HX_D^{3型電力機車四象限變流器分析}

摘要：本文用對比的方法對HXD3型電力機車牽引變流器中的四象限變流器和韶山系列電力機車中普遍采用的相控整流器進行分析，來說明交流傳動機車的特點。

關鍵詞：四象限變流器 三段不等分半控橋

1. 引言

HXD3型交流傳動電力機車由大連機車車輛有限公司與日本東芝公司合作，以大連機車車輛有限公司研制的SSJ3型交流傳動電力機車和日本東芝公司生產的EH500型電力機車為技術平臺，為在中國主干線上進行大型貨運牽引為目的而設計、研發的。

機車采用交流傳動、PWM矢量控制等新技術，能夠滿足環境溫度在-40～40℃、海拔高度在2500m以下適應在中國全境范圍內運行，并盡量考慮對環境的保護。機車可以4臺重聯控制運行。

HXD3型電力機車每臺機車裝有兩臺變流裝置，每臺變流裝置內含有三組牽引變流器和一組輔助變流器，使其結構緊湊，便于設備安裝。參見圖1。每組牽引變流器主要由四象限脈沖變流器、中間直流環節、PWM（脈沖寬度調制）逆變器等組成。

2. 四象限變流器與相控整流器的比較分析

HXD3型電力機車的牽引變流器中的整流器不再是相控整流器，而是采用了四象限變流器。下面分別對相控整流器（常用三段不等分半控橋式整流器）和四象限變流器的原理加以分析說明。

2.1.三段不等分半控橋式整流器的工作原理

目前擔當運營任務的韶山系列電力機車普遍采用半控橋式整流電路作為整流器電路。其中以三段不等分半控橋式整流器（SS4改型，SS3B型等電力機車采用）最為典型。其電路主要由二極管和晶閘管組成。其原理圖見圖2。

網側25KV（50Hz）單相交流電壓經主變壓器降壓后，各段繞組的電壓為：

第Ⅰ段：a2x2-T5T6D3D4工作，大橋調壓，晶閘管的控制角為α1，T1～T4晶閘管封鎖，即第Ⅱ段橋晶閘管的控制角α2和第Ⅲ段橋晶閘管的控制角α3均為π。負載電流流過a2x2、T5T6、D3D4、L、M、D1D2。整流輸出電壓的平均值為：

牽引傳動系統進入工作時，主斷路器閉合，從電網獲得25KV（50Hz）的單相交流電壓，經過牽引變壓器降壓后作為網側四象限變流器的交流輸入；剛得電時，只有充電接觸器閉合，經過充電電阻給直流母線支撐電容充電；充電完成之后，閉合線路接觸器，并斷開充電接觸器，網側四象限變流器進入PWM（脈沖寬度調制）整流狀態。該狀態下，直流母線電壓迅速提升至額定電壓，隨后電機側逆變器投入工作，輸出變壓變頻三相交流電壓，驅動三相異步電動機工作。

網側變流器連接于牽引變壓器副方繞組輸出端，具有H全橋電路拓撲結構，每個橋臂上、下開關器件均是IGBT（帶有反并聯快速恢復二極管）并聯構成。網側四象限變流器輸出端同直流母線環節電路相連接。上述系統中牽引變壓器經過特殊設計，能夠提供適當的漏感，作為四象限變流器拓撲結構中的輸入電感。中間直流環節的支撐電容主要功能是支撐直流母線電壓穩定，限制電壓紋波在允許的范圍內。

根據上述實際系統中的四象限變流器結構，建立等效的電路拓撲，如圖4所示。

穩態情況下，電路各個電量之間可以用矢量圖來表示彼此關系。其中 為交流電網電壓矢量； 為四象限變流器輸入端電壓矢量； 為交流電感電壓矢量； 為交流側電流矢量。

穩態矢量關系圖見圖6。

3. 結論

文中采用了對比的方法（將三段不等分半控橋整流器和四象限變流器進行比較），使大家對交流傳動技術有一個比較深入的認識和理解。在實際應用中，交流傳動技術具有很多優點，例如：黏著性能好，功率大、牽引力大，可靠性高、維修簡便，效率高、利用率高、使用靈活性強，節能、功率因數高等。可以預見，交流傳動機車不久之后將會全面取代采用直流傳動技術的韶山系列電力機車，成為今后較長一段時間內機車的主要形式，交流傳動技術也將成為今后的主要研究和發展方向。

參考文獻

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