HXD2B電力機車主變流器工作原理淺析

中車永濟電機有限公司 李文斌 任永軍

一、主變流器的綜述

HXD2B型電力機車是以法國阿爾斯通公司PRIMA6000機車技術平臺為基礎，由阿爾斯通與中國企業聯合設計并進行技術轉讓的新型大功率交流傳六軸軸貨運機車，牽引變流器的消化吸收及國產化工作由永濟電機公司來完成。永濟電機公司承擔HXD2B型電力機車主變流器的國產化供貨任務

HXD2B電力機車單軸輸出功率1600kW，機車總功率9600kW。每臺HXD2B型電力機車設有三臺主變流柜，每臺主變流柜裝有獨立的兩臺變流器，每臺變流器由IGBT模塊組成的四象限變流器和逆變器組成，對機車牽引、再生制動實行連續控制。

二、主變流柜的構造及基本參數

1、主變流柜的構造

主變流器箱體為立體式結構，按功能單元區分進行模塊化結構設計，分為軸1單元、軸2單元和散熱冷卻單元，每個軸單元的四象限整流器與逆變器為整體集成，結構緊湊。主變流器功率容量大，功率模塊采用復合母排結構和高壓IGBT元件，高壓斬波與逆變集成為一個模塊，主變流器包含兩個功能和結構完全一致的軸單元，每個軸單元由兩個四象限整流模塊和一個逆變模塊組成，各為一臺牽引電機提供交流電源，四象限整流器中間有二次濾波回路。主變流器功率模塊采用水冷技術對IGBT元件進行散熱。水冷系統采用模塊化、簡統化設計，整個系統由兩個完全相同獨立的冷卻單元組成，分別為兩套軸單元變流功率模塊進行散熱冷卻，兩個冷卻單元只有風機是公用的。

三、主變流器的工作原理

1、主變流柜電路原理

牽引變流器輸入端與主變壓器的次邊牽引繞組相連，并通過接觸器分與合，通過四象限變流器將單相交流電壓AC2100V轉變為穩定的中間直流電壓DC3775V。中間直流回路設有中間支撐電容，二次濾波電容，接地檢測和保護裝置等，中間直流回路通過逆變器向牽引電機提供三相變頻電壓交流電AC2945V，一個逆變器對應一臺牽引電機。四象限整流器和逆變器的正常工作由牽引控制單元TCU輸出控制脈沖來控制，機車電路原理圖如下：

2、功能介紹

（1）預充電電阻

四象限變流器在預充電過程中，由于中間濾波電容的存在，造成變流器在通電初始階段有比較大的充電電流。為了防止充電電流對系統造成危害，在四象限變流器起始階段接入充電電阻限制充電電流的幅值。

（2）放電電阻

放電電阻也成為肖鋒電阻。當變流器中間電壓大于4200V時，通過控制斬波回路的IGBT將多余能量通過該電阻釋放，達到平衡中間電壓的目的，控制方式為方波信號。

（3）中間支撐電容

中間支撐電容的作用是吸收變流器中間回路的紋波電壓，在四象限變流器和電機逆變器之間實現瞬時功率平衡。

（4）二次濾波電容

二次濾波電容的作用是吸收中間回路的二次諧波分量。

（5）冷卻系統

冷卻系統由風機、熱交換器、水泵和膨脹水箱組成。通過熱交換器的冷卻空氣由冷卻風機提供，熱交換器有兩個散熱器裝配在一起，一個散熱器冷卻一個軸中功率模塊散發的能量。水泵的作用為水冷卻液的循環提供動力，TCU通過安裝在水泵的壓力傳感器進行冷卻液壓力和旋轉方向的控制。若膨脹水箱內部的空氣壓力P大于0.3bar或P小于 -0.1bar時，可以通過雙向閥門和周圍空氣進行交換。

（6）慢性放電電阻

為了在機車上進行維護作業，必須確保電容器的放電。為此，接地規程在干預之前流出一段時間是電容器能夠在慢性放電電阻上進行放電。為確保操作人員的安全，放電也通過短路電阻進行。此放電是在機車停車且受控軸斷開的情況下進行。

如果放電一段時間電壓未降至45V電壓以下，機車記錄一個故障“DA_DCHES：直流鏈路未放電”，并對相應的軸進行隔離。

（7）牽引控制單元（TCU）

牽引控制單元應有足夠的抗干擾能力，接觸網電壓和波形變化、機車升降受電弓或合、斷主電路均不影響其工作。其具備如下基本功能：

恒力矩、恒速和定速控制功能；

空轉、滑行保護、粘著利用控制功能；

軸重轉移補償控制功能；

牽引電機在牽引和制動條件下的最大電流限制控制；

過壓、過流、過熱保護功能。

3、牽引功率模塊的工作原理

HXD2B電力機車牽引功率模塊包括四象限功率模塊、四象限及斬波功率模塊兩種。功率模塊能夠實現交流變直流再到可以變頻的交流電，主要還是靠可控元件IGBT來實現的。

（1）牽引電機控制原理

高壓電網的單相交流高壓電經過變壓器將電壓降為單相交流電2100V，經過CVE將2100V的交流電整流為直流電3775V，再經過OND-H的一個橋臂和OND將直流電逆變為三相2945V的交流電來為電機供電。如果中間電壓過高，OND-H的另一個橋臂的IGBT會接收到TCU的驅動信號來控制IGBT的導通與關斷，將多余的能量通過肖鋒電阻釋放掉，以此來保持中間電壓的穩定。

（2）四象限功率模塊主電路結構及工作原理

系統由TCU發出控制信號，控制開關器件IGBT的導通與關斷，將單相交流2100V整流成DC3600，為后續的逆變電路供電。

模塊采用水循環冷卻方式，冷卻液為50%水和50%乙二醇混合液體，水循環系統與變流器共用。模塊以水冷基板為中心向兩側安裝部件，水冷基板上安裝有進、出水接口以及機械定位銷，水接口采用快速水連接器，插拔方便，機械定位銷供模塊安裝到變流器時定位、支撐使用。

（3）四象限斬波功率模塊主要結構及工作原理

模塊包括一個雙管并聯的橋臂和一個斬波制動橋臂，并聯的橋臂可以作為整流電路的一個橋臂，也可以作為逆變電路的一個橋臂。TCU發出控制信號，控制開關器件IGBT的導通與關斷，實現功率變換。

模塊采用水循環冷卻方式，冷卻液為50%水和50%乙二醇混合液體，水循環系統與變流器共用。

[1]2Q224.電力機車主變流器.永濟新時速電機電器有限責任公司.

[2]王富珍.IGBT和功率模塊原理與應用.永濟新時速電機電器有限責任公司,2012年8月18日.

[3]張晉芳.IGBT和功率模塊原理與應用.永濟新時速電機電器有限責任公司,2012年8月.