HXD1型機車變流器中的直流支撐電容

陳湘令

（湖南鐵道職業技術學院，湖南 株洲 412001）

HXD1型機車由 25kV、50Hz單相交流電源供電，通過主變壓器（車載）將 25kV、50Hz交流電源轉換成 970V輸入電壓，送入變流柜。每一臺機車設有兩臺牽引變流器柜，每一個變流柜由兩臺相互獨立組成。一個變流器包含兩個四象限整流器以及一個相應的、為兩臺牽引電動機供電的逆變器和一個為輔助設備（例如，象風機、壓縮機）供電的輔助逆變器。圖1為一個變流器柜體內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交流接觸網相連。網側隔離開關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預充電單元（處于閉合狀態）和兩個并聯的四象限整流器模塊（每個模塊代表一個半橋）供電。直流支撐回路內中包含有直流支撐電容，諧振回路，接地檢測單元和保護模塊。通過脈寬調制逆變器，直流支撐電壓中的電能轉換為變頻變壓的三相電，以提供給三相異步牽引電動機。圖2為一臺牽引變流器的一條支路概略圖。

圖2 一臺牽引變流器的一條支路概略圖

當牽引變流器投入運行時，首先，通過預充電單元對直流支撐電容進行充電，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，將會導致瞬間峰值電流。

1 直流支撐電容的作用

在圖 2所示的交-直-交變流系統中，中間儲能環節銜接整流和逆變兩個環節，而支撐電容器作為一個儲能器是必不可少的，主要起著以下幾個方面的作用：

1）補償電機的無功功率

電機是感性負載，要消耗無功功率，支撐電容對無功功率起補償作用。可以穩定電壓，改善電機的輸出性能。

2）提供負載變化時的能量調節

當負載突然加大時，系統的直流電源不能瞬時地供給大量能量，引起電機轉速下降，此時電容起到一個補償能量的作用。基于這一原因，也可以說支撐電容減弱了負載能量。

3）支撐中間直流回路電壓，使其保持穩定

因為變流器在短時間內能量的輸入和能量的輸出不對等，在中間直流支撐回路設置支撐電容，對直流支撐回路的電壓進行濾波和緩沖。

基于以上幾點分析可知，支撐電容的主要作用是濾除整流器直流側的紋波電壓及限制負載突變時的直流電源脈動。一般而言，從減小直流電壓的脈動、穩定電壓、提供無功功率方面看，支撐電容容量應取得較大；但是，從滿足電壓環控制的跟隨性能指標看，支撐電容容量應盡量小，以確保整流器直流側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

支撐電容容量的計算，從以下兩個方面分析：

1）滿足直流電壓跟隨性能指標的支撐電容值直流電壓跟隨性能指標是以整流器直流側電壓由穩定最低值躍變到額定值的動態過程來評價的。將單相脈沖整流器看做一個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電壓穩定最低值，與網側電壓有效值UN的關系為

圖3 整流器電壓躍變動態等效電路圖

將 Uc=Udc代入式（2）可得

在式（3）中的等效電阻R可通過中間直流環節輸出功率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tr可根據系統動態跟蹤性能取一個合理值（如tr=0.15s），直流額定電壓Udc（1700V）已知，將上述（1）、（4）、（5）式的計算結果代入（3）式，即可求得直流支撐電容 C的大小。

對于HXD1型機車，依照上述步驟的計算，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機車上，專設了一個諧振吸收回路（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生的紋波。通過 LC串聯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，必須考慮二次諧波電流引起的電壓脈動。根據其相關的計算理論，計算出直流支撐電容的大小，再結合式（1）、（2）兩方面的計算值，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算外，還需依靠經驗值補充完善，使其選值更合理。

3）HXD1直流支撐電容組的接法

HXD1機車直流支撐電容組C由4× 3mF電容器組成，每個單獨的變流器共計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

當機車停止運行，即使機車已經落下受電弓，這些支撐回路中的電容器可以在較長時間（幾天）內帶有危險的高電壓。基于這一情況，必須保證牽引系統處于安全狀態，在針對牽引變流器執行任何工作前，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）準備好一個數字萬用表（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蓋子（直流支撐回路的測量和接地點位于每個蓋子的后面），將接地測量電纜連接到變流器接地點。

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

4）如果經過2h后，電壓還沒有降至安全值，那么是牽引變流器內的放電電阻出現故障，必須盡快進行修理。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行放電。因為這些集成電阻值非常高，因而放電過程可能會持續 2天時間。

5）如果測得的電壓值小于20V，就可在接地點連接一根接地導線，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，如果支撐回路的電容中仍存在一個低電壓，在連接接地導線時，就可能會出現一個小電弧，應注意安全，但沒有危險。

4 結論

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壓，此外還與交流電機進行無功功率的交換，是一個比較昂貴的部件。支撐電容器容量的取值，非常重要，除了依靠理論計算外，還來源于經驗的積累，里面大有文章可做，在此，僅起拋磚引玉的作用。

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