電力機(jī)車交流牽引變流器控制

田平川 孫斌 鄭飛

中國(guó)鐵路濟(jì)南局有限公司濟(jì)南機(jī)務(wù)段 山東濟(jì)南 250023

在國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)蒸蒸日上的背景下，鐵路線也變得越來(lái)越繁忙，相應(yīng)的客運(yùn)里程及數(shù)量也日益提升。尤其是高速鐵路往往效率高、很少占地、運(yùn)輸量大、準(zhǔn)時(shí)、能耗小、效益佳等，所以，國(guó)家大力扶持軌道交通制造業(yè)。其中軌道電力牽引領(lǐng)域的交通裝備，如變流器等的集成、創(chuàng)新控制，在改善國(guó)內(nèi)軌道交通方面更是發(fā)揮著很關(guān)鍵的作用[1]。

1 交流電力機(jī)車中優(yōu)化控制牽引變流器的必要性

為了鐵路裝備技術(shù)的飛快發(fā)展、鐵路運(yùn)輸?shù)牟粩鄶U(kuò)充，鐵道部推廣應(yīng)用了當(dāng)前最先進(jìn)的牽引電力機(jī)車裝備，以快速適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)。其中控制變流器時(shí)，通常僅考慮電能輸入質(zhì)量與電機(jī)牽引輸出特性。但是，這種只考慮牽引變流器的控制并不科學(xué)，還需要根據(jù)牽引系統(tǒng)，來(lái)控制牽引變流器，以免控制不周而無(wú)法從外部電網(wǎng)振蕩至牽引變流器，甚至引起過(guò)電壓、并且產(chǎn)生軸承漏電流、加速損壞電機(jī)等。所以，變流器很有必要進(jìn)一步改善控制，以增強(qiáng)變流作業(yè)的可靠性與實(shí)用性。

2 優(yōu)化控制牽引變流器

2.1 車網(wǎng)振蕩控制優(yōu)化

當(dāng)20 臺(tái)電力機(jī)車一起運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了振蕩問(wèn)題，也即牽引變流器內(nèi)部的整流器控制單元PWM 造成了車網(wǎng)振蕩。所以，應(yīng)找出原因、建模，并且進(jìn)一步改進(jìn)控制PWM 整流器的模型。

根據(jù)控制框圖，適當(dāng)優(yōu)化控制PWM 整流器的軟件，便能避免系統(tǒng)不再出現(xiàn)振蕩。據(jù)改進(jìn)后的供電牽引電壓、電流圖顯示，電網(wǎng)電壓及電流波形均正常。所以，經(jīng)過(guò)優(yōu)化控制后，不再會(huì)出現(xiàn)電壓、電流振蕩問(wèn)題[2]。

2.2 中點(diǎn)電壓控制優(yōu)化

在牽引變流器當(dāng)中，逆變器控制直接關(guān)乎輸出中點(diǎn)電壓(即電壓零序分量)的分布。在逆變器單元中，存在兩種不一樣的PWM控制中點(diǎn)電壓標(biāo)準(zhǔn)分布圖。一般中點(diǎn)電壓會(huì)從兩個(gè)方面，來(lái)影響牽引電機(jī)。一方面，形成軸承電流，造成電機(jī)燒軸；另一方面，電機(jī)增大接地電流，極易致使電機(jī)接地出現(xiàn)保護(hù)誤動(dòng)作。在中點(diǎn)定子電壓μN(yùn) 處，引起電容性耦合。

在定轉(zhuǎn)子鐵芯間，不同軸承套內(nèi)的等效電容，電容CBR、CBS 一般分布在內(nèi)外軸承間、電容CSR 分布在滾珠、定轉(zhuǎn)子內(nèi)。在電容性耦合內(nèi)，等效阻抗內(nèi)的電容量相對(duì)較小，線路中點(diǎn)電壓的PWM 采樣頻率、三次諧波中的次諧波，經(jīng)由電容只會(huì)形成很小的耦合電流。但是，電壓幅值卻很大，常常會(huì)利用轉(zhuǎn)子上的電容，感應(yīng)出相應(yīng)的電壓。所以，中點(diǎn)電壓便施加在滾珠、軸承套間的電容上。其中的電容絕緣體就是潤(rùn)滑機(jī)油位于滾珠、軸承套，而形成的一種薄膜。因?yàn)殡姍C(jī)軸會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以其中的滾珠也會(huì)運(yùn)動(dòng)，這樣電容介質(zhì)當(dāng)中的潤(rùn)滑機(jī)油也就會(huì)改變絕緣能力，令電容兩端出現(xiàn)變化的感應(yīng)電壓。因此，在電容兩端會(huì)積聚電荷，一直至電勢(shì)大于稀薄位置的絕緣能力，而引起火花放電，并出現(xiàn)閃絡(luò)電流。

據(jù)外國(guó)軸承漏電流的消除方法可知，不僅可以使用正弦波濾波器，而且還可以將電機(jī)轉(zhuǎn)軸直接接地、隔絕軸承與軸頸以及引進(jìn)陶瓷軸承襯、法拉第屏蔽層、導(dǎo)電潤(rùn)滑機(jī)油等，來(lái)直接提供給轉(zhuǎn)軸通路?，F(xiàn)階段，針對(duì)牽引電機(jī)，一般使用的是陶瓷氧化鋁軸承。但通過(guò)陶瓷軸承，僅僅阻隔了軸承出現(xiàn)電流，并未徹底消除掉中點(diǎn)電壓下的軸電壓。所以，軸電壓在自己的電壓當(dāng)中，一直在試著發(fā)現(xiàn)通路釋放，一般就是負(fù)載或齒輪箱、轉(zhuǎn)速儀等，迫切需要注意。

2.3 電機(jī)過(guò)電壓控制優(yōu)化

通過(guò)電壓型逆變器，主要提供給電機(jī)電壓波PWM。但電壓波PWM 往往具有很高的dv/dt 電壓變化率，所以，PWM 電壓主要經(jīng)由電纜線，從逆變器向電機(jī)傳輸，就需要考慮電纜線當(dāng)中分布參數(shù)帶來(lái)的影響。

在逆變器負(fù)載GBT 的電機(jī)端，主要就是波中高頻PWM 中有相當(dāng)豐富的成份，而引起過(guò)電壓波形。一般經(jīng)由逆變器，利用電纜向電機(jī)端傳送。這等同于很多階躍波形函數(shù)，經(jīng)由電壓源，利用傳輸線，均勻向電機(jī)傳輸端。據(jù)傳輸波的理論知識(shí)可知，這個(gè)波形正向至電機(jī)端時(shí)，就會(huì)逆向傳播。直至逆變器側(cè)后，反射波再會(huì)又一次反射，并且一直正向傳播。就傳輸波頭而言，反射一次便會(huì)按阻抗匹配，相對(duì)衰減一些。這樣不斷重復(fù)進(jìn)行反射，一直至波衰減至零。而PWM 波出現(xiàn)的脈沖波就會(huì)疊加到前面脈沖波發(fā)出的反射波，據(jù)整體上的相序正負(fù)，便可以形成不斷衰減的一種振蕩波形。據(jù)深入研究顯示，逆變器電纜線松散分布在電機(jī)間，電機(jī)端出現(xiàn)的過(guò)電壓便具有很高的振蕩頻率。當(dāng)緊扎起電纜線，電機(jī)端就會(huì)出現(xiàn)過(guò)低振蕩頻率的電壓。在電機(jī)、逆變器間具有越長(zhǎng)的電纜，電機(jī)端出現(xiàn)的過(guò)電壓就會(huì)具有越低的振蕩頻率。

很明顯，在電機(jī)端施加高頻過(guò)電壓，便會(huì)嚴(yán)重影響到電機(jī)絕緣性能。因?yàn)楦哳l過(guò)電壓僅僅會(huì)大幅影響到電機(jī)輸入電壓端口的頭幾匝，所以可以在設(shè)計(jì)電機(jī)的過(guò)程中，針對(duì)電機(jī)端口，出現(xiàn)的定子繞組采取兩倍的絕緣措施就好。主要就是從理論上看，波引起的過(guò)電壓往往是兩倍的PWM 波幅值[3]。

2.4 電機(jī)空轉(zhuǎn)、打滑控制優(yōu)化

在控制牽引變流器中，往往有別于控制其他電機(jī)內(nèi)部的傳動(dòng)變流器。其中最關(guān)鍵的就是牽引變流器存在著粘著控制現(xiàn)象，也就是應(yīng)優(yōu)化控制電機(jī)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)或打滑現(xiàn)象。

當(dāng)起動(dòng)的時(shí)候，應(yīng)檢測(cè)列車中的車輪在空轉(zhuǎn)方面的情況。在空轉(zhuǎn)出現(xiàn)后，應(yīng)及時(shí)降低牽引力，再撒沙、減小起動(dòng)加速度，并以此來(lái)防止再次空轉(zhuǎn)出現(xiàn)。

當(dāng)制動(dòng)時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確判斷車輪的滑動(dòng)情況。通常以第三軸速度為車速最為適合。滾過(guò)第一車輪轂后，就會(huì)改善第二軸黏著性，再至第三軸便極佳。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，在交流電力機(jī)車中，作為核心動(dòng)力件之一，牽引變流器的控制專業(yè)技術(shù)屬于鐵路中的一種關(guān)鍵性技術(shù)，具有很重要的作用。所以，應(yīng)積極創(chuàng)新變流器的控制方法，以改善機(jī)車質(zhì)量，促進(jìn)運(yùn)輸業(yè)的進(jìn)步。