电力电子牵引变压器功能试验方法研究

黄卫斌，黄树刚

（中车永济电机有限公司 检测实验中心，山西 永济 044500）

0 引 言

近年来随着我国国民经济的快速发展，人们出行的频率越来越高，作为国内远距离运输的主力军—轨道交通列车发挥着越来越重要的作用。然而传统的列车牵引变压器和牵引变流器由于设计的局限性，导致效率低下，可控性能较差，造成了资源的浪费[1-2]。因此研制一种新型的电力电子牵引变压器来替代传统的牵引变压器和牵引变流器越来越受到国家的重视。新型的电力电子牵引变压器集成了牵引变压器和牵引四象限变流器的功能，具有体积小、重量轻、效率高、可控性强及节能环保的优点，是未来发展的趋势[3-4]。

作为前瞻性技术研究，电力电子牵引变压器依托国家重点研发计划“先进轨道交通”重点专项：轨道交通列车高效变流装置项目，在额定功率2.24 MW的大功率车载电力电子牵引变压器原型机的理论下进行的三单元级联电力电子变压器主电路拓扑结构应用技术研究[5]。本文通过电力电子牵引变压器功能试验方案的设计和试验验证，提供了电力电子牵引变压器PETT替代传统牵引变压器和牵引变流器可能性的试验依据，为25 kV/50 Hz供电制式下大功率车载电力电子牵引变压器的设计开发提供了技术支撑，同时为应对未来轨道交通绿色、节能、高效的技术要求打下了坚实的基础。

1 电力电子牵引变压器PETT基本特性

1.1 工作原理

基于三单元级联拓扑结构的电力电子牵引变压器输入为6 250 V的单相交流电压，该结构中级联H桥变换器作为输入级，输出并联的LLC谐振变换器作为输出级[6]，在每个功率单元模块中，输入的交流电首先经过AC/DC变换器的整流，在中间支撑电容得到中间直流电压3 600 V，再经过双向DC/DC LLC谐振变换器稳定的直流输出电压1 800 V，为牵引逆变器提供所需的电能。三单元级联电力电子牵引变压器PETT的拓扑结构如图1所示。

图1 三单元级联电力电子牵引变压器的拓扑结构

从图1中可以看出，这种拓扑结构具有控制方法简单、模块化结构和易于扩展等优点，该结构输入级由3个H桥单元级联而成，通过PWM载波移相技术可控制级联整流器3个单元的载波依次相差120°，以合成电力电子牵引变压器输入电压[7]。级联H桥变换器在多电平变流器拓扑中需使用的元器件数目最少，采用独立直流母线也使其直流侧均压相对容易解决。PWM载波移相技术使得输入级变流器等效开关频率从牵引电网侧看提升至之前的6倍，在较低开关频率下获得了高开关频率的效果，保证了其良好的输出波形[8]。该拓扑结构各基本单元属性一致，便于加入冗余设计，在单元出现故障的情况下可快速切除，可通过增加功率单元数量来提高输入侧承受的高压和系统整体的功率等级。该结构输出级采用LLC谐振变换器结构，LLC谐振变换器是包括一个谐振电感Lr、一个电感Lm和一个谐振电容Cr，其中电感Lm等效于中频变压器的漏感[9]，如图2所示。

图2 LLC谐振变换器

当输出侧短路时，可以计算得到特征频率fr：

当输出侧开路时，可以计算得到特征频率fm：

当开关频率高于fr时，谐振变换器呈感性，谐振网络中的电流滞后于电压，使得开关器件在开通前电压已下降到零，电路工作在零电压转换区域；当开关频率低于fm时，谐振变换器呈现容性，谐振网络中电流超前于电压，使得开关管在关断之前，其电流己下降到零，电路工作在零电流转换区域[10]。因此，通过调节开关频率使其介于fm和fr之间，此时品质因数达到最大，输出范围宽且可以灵活调节，并且在全负载范围内可以通过零电压开关减少原边开关损耗。由于二次侧整流半导体管的电压应力变低，因此可以实现小电流开断、谐振频率及负载独立可调。

该拓扑结构电路主要包括了交流输入滤波电感Lg、预充电电路（包括预充电电阻、为预充电接触器PC）、主接触器LC、高压功率模块、低压功率模块以及中频变压器等部分。其中：中间直流侧电容、单元谐振电容、中间直流电压传感器及变压器原边输入电流传感器集成在高压功率模块中；输出直流侧电容及变压器副边输出电流传感器集成在低压模块中。

1.2 主要技术参数

额定输入电压：AC 6 250 V/50 Hz。

额定输入电流：AC 90 A/50 Hz。

额定中间直流侧电压：DC 3 600 V。

额定输出电压：DC 1 800 V。

额定输出功率：56 1 kW。

IGBT开关频率：500 Hz（级联H桥变换器）、3～5 kHz（LLC谐振变换器）。

控制电源：AC 220 V。

效率：≥96%。

功率因数：±1（牵引工况功率因数为1和再生制动工况功率因数为-1）。

2 电力电子牵引变压器功能试验方案设计

三单元级联电力电子牵引变压器PETT功能性试验系统主要被试品、试验电源、试验负载、试验控制台、仪器仪表和试验工装等组成。功能试验系统框图如图3所示。

图3 三单元级联电力电子牵引变压器PETT功能试验的系统框图

2.1 试验电源

试验电源电压一般按照被试品标称电压执行，从电力电子牵引变压器的参数可知，试验电源电压为单相AC 6 250 V。电源容量由被试品负载特性及试验要求决定，根据被试品效率计算电源功率，如下：

式中：Sin为试验电源功率；Sout为负载功率；η为被试品效率。

根据负载功率为561 kW和电力电子牵引变压器效率为96%，计算出试验电源功率为584 kW。交流供电系统的阻抗会影响被试品的运行特性，试验时应注意电源阻抗对被试品的影响，被试品电源使用试验站25 kV发电机组调整输出单相交流6 250 V，电源阻抗计算为：

式中：LS为试验电源阻抗；U为变压器标称电压；K为变压器短路阻抗；F为变压器标称频率；I为变压器标称电流。

由变压器的参数可知：变压器的短路阻抗为8.1%，变压器标称电流为100 A，变压器标称频率为50 Hz，经过计算电源阻抗为64.5 mH，满足电力电子变压器功能性试验需求。

2.2 试验负载

试验负载由牵引逆变器和牵引电机组成，牵引逆变器主要技术参数如下：

额定输入电压：AC 950 V。

额定输入电流：1 640 A。

中间直流母线电压：DC 1 800 V。

额定输出电压：1 391 V/3p。

额定输出电流：620 A。

IGBT功率元件：1 500 A/3.3 kV 。

控制电源：DC 110 V 。

冷却方式：强迫水循环风冷。

由负载逆变器的参数可知，其中间直流母线电压DC 1 800 V与电力电子牵引变压器输出电压相匹配，且额定功率大于电力电子牵引变压器，因此能够满足电力电子牵引变压器的效率特性试验的要求，其配套牵引电机的主要参数如下：

额定功率：1 275 kW。

额定电压：1 391 V/3p。

额定电流：620 A。

额定频率：76 Hz。

恒功范围：76～140 Hz。

额定转矩：8 124 N·m。

额定功率因数：0.896。

冷却方式：强迫风冷。

牵引电机转矩特性曲线如图4和图5所示。

图4 牵引电机的牵引转矩特性曲线

图5 牵引电机的制动转矩特性曲线

从牵引电机的牵引及制动转矩曲线可以看出，在牵引电机转速为1 500 r/min（频率76 Hz）时，额定功率为1 200 kW左右，大于电力电子牵引变压器的额定功率，满足电力电子牵引变压器牵引制动满载特性试验的调试。

2.3 试验控制台

试验控制台用来实现对电力电子牵引变压器的指令给定和控制，主要包括预充电指令、启动指令、复位指令、停止指令和紧急按钮指令，试验台原理图如图6所示。

图6 试验控制台原理

2.4 其余试验设备

其余试验设备包含牵引电机的陪试变频器负载系统及仪器仪表等，均能够满足试验要求，在本方案中不在详细介绍。

3 电力电子牵引变压器试验验证

电力电子牵引变压器功能试验主要有单单元空载启动试验、单单元牵引满载特性试验、单单元制动满载特性试验以及三单元级联空载启动试验，通过以上试验来验证电力电子牵引变压器能够实现电能变换的基本功能。

3.1 单单元空载启动试验

单单元空载启动试验方法：给系统提供AC 2 083 V电压，按下试验控制台预充电按键进行CHB预充电，预充电完成后按下启动按键，CHB开始启动，完成后LLC开始启动，待输出电压达到额定值DC 1 800 V左右后，启动完成。单单元空载启动试验波形如图7所示。

从图7可以看出，CHB预充电完成时，中间直流母线电压为DC 2 893 V，CHB启动后，中间直流母线电压升高为DC 3 706 V。LLC谐振变换启动后，输出电压稳定在DC 1 806 V左右，满足空载启动特性要求。

图7 单单元空载启动试验波形

3.2 单单元牵引满载特性试验

单单元牵引满载特性试验方法：给系统提供AC 2 083 V电压，按下试验控制台预充电按键进行CHB预充电，预充电完成后按下启动按键，CHB开始启动，完成后LLC开始启动，待输出电压达到额定值DC 1 800 V左右后，启动负载变流器并工作在牵引工况，给定电机转速1 500 r/min，逐步加载至单单元额定负载。波形如图8所示。

从图8可以看出，牵引工况下，CHB输入电压为AC 2 013 V，CHB输入电流为AC 87.6 A，中间直流母线电压为DC 3 584 kV，输出电压为DC 1 824 V，中频变压器原边电流为AC 55.2 A，中频变压器副边电流为AC 114 A，牵引满载功率为176 kW，运行稳定满足试验要求。

图8 单单元牵引满载特性试验波形

3.3 单单元制动满载特性试验

单单元制动满载特性试验方法：给系统提供AC 2 083 V电压，按下试验控制台预充电按键进行CHB预充电，预充电完成后按下启动按键，CHB开始启动，完成后LLC开始启动，待输出电压达到额定值DC 1 800 V左右后，启动负载变流器并工作在制动工况，给定电机转速1 500 r/min，逐步加载至单单元额定负载。波形如图9所示。

从图9可以看出，制动工况下，CHB输入电压为AC 2 157 V，CHB输入电流为AC 68.1 A，中间直流母线电压为DC 3 568 V，输出电压为DC 1 822 V，中频变压器原边电流为AC 58.8 A，中频变压器副边电流为AC 111 A，制动满载功率为147 kW，运行稳定满足试验要求。

图9 单单元制动满载特性试验波形

3.4 三单元级联PETT空载启动试验

三单元级联PETT空载启动试验方法：给系统提供AC 2 083 V电压（额定电压AC 6 250 V），为额定电压的1/3，按下试验控制台预充电和启动按键，三单元级联PETT开始启动，待输出电压达到额定值DC 600 V左右后，启动完成。波形如10所示。

图10 三单元级联PETT空载启动试验波形

从图10可以看出，CHB预充电完成时，三个单元中间直流母线电压为DC 920 V，CHB启动后，中间直流母线电压升高为DC 1 200 V。LLC谐振变换启动后，输出电压稳定在DC 623 V，为三单元额定输出电压DC 1 800 V的1/3左右，满足三单元级联PETT空载启动特性要求。

4 结 语

本文通过对电力电子牵引变压器功能试验台位的设计和试验数据的分析，验证H桥整流变换器和LLC谐振变换器的基本功能。结果表明，该拓扑结构能够实现AC-DC的电能变换，输出稳定的直流电压，并且在负载牵引系统进行转矩特性满载试验时，未出现过压过流等保护现象，取得了良好的应用效果，为后期级联更多单元进行全功率拓扑结构的研制提供了理论基础和试验依据。