主、辅逆变器构造及维护.ppt

第2章 主、辅逆变器构造及使用维护说明,许金福 参考文献： HXD1机车培训教材-主、辅逆变器构造及使用维护说明,第一节牵引电传动系统概述,供电制式：AC 25kV，50Hz HXD1 型双节电力机车两节车上都配备了独立的、相同的电传动系统，其网侧电路可通过车顶高压连接器相连，既可固定重联运用，也可解编后各自独立运用，同时还具有外重联功能 每节车的电传动系统由一台拥有 1 个原边绕组、 4 个牵引绕组和 2 个二次谐振电抗器的主变压器， 通过 4 个四象限斩波器 （4QC）向两个独立的中间直流电压环节充电每台转向架上的 2 台三相异步电动机作为一组负载，由连接在中间直流环节中的一个脉宽调制逆变器供电 两路中间直流环节相互独立，整台机车牵引力有 75%的冗余，从而提高了机车的可利用率中间直流环节还连接有谐波吸收电路、过压保护电路和接地检测电路机车采用再生制动，再生制动时机车能量反馈回电网，达到节能的效果四象限斩波器和脉宽调制逆变器采用水冷IGBT 模块第二节 牵引电路,1 牵引电路结构,主变压器的原边通过受电弓、主断路器得电主变压器 4 个独立的次边牵引绕组分别向 4 个四象限脉冲整流器供电，,每 2 个四象限脉冲整流器并联输出，共用一个中间直流回路。

这个中间直流回路同时向 2 个电压型 PWM 逆变器（1 个牵引逆变器和1 个辅助逆变器）供电，,每个牵引逆变器分别向一个转向架的 2 台异步牵引电动机供电，实现牵引电机架控再生制动过程相反其主变流器内包含机车辅助供电电源模块其主变流器内包含机车辅助供电电源模块牵引电路按其主要功能和电压等级可分为： 网侧电路、四象限变流电路、中间直流回路、PWM 逆变电路、保护电路等几部分2 网侧电路 网侧电路主要功能是从网侧获取电能，属于 25 kV 电路 每节机车网侧电路由一台受电弓、一台带高压接地装置的主断路器、一台避雷器、一台高压电压传感器、一台高压电流传感器、一台高压隔离开关、主变压器原边、回流侧互感器和接地碳刷等组成两节机车间网侧电路通过车顶高压连接器相连2.1 网侧受流过程 2.1.1 升起本节机车受电弓的受流过程 本节机车：接触网电流通过受电弓，经本节主断路器，通过本节机车的主变压器的原边绕组高压端子给本节机车电路供电，再由本节机车的主变压器原边低压端子经接地碳刷、轮对、钢轨，返回变电所他节机车：在本节机车主断路器闭合后通过本节机车高压隔离开关，经高压连接器、他节机车高压隔离开关，由他节机车的主变压器的原边绕组高压端子给他节机车电路供电，再由他节机车的主变压器原边低压端子经接地碳刷、轮对、钢轨，返回变电所。

2.1.2 升起两个受电弓的受流过程 在此模式下两节机车中至少要有 1 节机车的高压隔离开关处于断开位置 各用各的电2.2 网侧保护电路 2.2.1 网侧短路保护 当流经高压电流互感器的电流超过整定值时，主断路器将进行分断保护 2.2.2 网侧过压保护 网侧装有避雷器，主要用于抑制操作过电压及运行时的雷击过电压 2.2.3 网压监测保护 通过高压电压互感器的检测，在网压＜15 kV 或＞32 kV 的情况下，主断路器将进行分断，保护主电路相关设备的正常工作 2.2.4 网侧过流保护 通过高压电流互感器的检测，在电流超过整定值时，主断路器将分断保护 2.2.5 原边接地保护 检测原边电流和回流电流的差值，当大于整定值时，判定为原边接地，主断路器进行分断保护 2.2.6 主变压器次边和主变流器短路保护 如果变压器二次线圈或主变流器发生短路，则在检测到短路的瞬间断开主断由于变压器的高短路阻抗，从而限制了短路电流3 四象限整流电路 四象限整流器在牵引工况下进行交—直变换，为中间直流电路提供电能；在再生制动工况时，通过中间直流电路进行直—交变换，将电能回馈给电网每节车的牵引电路中有两套独立的变流器。

在每套变流器中，由 1 个预充电电阻和 3 个交流接触器把 2 个四象限变流器和主变压器的 2 个牵引绕组连接起来，两个变流器将交流电变换成直流电，并联向中间回路供电四象限电路使得中间直流环节的电压保持稳定，并使变压器次边的功率因数接近于 14 中间直流回路 中间直流电路由中间支撑电容、二次滤波 LC 谐振电路、短路保护电路和接地检测电路组成5 PWM 逆变电路 PWM 逆变电路根据机车运行要求，将中间直流电压变换为所需要的频率和幅值的三相交流电压 每套变流器包含一台牵引逆变器和一台辅助逆变器， 牵引逆变器向一台转向架上的 2 台牵引电机供电； 辅助逆变器通过隔离开关给辅助系统的辅助变压器供电 每节车 2 套变流器中的 2 个辅助逆变器之间设置了 3 个隔离开关，用于单辅助逆变器故障时的冗余切换每套变流器包含一台牵引逆变器和一台辅助逆变器， 牵引逆变器向一台转向架上的 2 台牵引电机供电； 辅助逆变器通过隔离开关给辅助系统的辅助变压器供电 每节车 2 套变流器中的 2 个辅助逆变器之间设置了 3 个隔离开关，用于单辅助逆变器故障时的冗余切换6 四象限变流器和 PWM 逆变器模块的保护 6.1 过压保护 在直流回路电压大于整定值时，触发软短路器，断开主断路器 HVB。

6.2 过流保护 每个 4QC 和 PWM 的支路有两个并联的 IGBT 模块在短路和其它故障情况下，在达到最大支路电流前自动封锁相关的模块触发脉冲 6.3 牵引电机的短路保护 当牵引电机端子或绕组内发生短路时，PWM 的触发脉冲将被封锁7 库用动车电路 三相 380 V 交流电由库内电源插座引入到机车的辅助系统，经辅助变压器反向升压后由相应的辅助逆变器向中间直流回路充电至大约 500 V 直流电压这个电压通过 PWM 逆变器在牵引电机上所产生的力矩，足以驱动双节机车以约 5 km/h 的速度运行此时机车由司机台的主控制器进行操纵第三节 牵引变流器,1 概述 该型牵引变流器是为中国DJ4 型机车设计的，机车由25 kV, 50 Hz 单相交流电源供电，通过主变压器（车载）变换成 970 V 输入电压 每台机车由 2 节车组成，每节车设有 1 个牵引变流器柜，每个牵引变流柜由 2 套相互独立的变流器组成一个变流器包含 2 个并联的四象限整流器、1 个牵引逆变器和 1 个辅助逆变器 牵引变流器的安装在机械间内，该设备不包含操作性或指示器元件牵引控制单元（TCU）位于牵引变流器柜内部；操作性和指示器元件必须靠近驾驶员，因而设置在司机室内。

2 技术说明,主变压器,预充电单元和线路接触器,四象限整流器,保护模块单元（软保护模块和硬保护模块）,谐振电路（吸收回路）,泄漏电阻/接地检测单元,中间直流回路电容电池,脉宽调制逆变器,牵引电动机,变流器柜中重要部件的机械布置,1 4QC 功率模块 2 PWM 逆变器功率模块 3 辅助逆变器功率模块 4 保护模块单元 5 断路器 6 牵引控制单元(TCU) 7 预充电接触器 8 风机 9 辅助供电接触器,正视图,10 中间直流电容 11 预充电/放电电阻器 12 软短路放电电阻 13 谐振电容器组 14 风机,后视图,牵引变流器由下列功能模块组组成： . 线路接触器和预充电单元 . 四象限整流器 . 中间直流回路，包含支撑电容和接地检测单元 . 和外部揩振电抗器一起构成的谐振电路 . 保护模块单元 . 脉宽调制逆变器（用于牵引和辅助驱动） . 控制和监视,图 6 一台牵引变流器的一条支路概略图,2.1 线路接触器和预充电单元,图 7 四象限整流器的输入电路,线路接触器用于控制牵引变流器与主变压器的通断如果牵引变流器出现故障，可以通过分断线路接触器将故障牵引变流器隔离，而与变压器相连的其它工作部件（如其它牵引变流器）不会受到影响。

只有在无电流的状态下，该输入断路器才可以断开当主断路器处于闭合状态时，不得将其断开预充电单元以并联方式连接到线路接触器上预充电单元由一个预充电接触器和一个预充电电阻组成当牵引变流器投入运行时，首先通过预充电单元对中间直流电容进行充电，然后再闭合线路接触器，这样可以避免大的电流冲击否则，如果输入电压直接加载到未充电的支撑电容器组上，将会导致瞬间峰值电流当中间直流电压达到其理论终值（牵引绕组的峰值电压）的 95％后，线路接触器才可以切换至闭合状态2.2 四象限整流器 (4QC),图 8 四象限整流器原理图,在每一子变流器中，有两个并联的四象限整流器 一个四象限整流器由两个相模块（半桥）组成四象限整流器将来自主变压器的单相交流输入电压转换为直流电压供给中间直流回路 四象限整流器（4QC）指的是在牵引工况以及制动工况下，电压UST 和电流 IN 之间的相位角是完全可调节的通过对电压和电流间的相位角的控制，能实现整流器的四象限运行IGBT 是电子开关元件，其开关频率很高 下面通过整流器从一个电流为零的状态开始工作的例子来说明其功能 如果在正半波时，S2 或 S3 两个 IGBT 开关元件中的一个处于开通状态，变压器次边绕组处于短路状态，电流开始上升。

此时，如果原来开通的晶体管关断， 由于变压器的漏电感， 电流不能被中断 电流通过 IGBT 开关元件 S1 或 S4 的续流二极管流入中间直流回路并缓慢降低利用这一原理，电流就可以围绕一个参考值上下波动且 cos φ 和中间直流电压值能保持在要求的范围内IGBT 的开关频率除以电网频率得到每个周期的脉冲数脉冲数越高，电流值就越精确地追踪参考电流值图 9 四象限整流器的电流/电压波形,2.3 中间直流电容 中间直流电容作为储能器，起缓冲和平滑中间直流回路电压的作用每个单独的变流器的中间直流电容组由 4 x 3 mF 电容器组成，共计 12 mF 图 10 中间直流电容组,2.4 中间直流回路中固定放电电阻器及接地故障检测 高阻值电阻器并联在子变流器的中间直流回路和谐振吸收电容器上这些电阻器用于子变流器非正常关闭后电容的放电接地故障检测由分压器、拟位势绝缘的差动放大器和一个比较电路组成固定放电电阻器按 102 kΩ: 34 kΩ的比例划分成两部分电阻器的中心抽头接地，一个滤波电容器并联在阻值低的电阻器上监控该电容器的电压，当发生接地故障时，被测电压发生变化，由此，相关联的牵引控制单元 TCU 就能识别一个接地故障。

在正常工况下，传感器测得的电压值等于中间直流电压的 1/4必须考虑±30％(相对于1/4 中间直流电压，由部件的公差引起)的允差如果发生接地故障，被测电压就会因电容器充电的改变而发生变化电容器的电压值将达到中间直流电压的 0 %或者 100 %这样，就可以检测到接地故障2.5 谐振吸收回路 谐振吸收回路是一个谐振电路，由谐振电容器和置于主变压器中的谐振电抗器组成，用来过滤中间直流回路中两倍于输入电压频率的纹波为了保证其谐振频率，谐振电容器分为固定电容器和可调电容器两部分可调电容器可由用户定期调整（每 10 年） ，以避免频率漂移谐振吸收回路电容组电容值共计为 Cn=9.85 mF图 12 谐振电路,,2.6 Crow Bar 短路放电装置 短路放电装置是一个保护模块，由一个硬短路放电装置(HCB) 和一个软短路放电装置(SCB) 组成软短路放电装置是一个短路晶闸管， 它与一个 0.5 Ω的短路电阻 （与短路放电装置分开，但也在牵引变流器内部）相连触发的条件是： . 中间直流回路过压， . 两个中间直流电压传感器的差值太大， . 为短路放电装置供电的 24 V 电源丢失， . 过程监视(TCU)， . 中央控制单元（CCU）复位。

基本的硬短路放电装置包括一个短路晶闸管及其控制装置和扼流圈硬短路放电装置仅用于 IGBT 非常危急的情况，能够迅速地对中间直流回路放电，以一定的周期及时地吸收来自牵引变流器和牵引电动机（反馈）的能量，避免其他部件受到任何损坏短路放电装置的触发由 TC。