牵引变流器发展趋势

牵引变流器正在朝大功率、调节控制性能齐全和对通信、电网无干扰的方向发展。80年代初在牵引变流器中得到推广应用的是二极管整流、晶闸管相控和直流斩波,而以应用交流牵引电动机为目标的直-交、交-交逆变技术虽然性能优越，并已有小批量生产应用，但因价格昂贵、技术复杂以及操作、维修要求高等还未得到普遍推广。提高功率半导体器件的性能，特别是提高自关断类的GTO和大功率三极管的功率和性能,应用氟冷却和大规模集成数字电路技术等，将会推进牵引变流技术的发展。

牵引变流器主要包括大功率二极管以及晶闸管、电容器和电抗器等。这些器件主要在两个方面得到了发展:一是向大功率发展。提高元件质量、加强冷却措施(采用强迫通风、风冷、油冷及氟冷方法)使单个元件开关峰值功率由 100千伏安增加到1000千伏安以上;二是增加品种。联邦德国、日本等国已实现变流器元件产品系列化、专用化，如快速二极管和快速晶闸管用于强迫换向电路;普通二极管和晶闸管用于电源换向电路。此外，制成逆导通晶闸管，它在较高频的强迫换向电路中得到了应用,还有自关断器件:控制极关断晶闸管GTO和大功率三极管，因为它们不需要强迫换流用的电容器和电抗器而使变流器大为简化。电容器分为支撑电容器、滤波电容器和换流电容器。电抗器有滤波、换流和饱和电抗器之分。各类器件都有其独自特点。

要正确测量牵引变频器输出的基波电压有效值，必须注意:

1、采用正确的变频电量测量装置。 电压、电流传感器及仪表应该有合理的带宽、正确的测量模式(基波有效值模式)、输出频率下满足准确级要求等等。

2、牵引变频器显示的基波有效值(接近理论值)与实际测量结果一致的前提是开关频率(载波频率)足够高(至少大于基波频率的20倍)。实际上，牵引变频器的开关频率往往比较低，一般低于1KHz，而基波频率较高，所以并不满足该条件。

3、要对基波有效值进行准确的、稳定的测量，前提是变频器输出为周期信号(傅里叶变换针对周期信号)。实际上由于牵引变频器的开关频率较低，当开关频率不是基波频率整数倍时，其输出信号不是周期信号。例如:开关频率为500Hz，基波频率为60Hz，假如当前的基波周期从第0个脉冲的开始时刻开始，将在第9个脉冲的1/3时刻结束，而下一个基波周期，将从第9个脉冲的1/3时刻开始，显然，这两个基波周期不是一样的信号，也就是说，变频器输出并非周期信号(当开关频率较高时，这种非周期性的表现相对较弱)。

小结: 基于上述原因，一般的测量系统很难准确、稳定的测量牵引变频器输出的电压。

为了准确获取电机的效率，应该采用低频精度较高、带微处理器的变频功率分析仪和准确级较高的变频功率传感器。

变流器由不控整流器向可控变流器的发展，变流器的电子控制系统也发生变化。变流器在60年代采用分立元件的开环控制系统，70年代过渡到线性集成元件(运算放大器等)的闭环控制系统，70年代末则应用大集成度的数字集成器件和微处理机的闭环控制系统。这些电子控制技术的应用使变流器的性能，进而使整个机车的性能和自动化程度显著提高。

牵引整流器可分为下述四类。

将交流电整成直流电,主要有两种形式:采用桥式整流线路的桥式整流器和采用中抽整 流线路的中抽整流器。图1a为应用在电力机车上的单相桥式线路，交流电压u正半周经二级管1和二极管3、负半周经二极管2和二极管4接到直流侧，从而在直流侧得到不变方向的脉动电压Ud,经过平波电抗器Ld滤去脉动成分后用于驱动直流牵引电动机，其电压波形图如图1a上部所示。图1b为单相中抽整流线路图和电压波形图。图1c为柴油机车采用的三相桥式整流线路图和电压波形图。若用适当数量的二极管串联(以增加电压)和并联(以增加电流)代替原理图中的一个元件，则可构成所需功率的交-直整流器。

在上述整流器中换用控制元件就可得到可控整流器。以晶闸管代替图1中的二极管,就成为全控桥式整流器，又称相控整流器。控制晶闸管每周期中的开始导通时刻(ɑ角)，从而控制直流侧电压。图2为单相全控桥式整流电路图和相应的电压电流波形图。如果控制 ɑ>π/2并人为地使牵引电动机电势反向，则变流器进入再生制动工况,此时全控桥式整流器就处于有源逆变的工况,将机车的动能反馈给电网。如果晶闸管和二极管混合接成图3的方式，则构成单相半控桥式整流器，二极管在晶闸管未开通前起负载续流作用。半控桥式整流器只能调压，不能再生制动。全控桥和半控桥是桥式整流器的两大类，应用较广。

又称斩波器,用以改变直流电压平均值的一种装置。用晶闸管强迫关断方法，周期性地控制直流电源和负载间的通断，使斩波器输出端得一脉动电压，用平波电抗器Ld滤去脉动成分，则在负载上得到一由周期导通角ɑ控制的直流电压Ud。图4为其原理图，其中F为强迫关断器件，D为续流二极管，M为负载。电压Ud实为由ɑ角控制的斩波器出端电压U2的平均值。斩波器经适当的改接可有再生制动性能。直流斩波器多用在直流电力机车、动车组和地铁车辆上。

又称逆变器,将直流电变成交流电的变流器，有电压型和电流型两种。

①电压型逆变器:单相作用原理如图5a所示，由于换向要求直流侧电压Ud需保持恒定而得名。如果控制电路触发脉冲使器件F1、F2的通断次序如图5b，则交流侧可得一矩形波电压如图。5c该交流电压幅值为Ud,而频率可由控制回路进行调节。图5a中 c为支撑直流电压用的支撑电容，D1、D2为当负载电流和电压不同相时做续流用的续流二极管。

异步牵引电动机起动时要求逆变器供出幅值可变的、接近正弦的低频电压,这可用分谐波调制法控制F1、F2的通断顺序来达到。电压型逆变器在控制电路作用下能顺利地转入再生制动。利用这一可逆性又可制成交-直-交电力机车电源侧变流器，它能提供恒定的中间环节直流电压，又可调节交流电网侧的功率因数和改善电流波形，这就是电压型四象限变流器。

②电流型逆变器:电路原理如图6a,它要求直流侧是一电流源，即Id要相对稳定,这可以采用串联电抗器Ld来达到。如果控制各强迫关断器件的导通顺序(图6b)，则在电机每相绕组中可得到2π/3电角度导通的交变电流(图6c)。在低频起动时为了避免因 2π/3矩形波电流而造成过大的电机力矩脉动，也可采用电流分谐波调制方法。电流型逆变器只能调频不能调压，调压功能由电源侧交-直变流器来完成。电流型逆变器已在地铁车辆上应用。

交流-交流变流器 不需经过直流中间环节,可直接将单相交流电变成三相可调频的交流电。这种变流器中较成功的是用次驱动同步型牵引电动机的两组三相反并桥式系统，它在原理上类似一电流型直-交逆变器,并借助于电源和负载电势进行换向。这种类型的变流器已在苏联ВЛ83型电力机车上应用。循环变流器是另一种降频交-交变流器,是燃气轮机车电传动系统可以选择的一种设备。

1879年德国西门子公司建造的直流125伏、3马力的电车应用牵引变流器取得成功。20世纪50年代 牵引变流器

法国、匈牙利、联邦德国、日本等国研制成多种工频牵引变流器，有单相-三相变频式变流器、单相交流-直流旋转式变流器、多阳极水银式变流器和引燃管式变流器等。这些牵引变流器还未推广就被60年代新出现的大功率半导体器件构成的变流器所替代。起初仅用大功率二极管进行交流-直流间的整流。晶闸管和电子控制器件出现后,牵引整流器便具有交-直流间的可控整流和有源逆变、直-直流间的变换的功能，并且试制出直-交流间的变换器。80年代，牵引变流器在电力机车、电力传动柴油机车、燃气轮机车、动车组以及地下铁道车辆上得到广泛的应用。应用何种牵引变流器已成为表明机车特性的主要标志之一。

主传动采用交直交电传动。主电路由双星形绕组交流主发电机、牵引变流器、异步牵引电动机、电阻制动装置等组成。柴油发电机组输出三相交流电,经主硅整流器整流成稳定的中间直流电压,再经牵引变流器变换成电压和频率可调的三相交流电供给异步电动机,实现电动机变频调速,从而控制机车的速度和牵引力。牵引变流器采用架控式、元件为GTO (4500V/3000A) 、水冷式,最高中间直流电压2600V ,中间直流回路设支撑电容和制动电阻,支撑电容用以吸收整流回路输出的交流分量和异步牵引电动机返回的无功能量;制动电阻在机车制动时由微机控制投入,同时制动电阻与GTO 元件串联在中间直流回路还兼作中间直流电压限制器,在机车牵引工况下用以吸收过高的直流电压。机车牵引和制动工况的控制由控制系统控制变流器实现,电动机变频调速采用直接力矩控制方式。机车主电路中不设电空接触器,机车方向的转换由GTO 开关元件实现, 线路得以大大简化。