电力机车交流牵引变流器控制

田平川 孙斌 郑飞

中国铁路济南局有限公司济南机务段 山东济南 250023

在国内经济蒸蒸日上的背景下，铁路线也变得越来越繁忙，相应的客运里程及数量也日益提升。尤其是高速铁路往往效率高、很少占地、运输量大、准时、能耗小、效益佳等，所以，国家大力扶持轨道交通制造业。其中轨道电力牵引领域的交通装备，如变流器等的集成、创新控制，在改善国内轨道交通方面更是发挥着很关键的作用[1]。

1 交流电力机车中优化控制牵引变流器的必要性

为了铁路装备技术的飞快发展、铁路运输的不断扩充，铁道部推广应用了当前最先进的牵引电力机车装备，以快速适应现代社会。其中控制变流器时，通常仅考虑电能输入质量与电机牵引输出特性。但是，这种只考虑牵引变流器的控制并不科学，还需要根据牵引系统，来控制牵引变流器，以免控制不周而无法从外部电网振荡至牵引变流器，甚至引起过电压、并且产生轴承漏电流、加速损坏电机等。所以，变流器很有必要进一步改善控制，以增强变流作业的可靠性与实用性。

2 优化控制牵引变流器

2.1 车网振荡控制优化

当20 台电力机车一起运行时出现了振荡问题，也即牵引变流器内部的整流器控制单元PWM 造成了车网振荡。所以，应找出原因、建模，并且进一步改进控制PWM 整流器的模型。

根据控制框图，适当优化控制PWM 整流器的软件，便能避免系统不再出现振荡。据改进后的供电牵引电压、电流图显示，电网电压及电流波形均正常。所以，经过优化控制后，不再会出现电压、电流振荡问题[2]。

2.2 中点电压控制优化

在牵引变流器当中，逆变器控制直接关乎输出中点电压(即电压零序分量)的分布。在逆变器单元中，存在两种不一样的PWM控制中点电压标准分布图。一般中点电压会从两个方面，来影响牵引电机。一方面，形成轴承电流，造成电机烧轴；另一方面，电机增大接地电流，极易致使电机接地出现保护误动作。在中点定子电压μN 处，引起电容性耦合。

在定转子铁芯间，不同轴承套内的等效电容，电容CBR、CBS 一般分布在内外轴承间、电容CSR 分布在滚珠、定转子内。在电容性耦合内，等效阻抗内的电容量相对较小，线路中点电压的PWM 采样频率、三次谐波中的次谐波，经由电容只会形成很小的耦合电流。但是，电压幅值却很大，常常会利用转子上的电容，感应出相应的电压。所以，中点电压便施加在滚珠、轴承套间的电容上。其中的电容绝缘体就是润滑机油位于滚珠、轴承套，而形成的一种薄膜。因为电机轴会转动，所以其中的滚珠也会运动，这样电容介质当中的润滑机油也就会改变绝缘能力，令电容两端出现变化的感应电压。因此，在电容两端会积聚电荷，一直至电势大于稀薄位置的绝缘能力，而引起火花放电，并出现闪络电流。

据外国轴承漏电流的消除方法可知，不仅可以使用正弦波滤波器，而且还可以将电机转轴直接接地、隔绝轴承与轴颈以及引进陶瓷轴承衬、法拉第屏蔽层、导电润滑机油等，来直接提供给转轴通路。现阶段，针对牵引电机，一般使用的是陶瓷氧化铝轴承。但通过陶瓷轴承，仅仅阻隔了轴承出现电流，并未彻底消除掉中点电压下的轴电压。所以，轴电压在自己的电压当中，一直在试着发现通路释放，一般就是负载或齿轮箱、转速仪等，迫切需要注意。

2.3 电机过电压控制优化

通过电压型逆变器，主要提供给电机电压波PWM。但电压波PWM 往往具有很高的dv/dt 电压变化率，所以，PWM 电压主要经由电缆线，从逆变器向电机传输，就需要考虑电缆线当中分布参数带来的影响。

在逆变器负载GBT 的电机端，主要就是波中高频PWM 中有相当丰富的成份，而引起过电压波形。一般经由逆变器，利用电缆向电机端传送。这等同于很多阶跃波形函数，经由电压源，利用传输线，均匀向电机传输端。据传输波的理论知识可知，这个波形正向至电机端时，就会逆向传播。直至逆变器侧后，反射波再会又一次反射，并且一直正向传播。就传输波头而言，反射一次便会按阻抗匹配，相对衰减一些。这样不断重复进行反射，一直至波衰减至零。而PWM 波出现的脉冲波就会叠加到前面脉冲波发出的反射波，据整体上的相序正负，便可以形成不断衰减的一种振荡波形。据深入研究显示，逆变器电缆线松散分布在电机间，电机端出现的过电压便具有很高的振荡频率。当紧扎起电缆线，电机端就会出现过低振荡频率的电压。在电机、逆变器间具有越长的电缆，电机端出现的过电压就会具有越低的振荡频率。

很明显，在电机端施加高频过电压，便会严重影响到电机绝缘性能。因为高频过电压仅仅会大幅影响到电机输入电压端口的头几匝，所以可以在设计电机的过程中，针对电机端口，出现的定子绕组采取两倍的绝缘措施就好。主要就是从理论上看，波引起的过电压往往是两倍的PWM 波幅值[3]。

2.4 电机空转、打滑控制优化

在控制牵引变流器中，往往有别于控制其他电机内部的传动变流器。其中最关键的就是牵引变流器存在着粘着控制现象，也就是应优化控制电机出现空转或打滑现象。

当起动的时候，应检测列车中的车轮在空转方面的情况。在空转出现后，应及时降低牵引力，再撒沙、减小起动加速度，并以此来防止再次空转出现。

当制动时，应准确判断车轮的滑动情况。通常以第三轴速度为车速最为适合。滚过第一车轮毂后，就会改善第二轴黏着性，再至第三轴便极佳。

3 结语

总之，在交流电力机车中，作为核心动力件之一，牵引变流器的控制专业技术属于铁路中的一种关键性技术，具有很重要的作用。所以，应积极创新变流器的控制方法，以改善机车质量，促进运输业的进步。