一种机车变流器试验用调压器及漏感测量

引 言

与传统的不可控或相控整流器相比，四象限变流器具有中间直流环节电压稳定、电流波形畸变小、动态控制响应快、功率因数高和能量双向流动等特点［1,2]，在铁路机车大功率变流器中应用越来越多。

近年来随着机车变流器产品类型的不断增多，每种变流器对四象限输入电压等级和变压器漏感要求各不相同，试验中如果给每个产品都配套一个变压器，则存在试验站设计成本高，工艺布局占地面积大，电源系统构建复杂，日常保养和维护费用高等问题。本文着重针对四象限电源供电问题提出了一套解决方案。

1 四象限工作原理

机车变流器四象限全部采用单相电压型PWM 整流器， 模型电路由交流供电回路，功率开关管桥路以及直流回路组成。PWM 四象限整流器模型电路如图 1 所示。

Upn为变压器的原边电压，Uso为变压器的牵引二次侧绕组电压，Rs为牵引绕组的直流电阻，Ls为牵引绕阻的漏感，Upmcf为调制基波电压，Uc为整流输出直流电压，Is为牵引绕组基波电流。

四象限整流器整流时的工作原理实际上是一个升压斩波过程，在该过程中，根据波形的特点控制相应桥臂 IGBT 导通， 则会造成绕阻短路，且由于变压器具有较高的短路阻抗，因此电流的上升率有限。能量储存在牵引绕阻的漏感 Ls 上，在IGBT 关断过程中，牵引绕组的电压加上储能电感感应的电压就会通过二极管整流后加到整流输出电路，通过反复进行这样的过程，就会在整流输出端得到较高的中间电路直流电压 [3]， 该电压高于通过 4 个整流二极管整流后的电压。

根据四象限整流器等效电路图可以得到图 2 所示的四象限整流器牵引工况。

2 双感接触式调压器技术特点

从式（1）和四象限工作原理可以看出变压器电压和漏感值对四象限变流器控制至关重要。在变流器试验电源系统设计中，为了满足不同变流器电压等级和新产品研制中电压可调需求，试验站电源采用单相双感接触式调压器，调压器原边绕组和次边绕组相互独立，输出电压能从0 V 开始调节，输出电压范围为 0 ～1 800 V，并可无极调压；由于双感接触式调

压器铁心气隙小，漏感较小，根据图 1 四象限等效模式可知， 在调压器二次侧串联多抽头结构电抗器，能满足四象限二次侧漏感 2 ～5 mH 的要求。

3 调压器漏感测量和计算

由于漏感参数对四象限控制影响较大，因此调压器漏感测量和计算方法尤为重要。双感接触式调压器与变压器结构和原理相似，二次侧漏感与变压器漏感等效模型和方法相同， 图 3所示为变压器T 型等效模型。

其中：U1为一次侧绕组电压，I1为一次侧绕组电流，I10为一次侧励磁电流，m为变压器变比，U2为二次侧绕组电压，I2为二次侧绕组电流，R 为二次侧等效电阻，I 为二次侧等效漏感。

3.1 调压器漏感测量和计算方法1

通常变压器二次侧漏感测量方法是将近似正弦波的电压施加到一次侧绕组上，另一个绕组短路。在施加电压的绕组电流达到额定电流时，测量一侧绕组两端电压 U11，由于变压器一次侧和二次侧绕组电压变比固定 [4,5]，可根据公式（2）计算变压器二次等效漏感 电感值 ：

由于调压器会随输出电压不同，导致 一侧与二次侧变比随之变化，因此需将一次侧阻抗电压折换到 二次侧，可根据公式（3）计算短路阻抗 ：

在公式（1）（2）和（3）中，π=3.14，f=50 Hz。U11 为二次 侧短路通过额定电流时一次侧电压值（V）；U1 为一次侧绕组电 压（V）；U2 为二次侧绕组电压（V）；UK 为短路阻抗 ；I2 为二次 侧绕组电流（A）。 

3.2 调压器漏感测量和计算方法 2

调压器漏感测试电路如图 4 所示。其中，P 为瓦特表测试 的有功功率值（W）；V 为电压表测量二次侧短路后原边电压 （V）；I1 为电流表一次侧绕组电流（A）；I2 为电流表二次侧绕组 电流（A）。

漏感测试时，两侧的线圈中都流过额定电流，因而产生漏磁通。绕组中一部分是电流流过绕组产生的电阻损耗，另一部分是由试验电流所形成的漏磁通在绕组中及其他部件上产生的涡流损耗，还有一部分损耗是励磁损耗，因负载试验时电压很低，铁心中磁通密度很低，而铁心内部损耗很小，这部分损耗所占的比重很小，因此可以忽略，这时可将原边输入有功功率 P 等同为次边 RS 上消耗的有功功率。

在公式（7）中，P、U11、I1 和 I2 都为试验测量值。

 3.3 两种方法计算数据对比 

某试验站调压器技术参数为额定容量 800 kVA，输入端 电压为 2.5 kV ，输出电压 0 ～1 800 V。连续可调二次侧漏感 试验测量数据见表 1 所列。

对比两种测量方法试验数据，方法 1 得到的漏感值约比 方法 2 高 0.03 mH，是因为方法 1 短路阻抗不仅是电感阻抗测 量值，还附加了线圈电阻阻抗，因此计算值偏高。机车变流器 要求牵引变压器短路阻抗（40 ～50%）都较大，一般试验用 调压器漏感小于 8%，在调压器二次侧还要串联电抗器以满足 四象限工作要求，因此该差值可忽略不计。

4 结 语

本文阐述了机车变流器试验用调压器结构特点，并提出了调压器两种漏感测量和计算方法，解决了不同电压等级机车变流器四象限电源供电问题。目前已在动车组等牵引辅助变流器试验站中使用，所有技术参数完全满足四象限试验要求， 大大节省了投资和维修成本，在实际试验应用中也收到了良好的效果，更为机车变流器试验平台搭建提供了很好的经验。