变流器中的直流支撑电容的原理介绍及应用论文_赵一洁,郑旭阳,李镶盈

（中车永济电机有限公司 陕西省西安市 710016）

摘要：在电力电子转换设备中，应用最为广泛的是电压型变流器(VSR)。而直流支撑电容作为电压型变流器设计和应用的核心关键器件之一，本文介绍了两种变流器直流支撑电容一电解电容和薄膜电容的工作原理及特点，讨论了在目前机车变流器中选型和应用的注意事项。

关键词：变流器；直流支撑电容；原理

一，机车变流器的发展趋势

（一）高功率密度、通用模块化设计

采用功率等级更高的半导体器件和模块化的设计理念已深入人心。目前机车变流器应用最广泛的开关器件为绝缘门极双极晶体管（而随着变流器容量的增加，功率等级更高的集成门极换流晶闸管）可能将逐步得到推广应用。

（二）电压电流等级不断提高，拓扑结构更加灵活多样

随着机车变流器的电压与电流等级的不断提高，适用于更高电压等级与容量的多电平变流器拓扑得到了广泛关注。变流器采用多电平方式后，可以有效降低对单个功率器件耐压能力的要求，有利于更大输出容量、更高电压等级的系统实现；不仅实现了飞跨电容型三电平拓扑应用，甚至还基于开发出了飞跨电容型五电平变频器。

二、直流支撑电容的作用

本文简单介绍了 HXD1 型变流器中直流支撑电容的作用、容量的取值、联接方式及放电检测方法。为更深入地研究牵引变流器中的直流支撑电容提供一种了解途径。

在图1所示的交-直-交变流系统中，中间储能环节衔接整流和逆变两个环节，而支撑电容器作为一个储能器是必不可少的，主要起着以下几个方面的作用：

1）补偿电机的无功功率

电机是感性负载，要消耗无功功率，支撑电容对无功功率起补偿作用。可以稳定电压，改善电机的输出性能。

2）提供负载变化时的能量调节

当负载突然加大时，系统的直流电源不能瞬时地供给大量能量，引起电机转速下降，此时电容起到一个补偿能量的作用。基于这一原因，也可以说支撑电容减弱了负载能量。

3）支撑中间直流回路电压，使其保持稳定因为变流器在短时间内能量的输入和能量的输出不对等，在中间直流支撑回路设置支撑电容，对直流支撑回路的电压进行滤波和缓冲。

基于以上几点分析可知，支撑电容的主要作用是滤除整流器直流侧的纹波电压及限制负载突变时的直流电源脉动。一般而言，从减小直流电压的脉动、稳定电压、提供无功功率方面看，支撑电容容量应取得较大；但是，从满足电压环控制的跟随性能指标看，支撑电容容量应尽量小，以确保整流器直流侧电压的快速跟踪控制。

三、直流支撑电容容量的取值及连接方式

支撑电容容量的计算，从以下两个方面分析：

一）满足直流电压跟随性能指标的支撑电容值直流电压跟随性能指标是以整流器直流侧电压由稳定最低值跃变到额定值的动态过程来评价的。将单相脉冲整流器看做一个单相不可控整流电路，取整流电压的平均值 作为整流器直流侧电压稳定最低值，与网侧电压有效值 的关系为

即：

（3）

在式（3）中的等效电阻 R 可通过中间直流环节输出功率 近似求取，可得

（4）

对于牵引变流器，通常情况下

对于 HXD1 型机车，依照上述步骤的计算，支撑电容值取为

C =12mF

二）考虑抑制二次谐波电压的支撑电容值

在 HXD1 机车上，专设了一个谐振吸收回路，用来过滤中间直流回路中两倍于输入电压频率的能量流产生的纹波。通过 LC 串联谐振电路吸收两倍基波频率的二次谐波，其谐振回路电容组的电容值为

对于其他类型的机车牵引变流器（如 CRH5），由于未采用二次谐波滤波电路，因此在支撑电容的选取时，必须考虑二次谐波电流引起的电压脉动。根据其相关的计算理论，计算出直流支撑电容的大小，再结合式（1）、（2）两方面的计算值，予以综合考虑。

三）HXD1 直流支撑电容组的接法

HXD1 机车直流支撑电容组 C 由 4×3m F 电容器组成，每个单独的变流器共计12mF。

四、直流支撑回路电容的放电检测

当机车停止运行，即使机车已经落下受电弓，这些支撑回路中的电容器可以在较长时间（几天）内带有危险的高电压。基于这一情况，必须保证牵引系统处于安全状态，在针对牵引变流器执行任何工作前，必须绝对保证直流支撑回路完全放电。其放电检测步骤如下：

1）准备好一个数字万用表（具有 3kV 高压探头的 FLUKE 189 型万用表）。

2）开起变流器前面的两个盖子（直流支撑回路的测量和接地点位于每个盖子的后面），将接地测量电缆连接到变流器接地点。

3）使用高压探头检测固定圆球接地点。检测所有测试点的电压是否均低于 20V， 如果直流支撑回路测量出的电压值大于 20V，使用牵引变流器内的固定放电电阻对直流支撑回路放电（放电过程的时间常数< 15min），经过大约 2h 后，容器内部的电压下降至安全电压（<50V）。

三、结论

HXD1 型交流机车直流中间回路起着衔接整流和逆变两个环节的作用，其支撑电容不但能稳压、滤波，还能给交流电机负载提供无功功率。直流支撑回路在 HXD1 变流器中起着重要的作用。其支撑电容器的主要作用是滤波和稳压，此外还与交流电机进行无功功率的交换，是一个比较昂贵的部件。

参考文献

[1]罗锐. 地铁再生制动能量回馈变流器研制[D].西南交通大学,2017.

作者简介：赵一洁，性别：女，出生年月日：1986年11月26日，籍贯：河北省石家庄市，现职称：工程师，学历：硕士研究生，从事工作：变流器产品设计

论文作者:赵一洁,郑旭阳,李镶盈

论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期

论文发表时间:2020/1/15

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