引 言

與傳統(tǒng)的不可控或相控整流器相比，四象限變流器具有中間直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定、電流波形畸變小、動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)快、功率因數(shù)高和能量雙向流動(dòng)等特點(diǎn)［1,2]，在鐵路機(jī)車大功率變流器中應(yīng)用越來越多。

近年來隨著機(jī)車變流器產(chǎn)品類型的不斷增多，每種變流器對四象限輸入電壓等級和變壓器漏感要求各不相同，試驗(yàn)中如果給每個(gè)產(chǎn)品都配套一個(gè)變壓器，則存在試驗(yàn)站設(shè)計(jì)成本高，工藝布局占地面積大，電源系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜，日常保養(yǎng)和維護(hù)費(fèi)用高等問題。本文著重針對四象限電源供電問題提出了一套解決方案。

1 四象限工作原理

機(jī)車變流器四象限全部采用單相電壓型PWM 整流器， 模型電路由交流供電回路，功率開關(guān)管橋路以及直流回路組成。PWM 四象限整流器模型電路如圖 1 所示。

Upn為變壓器的原邊電壓，Uso為變壓器的牽引二次側(cè)繞組電壓，Rs為牽引繞組的直流電阻，Ls為牽引繞阻的漏感，Upmcf為調(diào)制基波電壓，Uc為整流輸出直流電壓，Is為牽引繞組基波電流。

四象限整流器整流時(shí)的工作原理實(shí)際上是一個(gè)升壓斬波過程，在該過程中，根據(jù)波形的特點(diǎn)控制相應(yīng)橋臂 IGBT 導(dǎo)通， 則會造成繞阻短路，且由于變壓器具有較高的短路阻抗，因此電流的上升率有限。能量儲存在牽引繞阻的漏感 Ls 上，在IGBT 關(guān)斷過程中，牽引繞組的電壓加上儲能電感感應(yīng)的電壓就會通過二極管整流后加到整流輸出電路，通過反復(fù)進(jìn)行這樣的過程，就會在整流輸出端得到較高的中間電路直流電壓 [3]， 該電壓高于通過 4 個(gè)整流二極管整流后的電壓。

根據(jù)四象限整流器等效電路圖可以得到圖 2 所示的四象限整流器牽引工況。

2 雙感接觸式調(diào)壓器技術(shù)特點(diǎn)

從式（1）和四象限工作原理可以看出變壓器電壓和漏感值對四象限變流器控制至關(guān)重要。在變流器試驗(yàn)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了滿足不同變流器電壓等級和新產(chǎn)品研制中電壓可調(diào)需求，試驗(yàn)站電源采用單相雙感接觸式調(diào)壓器，調(diào)壓器原邊繞組和次邊繞組相互獨(dú)立，輸出電壓能從0 V 開始調(diào)節(jié)，輸出電壓范圍為 0 ～1 800 V，并可無極調(diào)壓；由于雙感接觸式調(diào)

壓器鐵心氣隙小，漏感較小，根據(jù)圖 1 四象限等效模式可知， 在調(diào)壓器二次側(cè)串聯(lián)多抽頭結(jié)構(gòu)電抗器，能滿足四象限二次側(cè)漏感 2 ～5 mH 的要求。

3 調(diào)壓器漏感測量和計(jì)算

由于漏感參數(shù)對四象限控制影響較大，因此調(diào)壓器漏感測量和計(jì)算方法尤為重要。雙感接觸式調(diào)壓器與變壓器結(jié)構(gòu)和原理相似，二次側(cè)漏感與變壓器漏感等效模型和方法相同， 圖 3所示為變壓器T 型等效模型。

其中：U1為一次側(cè)繞組電壓，I1為一次側(cè)繞組電流，I10為一次側(cè)勵(lì)磁電流，m為變壓器變比，U2為二次側(cè)繞組電壓，I2為二次側(cè)繞組電流，R 為二次側(cè)等效電阻，I 為二次側(cè)等效漏感。

3.1 調(diào)壓器漏感測量和計(jì)算方法1

通常變壓器二次側(cè)漏感測量方法是將近似正弦波的電壓施加到一次側(cè)繞組上，另一個(gè)繞組短路。在施加電壓的繞組電流達(dá)到額定電流時(shí)，測量一側(cè)繞組兩端電壓 U11，由于變壓器一次側(cè)和二次側(cè)繞組電壓變比固定 [4,5]，可根據(jù)公式（2）計(jì)算變壓器二次等效漏感 電感值 ：

由于調(diào)壓器會隨輸出電壓不同，導(dǎo)致 一側(cè)與二次側(cè)變比隨之變化，因此需將一次側(cè)阻抗電壓折換到 二次側(cè)，可根據(jù)公式（3）計(jì)算短路阻抗 ：

在公式（1）（2）和（3）中，π=3.14，f=50 Hz。U11 為二次 側(cè)短路通過額定電流時(shí)一次側(cè)電壓值（V）；U1 為一次側(cè)繞組電 壓（V）；U2 為二次側(cè)繞組電壓（V）；UK 為短路阻抗 ；I2 為二次 側(cè)繞組電流（A）。 

3.2 調(diào)壓器漏感測量和計(jì)算方法 2

調(diào)壓器漏感測試電路如圖 4 所示。其中，P 為瓦特表測試 的有功功率值（W）；V 為電壓表測量二次側(cè)短路后原邊電壓 （V）；I1 為電流表一次側(cè)繞組電流（A）；I2 為電流表二次側(cè)繞組 電流（A）。

漏感測試時(shí)，兩側(cè)的線圈中都流過額定電流，因而產(chǎn)生漏磁通。繞組中一部分是電流流過繞組產(chǎn)生的電阻損耗，另一部分是由試驗(yàn)電流所形成的漏磁通在繞組中及其他部件上產(chǎn)生的渦流損耗，還有一部分損耗是勵(lì)磁損耗，因負(fù)載試驗(yàn)時(shí)電壓很低，鐵心中磁通密度很低，而鐵心內(nèi)部損耗很小，這部分損耗所占的比重很小，因此可以忽略，這時(shí)可將原邊輸入有功功率 P 等同為次邊 RS 上消耗的有功功率。

在公式（7）中，P、U11、I1 和 I2 都為試驗(yàn)測量值。

 3.3 兩種方法計(jì)算數(shù)據(jù)對比 

某試驗(yàn)站調(diào)壓器技術(shù)參數(shù)為額定容量 800 kVA，輸入端 電壓為 2.5 kV ，輸出電壓 0 ～1 800 V。連續(xù)可調(diào)二次側(cè)漏感 試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)見表 1 所列。

對比兩種測量方法試驗(yàn)數(shù)據(jù)，方法 1 得到的漏感值約比 方法 2 高 0.03 mH，是因?yàn)榉椒?1 短路阻抗不僅是電感阻抗測 量值，還附加了線圈電阻阻抗，因此計(jì)算值偏高。機(jī)車變流器 要求牽引變壓器短路阻抗（40 ～50%）都較大，一般試驗(yàn)用 調(diào)壓器漏感小于 8%，在調(diào)壓器二次側(cè)還要串聯(lián)電抗器以滿足 四象限工作要求，因此該差值可忽略不計(jì)。

4 結(jié) 語

本文闡述了機(jī)車變流器試驗(yàn)用調(diào)壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并提出了調(diào)壓器兩種漏感測量和計(jì)算方法，解決了不同電壓等級機(jī)車變流器四象限電源供電問題。目前已在動(dòng)車組等牽引輔助變流器試驗(yàn)站中使用，所有技術(shù)參數(shù)完全滿足四象限試驗(yàn)要求， 大大節(jié)省了投資和維修成本，在實(shí)際試驗(yàn)應(yīng)用中也收到了良好的效果，更為機(jī)車變流器試驗(yàn)平臺搭建提供了很好的經(jīng)驗(yàn)。