一種機車變流器試驗用調壓器及漏感測量

張創業++孟丹

摘 要：為解決多種機車變流器四象限電源供電問題，依據四象限工作等效模型，電源系統采用一種雙感應接觸式調壓器和串聯電抗器結構，滿足了四象限工作要求，在實際應用中取得了良好的效果。同時文中還給出了兩種調壓器二次側漏感測量和計算方法。

關鍵詞：四象限；感應接觸式調壓器；漏感測量和計算；串聯電抗器

中圖分類號：TP39；TM46 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）10-00-02

0 引 言

與傳統的不可控或相控整流器相比，四象限變流器具有中間直流環節電壓穩定、電流波形畸變小、動態控制響應快、功率因數高和能量雙向流動等特點[1，2]，在鐵路機車大功率變流器中應用越來越多。

近年來隨著機車變流器產品類型的不斷增多，每種變流器對四象限輸入電壓等級和變壓器漏感要求各不相同，試驗中如果給每個產品都配套一個變壓器，則存在試驗站設計成本高，工藝布局占地面積大，電源系統構建復雜，日常保養和維護費用高等問題。本文著重針對四象限電源供電問題提出了一套解決方案。

1 四象限工作原理

機車變流器四象限全部采用單相電壓型PWM整流器，模型電路由交流供電回路，功率開關管橋路以及直流回路組成。PWM四象限整流器模型電路如圖1所示。

Upn為變壓器的原邊電壓，Uso為變壓器的牽引二次側繞組電壓，Rs為牽引繞組的直流電阻，Ls為牽引繞阻的漏感，Upmcf為調制基波電壓，Uc為整流輸出直流電壓，Is為牽引繞組基波電流。

四象限整流器整流時的工作原理實際上是一個升壓斬波過程，在該過程中，根據波形的特點控制相應橋臂IGBT導通，則會造成繞阻短路，且由于變壓器具有較高的短路阻抗，因此電流的上升率有限。能量儲存在牽引繞阻的漏感Ls上，在IGBT關斷過程中，牽引繞組的電壓加上儲能電感感應的電壓就會通過二極管整流后加到整流輸出電路，通過反復進行這樣的過程，就會在整流輸出端得到較高的中間電路直流電壓[3]，該電壓高于通過4個整流二極管整流后的電壓。

根據四象限整流器等效電路圖可以得到圖2所示的四象限整流器牽引工況。

2 雙感接觸式調壓器技術特點

從式（1）和四象限工作原理可以看出變壓器電壓和漏感值對四象限變流器控制至關重要。在變流器試驗電源系統設計中，為了滿足不同變流器電壓等級和新產品研制中電壓可調需求，試驗站電源采用單相雙感接觸式調壓器，調壓器原邊繞組和次邊繞組相互獨立，輸出電壓能從0 V開始調節，輸出電壓范圍為0～1 800 V，并可無極調壓；由于雙感接觸式調壓器鐵心氣隙小，漏感較小，根據圖1四象限等效模式可知，在調壓器二次側串聯多抽頭結構電抗器，能滿足四象限二次側漏感2～5 mH的要求。

3 調壓器漏感測量和計算

由于漏感參數對四象限控制影響較大，因此調壓器漏感測量和計算方法尤為重要。雙感接觸式調壓器與變壓器結構和原理相似，二次側漏感與變壓器漏感等效模型和方法相同，圖3所示為變壓器T型等效模型。

其中：U1為一次側繞組電壓，I1為一次側繞組電流，I10為一次側勵磁電流，m為變壓器變比，U2為二次側繞組電壓，I2為二次側繞組電流，Rs為二次側等效電阻，Is為二次側等效漏感。

3.1 調壓器漏感測量和計算方法1

通常變壓器二次側漏感測量方法是將近似正弦波的電壓施加到一次側繞組上，另一個繞組短路。在施加電壓的繞組電流達到額定電流時，測量一側繞組兩端電壓U11，由于變壓器一次側和二次側繞組電壓變比固定[4，5]，可根據公式（2）計算變壓器二次等效漏感電感值：

3.2 調壓器漏感測量和計算方法2

調壓器漏感測試電路如圖4所示。其中，P為瓦特表測試的有功功率值（W）； V為電壓表測量二次側短路后原邊電壓 （V）；I1為電流表一次側繞組電流（A）；I2為電流表二次側繞組電流（A）。

漏感測試時，兩側的線圈中都流過額定電流，因而產生漏磁通。繞組中一部分是電流流過繞組產生的電阻損耗，另一部分是由試驗電流所形成的漏磁通在繞組中及其他部件上產生的渦流損耗，還有一部分損耗是勵磁損耗，因負載試驗時電壓很低，鐵心中磁通密度很低，而鐵心內部損耗很小，這部分損耗所占的比重很小，因此可以忽略，這時可將原邊輸入有功功率P等同為次邊RS上消耗的有功功率。

可由公式（5）計算二次側繞組等效電阻Rs：

在公式（7）中，P、U11、I1和I2都為試驗測量值。

3.3 兩種方法計算數據對比

某試驗站調壓器技術參數為額定容量800 kVA，輸入端電壓為2.5 kV ，輸出電壓0～1 800 V。連續可調二次側漏感試驗測量數據見表1所列。

對比兩種測量方法試驗數據，方法1得到的漏感值約比方法2高0.03 mH，是因為方法1短路阻抗不僅是電感阻抗測量值，還附加了線圈電阻阻抗，因此計算值偏高。機車變流器要求牽引變壓器短路阻抗（40～50%）都較大，一般試驗用調壓器漏感小于8%，在調壓器二次側還要串聯電抗器以滿足四象限工作要求，因此該差值可忽略不計。

4 結 語

本文闡述了機車變流器試驗用調壓器結構特點，并提出了調壓器兩種漏感測量和計算方法，解決了不同電壓等級機車變流器四象限電源供電問題。目前已在動車組等牽引輔助變流器試驗站中使用，所有技術參數完全滿足四象限試驗要求，大大節省了投資和維修成本，在實際試驗應用中也收到了良好的效果，更為機車變流器試驗平臺搭建提供了很好的經驗。

參考文獻

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