基于IGBT的地面自動(dòng)過分相技術(shù)研究

武 歡

(遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

0 前言

為了保證電網(wǎng)供電質(zhì)量，一般采用的循環(huán)單相供電的方式，同時(shí)就帶來了在換相點(diǎn)產(chǎn)生相間短路的問題。眾所周知，三相交流電兩相短路會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，造成車輛和人身危險(xiǎn)。故在牽引網(wǎng)中，每隔25～30km距離設(shè)置一個(gè)分相開關(guān)實(shí)現(xiàn)電氣隔離[1]，我們稱之為電分相，也就是中性區(qū)段，機(jī)車通過這個(gè)特殊區(qū)域的過程叫過分相技術(shù)。如圖1所示。

圖1 牽引供電系統(tǒng)電分相

現(xiàn)有的自動(dòng)過分相方法主要有2種：地面自動(dòng)過分相、車載自動(dòng)過分相控制。這2種過分相的方案，都存在著利弊，影響機(jī)車帶載能力和保持車速，間接對電氣化鐵路造成危害，影響鐵路運(yùn)輸安全。

1 電氣化鐵路過分相暫態(tài)分析

當(dāng)電氣機(jī)車通過電分相時(shí)，弓網(wǎng)系統(tǒng)的電氣特性以及等效電路都會出現(xiàn)變化。因此需要對暫態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行推導(dǎo)。

在進(jìn)行參數(shù)計(jì)算前，需要對不停電的前提下假設(shè)使用的q1、q2、s1、s2、s3 5個(gè)開關(guān)進(jìn)行模擬量控制分析，然后選擇其開合。

如果以列車上行線通過分相區(qū)為例，行車模擬如下由A向B運(yùn)行：

Tl時(shí)刻：地磁感應(yīng)器1發(fā)現(xiàn)前方有機(jī)車，關(guān)q1開關(guān)，使無電區(qū)帶A相電，相當(dāng)于其于A供電臂導(dǎo)通；

T2時(shí)刻：機(jī)車進(jìn)入過渡位置，關(guān)s2開關(guān)，機(jī)車同時(shí)從A供電臂和中性段取流；

T3時(shí)刻：當(dāng)機(jī)車通過過渡后，開s1開關(guān)，機(jī)車僅僅跟中性段接通；

T4時(shí)刻：地磁感應(yīng)器2發(fā)現(xiàn)有機(jī)車通過，開q1開關(guān)，將中性段與供電臂斷開；

T5時(shí)刻：防止短路，稍后關(guān)q2開關(guān)，將中性段與B供電臂連接起來；

T6時(shí)刻：機(jī)車駛?cè)胄碌倪^渡區(qū)間，關(guān)s3開關(guān)，導(dǎo)致受電弓與中性段和新供電臂連接；

T7時(shí)刻：列車?yán)^續(xù)行駛之后，開q2開關(guān)，受電弓與另外接觸線接觸；

T8時(shí)刻：機(jī)車完全通過電分相以后，q2斷開，過分相完成。

其中截流過電壓：

合閘過電壓：

2 基于IGBT地面自動(dòng)過分相方案設(shè)計(jì)

基于IGBT的電力電子器件的選擇以及系統(tǒng)的搭建需要注意幾點(diǎn)：工況下電子元件熱效應(yīng)，過分相各階段電子開關(guān)響應(yīng)時(shí)間，電路導(dǎo)通截止偏移現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)電路，限壓結(jié)構(gòu)，微機(jī)保護(hù)等相關(guān)技術(shù)點(diǎn)，由于新型的電力電子器件需要在牽引供電系統(tǒng)中應(yīng)用，那么必須考慮更多高鐵機(jī)車時(shí)速、帶載、接觸網(wǎng)、牽引變電所等要素。眾所周知，高鐵接觸網(wǎng)工作電壓27.5kV，電子元件不能承受過高電壓，采取措施降低電壓，合理選型，結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)電路就非常重要。

基于IGBT地面過分相大致過程如圖下所示。

圖2 進(jìn)入中間斷電區(qū)

A電源以此類推重復(fù)上面過程。

整個(gè)自動(dòng)過分相系統(tǒng)中，機(jī)車對電分相的相對位置關(guān)系直接決定電力電子開關(guān)動(dòng)作時(shí)間和邏輯組合，可以采用常見的電壓檢測模塊。通過電壓檢測信號也就是接觸網(wǎng)的電壓0值，使驅(qū)動(dòng)電路控制電力電子開關(guān)的分合，8組IGBT采用串聯(lián)連接就能夠使電子開關(guān)耐住接觸網(wǎng)27.5kV的高壓，為方便組合，通過多組IGBT反并聯(lián)，疏通正負(fù)序電流，杜絕零序電流。工作過程大致可以分為8個(gè)過程。

高壓側(cè)由于需要使用大功率電子器件，考慮接觸網(wǎng)的高壓情況，僅僅采用少量電力電子元件，其耐壓程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，為了保證牽引網(wǎng)的供電可靠性，防止可能發(fā)生的高壓大電流故障，采用“分壓分流”方法，可以通過并聯(lián)分流串聯(lián)分壓對電力電子元件進(jìn)行合理科學(xué)的組合。多個(gè)IGBT串聯(lián)提高其整體耐壓強(qiáng)度，多個(gè)IGBT并聯(lián)減小其電流沖擊。根據(jù)電流電壓關(guān)系，IGBT的并聯(lián)可以提高線路允許的最大電流，IGBT串聯(lián)可以提高線路的耐壓能力。如果僅僅追求提升單個(gè)電力電子開關(guān)的耐壓和帶載情況，其成本就會大大增加，相對而言，利用簡單的電路原理，科學(xué)合理地組合單個(gè)電力電子元件就可以起到事半功倍的效果。充分利用IGBT的串并聯(lián)，使其適應(yīng)目前高鐵弓網(wǎng)系統(tǒng)要求，為了使主開關(guān)器件承受此等高電壓采用對IGBT模塊進(jìn)行串、并聯(lián)使用。

在機(jī)車通過電分相的時(shí)候，保證供電可靠性，一般可以采用兩組IGBT聯(lián)合動(dòng)作，使用自鎖和互鎖增加響應(yīng)速度和可靠性，同時(shí)，為了保證電壓檢測效果，以電壓零值為標(biāo)準(zhǔn)，小干擾不動(dòng)作，只有真正的電壓檢測信號才動(dòng)作的設(shè)計(jì)，保證信道暢通。在整個(gè)系統(tǒng)中必須快速準(zhǔn)確檢測各信號，才能夠在最短的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作減少無電時(shí)間。為了保證整個(gè)自動(dòng)過分相安全可靠，需要盡量精確取值，達(dá)到毫伏級的測量電路。