大集成度的數(shù)字集成器件和微處理機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。這些電子控制技術(shù)的應(yīng)用使變流器的性能，進(jìn)而使整個(gè)機(jī)車的性能和自動(dòng)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(yīng)用在電力機(jī)車上的單相橋式線路，交流電壓u正半周經(jīng)二級(jí)管1和二極管3、負(fù)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(dòng)電壓Ud,經(jīng)過平波電抗器Ld濾去脈動(dòng)成分后用于驅(qū)動(dòng)直流牽引電動(dòng)機(jī)，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(jī)車采用的三相橋式整流線路圖和電壓波形圖。若用適當(dāng)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(gè)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(dǎo)通時(shí)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(yīng)的電壓電流波形圖。如果控制 ɑ>π/2并人為地使?fàn)恳妱?dòng)機(jī)電勢反向，則變流器進(jìn)入再生制動(dòng)工況,此時(shí)全控橋式整流器就處于有源逆變的工況,將機(jī)車的動(dòng)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(fù)載續(xù)流作用。半控橋式整流器只能調(diào)壓，不能再生制動(dòng)。全控橋和半控橋是橋式整流器的兩大類，應(yīng)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(qiáng)迫關(guān)斷方法，周期性地控制直流電源和負(fù)載間的通斷，使斬波器輸出端得一脈動(dòng)電壓，用平波電抗器Ld濾去脈動(dòng)成分，則在負(fù)載上得到一由周期導(dǎo)通角ɑ控制的直流電壓Ud。圖4為其原理圖，其中F為強(qiáng)迫關(guān)斷器件，D為續(xù)流二極管，M為負(fù)載。電壓Ud實(shí)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(dāng)?shù)母慕涌捎性偕苿?dòng)性能。直流斬波器多用在直流電力機(jī)車、動(dòng)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(jìn)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(dāng)負(fù)載電流和電壓不同相時(shí)做續(xù)流用的續(xù)流二極管。

異步牽引電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)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(dá)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(dòng)。利用這一可逆性又可制成交-直-交電力機(jī)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(duì)穩(wěn)定,這可以采用串聯(lián)電抗器Ld來達(dá)到。如果控制各強(qiáng)迫關(guān)斷器件的導(dǎo)通順序(圖6b)，則在電機(jī)每相繞組中可得到2π/3電角度導(dǎo)通的交變電流(圖6c)。在低頻起動(dòng)時(shí)為了避免因 2π/3矩形波電流而造成過大的電機(jī)力矩脈動(dòng)，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(yīng)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(dòng)同步型牽引電動(dòng)機(jī)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(fù)載電勢進(jìn)行換向。這種類型的變流器已在蘇聯(lián)ВЛ83型電力機(jī)車上應(yīng)用。循環(huán)變流器是另一種降頻交-交變流器,是燃?xì)廨啓C(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng)可以選擇的一種設(shè)備。

1879年德國西門子公司建造的直流125伏、3馬力的電車應(yīng)用牽引變流器取得成功。20世紀(jì)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(dǎo)體器件構(gòu)成的變流器所替代。起初僅用大功率二極管進(jìn)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(jī)車、電力傳動(dòng)柴油機(jī)車、燃?xì)廨啓C(jī)車、動(dòng)車組以及地下鐵道車輛上得到廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用何種牽引變流器已成為表明機(jī)車特性的主要標(biāo)志之一。

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

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

為了準(zhǔn)確獲取電機(jī)的效率，應(yīng)該采用低頻精度較高、帶微處理器的變頻功率分析儀和準(zhǔn)確級(jí)較高的變頻功率傳感器。

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(gè)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(qiáng)冷卻措施(采用強(qiáng)迫通風(fēng)、風(fēng)冷、油冷及氟冷方法)使單個(gè)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(shí)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(qiáng)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(dǎo)通晶閘管，它在較高頻的強(qiáng)迫換向電路中得到了應(yīng)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?yàn)樗鼈儾恍枰獜?qiáng)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(dú)自特點(diǎn)。

牽引變流器正在朝大功率、調(diào)節(jié)控制性能齊全和對(duì)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(yīng)用的是二極管整流、晶閘管相控和直流斬波,而以應(yīng)用交流牽引電動(dòng)機(jī)為目標(biāo)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(yīng)用，但因價(jià)格昂貴、技術(shù)復(fù)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(dǎo)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(yīng)用氟冷卻和大規(guī)模集成數(shù)字電路技術(shù)等，將會(huì)推進(jìn)牽引變流技術(shù)的發(fā)展。

主傳動(dòng)采用交直交電傳動(dòng)。主電路由雙星形繞組交流主發(fā)電機(jī)、牽引變流器、異步牽引電動(dòng)機(jī)、電阻制動(dòng)裝置等組成。柴油發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī),實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速,從而控制機(jī)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(shè)支撐電容和制動(dòng)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(dòng)機(jī)返回的無功能量;制動(dòng)電阻在機(jī)車制動(dòng)時(shí)由微機(jī)控制投入,同時(shí)制動(dòng)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(jī)車牽引工況下用以吸收過高的直流電壓。機(jī)車牽引和制動(dòng)工況的控制由控制系統(tǒng)控制變流器實(shí)現(xiàn),電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速采用直接力矩控制方式。機(jī)車主電路中不設(shè)電空接觸器,機(jī)車方向的轉(zhuǎn)換由GTO 開關(guān)元件實(shí)現(xiàn), 線路得以大大簡化。