電力電子牽引變壓器功能試驗(yàn)方法研究

黃衛(wèi)斌，黃樹剛

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中心，山西 永濟(jì) 044500）

0 引 言

近年來隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們出行的頻率越來越高，作為國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)闹髁姟壍澜煌熊嚢l(fā)揮著越來越重要的作用。然而傳統(tǒng)的列車牽引變壓器和牽引變流器由于設(shè)計(jì)的局限性，導(dǎo)致效率低下，可控性能較差，造成了資源的浪費(fèi)[1-2]。因此研制一種新型的電力電子牽引變壓器來替代傳統(tǒng)的牽引變壓器和牽引變流器越來越受到國(guó)家的重視。新型的電力電子牽引變壓器集成了牽引變壓器和牽引四象限變流器的功能，具有體積小、重量輕、效率高、可控性強(qiáng)及節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，是未來發(fā)展的趨勢(shì)[3-4]。

作為前瞻性技術(shù)研究，電力電子牽引變壓器依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“先進(jìn)軌道交通”重點(diǎn)專項(xiàng)：軌道交通列車高效變流裝置項(xiàng)目，在額定功率2.24 MW的大功率車載電力電子牽引變壓器原型機(jī)的理論下進(jìn)行的三單元級(jí)聯(lián)電力電子變壓器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究[5]。本文通過電力電子牽引變壓器功能試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，提供了電力電子牽引變壓器PETT替代傳統(tǒng)牽引變壓器和牽引變流器可能性的試驗(yàn)依據(jù)，為25 kV/50 Hz供電制式下大功率車載電力電子牽引變壓器的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了技術(shù)支撐，同時(shí)為應(yīng)對(duì)未來軌道交通綠色、節(jié)能、高效的技術(shù)要求打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 電力電子牽引變壓器PETT基本特性

1.1 工作原理

基于三單元級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力電子牽引變壓器輸入為6 250 V的單相交流電壓，該結(jié)構(gòu)中級(jí)聯(lián)H橋變換器作為輸入級(jí)，輸出并聯(lián)的LLC諧振變換器作為輸出級(jí)[6]，在每個(gè)功率單元模塊中，輸入的交流電首先經(jīng)過AC/DC變換器的整流，在中間支撐電容得到中間直流電壓3 600 V，再經(jīng)過雙向DC/DC LLC諧振變換器穩(wěn)定的直流輸出電壓1 800 V，為牽引逆變器提供所需的電能。三單元級(jí)聯(lián)電力電子牽引變壓器PETT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三單元級(jí)聯(lián)電力電子牽引變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

從圖1中可以看出，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有控制方法簡(jiǎn)單、模塊化結(jié)構(gòu)和易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)輸入級(jí)由3個(gè)H橋單元級(jí)聯(lián)而成，通過PWM載波移相技術(shù)可控制級(jí)聯(lián)整流器3個(gè)單元的載波依次相差120°，以合成電力電子牽引變壓器輸入電壓[7]。級(jí)聯(lián)H橋變換器在多電平變流器拓?fù)渲行枋褂玫脑骷?shù)目最少，采用獨(dú)立直流母線也使其直流側(cè)均壓相對(duì)容易解決。PWM載波移相技術(shù)使得輸入級(jí)變流器等效開關(guān)頻率從牽引電網(wǎng)側(cè)看提升至之前的6倍，在較低開關(guān)頻率下獲得了高開關(guān)頻率的效果，保證了其良好的輸出波形[8]。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各基本單元屬性一致，便于加入冗余設(shè)計(jì)，在單元出現(xiàn)故障的情況下可快速切除，可通過增加功率單元數(shù)量來提高輸入側(cè)承受的高壓和系統(tǒng)整體的功率等級(jí)。該結(jié)構(gòu)輸出級(jí)采用LLC諧振變換器結(jié)構(gòu)，LLC諧振變換器是包括一個(gè)諧振電感Lr、一個(gè)電感Lm和一個(gè)諧振電容Cr，其中電感Lm等效于中頻變壓器的漏感[9]，如圖2所示。

圖2 LLC諧振變換器

當(dāng)輸出側(cè)短路時(shí)，可以計(jì)算得到特征頻率fr：

當(dāng)輸出側(cè)開路時(shí)，可以計(jì)算得到特征頻率fm：

當(dāng)開關(guān)頻率高于fr時(shí)，諧振變換器呈感性，諧振網(wǎng)絡(luò)中的電流滯后于電壓，使得開關(guān)器件在開通前電壓已下降到零，電路工作在零電壓轉(zhuǎn)換區(qū)域；當(dāng)開關(guān)頻率低于fm時(shí)，諧振變換器呈現(xiàn)容性，諧振網(wǎng)絡(luò)中電流超前于電壓，使得開關(guān)管在關(guān)斷之前，其電流己下降到零，電路工作在零電流轉(zhuǎn)換區(qū)域[10]。因此，通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率使其介于fm和fr之間，此時(shí)品質(zhì)因數(shù)達(dá)到最大，輸出范圍寬且可以靈活調(diào)節(jié)，并且在全負(fù)載范圍內(nèi)可以通過零電壓開關(guān)減少原邊開關(guān)損耗。由于二次側(cè)整流半導(dǎo)體管的電壓應(yīng)力變低，因此可以實(shí)現(xiàn)小電流開斷、諧振頻率及負(fù)載獨(dú)立可調(diào)。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路主要包括了交流輸入濾波電感Lg、預(yù)充電電路（包括預(yù)充電電阻、為預(yù)充電接觸器PC）、主接觸器LC、高壓功率模塊、低壓功率模塊以及中頻變壓器等部分。其中：中間直流側(cè)電容、單元諧振電容、中間直流電壓傳感器及變壓器原邊輸入電流傳感器集成在高壓功率模塊中；輸出直流側(cè)電容及變壓器副邊輸出電流傳感器集成在低壓模塊中。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

額定輸入電壓：AC 6 250 V/50 Hz。

額定輸入電流：AC 90 A/50 Hz。

額定中間直流側(cè)電壓：DC 3 600 V。

額定輸出電壓：DC 1 800 V。

額定輸出功率：56 1 kW。

IGBT開關(guān)頻率：500 Hz（級(jí)聯(lián)H橋變換器）、3～5 kHz（LLC諧振變換器）。

控制電源：AC 220 V。

效率：≥96%。

功率因數(shù)：±1（牽引工況功率因數(shù)為1和再生制動(dòng)工況功率因數(shù)為-1）。

2 電力電子牽引變壓器功能試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

三單元級(jí)聯(lián)電力電子牽引變壓器PETT功能性試驗(yàn)系統(tǒng)主要被試品、試驗(yàn)電源、試驗(yàn)負(fù)載、試驗(yàn)控制臺(tái)、儀器儀表和試驗(yàn)工裝等組成。功能試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 三單元級(jí)聯(lián)電力電子牽引變壓器PETT功能試驗(yàn)的系統(tǒng)框圖

2.1 試驗(yàn)電源

試驗(yàn)電源電壓一般按照被試品標(biāo)稱電壓執(zhí)行，從電力電子牽引變壓器的參數(shù)可知，試驗(yàn)電源電壓為單相AC 6 250 V。電源容量由被試品負(fù)載特性及試驗(yàn)要求決定，根據(jù)被試品效率計(jì)算電源功率，如下：

式中：Sin為試驗(yàn)電源功率；Sout為負(fù)載功率；η為被試品效率。

根據(jù)負(fù)載功率為561 kW和電力電子牽引變壓器效率為96%，計(jì)算出試驗(yàn)電源功率為584 kW。交流供電系統(tǒng)的阻抗會(huì)影響被試品的運(yùn)行特性，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意電源阻抗對(duì)被試品的影響，被試品電源使用試驗(yàn)站25 kV發(fā)電機(jī)組調(diào)整輸出單相交流6 250 V，電源阻抗計(jì)算為：

式中：LS為試驗(yàn)電源阻抗；U為變壓器標(biāo)稱電壓；K為變壓器短路阻抗；F為變壓器標(biāo)稱頻率；I為變壓器標(biāo)稱電流。

由變壓器的參數(shù)可知：變壓器的短路阻抗為8.1%，變壓器標(biāo)稱電流為100 A，變壓器標(biāo)稱頻率為50 Hz，經(jīng)過計(jì)算電源阻抗為64.5 mH，滿足電力電子變壓器功能性試驗(yàn)需求。

2.2 試驗(yàn)負(fù)載

試驗(yàn)負(fù)載由牽引逆變器和牽引電機(jī)組成，牽引逆變器主要技術(shù)參數(shù)如下：

額定輸入電壓：AC 950 V。

額定輸入電流：1 640 A。

中間直流母線電壓：DC 1 800 V。

額定輸出電壓：1 391 V/3p。

額定輸出電流：620 A。

IGBT功率元件：1 500 A/3.3 kV 。

控制電源：DC 110 V 。

冷卻方式：強(qiáng)迫水循環(huán)風(fēng)冷。

由負(fù)載逆變器的參數(shù)可知，其中間直流母線電壓DC 1 800 V與電力電子牽引變壓器輸出電壓相匹配，且額定功率大于電力電子牽引變壓器，因此能夠滿足電力電子牽引變壓器的效率特性試驗(yàn)的要求，其配套牽引電機(jī)的主要參數(shù)如下：

額定功率：1 275 kW。

額定電壓：1 391 V/3p。

額定電流：620 A。

額定頻率：76 Hz。

恒功范圍：76～140 Hz。

額定轉(zhuǎn)矩：8 124 N·m。

額定功率因數(shù)：0.896。

冷卻方式：強(qiáng)迫風(fēng)冷。

牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖4和圖5所示。

圖4 牽引電機(jī)的牽引轉(zhuǎn)矩特性曲線

圖5 牽引電機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性曲線

從牽引電機(jī)的牽引及制動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線可以看出，在牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min（頻率76 Hz）時(shí)，額定功率為1 200 kW左右，大于電力電子牽引變壓器的額定功率，滿足電力電子牽引變壓器牽引制動(dòng)滿載特性試驗(yàn)的調(diào)試。

2.3 試驗(yàn)控制臺(tái)

試驗(yàn)控制臺(tái)用來實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電子牽引變壓器的指令給定和控制，主要包括預(yù)充電指令、啟動(dòng)指令、復(fù)位指令、停止指令和緊急按鈕指令，試驗(yàn)臺(tái)原理圖如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)控制臺(tái)原理

2.4 其余試驗(yàn)設(shè)備

其余試驗(yàn)設(shè)備包含牽引電機(jī)的陪試變頻器負(fù)載系統(tǒng)及儀器儀表等，均能夠滿足試驗(yàn)要求，在本方案中不在詳細(xì)介紹。

3 電力電子牽引變壓器試驗(yàn)驗(yàn)證

電力電子牽引變壓器功能試驗(yàn)主要有單單元空載啟動(dòng)試驗(yàn)、單單元牽引滿載特性試驗(yàn)、單單元制動(dòng)滿載特性試驗(yàn)以及三單元級(jí)聯(lián)空載啟動(dòng)試驗(yàn)，通過以上試驗(yàn)來驗(yàn)證電力電子牽引變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)電能變換的基本功能。

3.1 單單元空載啟動(dòng)試驗(yàn)

單單元空載啟動(dòng)試驗(yàn)方法：給系統(tǒng)提供AC 2 083 V電壓，按下試驗(yàn)控制臺(tái)預(yù)充電按鍵進(jìn)行CHB預(yù)充電，預(yù)充電完成后按下啟動(dòng)按鍵，CHB開始啟動(dòng)，完成后LLC開始啟動(dòng)，待輸出電壓達(dá)到額定值DC 1 800 V左右后，啟動(dòng)完成。單單元空載啟動(dòng)試驗(yàn)波形如圖7所示。

從圖7可以看出，CHB預(yù)充電完成時(shí)，中間直流母線電壓為DC 2 893 V，CHB啟動(dòng)后，中間直流母線電壓升高為DC 3 706 V。LLC諧振變換啟動(dòng)后，輸出電壓穩(wěn)定在DC 1 806 V左右，滿足空載啟動(dòng)特性要求。

圖7 單單元空載啟動(dòng)試驗(yàn)波形

3.2 單單元牽引滿載特性試驗(yàn)

單單元牽引滿載特性試驗(yàn)方法：給系統(tǒng)提供AC 2 083 V電壓，按下試驗(yàn)控制臺(tái)預(yù)充電按鍵進(jìn)行CHB預(yù)充電，預(yù)充電完成后按下啟動(dòng)按鍵，CHB開始啟動(dòng)，完成后LLC開始啟動(dòng)，待輸出電壓達(dá)到額定值DC 1 800 V左右后，啟動(dòng)負(fù)載變流器并工作在牽引工況，給定電機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，逐步加載至單單元額定負(fù)載。波形如圖8所示。

從圖8可以看出，牽引工況下，CHB輸入電壓為AC 2 013 V，CHB輸入電流為AC 87.6 A，中間直流母線電壓為DC 3 584 kV，輸出電壓為DC 1 824 V，中頻變壓器原邊電流為AC 55.2 A，中頻變壓器副邊電流為AC 114 A，牽引滿載功率為176 kW，運(yùn)行穩(wěn)定滿足試驗(yàn)要求。

圖8 單單元牽引滿載特性試驗(yàn)波形

3.3 單單元制動(dòng)滿載特性試驗(yàn)

單單元制動(dòng)滿載特性試驗(yàn)方法：給系統(tǒng)提供AC 2 083 V電壓，按下試驗(yàn)控制臺(tái)預(yù)充電按鍵進(jìn)行CHB預(yù)充電，預(yù)充電完成后按下啟動(dòng)按鍵，CHB開始啟動(dòng)，完成后LLC開始啟動(dòng)，待輸出電壓達(dá)到額定值DC 1 800 V左右后，啟動(dòng)負(fù)載變流器并工作在制動(dòng)工況，給定電機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，逐步加載至單單元額定負(fù)載。波形如圖9所示。

從圖9可以看出，制動(dòng)工況下，CHB輸入電壓為AC 2 157 V，CHB輸入電流為AC 68.1 A，中間直流母線電壓為DC 3 568 V，輸出電壓為DC 1 822 V，中頻變壓器原邊電流為AC 58.8 A，中頻變壓器副邊電流為AC 111 A，制動(dòng)滿載功率為147 kW，運(yùn)行穩(wěn)定滿足試驗(yàn)要求。

圖9 單單元制動(dòng)滿載特性試驗(yàn)波形

3.4 三單元級(jí)聯(lián)PETT空載啟動(dòng)試驗(yàn)

三單元級(jí)聯(lián)PETT空載啟動(dòng)試驗(yàn)方法：給系統(tǒng)提供AC 2 083 V電壓（額定電壓AC 6 250 V），為額定電壓的1/3，按下試驗(yàn)控制臺(tái)預(yù)充電和啟動(dòng)按鍵，三單元級(jí)聯(lián)PETT開始啟動(dòng)，待輸出電壓達(dá)到額定值DC 600 V左右后，啟動(dòng)完成。波形如10所示。

圖10 三單元級(jí)聯(lián)PETT空載啟動(dòng)試驗(yàn)波形

從圖10可以看出，CHB預(yù)充電完成時(shí)，三個(gè)單元中間直流母線電壓為DC 920 V，CHB啟動(dòng)后，中間直流母線電壓升高為DC 1 200 V。LLC諧振變換啟動(dòng)后，輸出電壓穩(wěn)定在DC 623 V，為三單元額定輸出電壓DC 1 800 V的1/3左右，滿足三單元級(jí)聯(lián)PETT空載啟動(dòng)特性要求。

4 結(jié) 語

本文通過對(duì)電力電子牽引變壓器功能試驗(yàn)臺(tái)位的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證H橋整流變換器和LLC諧振變換器的基本功能。結(jié)果表明，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)AC-DC的電能變換，輸出穩(wěn)定的直流電壓，并且在負(fù)載牽引系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩特性滿載試驗(yàn)時(shí)，未出現(xiàn)過壓過流等保護(hù)現(xiàn)象，取得了良好的應(yīng)用效果，為后期級(jí)聯(lián)更多單元進(jìn)行全功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研制提供了理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù)。