（电力电子与电力传动专业论文）8k型电力机车辅助变流系统的改进.pdf

北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：n e a u x i l i a r yi n v e r t e rs y s t e mo fe l e c t r i cl o c o m o t i v ei su s e dt oc o o ld o w n t h em a i nc i r c u i ta n do f f e rw i n dr e g i m ef o rt h ea i rb r a k es y s t e m i t sn o r m a lw o r k i n gi s c r i t i c a lf o rt h es t a b i l i t ya n ds a f eo p e r a t i o no ft h el o c o m o t i v e s n ec o n t r o lp a n e lo f8 k t y p ee l e c t r i cl o c o m o t i v e sa u x i l i a r yi n v e r t e rs y s t e mi sc o m p o s e do fd i s c r e t ed e v i c e t h i s d e v i c ei so u to fd a t e ，h a r dt om a i n t a i na n dh a sl o wo p e r a t i o n a le f f i c i e n c y a c c o r d i n gt o t h i s ，t h i sp a p e rp r o v i d e ss o m ei m p r o v e m e n t so ft h ea u x i l i a r yi n v e r t e rs y s t e mo f8 kt y p e e l e c t r i cl o c o m o t i v e f i r s t ，w ei m p r o v et h ep o w e rs u p p l yc i r c u i to ft h ea u x i l i a r yi n v e r t e rs y s t e m w e r e p l a c et h ee l e c t r i cm e c h a n i c a lr e l a yo ft h eo r i g i n a lc i r c u i tw i t hs o l i ds t a t er e l a yw h i c h i sm o r ea d v a n c e da n dh a sah i i g hc o s tp e r f o r m a n c e ，a n dd e s i g nt h ed r i v e ra n dp r o t e c t i v e c i r c u i to ft h es o l i ds t a t er e l a y s e c o n d a r y , w ei m p r o v et h ep o w e rs u p p l yo ft h ea u x i l i a r yi n v e r t e rs y s t e m w e i n t e g r a t et h ec o n t r o lo fi n v e r t e ra n dr e c t i f i e ri no n ed s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) c o n t r o lp a n e l p h a s e c o n t r o l l e dr e c t i f i e rt e c h n i q u ei sa d o p t e dt oc o n t r o lt h er e c t i f i e r w e i n t r o d u c et h ep r i n c i p l e so fp h a s e c o n t r o l l e dr e c t i f i e rb r i e f l y , c o m p i l ec o r r e s p o n d i n g s o f t w a r ea n ds h o wt h er e s u l t sa n dw a v e f o r mo fo n r e x p e r i m e n t s a sf o rt h ec o n t r o lo f t h ei n v e r t e f w es u p p l yt w oc o n t r o ls t r a t e g i e s s t r a t e g y1 ：k e e pt h eo r i g i n a lc o n t r o l p r i n c i p l e so ft h ei n v e r t e ru n c h a n g e d t h ei n v e r t e ro p e r a t e si n6 - s t e pv o l t a g em o d ea n d s t a r t s 叩t h es a m ea st h eo r i g i n a lm o d e s t r a t e g y2 ：a d o p ts v p w m ( s p a c e v e c t o rp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) t e c h n i q u et oi m p r o v et h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e so ft h ei n v e r t e r t h o r o u g h l y f i r s t l y , t h et h e s i sa n a l y z e st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e so ft r a d i t i o n a ls v p w m c o n t r o lt e c h n i q u ei nd e t a i l a n dt h em o d u l a t i o nw a v ef u n c t i o n sa r ed e d u c e d a tt h e s a m et i m e ，t os i m p l i f yt h ec a l c u l a t i o n ，a no p t i m i z e ds i m p l e rm e t h o di su s e dt or e a l i z e t h ed i g i t a la l g o r i t h m ，a n dc p r o g r a m sa r ew r i t t e n a sf o rt h eh a r d w a r e ，t h ei n v e r t e rm o d u l e ，p r o t e c t i o nm o d u l ea n dc o n t r o lm o d u l e b a s e do nt h et m s 3 2 0 u 陀4 0 1 7a r ed e s i g n e d t h i st h e s i sp r o j e c th a sf i n i s h e dt h e d e b u g g i n go ft h es y s t e m ，a n dt h er e s u l ts h o w st h a th a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e d e s i g n e ds y s t e mi si nr e a s o n k e y w o r d s ：e l e c t r i cl o c o m o t i v e ；a u x i l i a r yp o w e r ；s p a c ev o l t a g ev e c t o r ；c o n t r o l s y s t e m ；d s p c l a s s n o ： 致谢 本论文的工作是在我的导师叶斌教授和黄先进老师的悉心指导下完成的，从 论文的选题、系统方案的设计、实验问题的解决等方面都凝聚着叶老师和黄老师 的心血。导师严谨的治学态度和坚韧不拨的工作作风让我受益匪浅，在此谨向两 位老师表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，郑琼林教授，游小杰教授，林飞副教授，张 力伟老师，郝瑞祥老师等都曾经给与了热情的帮助，为论文的完成提供了很多宝 贵的意见，在此向他们表达我的感激之情。同时实验室的刘建强师兄，陆书文同 学，李中桥同学等都曾给了我很大的帮助，在和他们相处的三年当中大家共同探 讨学习，从他们身上我学到了很多知识，在此深表感谢。另外特别要感谢我的师 弟王磊，是他和我一起完成了本课题的科研及相关的试验。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够安心完成我的学业。 第1 章绪论 1 绪论 1 1 选题背景及课题的提出 电力机车的辅助电路主要为机车主电路提供冷却，为空气制动系统提供风源， 保证空调、采暖、通风设备的供电，车载蓄电池的充电，插座的供电，照明等供 电。辅助电路正常工作与否直接影响到主电路的工作状态，是机车稳定，安全运 行的关键【1 j 。随着现代电力电子技术日新月异的发展，8 k 型电力机车辅助变流系 统的许多地方急需改进。8 k 车辅助电源中的g t o 逆变器机组，由该集团的b b c 公司设计，在设计的当时，其技术属于世界先进水平。但b b c 公司因当时的设计 技术所限和对g t o 实用经验不足，以至于8 k 电力机车投入运行以后，其辅助逆 变器g t o 逆变器机组几乎每天都有烧损故障发生，严重影响列车的安全可靠运行。 本实验室开发并最终设计了8 k 车使用的i g b t 逆变器并成功装车运行成功【2 1 。但 是i g b t 逆变器使用的控制系统仍然为原g t o 逆变器的控制板r d a 7 5 3 ，因此在 使用过程中仍存在许多问题。随着煤运量的增加，铁路运力必然增加，机车的运 行时间增长，起停次数增多，各功能部件操作动作也会更频繁。这就要求采用更 可靠、更先进、性价比更高的辅助电路系统保证机车故障率更低。在此背景下， 本实验室与太原铁路局湖东机务段大西车间合作对8 k 型电力机车的辅助变流系 统的控制以及其供电电路进行大幅的改进。 1 2 辅助电源系统发展概况【3 1 目前，国产电力机车辅助电源采取两种供电模式：一种为劈相机供电模式， 主要用于交直型直流传动电力机车，例如s s ，系列、s s 、s s ，系列、s s 。、s s 9 等； 另一种为辅助变流器供电模式，主要用于交直交型交流传动机车和部分交直型机 车，例如s s 。、模块化s s 。型直流传动机车，以及“中华之星”、“奥星”、“天梭”、 d j l 等交流传动机车，这是今年电力电子技术发展的结果。而国外大部分的电力机 车均采用辅助变流器供电模式。对于劈相机供电的辅助系统来说，其特点是电源 电压变化范围较大，且受网压的变化影响较大，三相电流较不平衡；但其电压波 形为标准正弦波，阻抗电压低，短路电流大。对于辅助变流器供电的辅助系统来 说，电源品质为p w m 波或s p w m 波。其优点是三相电压和电流平衡度较好( 小 于5 ) ，网压变化对其影响较小，使用效率较高；缺点是峰值电压较高( 近1 0 0 0 v ) ， 北京交通大学硕士学位论文 谐波含量较高。 采用辅助变流器供电模式的系统，一般为交直交型电力机车。整个系统包含 逆变与整流两种电源。早期的辅变电源逆变器一般采用g t o 逆变器，随着电力电 子技术的不断发展，i g b t 逆变器逐渐以不可抗拒的优势取代了g t o 逆变器1 4 1 | 5 1 。 采用i g b t 传动技术的新型机车其供货量不断增加。采用i g b t 技术，可使交流器 开关装置的尺寸减小，复杂性降低，功率损耗减少、脉冲频率提高。在s i b e s t 家 族( s i e m e n s 公司开发的铁路用变流器) 中有与相组件一样采用自然和强迫风冷以及 水冷的紧凑型变流器。根据所采用的冷却技术，变流器最大功率可达约1 2 m w 。 结构紧凑的变流器内除了功率部件之外，还集成了传动所需的全部控制功能和保 护功能，从而大大减少了变流器外部接口的数量，主要是通过一个串行的总线耦 合装置来控制变流器。随着6 5 k vi g b t 的供应，可将采用二点式逆变器技术的紧 凑型变流器的原理扩展应用到直流3 k v 电网中。该项技术首次用于西班牙国铁新 的u c 2 0 0 0 城市高速动车组。西班牙国铁于1 9 9 8 年在$ 4 4 7 动车组上首次成功地 试验了采用6 5 k v 器件和直接与3 k v 电网连接的二点式变流器原理。另外，除了 技术上的优势外，价格上的压力和设计上更加合理化的要求也迫使厂家采用i g b t 技术。同时，一些老型机车也在对g t o 辅变逆变器进行更换。例如法国于1 9 9 8 年决定对装备在t g v - a 动力车上的脉宽调制的3 0 k 、a 辅助逆变器进行改造，其中 1 0 5 0 台已经装车使用。8 k 型电力机车g t o 逆变器也已改用本实验室开发的i g b t 型车用逆变器。辅变电源整流器也在不断的发展，p w m 整流器，四象限脉冲整流 器等新型的整流器逐渐替换原s c r 整流器。 另外在控制方面，模块化、集成化趋势不可避免。随着数字处理器( d s p ) 1 6 1 1 7 1 、 复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 技术的日益成熟，新型的控制系统不断出现。s i e m e n s 公司于2 0 0 1 年开发了s i b e s t 辅助电源系统，该系统使用全数字化处理信号；另 外欧洲许多机车例如阿尔斯通开发的p r i m a 3 u 1 5 型，奥地利联邦铁路的1 2 1 6 系 列，欧洲b r l 8 9 型，瑞士联邦铁路货运公司r e 4 8 4 机车等等全部使用数字处理系 统。使用数字化控制方式有着分立器件控制不可比拟的优点。首先数字信号处理 速度远远超过模拟电路；其次数字处理电路简单，使用器件少，一旦出现问题检 修方便；另外数字处理系统保护动作更加迅速，并且很容易实现人机交互以及微 机之间的通信。 1 38 k 型电力机车辅助变流系统概述 8 k 型电力机车每节机车的辅助电路是完全独立的，而每节机车的辅助电路又 可按转向架分成独立的两个部分，分别由各自的辅助变流器供电。辅助变流器含 2 第1 章绪论 有一个整流器和两个逆变器。两个逆变器中一个为恒频、恒压( c v c f ) 逆变器， 给空气压缩机电机，油泵或空调机供电，另一个为变压、变频( v v v f ) 逆变器， 给各种通风电机供电。辅助变流器的系统框图如图1 - - 1 所示。图中r d a 7 5 3 板控 制整流器( g g ) 和变频变压逆变器( w r l ) ，r d a 7 5 4 板控制恒频、恒压逆变器 ( w r 2 ) 。这两块控制板都安装在电子柜中。每个逆变器包括一块x d a 7 5 1 板用于 产生各个i g b t 门极电路的振荡电源及分配i g b t 的触发脉冲，一块g h a 7 5 0 板用 于开通，关断i g b t 元件。逆变器的功率电路和这两块电子板同装在一个逆变器组 件中。 图1 1 辅助变流系统框图 f i g 1 1s y s t e mf r a m eo fa u x i l i a r yi n v e r t e r 1 3 1 辅变系统逆变器概述 原8 k 型电力机车辅助变流系统的逆变器是由b b c 公司设计的g t o 逆变器。 在使用时该逆变器经常出现烧毁现象，为机车的正常运行带来了很大的不便。为 此本实验室开发并最终设计了8 k 车使用的i g b t 逆变器并成功装车运行成功，同 3 北京交通大学硕士学位论文 时改进了逆变器的脉冲分配板x d a 7 5 1 与门极触发板r d a 7 5 0 。改进后的i g b t 逆变器其输入电压为单相5 0 0 v ，输出交流电压为三相3 8 0 v ，输出频率2 5 5 0 h z ， 额定视在功率5 0 k v a 。逆变器启动为分频软启动。在u ，) 2 0 0 v 时，允许逆变器 启动，启动最低频率为5 h z ，脉宽调制规律为9 分频，频率变化率为5 h z s 。当 u ：= 5 0 0 v 时，逆变频率为1 1 h z 左右。逆变器按u ，f 。= 常数的规律提高输出频 率及电压，调制时分频数的变化规律为9 5 3 一方波，当a 。1 0 f 。u ：= 0 6 时转 为5 分频，a = 0 8 时转为3 分频，a = o 9 8 时转为方波。 原辅变系统的逆变器控制主要由r d a 7 5 3 与r d a 7 5 4 板控制。其中7 5 3 控制 变压变频逆变器，7 5 4 控制恒压恒频逆变器。逆变器三个桥臂的触发信号由7 5 3 发 至脉冲分配板7 5 1 x d a 7 5 1 ，通过7 5 1 处理后变为六个i g b t 触发脉冲由门极驱动 单元g h a 7 5 0 驱动逆变器，逆变器启动方式为变压变频。改进后的i g b t 逆变器 的脉冲发生与控制仍然是原g t o 逆变器使用的r d a 7 5 3 。由于当时技术的限制原 辅变系统的主要控制板r d a 7 5 3 由分立器件组成，其结构复杂，使用器件多。特 别是在出现问题时检修极其麻烦，经常是出现问题以后电路板整块作废，并且其 可靠性在现在的技术看来有很大的提升空间。时至今日，辅助变流器系统中，两 台逆变器都以变压变频运行，两套系统控制显然没必要。目前的技术条件可以很 好的将两块控制板合二为一，将整流逆变控制集中在一块控制板上。 另外，8 k 车辅变系统逆变器电源的负载为风机，因此启动时需要采用软启动。 原逆变器控制采用的软启动方式为v f 控制。由于逆变器工作方式为六阶梯波， 因此当直流电压一定后，其输出电压的有效值就已经确定。因此原控制方式下的 软启动只能是同时控制整流器的输出电压，采用u ，f = c o n s t 来实现软启。原控 制方式存在不足之处。首先最初辅变系统的逆变器为g t o 逆变器，而现在车上运 行的已经是经过改良之后的i g b t 逆变器，而采用原来的控制方式，逆变器1 g b t 的工作频率仍然为5 0 h z ，这大大降低了逆变器的使用效率；其次原来v f 控制采 用的方式是控制整流器输出的直流电压u ，同时控制逆变器的输出频率，这样需 要同时控制逆变器与整流器，控制麻烦。最重要的是原控制方式启动时分段仅为 9 5 3 一方波四段运行，调速性能比较差。 现代电力电子技术，特别是数字信号处理技术的不断发展，逆变器系统的发 展也日新月异。各种先进的控制方式如正弦脉宽调制( s p w m ) ，空间矢量脉宽调 制( s v p w m ) ，关联指令脉宽调制等日趋成熟。使用这些先进的控制方式可以很 大程度的提高逆变器以及半导体器件的工作效率。另外现代控制理论在电气传动 领域的应用研究、特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，使交流电机变频 调速从基于电机静态模型的电压频率比值恒定控制、转差频率控制发展到基于电 机动态模型的矢量控制，直接转矩控制技术。这些技术的应用，使得对交流电机 4 第1 章绪论 瞬时转矩的控制日臻完善，在控制电动机转速的同时，还可以进行对加速度、速 度和位置等参数的观测和控制。 总而言之，以现代电力电子技术的发展来看，原8 k 型电力机车辅助电源逆变 器已经处于落后，使用新的控制策略势在必行。 1 3 2 辅变系统整流器概述 8 k 车辅变系统的整流器为单相s c r 整流器。其输入电压为8 6 0 v ，允许最大 瞬时电压为3 4 0 0 v ，输出电压为( u ，) 5 0 0 v ，中间直流额定电流为1 7 0 a ，中间 直流回路最大电流2 0 5 a ，由r d a 7 5 3 控制。整流器的控制是一个电压和电流双闭 环控制系统，功能是保证其输出的中间直流电压u ，为恒定5 0 0 v ，同时加上电流 调节环节，提高系统的快速响应性能。电压调节环节为系统内环，电流调节环节 为系统的外环。电压调节环节的输出，做为电流调节环节的输入。该整流器的硬 件系统仍然是最初的8 k 车s c r 整流器，在机车主断路器闭合后整流桥开始工作， 直至中问直流电压u z = 5 0 0 v 为止，u ：的上升率为2 5 0 v s 。当u ：2 0 0 v 时仅整 流桥工作，启动电流限制4 0 a 。在u ，) 2 0 0 v 时，允许逆变器启动。 1 3 3 供电电路概述 8 k 车辅助电路的供电可以按转向架分为独立的两个部分，分别向各自的辅助 变流器供电，其供电电路的控制部分主要通过接触器的通断与互锁来实现。辅变 系统供电电路的控制主要包括 1 1 油泵电机控制电路 牵引电动机通风控制电路 空气压缩机控制电路 钔滤清器排尘风机电路 5 1 空调内部控制电路 们保护电路 原辅变电路系统采用机械触点式接触器实现对各种负载的控制和故障保护。 机械触点接触器通常由线圈和簧片构成，运行时有机械噪声，通断时会产生射频 干扰。由于机械结构，安装受限制，存在磨损和腐蚀，使用寿命短，且触点式接 触器操作不便，控制分散。另外处于临界寿命期内的接触器由于触点的氧化以及 磨损其工作状态不稳定，会造成各种奇怪的故障，而查找这些故障原因又费时费 力。分析原因有如下几点： 5 北京交通大学硕士学位论文 1 ) 机车是一个移动的设备，工况比较严酷，而目前的绝大多数机械接触器产 品，不论是国内品牌还是国外品牌，大多是面向民用工业而开发的，很少 根据电力机车的特殊工况专门设计，因此产品的个别性能指标很难满足机 车运用要求。 萄机械式接触器受环境影响较大，在冬天和夏天需要对保护值进行调整；再 加上制造时的工艺性离散问题，虽然有的带有温度补偿特性，其效果不太 理想；如果电源为辅助变流器供电，则还存在谐波发热问题。 另外目前机车应用的辅助电气保护，不论那种方式面向用户的界面功能都不 太完善，甚至不具备电气故障显示及记忆等相关功能，使用维护上存在不便。而 供电电路的控制系统的接触器部分如果使用新型的无触点固态接触器，可以很容 易的实现与微机的接口，记录电气故障显示及记忆等相关功能。 1 4本论文的主要工作及结构安排 本论文的主要内容是根据本实验室与太原铁路局湖东机务段大西车间的项目 合作要求对8 k 型电力机车的辅助变流系统的控制与供电电路进行改进。 本文一共分为四个部分，各部分内容的概述如下： 第一章为绪论，简要的介绍目前国内外辅助电源状况以及8 k 型电力机车辅助 变流系统的主要工作情况。主要指出原辅变系统的不足之处，阐述重新改进的必 要性。 第二章主要进行供电电路的改进工作。供电电路的改进工作主要是将原供电 电路的触点式接触器改进为比较先进的无触点式固态接触器，同时相应的改进其 控制与互锁电路。本章的最后给出改进后的接触器工作情况，同时对改进工作进 行总结。 第三章是本论文的重点，为辅助变流系统电源装置控制板的改进。本章按照 整流电源与逆变电源可以分为两部分。 第一部分是逆变器控制的改进。本文按照双方的合作要求对逆变器的改进提 供两套方案。第一套方案是保持原逆变器的工作方式不变。即逆变器输出仍为6 阶梯波，仍然按照整流器的输出不同电压来实行v f 控制。第二套方案是彻底的 改进逆变器的工作方式，逆变器控制采用空间矢量调制技术( s v p w m ) 。整流器 输出恒定( u ，= 5 0 0 v ) 后，逆变器才启动，启动使用v f 控制。 第二部分是整流器控制的改进。将原来分立器件组成的控制板改进为基于 d s p 的数字化控制板，把原来两台逆变器分别控制的两套系统集成为由一块d s p 控制板同时控制两台逆变器与一台整流器。同时将给出改进后的成果以及改进后 6 第1 章绪论 的试验情况与试验数据的分析。 第四章主要介绍8 k 型电力机车辅变系统电源逆变器能流循环测试台的主要 情况。该试验台主要是模拟8 k 车辅变系统的工作情况并进行对逆变器的测试，本 课题改进后的控制板将首先在该试验台上进行试验，试验通过后再上车运行。该 试验台也是本实验室与大西机务段的合作项目之一。本章主要介绍辅变系统电源 逆变器能量环流测试台的主要系统框架，实现原理以及性能特点。 7 北京交通大学硕士学位论文 28 k 型电力机车辅变流系统供电电路的改进 8 k 型电力机车供电电路的控制部分主要通过接触器的通断与互锁来实现。由 于8 k 车常年运行在风沙大、高温的恶劣环境中，其供电网络的触点式接触器触头 磨损很严重，接触不到位，通断操作时会出现火花。为机车检修和正常工作带来 很大的麻烦。本次改进主要是在不改变原系统控制规律的情况下将原系统触点式 接触器改进为更为先进的无触点固态接触器1 9 1 ，并相应的改进其控制与互锁系统。 2 1固态接触器简介 2 1 1 固态接触器简介及优缺点 s s r ( 固态接触器) 与传统的e m r ( 机电接触器) 相比，是一种没有机械运动，不 含运动零件的接触器，但具有与e m r 本质上相同的功能【1 0 l 。s s r 是一种全电子电 路组合元件。它依赖于半导体器件和电子元件的电、磁和光特性来完成其隔离和 继电切换功能。固态接触器与触点式接触器相比有各自的优缺点，将其比较列表 如下： 表2 1 ：固态接触器( s s r ) 优缺点 优点缺点 电磁干扰低，寿命长，开关次数导通压降高，功耗大，有断态漏电 1 0 9 ，无触点，可承受高冲击电流负载， 流，可能影响负载，成本高，对直流， 无噪音，可与微处理器兼容，设计灵活，交流负载分别设计，不能通用，仅容易 响应快，无触点回跳。做成单刀单掷 表2 2 ：触点式接触器( e m r ) 优缺点 优点缺点 成本低，导通电压低，无需散热器，响应慢，随机( 非零) 导通，寿命短 无断态漏电流，多组触点，交直流负载( 触点会磨损) ，承受高冲击电流负载 可以通用，线路功率高。能力差，噪声大。 由以上的比较可以看出，固态接触器与传统的触点式接触器相比它没有任何 可动的机械部件，工作中也没有任何动作；而是由电路的工作状态变换实现“通” 和“断”的开关功能，没有电接触点，工作高可靠，寿命长( 一般可以达到触点 8 第2 章8 k 型电力机车辅变流系统供电电路的改进 式接触器的1 0 4 倍) 。更难得的是固态接触器与计算机或d s p 的接口很容易实现， 利用微机实现集中控制，使辅助电路的工作更可靠，故障率更低，维护简单。此 外，s s r 还能承受在数值上可达额定电流十倍左右的浪涌电流。而固态接触器最 大的缺点是当它处于断开状态时，并没有真正的实现物理意义上的断开，由于可 控硅本身的特性以及s s r 内部的r c 吸收电路，处于断开状态下的接触器会产生 一定的断态漏电流，因此在使用中要注意断态漏电流是否会对负载造成不利的影 响。考虑到8 k 型电力机车运行的高温，大风沙的恶劣环境，使用固态接触器具有 更好的性价比。 2 1 2 固态接触器分类及选型 固态接触器按照负载电源的不同可以分为交流固态接触器和直流固态接触 器。而对于交流固态接触器而言，按照导通时间的不同可以分为随机导通和过零 导通两种。顾名思义，过零导通型是指施加导通控制信号以后，接触器并不立刻 导通，而是等负载电源电压过零的时候导通，相反地，随机型固态接触器在施加 导通信 。i ： j 怜八厂、厂、 v v 。 阻性负t 电压 负载时导通情况如图2 一l 所示： 图2 - - 1 两种接触器比较示意图 f i g2 - 1t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w o y p e ss s r 两种接触器的关断情况是一样的，都是在负载电流过零的时候关断。交流过 零型接触器，因有其电压过零时开启，负载电流为零时关断的特性，它的最大接 通，关断时间是半个电源周期。接触器在负载电源为零的时候开启，相应的也减 小了电源对负载的冲击，减小了d u d t 以及控制回路的干扰。但是由于过零导通接 触器存在一个过零检测，使得接触器有一个最大的过零导通窗口，这对于接触器 本身是很不利的因素。该窗口形成的原因如下： 9 北京交通大学硕七学位论文 图2 _ 2 随机导通接触器不葸图 f i g2 - 2t h es c h e m a t i co f s t o c h a s t i cs s r 当i c 光敏三极管导通( 控制端有信号输入时) ，s c r 可控硅的工作状态由 过零检测三极管来确定工作状态。如电源电压经r ，与r ，的分压小于过零电压时 ( v 。 v b e 。) ，v 处于饱和 导通状态。s c r ，b t a 可控硅都处于关断状态。也就是说，当v v 。的时候， 虽然导通触发信号一直存在，但是接触器只有在下一个过零点的时候才能导通。 只有当施加导通信号并且、，at v 。的情况下，接触器才能导通。当、，a - v 哪时， 负载电源的电压值称为最大过零导通电压，在低于此电压值时，施加导通控制信 号接触器可以导通，高于此值时，接触器只有到下一个过零点时才能导通。这样 就形成了一个导通窗口，在该窗口之内施加信号的时候接触器导通，在窗口之外 的时候只能等到下一个窗口到来的时候开通。 过零接触器的这种特性对于负载为纯电阻来说没有什么影响，但是对于感性 负载来说，由于感性负载的电流相位落后于电压相位，这样就有可能造成非常不 好的影响。比如说在某个正半周期，接触器正常工作。由于感性负载的电流相位 落后于电压，这样使得在电压过零点，电流不为零，可控硅不能关断。而在电流 为零时，电压已经过了其最大过零导通电压，这样接触器只能在下个过零点导通， 也就是说它在整个负半周期都不能导通。然后正半周期导通，但是在从正半周期 到负半周期又会重复出现上述情况。这样一来，会使得接触器只在正半周期内导 通造成缺相，形成图2 3 所示的波形 1 0 第2 章8 k 型电力机车辅变流系统供电电路的改进 图2 - 3 过零窗口造成的危害 f i g2 - 3t h er i s km a d eb yb r e a k o v e rw i n d o w 显然，这样的波形对负载，特别是电机负载是很不利的。所以，当负载为感 性时，最好不要选用过零型，以免出现上述情况。而随机导通的接触器是在任何 一个时候都能导通，如果在电压比较大的时候( 比如交流电压的峰值) 导通，会 对负载形成比较大的电压冲击以及d u d t ，对电路的干扰会增大。 2 2 8 k 型电力机车用固态接触器控制及保护方案 由于所改造电路的负载为风机，所以必须选用随机导通的接触器。风机的额 定功率为4 5 k w ，所以其额定电流为8 0 a 。电机采用的有缓启动，按照3 4 倍的电 流余量选择接触器的额定电流为3 0 0 a 。 2 2 1 固态接触器主电路与保护电路 接触器为随机导通型，其额定电压为3 8 0 伏，额定电流为3 0 0 安培。接触器 内部为反并联的单向可控硅，可控硅的规格采为1 6 0 a 。接触器接线如下图所示： 1 1 北京交通大学硕士学位论文 驱动电压 图2 4 固态接触器主电路接线图 f i g2 - 4m a i nc i r c u i to fs s r 使用三个分立的接触器来控制三相交流电。三支分立接触器串联工作，其中 一支发生断路现象时，三支同时断开。为了保证接触器使用过程中安全可靠，还 需要加入一定的保护措施： 1 ) r e 吸收 r c 吸收回路主要是抑制d u d r 。但是r c 回路对继电器也造成了一定的不利。 它是产生漏电流的主要原因。电阻与电容串联，串联阻抗为： z - r + l j c 式( 1 - 1 ) 所以，带有r c 吸收回路的继电器的漏电流为：1 一u z 。当知道负载电感大 小的时候，r 与c 的选择按照式( 2 ) ，( 3 ) 计算： c - 4 l l r 1 2式( 1 2 ) r t 一孙l l c 1 式( 1 - 3 ) 其中，口为阻尼系数( 典型值为o 7 ) ，厶为负载总电感，c 为最小电容值( 胪) r c 吸收回路，特别是并联在s s r 输出端的r c 吸收回路，如果和感性负载组 合不当，容易导致振荡。在负载上电或继电器切换时，加大继电器输出端的瞬变 电压峰值，增大s s r 的误导通可能性。所以对具体应用电路应该先进行实验，选 取合适的r c 参数。 当不知道负载电感大小的时候，一般按照经验，电容选取0 2 2 _ _ 0 4 7 v f ，电 阻2 0 4 0 q ，功率大于1 0 w 。对于3 8 0 v 的负载电压，当选用的电容为0 2 2 “f 的 第2 章8 k 型电力机车辅变流系统供电电路的改进 时候，z r + 1 j n c ；r + 1 4 2 8 5 7 i ，漏电流大约为0 0 2 7 a = 2 7 m a 。这时，r c 吸 收回路的功率为： p = u i = 3 8 0 x0 0 2 7 = 1 0 2 6 w 式( 1 4 ) 同时实验表明，r c 吸收回路，特别是并联在s s r 输出端的r c 吸收回路，如 果和感性负载组合不当，容易导致振荡，在负载电源上电或继电器切换时，加大 继电器输出端的瞬变电压峰值，增大s s r 误导通的可能性，所以，对具体应用电 路应先进行试验，选用合适的r c 参数，甚至有时不用r c 吸收电路更有利。 当选用电容为o 2 2 l 时，能与电容发生谐振的电感值为： l - l a , 2 c - - 4 5 h 式( 1 5 ) 对于一般的电机负载，其电感均为毫亨数量级，因此不会发生谐振的现象。 2 ) 压敏电阻 在出现瞬态过压的情况下，有可能误触发s s r ，这时就需要有超出阻尼器能 力的某种形式的抑制。当受激励时，某些抑制器件，例如火花隙，压敏电阻( m o v ) 将下降到非常低的阻抗，这样就好像s s r 已经导通那样，就将s s r 短路起来，将 大部分瞬态转移到负载。当正确应用时，m o v 在欲位电压下的阻抗应该很高，致 使只有几微安的电流流过。当任一极性的电压接近其簌位电压时，m o v 迅速地变 成低阻坑，从而使电流以比电压增加快得多的速度增加，甚至可以近似的看成短 路状态。而一般的瞬态电压干扰都是短时间，高幅值的电压( 一般高于l k ) 。这样 对于瞬态冲击，m o v 把s s r 短路起来，起到保护的作用。根据若干家s s r 制造 厂商的现场综合经验，在输出端上接入2 0 3 0 j 的m o v ，对大多数应用将是令人满 意的。对于常规的2 2 0 v 和3 8 0 v 的交流电源，推荐的压敏电阻的标称电压值分别 为4 4 0 - 4 7 0 v 和7 6 0 8 1 0 v 。或者通过实验来确定出现闪络时候的脉冲幅值来选择 m o v 。 3 ) 快速熔断器 快速熔断器在半导体电力整流变电保护中的配置至关重要，一旦设备定型后， 快速熔断器的选用会直接影响直流供电的质量和用电的效率等整流变电参数。电 力半导体器件热容量小，在故障状态下必须要有快速熔断器保护，而且快速熔断 器具有与半导体器件类似的热特性。由于各种电气设备都具有一定的过载能力， 允许在一定条件下较长时间运行；而当负载超过允许值时，就要求保护熔体在一 定时间内熔断。还有一些设备启动电流很大，但启动时间很短，所以要求这些设 备的保护特性要适应设备运行的需要，要求熔断器在电机启动时不熔断，在短路 j t 京交通大学硕士学位论文 电流作用下和超过允许过负荷电流时，能可靠熔断，起到保护作用。熔体额定电 流选择偏大，负载在短路或长期过负荷时不能及时熔断；选择过小，可能在正常 负载电流作用下就会熔断，影响正常运行。为保证设备正常运行，必须根据负载 性质合理地选择熔体额定电流。本课题中，负载为两台功率为2 2 5 千瓦的电机， 其额定电压为3 8 0 v ，额定电流为6 0 安培，按照总保护熔体额定电流= ( 1 5 2 5 ) 各台电动机电流之和来选取熔断器额定保护电流值为1 5 0 a 。 2 2 2 驱动与控制电路 接触器驱动与控制电路如图2 5 所示。控制电路由a c d c 电源模块供电。其 中+ 1 5 v 用于接触器的驱动，1 5 v 为传感器供电，+ 1 5 v 经过7 8 m 0 5 后输出+ 5 v 为两个指示灯以及作为接触器开通与关断的反馈信号。开关s 1 断开时，p n p 三极管8 5 5 0 基极为低电平，因此三极管导通，此时输出电压v 。为三极管的导通 压降，约为o 7 v 。三相串联的s s r 导通所需最低电压为1 2 v 。s 1 闭合后，8 5 5 0 基极高电乎，三极管截至，此时输出电压v o 。= 1 5 v ，三相接触器正常导通。通过 传感器监视接触器是否正常工作并取得接触器的互锁控制信号。系统中测量用元 件为电压传感器l v 2 8 p ，其电气参数为： i 。( 原边额定有效值电流) ：1 0 r e _ a ；i ，( 原边电流测量范围) ：0 _ + 1 4 m a ； i 。( 副边额定有效值电流) ：2 5 m a ；k 。( 转换率) ：2 5 0 0 ：1 0 0 0 ； v c ( 电源电压) ：_ 1 5 v ； r m ( 测量电阻) ：1 0 0 欧一3 5 0 欧。 传感器接在接触器输出端的任意两相，接触器导通以后，传感器的输入点电 压为3 8 0 v ，输入端电阻3 3 k ，因此输入电流为1 1 5 毫安。 1 4 第2 章8 k 型电力机车辅变流系统供电电路的改进 图2 - 5 固态接触器驱动与控制电路图 f i g2 - 5c o n t r o la n dd r i v es c h e m a t i co f s s r 2 3 固态接触器性能及负载试验 为了保证固态接触器的可靠运行，在实验室进行实验，实验主要是模拟8 k 型 电力机车辅助变流系统供电电路中功率最大的接触器的运行情况实验。供电电路 中功率最大的负载为风机，其额定功率为3 8 0 v ，额定功率4 5 k w 。接触器电机负 载启动时各部分波形如图2 - 6 所示： j b 京交通大学硕士学位论文 图2 - 6 电机负载启动波形 f i g2 - 6s t a r tw a v e f o r mo fl o a d i n gm o t o r 随机导通型在电流换向的时候，其两端电压会出现一个尖峰，而过零导通没 有这种情况。如果加上r c 滤波或者当负载电流增大的时候，尖峰变得很小，基本 可以忽略。采用r c 吸收i i 后接触器两端冲击电压波形比较如图2 7 所示： 日 !一； i 州 ： ； ； 吣。j - 等j ； 赢c = o 茹 ， ，。：! 工 ij 一 l 一一一 。一 i 一 ：主 ： i j t 图2 - 7 冲击电压波形 f i g2 - 7w a v ef o r mo fi m p u l s ev o l t a g e 1 6 a ：33 6 a o ：一2 2 0 m a 2 3 ”月2 0 0 5 1 s ：1 0 ：i s 第2 章8 k 型电力机车辅变流系统供电电路的改进 ；! ；州! ； 一 ； ：￥i ： ： - ；v 触；! ：h 、- ：h l l5 0 ovm h 0 0 m ：0 5 0 a o ：66 0 a ：0 0 6 m s 粤：5 3 2 m s c h l 频率 s 14 3h z 低信号幅值 c h 4 均方恨 4 1 7 a c h l 均方根 7 7 4v 2 31 2 月2 0 0 5 9 ：5 0 ：1 6 图2 - 8 逆变器输出电压电流波形 f i g2 - 8t h eo u t p u tv o l l a g ea n dc u r r e n tw a v e f o n no fi n v e r t e r 使用固态接触器后配合原逆变器带电机负载进行实验，实验波形如图2 8 所 示。在采用r c 滤波以后，实验过程中特别注意了谐振现象。一般来说在固态接触 器内部接的有简单的吸收电路，但是当额定电流值较大时，需外接r c 吸收。选去 电容值时要进行实际试验，防止电容与感性负载发生谐振。本课题选用电容值为 0 2 2 皿f ，在大电流实验时没有观察到谐振现象。 2 4 本章小结 本章对8 k 车辅助变流系统的供电电路进行了改进，将原系统中的机械式接触 器改进为更为先进的固态无触点接触器，同时保持了原接触器系统的互锁关系不 变。实验结果表明采用固态接触器后的供电系统工作稳定，受环境影响较小。该 接触器与其控制驱动系统已经在太原铁路局湖东机务段大西车间的测试台上使用 半年，系统工作正常。 1 7 北京交通大学硕士学位论文 38 k 型电力机车辅助电路供电电源的改进 3 1原辅助变流控制系统介绍及其优缺点分析 3 1 1 原逆变器控制方法 在u ， 2 0 0 v 时，允许逆变器启动，启动最低频率为5 h z ，脉宽调制规律为9 分频，频率变化率为5 h z s 。当u ，= 5 0 0 v 时，逆变频率为l l h z 左右。逆变器按 u ，f 。= 常数的规律提高输出频率及电压，调制时分频数的变化规律为9 5 3 一 方波，当a - 1 0 f w u ，= 0 6 时转为5 分频，| ；l = 0 8 时转为3 分频，a = 0 9 8 时转为 方波。逆变器的脉宽调制采用了6 0 0 调制与电平控制的方法。这种方法能以较简单 的电路实现调频、调压，且使u 。f 。= 常数。 1 ) 6 0 0 调制 在逆变器方波控制时，逆变器的三个桥臂中总有一个臂不与其他臂并联，单 独连结于直流侧的正端或负端，为了