牽引變流器

1879年德國西門子公司建造的直流125伏、3馬力的電車應用牽引變流器取得成功。20世紀50年代牽引變流器。

法國、匈牙利、聯邦德國、日本等國研製成多種工頻牽引變流器，有單相-三相變頻式變流器、單相交流-直流旋轉式變流器、多陽極水銀式變流器和引燃管式變流器等。這些牽引變流器還未推廣就被60年代新出現的大功率半導體器件構成的變流器所替代。起初僅用大功率二極體進行交流－直流間的整流。晶閘管和電子控制器件出現后，牽引整流器便具有交-直流間的可控整流和有源逆變、直-直流間的變換的功能，並且試製出直-交流間的變換器。80年代，牽引變流器在電力機車、電力傳動柴油機車、燃氣輪機車、動車組以及地下鐵道車輛上得到廣泛的應用。應用何種牽引變流器已成為表明機車特性的主要標誌之一。

牽引整流器可分為下述四類：

將交流電整成直流電，主要有兩種形式：採用橋式整流線路的橋式整流器和採用中抽整流線路的中抽整流器。圖1a為應用在電力機車上的單相橋式線路，交流電壓u正半周經二級管1和二極體3、負半周經二極體2和二極體4接到直流側，從而在直流側得到不變方向的脈動電壓Ud,經過平波電抗器Ld濾去脈動成分後用於驅動直流牽引電動機，其電壓波形圖如圖1a上部所示。圖1b為單相中抽整流線路圖和電壓波形圖。圖1c為柴油機車採用的三相橋式整流線路圖和電壓波形圖。若用適當數量的二極體串聯（以增加電壓）和並聯（以增加電流）代替原理圖中的一個元件，則可構成所需功率的交-直整流器。

在上述整流器中換用控制元件就可得到可控整流器。以晶閘管代替圖1中的二極體，就成為全控橋式整流器，又稱相控整流器。控制晶閘管每周期中的開始導通時刻（ɑ角），從而控制直流側電壓。圖2為單相全控橋式整流電路圖和相應的電壓電流波形圖。如果控制 ɑ＞π／2並人為地使牽引電動機電勢反向，則變流器進入再生制動工況，此時全控橋式整流器就處於有源逆變的工況，將機車的動能反饋給電網。如果晶閘管和二極體混合接成圖3的方式，則構成單相半控橋式整流器，二極體在晶閘管未開通前起負載續流作用。半控橋式整流器只能調壓，不能再生制動。全控橋和半控橋是橋式整流器的兩大類，應用較廣。

又稱斬波器，用以改變直流電壓平均值的一種裝置。用晶閘管強迫關斷方法，周期性地控制直流電源和負載間的通斷，使斬波器輸出端得一脈動電壓，用平波電抗器Ld濾去脈動成分，則在負載上得到一由周期導通角ɑ控制的直流電壓Ud。圖4為其原理圖，其中F為強迫關斷器件，D為續流二極體，M為負載。電壓Ud實為由ɑ角控制的斬波器出端電壓U2的平均值。斬波器經適當的改接可有再生制動性能。直流斬波器多用在直流電力機車、動車組和地鐵車輛上。

又稱逆變器，將直流電變成交流電的變流器，有電壓型和電流型兩種。

①電壓型逆變器：單相作用原理如圖5a所示，由於換向要求直流側電壓Ud需保持恆定而得名。如果控制電路觸發脈衝使器件F1、F2的通斷次序如圖5b，則交流側可得一矩形波電壓如圖。5c該交流電壓幅值為Ud,而頻率可由控制迴路進行調節。圖5a中 c為支撐直流電壓用的支撐電容，D1、D2為當負載電流和電壓不同相時做續流用的續流二極體。

非同步牽引電動機起動時要求逆變器供出幅值可變的、接近正弦的低頻電壓，這可用分諧波調製法控制F1、F2的通斷順序來達到。電壓型逆變器在控制電路作用下能順利地轉入再生制動。利用這一可逆性又可製成交-直-交電力機車電源側變流器，它能提供恆定的中間環節直流電壓，又可調節交流電網側的功率因數和改善電流波形，這就是電壓型四象限變流器。

②電流型逆變器：電路原理如圖6a,它要求直流側是一電流源，即Id要相對穩定，這可以採用串聯電抗器Ld來達到。如果控制各強迫關斷器件的導通順序(圖6b)，則在電機每相繞組中可得到2π/3電角度導通的交變電流(圖6c)。在低頻起動時為了避免因 2π/3矩形波電流而造成過大的電機力矩脈動，也可採用電流分諧波調製方法。電流型逆變器只能調頻不能調壓，調壓功能由電源側交－直變流器來完成。電流型逆變器已在地鐵車輛上應用。

交流-交流變流器 不需經過直流中間環節，可直接將單相交流電變成三相可調頻的交流電。這種變流器中較成功的是用次驅動同步型牽引電動機的兩組三相反並橋式系統，它在原理上類似一電流型直-交逆變器，並藉助於電源和負載電勢進行換向。這種類型的變流器已在蘇聯ВЛ83型電力機車上應用。循環變流器是另一種降頻交-交變流器，是燃氣輪機車電傳動系統可以選擇的一種設備。

變流器由不控整流器向可控變流器的發展，變流器的電子控制系統也發生變化。變流器在60年代採用分立元件的開環控制系統，70年代過渡到線性集成元件（運算放大器等）的閉環控制系統，70年代末則應用大集成度的數字集成器件和微處理機的閉環控制系統。這些電子控制技術的應用使變流器的性能，進而使整個機車的性能和自動化程度顯著提高。

要正確測量牽引變頻器輸出的基波電壓有效值，必須注意：

1、採用正確的變頻電量測量裝置。電壓、電流感測器及儀錶應該有合理的帶寬、正確的測量模式（基波有效值模式）、輸出頻率下滿足準確級要求等等。

2、牽引變頻器顯示的基波有效值（接近理論值）與實際測量結果一致的前提是開關頻率（載波頻率）足夠高（至少大於基波頻率的20倍）。實際上，牽引變頻器的開關頻率往往比較低，一般低於1KHz，而基波頻率較高，所以並不滿足該條件。

3、要對基波有效值進行準確的、穩定的測量，前提是變頻器輸出為周期信號（傅里葉變換針對周期信號）。實際上由於牽引變頻器的開關頻率較低，當開關頻率不是基波頻率整數倍時，其輸出信號不是周期信號。例如：開關頻率為500Hz，基波頻率為60Hz，假如當前的基波周期從第0個脈衝的開始時刻開始，將在第9個脈衝的1/3時刻結束，而下一個基波周期，將從第9個脈衝的1/3時刻開始，顯然，這兩個基波周期不是一樣的信號，也就是說，變頻器輸出並非周期信號（當開關頻率較高時，這種非周期性的表現相對較弱）。

小結：基於上述原因，一般的測量系統很難準確、穩定的測量牽引變頻器輸出的電壓。

為了準確獲取電機的效率，應該採用低頻精度較高、帶微處理器的變頻功率分析儀和準確級較高的變頻功率感測器。

牽引變流器主要包括大功率二極體以及晶閘管、電容器和電抗器等。這些器件主要在兩個方面得到了發展：一是向大功率發展。提高元件質量、加強冷卻措施（採用強迫通風、風冷、油冷及氟冷方法）使單個元件開關峰值功率由 100千伏安增加到1000千伏安以上；二是增加品種。聯邦德國、日本等國已實現變流器元件產品系列化、專用化，如快速二極體和快速晶閘管用於強迫換向電路；普通二極體和晶閘管用於電源換向電路。此外，製成逆導通晶閘管，它在較高頻的強迫換向電路中得到了應用，還有自關斷器件：控制極關斷晶閘管GTO和大功率三極體，因為它們不需要強迫換流用的電容器和電抗器而使變流器大為簡化。電容器分為支撐電容器、濾波電容器和換流電容器。電抗器有濾波、換流和飽和電抗器之分。各類器件都有其獨自特點。

提高功率半導體器件的性能，特別是提高自關斷類的GTO和大功率三極體的功率和性能，應用氟冷卻和大規模集成數字電路技術等，將會推進牽引變流技術的發展。

小打小鬧已無法適應高鐵no.1的情懷，徹底解決高鐵面臨的問題要鋪開多長的戰線呢？又有多少問題需要我們解決呢？

(1)具有完全自主知識產權，要不同於現有的技術路線；

(2)解決機車過分相難題，實現貫通供電；

(3)不干擾公共電網，無功、負序、諧波、負荷率全面滿足電網期望；

(4)系統成本和變流器成本要低於現有技術相關成本。

現有高鐵供電方式是：每30km左右設一牽引變電所，三相進線，單相出線。每個變電所換一次相，即30km有一個換相點。換相點用一段絕緣體連接2個相電壓，機車通過時稱為過分相。此時機車要進行複雜的換相作業，機車失去供電，還要用回饋制動提供輔助設備供電。到達另一相時車速降低很多，並且要忍受一次過流衝擊，操作不當時產生拉弧燒蝕現象。由於動車速度極快，幾分鐘就過一次分相，動車司機面臨很大精神壓力。由於無法貫通供電，每個變電所獨自負擔區間內的全部機車負荷，高峰時達四列機車，許多時間又空無一車。按照規範規定須按高峰配置容量，平均負荷率不足10%，負荷率太低是造成牽引供電系統高成本、高損耗、高排放物質的主要原因。電網側的困難是：因單相取電，造成負序電流極大，嚴重影響電網質量。以及功率因數低、諧波高，高鐵成為電網中最為嚴重的有害負荷。

國家電網公司組織全國社會各界科技精英，進行大規模的實驗研究，證明現有交流體制下解決高鐵對電網的嚴重影響是非常困難的。

技術及經濟效益分析

(1)平台變化很小，便於改造已有車輛。電機和牽引逆變模塊對地耐壓升高增加少許成本，低於變流器成本1%；

(2)因減少牽引變壓器、四象限整流模塊、支撐電容和濾波電容預計降低變流器成本50%。（逆變模塊與四象限整流模塊高度相似；全車降低了60%的散熱功率）；

(3)取消過分相；

(4)克服負序、無功、諧波、供電設備利用率低等牽引變電所痼疾，節省大量設備投資；

(5)直流貫通供電提高機車運行效率，回饋制動變得有意義；

(6)可不必規劃電力專線，電網用戶通過整流器與直流牽引網相連，將他們的負序、無功、諧波等負面電量注入高鐵，後者可得到廉價電能；

(7)以直流牽引網為媒介將各電網聯接起來，形成國家統一電網，啟動電力期貨交易；

(8)直接吸收風電、太陽能入網，降低其成本，解放我國新能源發展瓶頸，為國家做出更大貢獻。

牽引變流器是列車關鍵部件之一，安裝在列車動車底部，其主要功能是轉換直流制和交流制間的電能量，把來自接觸網上的1500 V直流電轉換為0～1150 V的三相交流電，通過調壓調頻控制實現對交流牽引電動機起動、制動、調速控制。隨著電力電子技術發展，牽引變流器在軌道車輛中的應用也在不斷地進步與發展。其中IGBT、GTO、IPM器件屬電壓驅動的全控型開關器件，脈衝開關頻率高、性能好、損耗小，且自保護能力也強。為此，世界上無論是幹線鐵路還是城市軌道的電動車輛的電氣系統中均採用IGB7F、GTO、IPM模塊來構成。

牽引變流器主要由供電環節，直流連接環節、PWM逆變器、電阻制動電路、制動電阻組成。功率模塊（IGBT模塊）是構成變流器的核心部件，PWM逆變器是由U相、V相、W相3個功率模塊構成。每個模塊由上下橋臂的兩組IGBT元件和反並聯二極體構成。

牽引變流器總體技術參數見表。