摘要：随着高速铁路的快速发展,交流传动技术已成为当今世界上牵引动力高新技术的标志,也是我国铁路牵引动力今后发展的主要方向。国家把轨道交通装备制造业作为了重点扶持的战略性行业之一，以电力牵引为代表的轨道交通装备系列集成技术的突破与创新，对于迅速提高了我国轨道交通装备技术水平尤为关键。变频调速牵引电机绝缘等因素直接影响机车运行的稳定性和可靠性。研究交流传动机车变流器与车载电气设备相互影响有对交流传动机车设计有重要的理论意义和实用价值。本文研究了变压器绕组漏感和互感对整流器性能的影响，简述了逆变器对牵引电机绝缘寿命的影响。
关键词：交流传动；机车变流器；谐波
引言：我国通过自主开发和创新,结合国外先进技术,研制出新型交流传动电力机车，标志着我国机车研制进入现代高科技领域。PWM整流器+中间直流环节+PWM逆变器+鼠笼式异步电机是交流传动机车主电路发展的主流方向。作为交流传动电力机车电传动系统的核心子系统之一，交流传动电力机车网侧变流系统是否受到其他因素的影响是我们要研究的重要问题。
一、主要研究对象
1.交流电力机车的主要部件
1.1 PWM整流器
为了使电压型整流器网侧呈现受控电流源特性,其网侧电流控制策略的研究十分重要。由于间接电流控制策略存在动态过程中电流存在直流偏置等缺点，现已经逐步被直接电流控制策略取代。
PWM整流器的多重化技术,就是将正弦脉宽调制技术与整流器的多重化相结合，通过变压器藕合的方式将多个相同结构的整流单元按串联或并联的方式组合,然后利用技术中的波形生成方式和多重化技术中的移相叠加得到阶梯波,改善输出波形,而且重数越多,对波形的改善效果越好。
1.2 机车主变压器
机车主变压器作为牵引供电系统和机车负荷的结合部,既是负荷又是电源,是交流电力机车的主要部件,用来把接触网上取得的高压电变换为供给牵引电动机及其它电机、电器工作所适合的低压电。阻抗电压是机车主变压器设计中的重要参数,它对变压器的运行具有重要的影响。
四象限变流器要求变压器具有储能作用,通过频繁开关,以便起到升压作用来保持中间电压的恒定。当变流器选用元件时,元件损耗大,开关控制频率较低,为限制电流上升及下降速率需变压器漏感大,主变压器阻抗电压取值在一左右当选用元件时,元件损耗小,开关控制频率较高,主变压器牵引绕组阻抗电压值取值相应可以减小,一般在一左右。
变压器的损耗分为绕组铜损耗和铁心损耗两类,每一类又包括基本损耗和附加损耗。在交流传动机车中,变压器牵引绕组的负载—四象限变流器采用脉宽调制,变流元件的调制频率受到较大限制。牵引绕组电流波形畸变较为严重,高次谐波引起的损耗很大,甚至可与基波涡流损耗相比拟。谐波损耗可分为电阻损耗和涡流损耗两部分,其中高次谐波涡流损耗占较大的比重。
2.牵引电机绝缘老化
变频调速牵引电机广泛采用变压变频电源驱动,逆变器输出的连续脉冲方波会导致牵引电机绝缘过早失效,尤其是定子绕组匝间绝缘。实践证明,工频正弦波电压下绝缘材料的失效机理和老化模型不能完全适用于变频条件下,这给变频电机绝缘技术提出了新的课题。因此,研究绝缘材料在连续方波脉冲下的寿命特性,对变频调速牵引电机的设计具有重要的理论和实际意义。
二、主要研究内容
本文围绕交流传动机车变流器与车载电气设备相互影响展开。主要研究四象限变流器交流侧电感的选择方法及变压器绕组互感对四象限变流器的影响、变流器谐波对变压器损耗的影响以及脉冲方波下绝缘材料的电老化寿命对其影响。
三、变压器参数对PWM整流器的影响
四象限变流器交流侧电感的设计对整流器的性能至关重要,它的取值不仅影响到电流环的动、静态响应,而且还制约着四象限变流器输出功率、功率因数以及直流电压。
1.变压器漏感对整流器的影响
图1 不同电感值时的牵引绕组电压电流
可以看出,交流侧电感过小时,电流波动幅度较大,特别是网压降低时,交流电感过大时,电流波动幅度虽然较小,但出现了过调制现象,当网压升高时,漏感为时就出现了过调制，交流侧电感设计合理时,电流波动不大,且没有出现过调制现象。
变压器绕组互感对变流器的影响
图2 有互感时输入回路等效电路图及交流侧向量图
可以看出,牵引绕组之间存在互感时,四象限变流器交流回路不独立,而是相互影响的,影响程度由互感大小及实际运行工况决定。假设各牵引变流器运行工况相同,各牵引绕组电流同相,则互感的影响将使得向量三角形中表示电感电压的直角边拉长,即在相同负载下,认,的基波向量的幅值和中将加大。如果各变流器运行工况发生改变,则向量图中互感引起的电压将会改变。
图3 互感对各参数的影响
随着绕组互感的增大,网侧电流谐波,牵引绕组电流谐波,以及直流侧电压谐波都急剧增大,而直流电压以及功率因数却下降了,说明系统逐渐趋于不稳定,绕组电流也增加,说明开关器件的开断容量也增大,这对器件可能会造成毁坏。故当绕组间的互感不可以忽略时,整流器的整体性能降低了。牵引绕组电流的脉动增大,谐波电流的含量随着互感的加大相应增加,电流增大,这说明互感的存在对开关器件的容量要求提高了。
从四象限变流器系统稳定性出发证明了,为了整流系统的稳定,互感大小应受到限制,即互感值必须小于牵引绕组的漏感值。
四、整流器对变压器耗损的影响
1.谐波对机车主变压器的影响
变压器是交流传动电力机车的重要部件,用来把接触网上取得的高压电变换为四象限变流器等其他电气设备工作所适合的低压电。机车主变运行时,牵引绕组电流中含有大量谐波分量,变压器将产生谐波损耗，主要有：负载损耗的增加、磁滞和涡流损耗的增加以及加重绝缘的负担,损耗会导致变压器发热及相应的寿命损失。
变压器的损耗包括铁损耗、铜损耗、电介质损耗和杂散损耗等，其中，后两者可以忽略不计。
2.绕组铜耗
谐波损耗会影响变压器总的负载损耗及变压器的温升和负载能力。
图4 高压绕组电流波形和各次谐波含量
图5 牵引绕组电流波形和各次谐波含量
表明在多次谐波条件下铜耗明显增大。谐波电流增加了绕组的电阻损耗和涡流损耗,其中高次谐波涡流损耗占较大的比重。实践表明,谐波损耗会引起变压器局部过热以及高噪声。
五、对牵引电机绝缘寿命的影响
（1）电压影响。施加脉冲方波的峰值增大,局部放电的重复率成比例增大在电压增大的过程中,薄膜内气隙处的场强将随之增强,电子在电场获得的动能提高,导致气隙内电离加剧,内部的局部放电加强,从而使绝缘材料失效时间缩短。
（2）频率影响。随着频率的增加,放电重复率将成比例增加,使得放电次数和放电能量会成倍增加,导致绝缘老化速度变大。所以,频率越高绝缘材料的寿命越短。
六、结语
变频调速牵引电机绝缘等因素直接影响机车运行的稳定性和可靠性，本文对交流传动电力机车变流器与车载电气设备相互影响方面做出了分析，希望对有关研究有所帮助。
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论文作者:董小嘉,李钊,时雪丽
论文发表刊物:《基层建设》2018年第18期
论文发表时间:2018/7/26
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