轨道交通变流器RC 吸收回路优化验证研究

马 瑞， 李 莎， 沈红彬

（1.中车永济电机公司， 陕西 西安 710016；2.国网陕西省电力有限公司咸阳供电公司， 陕西 咸阳 712000）

1 研究背景

RC 吸收回路具有抑制过电压幅值和抑制高频振荡的作用，可将回路从欠阻尼状态调节为无震荡状态，在轨道交通电力机车、动车组和城市轨道交通等车型广泛应用。在实际应用中，由于过电压、过电流、变压器变比设置不合理等原因，可能导致电阻电容以及开关器件烧损，影响车辆安全可靠运行[1]。

2 RC 吸收回路选型原则

在RC 吸收回路中，电容通过其两端电压不能突变的特性限制电压上升率，同时减少回路能耗。电阻的接入可增大系统阻尼，加速分相过电压的衰减，改善欠阻尼状态下的高频振荡。考虑到回路中杂散电感、变压器漏感等对系统性能会产生一定的影响，在实际应用中，往往要在选型计算的基础上根据实际情况进行适当调整。

2.1 电阻取值

电阻取值为开关所能承受的瞬时电压与初始电流的比值。电阻选型中需注意：适当增大电阻取值可增加系统阻尼，但该取值有一个阈值。电阻取值过大会增大回路的时间常数，延长暂态过程，降低回路保护的有效性，取值过小会增大动态损耗。

2.2 电容取值

增大电容量能够提升RC 回路的吸收能力，降低电压尖峰。电容选型中需注意：依据负载的电流大小和交流电的工作频率进行选型，而非依据负载的电压和功率。增大电容取值可使震荡回路接近于工频，但容值过大会增加损耗。

3 RC 回路器件烧损原因分析

如图1 所示，整流桥前端连接变压器次边，对变压器次边单相交流电进行整流，并联RC 阻容电路吸收电压尖峰。

3.1 变压器变比过高

变压器变比过大使得变压器次边输出电压尖峰过高，而RC 回路吸收能力不足以吸收此尖峰，考虑到电压尖峰倍数随输入电压的增大而增大，当电压尖峰超过整流二极管器件的最大工作电压时，会导致二极管损坏。同时，RC 吸收回路的电流过大，可能导致电阻烧损。

3.2 过压、过流影响

轨道交通车辆运行时，由电源侧产生的高次谐波电流及电压波形畸变会对系统供电性能造成一定影响，交直交型轨道交通车辆变流器大多采用PWM 调制方式，易出现高次谐波串联谐振，当谐波过电压超过变压器次边开关器件所能承受的最高电压和阻容吸收回路的最大吸收能力时，将导致开关器件烧损，过压、过流冲击超过吸收电阻的耐受范围时，将导致吸收电阻烧损[3]。

3.3 部件选型不合理

电阻和电容选型未考虑特殊工况下的过电流或过电压尖峰，电容取值小，吸收能力弱。电阻取值小、功率低不能耐受过电压、过电流的冲击而造成烧损。

4 故障案例及优化验证

4.1 故障描述

本文选取导轨电车辅助功率模块进行试验测试，直流母线输入额定电压为750 V（波动范围400～900 V），变压器变比1.87，整流二极管最大工作电压、电流分别为2 400 V、250 A，RC 回路选取1 个47 Ω/600 W 电阻、3 个33 nF 电容并联。当输入750 V 电压时，电容炸裂，二极管被烧损。

4.2 故障排查

断开变压器后端全部线路，直接监测变压器次边输出，如下页图2 所示，变压器次边输出电压尖峰达到正常值的近2 倍。在未接入吸收回路的情况下，输入电压100 V 时，整流侧输出电压202 V，输出电压尖峰达386 V，电压尖峰为输出电压的1.9 倍，如图3所示。

变压器变比过大使得变压器次边输出电压尖峰过高，而RC 回路吸收能力不足以吸收此尖峰，当电压升至600 V 左右时，会超过二极管器件的最大工作电压2 400 V，从而导致二极管被烧损。同时，流经RC吸收回路的电流过大，导致电阻被烧损。

在上述电路中接入吸收回路，当输入电压为100 V 时，由图4 可知，整流二极管反向恢复时的电压尖峰被RC 电路部分吸收。此时RC 上流过的电流尖峰IRC-p=3.22 A。在R、C 值均不变的情况下，将输入电压升到127 V 时，IRC-p=3.84 A。该波形验证了RC 回路的吸收作用，但随着电压的增大，RC 回路的吸收能力不足以吸收随之增大的电流尖峰，出现了前述当电压升至600 V 时二极管和电阻被烧损的故障。

经多次试验验证，流过单只功率800 W 电阻的电流在9 A 以内时，吸收电阻可以安全工作。

4.3 优化方案一

过大的电压尖峰增大系统损耗，并可能对部件造成损伤，通过原因分析和故障复现数据可知，由于吸收回路前端电压尖峰过高，RC 回路的吸收能力有限，导致故障发生。建议进行系统优化，降低变压器变比和漏感，同时，需增大模块RC 回路的吸收能力。

为解决此问题，将变压器变比由1.87 调整为1.44。同时，经过仿真、试验验证、部件参数调整优化、再次试验验证，对电阻电容选型修正如下：

电阻：100 Ω/800 W，3 个，并联。

电容：100 nF，2 个，并联。

4.3.1 母线输入电压750 V

经测试，在母线输入为额定电压750 V 时，流过每个电阻的电流5 A。整流两端电压尖峰1.15 倍，达到1 612 V，较二极管的最大工作电压2 400 V 还有较大裕量。对比图3 和图5 波形可知，该方案实现了在额定电压下对电压尖峰的较好地吸收效果，达到了改进的目的。

4.3.2 母线输入电压950 V

将母线输入电压升至950V 进行过压运行测试，测试结果为：流过每个电阻的电流6.9 A。整流两端电压尖峰1.2 倍，达到2 130 V，较二极管的最大工作电压2 400 V 还有一定裕量。

经验证，该方案可有效吸收过电压尖峰，使电阻、二极管工作在可靠范围内。

4.4 优化方案二

为避免回路过载而发生电阻等器件烧损故障，可通过在RC 吸收回路串联电感来降低高次谐波电流。应用该方法并非消除高次谐波，而是通过串联电感来吸收部分谐波分量，消除高次谐波对回路的影响，实现降低电阻、功率器件等故障发生率的目的。

5 结语

RC 吸收回路在实际应用中受电源品质、变压器漏感及负载电感等多方面因素影响，为发挥最佳性能，电阻、电容的取值与计算值存在一定偏差，需根据整流回路的性能指标，综合考虑性能和效率。在测试过程中进行适当调整，得出RC 吸收回路中电阻和电容的最优匹配方案。同时，可通过串联电感的方式降低回路的高次谐波分量，保证各器件在其可承受的工作范围内可靠运行。