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(lái)越多。

近年來(lái)隨著機(jī)車變流器產(chǎn)品類型的不斷增多，每種變流器對(duì)四象限輸入電壓等級(jí)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(duì)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(guò)程，在該過(guò)程中，根據(jù)波形的特點(diǎn)控制相應(yīng)橋臂 IGBT 導(dǎo)通， 則會(huì)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?jī)?chǔ)存在牽引繞阻的漏感 Ls 上，在IGBT 關(guān)斷過(guò)程中，牽引繞組的電壓加上儲(chǔ)能電感感應(yīng)的電壓就會(huì)通過(guò)二極管整流后加到整流輸出電路，通過(guò)反復(fù)進(jìn)行這樣的過(guò)程，就會(huì)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(guò) 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(duì)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(jí)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(wú)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(cè)量和計(jì)算

由于漏感參數(shù)對(duì)四象限控制影響較大，因此調(diào)壓器漏感測(cè)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(cè)量和計(jì)算方法1

通常變壓器二次側(cè)漏感測(cè)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(cè)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(huì)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(guò)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(cè)量和計(jì)算方法 2

調(diào)壓器漏感測(cè)試電路如圖 4 所示。其中，P 為瓦特表測(cè)試 的有功功率值（W）；V 為電壓表測(cè)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(cè)試時(shí)，兩側(cè)的線圈中都流過(guò)額定電流，因而產(chǎn)生漏磁通。繞組中一部分是電流流過(guò)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(cè)量值。

 3.3 兩種方法計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)量數(shù)據(jù)見表 1 所列。

對(duì)比兩種測(cè)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(cè) 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(yǔ)

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(cè)量和計(jì)算方法，解決了不同電壓等級(jí)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(tái)搭建提供了很好的經(jīng)驗(yàn)。