HXD1型機(jī)車變流器中的直流支撐電容

陳湘令

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

HXD1型機(jī)車由 25kV、50Hz單相交流電源供電，通過主變壓器（車載）將 25kV、50Hz交流電源轉(zhuǎn)換成 970V輸入電壓，送入變流柜。每一臺(tái)機(jī)車設(shè)有兩臺(tái)牽引變流器柜，每一個(gè)變流柜由兩臺(tái)相互獨(dú)立組成。一個(gè)變流器包含兩個(gè)四象限整流器以及一個(gè)相應(yīng)的、為兩臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)供電的逆變器和一個(gè)為輔助設(shè)備（例如，象風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)）供電的輔助逆變器。圖1為一個(gè)變流器柜體內(nèi)的牽引變流器的主要電氣部件。

圖1 HXD1變流器框圖

該牽引變流器通過外部主變壓器與單相 25kV/50Hz交流接觸網(wǎng)相連。網(wǎng)側(cè)隔離開關(guān)控制變壓器次邊繞組與牽引變流器的連接。直流支撐回路通過一個(gè)預(yù)充電單元（處于閉合狀態(tài)）和兩個(gè)并聯(lián)的四象限整流器模塊（每個(gè)模塊代表一個(gè)半橋）供電。直流支撐回路內(nèi)中包含有直流支撐電容，諧振回路，接地檢測單元和保護(hù)模塊。通過脈寬調(diào)制逆變器，直流支撐電壓中的電能轉(zhuǎn)換為變頻變壓的三相電，以提供給三相異步牽引電動(dòng)機(jī)。圖2為一臺(tái)牽引變流器的一條支路概略圖。

圖2 一臺(tái)牽引變流器的一條支路概略圖

當(dāng)牽引變流器投入運(yùn)行時(shí)，首先，通過預(yù)充電單元對直流支撐電容進(jìn)行充電，然后閉合輸入斷路器。這樣就減小了大的電流沖擊，否則，如果輸入電壓突然加載到未充電的支撐電容組上，將會(huì)導(dǎo)致瞬間峰值電流。

1 直流支撐電容的作用

在圖 2所示的交-直-交變流系統(tǒng)中，中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)銜接整流和逆變兩個(gè)環(huán)節(jié)，而支撐電容器作為一個(gè)儲(chǔ)能器是必不可少的，主要起著以下幾個(gè)方面的作用：

1）補(bǔ)償電機(jī)的無功功率

電機(jī)是感性負(fù)載，要消耗無功功率，支撐電容對無功功率起補(bǔ)償作用?？梢苑€(wěn)定電壓，改善電機(jī)的輸出性能。

2）提供負(fù)載變化時(shí)的能量調(diào)節(jié)

當(dāng)負(fù)載突然加大時(shí)，系統(tǒng)的直流電源不能瞬時(shí)地供給大量能量，引起電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，此時(shí)電容起到一個(gè)補(bǔ)償能量的作用。基于這一原因，也可以說支撐電容減弱了負(fù)載能量。

3）支撐中間直流回路電壓，使其保持穩(wěn)定

因?yàn)樽兞髌髟诙虝r(shí)間內(nèi)能量的輸入和能量的輸出不對等，在中間直流支撐回路設(shè)置支撐電容，對直流支撐回路的電壓進(jìn)行濾波和緩沖。

基于以上幾點(diǎn)分析可知，支撐電容的主要作用是濾除整流器直流側(cè)的紋波電壓及限制負(fù)載突變時(shí)的直流電源脈動(dòng)。一般而言，從減小直流電壓的脈動(dòng)、穩(wěn)定電壓、提供無功功率方面看，支撐電容容量應(yīng)取得較大；但是，從滿足電壓環(huán)控制的跟隨性能指標(biāo)看，支撐電容容量應(yīng)盡量小，以確保整流器直流側(cè)電壓的快速跟蹤控制。

2 直流支撐電容容量的取值及連接方式

支撐電容容量的計(jì)算，從以下兩個(gè)方面分析：

1）滿足直流電壓跟隨性能指標(biāo)的支撐電容值直流電壓跟隨性能指標(biāo)是以整流器直流側(cè)電壓由穩(wěn)定最低值躍變到額定值的動(dòng)態(tài)過程來評價(jià)的。將單相脈沖整流器看做一個(gè)單相不可控整流電路，取整流電壓的平均值作為整流器直流側(cè)電壓穩(wěn)定最低值，與網(wǎng)側(cè)電壓有效值UN的關(guān)系為

圖3 整流器電壓躍變動(dòng)態(tài)等效電路圖

將 Uc=Udc代入式（2）可得

在式（3）中的等效電阻R可通過中間直流環(huán)節(jié)輸出功率PO近似求取，可得

對于牽引變流器，通常情況下

直流電壓跟隨指標(biāo)tr可根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤性能取一個(gè)合理值（如tr=0.15s），直流額定電壓Udc（1700V）已知，將上述（1）、（4）、（5）式的計(jì)算結(jié)果代入（3）式，即可求得直流支撐電容 C的大小。

對于HXD1型機(jī)車，依照上述步驟的計(jì)算，支撐電容值取為

2）考慮抑制二次諧波電壓的支撐電容值

在HXD1機(jī)車上，專設(shè)了一個(gè)諧振吸收回路（見圖4所示），用來過濾中間直流回路中兩倍于輸入電壓頻率的能量流產(chǎn)生的紋波。通過 LC串聯(lián)諧振電路吸收兩倍基波頻率的二次諧波，其諧振回路電容組的電容值為

對于其他類型的機(jī)車牽引變流器（如CRH5），由于未采用二次諧波濾波電路，因此在支撐電容的選取時(shí)，必須考慮二次諧波電流引起的電壓脈動(dòng)。根據(jù)其相關(guān)的計(jì)算理論，計(jì)算出直流支撐電容的大小，再結(jié)合式（1）、（2）兩方面的計(jì)算值，予以綜合考慮。

值得說明的是，支撐電容的容量取值除了理論計(jì)算外，還需依靠經(jīng)驗(yàn)值補(bǔ)充完善，使其選值更合理。

3）HXD1直流支撐電容組的接法

HXD1機(jī)車直流支撐電容組C由4× 3mF電容器組成，每個(gè)單獨(dú)的變流器共計(jì)12mF，其連接方式見圖5所示。

圖4 諧振吸收電路

圖5 直流支撐電容組

3 直流支撐回路電容的放電檢測

當(dāng)機(jī)車停止運(yùn)行，即使機(jī)車已經(jīng)落下受電弓，這些支撐回路中的電容器可以在較長時(shí)間（幾天）內(nèi)帶有危險(xiǎn)的高電壓?；谶@一情況，必須保證牽引系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，在針對牽引變流器執(zhí)行任何工作前，必須絕對保證直流支撐回路完全放電。其放電檢測步驟如下：

1）準(zhǔn)備好一個(gè)數(shù)字萬用表（具有 3kV 高壓探頭的FLUKE 189型萬用表）。

2）開起變流器前面的兩個(gè)蓋子（直流支撐回路的測量和接地點(diǎn)位于每個(gè)蓋子的后面），將接地測量電纜連接到變流器接地點(diǎn)。

3）使用高壓探頭檢測固定圓球接地點(diǎn)。檢測所有測試點(diǎn)的電壓是否均低于20V， 如果直流支撐回路測量出的電壓值大于 20V，使用牽引變流器內(nèi)的固定放電電阻對直流支撐回路放電（放電過程的時(shí)間常數(shù)＜ 15min），經(jīng)過大約2h后，容器內(nèi)部的電壓下降至安全電壓（＜50V）。

4）如果經(jīng)過2h后，電壓還沒有降至安全值，那么是牽引變流器內(nèi)的放電電阻出現(xiàn)故障，必須盡快進(jìn)行修理。在這種特殊情況下，直流支撐回路必須通過牽引變流器中的集成電阻進(jìn)行放電。因?yàn)檫@些集成電阻值非常高，因而放電過程可能會(huì)持續(xù) 2天時(shí)間。

5）如果測得的電壓值小于20V，就可在接地點(diǎn)連接一根接地導(dǎo)線，然后連接到直流支撐回路的XP、XN（見圖2）以及諧振吸收回路之間。此時(shí)，如果支撐回路的電容中仍存在一個(gè)低電壓，在連接接地導(dǎo)線時(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小電弧，應(yīng)注意安全，但沒有危險(xiǎn)。

4 結(jié)論

直流支撐回路在HXD1變流器中起著重要的作用。其支撐電容器的主要作用是濾波和穩(wěn)壓，此外還與交流電機(jī)進(jìn)行無功功率的交換，是一個(gè)比較昂貴的部件。支撐電容器容量的取值，非常重要，除了依靠理論計(jì)算外，還來源于經(jīng)驗(yàn)的積累，里面大有文章可做，在此，僅起拋磚引玉的作用。

[1]邱關(guān)源.電路[M].北京:高等教育出版社,1999.

[2]張曙光. HXD1型電力機(jī)車[M]. 北京:中國鐵道出版社,2009.

[3]廖洪濤.和諧 HXD1型大功率交流電力機(jī)車概述[J].電力機(jī)車與城軌車輛,2007(1):7-10.

[4]董曉鵬，黃兆安.PWM 整流器直流電壓對電源電流控制的影響[J].電力電子技術(shù),1998(8):7-10.