2800kVAGTO变流器技术及产品研制

Mar.10,2000　研究　　开发

2800kVAGTO变流器技术

及　产　品　研　制

何多昌1,吴茂杉2

(1.株洲电力机车研究所,湖南株洲　412001;2.铁道部科学研究院机车车辆研究所,北京　100081)

作者简介:何多昌(1963-),男,1984年毕业于华中理工大学气体动力专业,高级工程师,从事交流传动电力机车变流器的研究工作。

摘　要:介绍了大功率GTO变流器的设计技术,包括主电路吸收电路技术、油GTO门控技术、冷却技术以及模块化结构技术,给出了研究结果以及这些技术在其他变流器上的应用。

关键词:变流器;GTO元件;油冷却

中图分类号:TM46;U2.3+7　　文献标识码:A　　文章编号:10002128X(2000)0220009204

2800kVAGTOconvertertechnologyandproductdevelopment12

HEDuo-chang,WUMao-shan

(1.ZhuzhouElectricLocomotiveResearchInstitute,Zhuzhou,Hunan　412001,China;2.Res.Inst.ofRailVehicles,ChinaAcademyofRailwaySciences,Beijing　100081,China)

吴茂杉(1937-),男,1961年毕业于上海交通大学电力机车专业,研究员,长期从事交流传动变流技术研究工作。

Abstract:DesigntechnologiesofhighpowerGTOconverteraredealtwithregardingsnubbercir2.resultsaregivenaswellastheapplicationsofthetechnologiestootherconverters

Keywords:converter;GTOcomponent;oilcooling

cuittechnologyformaincircuit,GTOgatecontroltechnology,oil2coolingtechnologyandmodularstructuretechnology.Research

　　我国小功率GTO变流器已得到广泛应用。在大

功率牵引交直交变流器方面,AC4000原型车采用的是不对称晶闸管技术。“八五”期间,为了取代晶闸管技术,铁道部科学研究院机车车辆研究所进行了“GTO元件基础应用研究”科技攻关,完成了原理性试验研究,并试制出了样机,功率做到了1000kW,但离我国干线电力机车牵引要求还存在差距。

为了满足机车牵引需要,使我国交流传动机车技术上一个新台阶,株洲电力机车研究所和铁道部科学研究院机车车辆研究所联合组织了课题攻关组,开展了2800kVAGTO变流器技术研究,这些技术主要包括变流器主电路技术、GTO吸收电路技术、GTO元件触发技术、变流器冷却技术、变流器结构模块化技术、加工工艺技术等。经过不懈努力,研制成功了适合机车使用的、模块化设计的2800kVA变流器。

动系统设计的,其模块化部件设计也考虑了在其他领

域的应用。变流器的主电路如图1所示。

机车主变压器有4个牵引绕组W2,每个绕组给1组四象限脉冲整流器4QS(由U1～U4组成)供电。对主变压器二次侧来说4QS有4组,每个变流器并联2组4QS给中间直流环节供电,然后通过逆变器(由U5、U6、U7组成)向1个转向架的2台并联牵引电机供电。中间直流环节设有二次谐波滤波器(L2,C2)和过电压斩波器(U8)。过电压斩波器主要用于防止直流环节上的瞬时过电压。每台机组包括了4QS相构件4个、逆变器相构件3个和过电压斩波器相构件1个。其中过电压斩波器相构件除了少1个GTO元件外,与其他相构件完全相同。变流器的性能参数如下:

输入额定电压　　　单相交流,1200V,50Hz

中间直流电压输出电压输出电流输出频率

2500V±100V

1　主电路及其性能参数

2800kVA变流器主要是针对电力机车交直交传

收稿日期:1999210218

三相0～1950V

额定870A,最大1100A

0～210Hz

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　　　　　　　　　　　　　机　　车　　电　　传　　动

2000年

图1　变流器主电路

2　模块化设计的相构件

这里的相构件是指一个半桥电路,由上、下臂两个开关元件及其吸收电路、反并联二极管组成。它是构成四象限脉冲整流器和电机侧逆变器的基本单元,其设计主要基于如下几点考虑:

(1)GTO元件过电压吸收效果好,能保证GTO元件安全开关;

(2)冷却特性良好,可保证电子器件安全工作;(3)具有良好的绝缘性能以及抗环境污染能力;(4)具有适合机器间安装或地板下安装的便于装拆维修的模块化结构设计。

2.1　相构件主电路及GTO元件的过电压吸收电路(∃型吸收电路)

　　GTO元件的过电压吸收电路目前较普遍采用的是不对称吸收电路、∃型吸收电路以及麦氏吸收电路。这次研究中,我们着重对∃型吸收电路进行了研究,并采用了这一技术。其主要器件及参数:

3000GXH29,3000A󰃗4500VGTO晶闸管

续流二极管4500VZK1000A󰃗吸收二极管100GXH22,100A󰃗4500V电路如图2所示。由图可见,该电路实际上是在传统的R2C2D吸收电路的基础上增加了钳位电容Csp。由吸收电容器Cs1、Cs2、Csp构成∃形,电路由此而得名,其中Cs1=Cs2。不论正组或负组换流时,2个吸收电容器均参与工作,例如VT1关断时,它的等效吸收电容Cs为Cs2与Csp串联后再与Cs1并联,即

(Cs2+Csp)Cs=Cs1+(Cs2×Csp)󰃗

图2　采用∃型吸收电路相构件原理图

经试验,GTO关断时其过电压如图3所示。在下降时间内GTO上出现尖峰电压VDSP,它由三部分组成:

VDSP=(1󰃗Cs)isdt+Lsdis󰃗dt+V

∫

FR

式中:Cs——吸收电容;

Ls——吸收电路杂散电感;is——吸收电路中的电流;V

FR

——吸收二极管Ds的“正向峰值恢复电压”。

可见,只要Csp足够大,吸收电容Cs1、Cs2就可以是

传统R2C2D的电容量的一半。电路中LA2DA2RA为开通吸收电路。

—10—

图3　GTO关断过电压

降低VDSP有利于GTO安全工作。为此对吸收电路有如下的要求:

第2期　　　　　　　　　　　　何多昌,吴茂杉:2800kVAGTO变流器技术及产品研制　　　　　　　　　　　　　　　

(1)Cs的内部电感尽可能低,几乎“无感”。我们开

发了几种吸收电容器。它的内部电感无法直接测量,用试验方法间接测算。所用的2ΛF电容Cs内部电感小于20nH。

(2)吸收电路总电感小于200nH,主要是连线的杂散电感。电路电感值只能用振荡方法测量,根据振荡周期与所用的电容量,可以计算出电感值。我们使用的东芝公司GTO元件,其型号为SG3000GXH29。据技术手册上提供的数据,他们在试验台上测试关断3000

该元件最大允许的VDSP=1050V。A时VDSP=850V。

而我们的相构件试验结果,关断2300A时(机组实际工作最大关断电流为2100A)平均VDSP=760V,能满足机组工作要求。

(3)对吸收二极管要求“快开通”。我们使用东芝公司100GXH22快恢复二极管。它的开通特性用“正向恢复峰值电压”VFR来描述。VFR是加到二极管电流的di󰃗dt的函数。据东芝资料,该元件的开通特性是一根进口油温

油流量流动阻力

-25℃～+65℃

5m3󰃗h0.12MPa

相构件额定损耗17kW

相构件冷却的各部件中,冷却要求最高的是GTO元件,其使用最高结温不得大于125℃。其发热量主要包括通态损耗和开关损耗,其值如图4所示。

比率为0.33的不过原点的直线,可以用VFR=10+0.33(di󰃗dt)V来近似表示。为降低VDSP,希望所用二极管VFR尽量低;但是从元件制造的角度考虑,VFR与快恢复的要求是矛盾的,即VFR越低,恢复时间越长,反之亦然。因此在使用时取两者的折衷值。

VDM是储存在主电路杂散电感中的能量转移到吸收电容上形成的过电压。为了降低VDM,我们采取了许多措施:相构件模块化、连接线用专用大电流接插件、直流中间环节的母线用夹层板等。这些措施十分有效,相构件试验在关断2300A时,平均过电压为620V。在实际应用中,中间直流环节电压为2500V。以此归算,GTO上的电压仅为3120V。可见有足够的电压裕度。

在GTO电压过充结束后,吸收二极管恢复,GTO上的电压瞬时跌落(V3)。这对GTO的安全工作不利,造成二次du󰃗dt,过大的二次du󰃗dt甚至会使已关断的

电压下降值与吸收二极管的恢复特性GTO再次导通。

有关,恢复越慢,恢复特性越硬,则下降越多。因此要求Ds具有快而软的恢复特性。我们所使用的Ds的恢复特性是,当di󰃗dt=100A󰃗Λs时,反向恢复时间分别为5.5Λs(Tj=25℃)和7.0Λs(Tj=125℃)。

理论分析与试验表明,Rs的内部电感对V3没有影响,而且在GTO导通时有助于对电容Cs放电电路的。

与传统R2C2D吸收电路相比,∃型吸收电路的另一优点是V3下降很少。2.2　相构件的冷却

相构件采用油浸式冷却,其冷却参数为:冷却介质25#变压器油

图4　GTO元件损耗与基波频率的关系

为此专门开发了一螺旋型油浸式散热器。其特点

是用油直接冲刷元件台面,减少了接触热阻,具有很好的冷却效果。

经试验和计算,GTO元件工作结温在各种工况下均低于110℃,低于125℃的允许结温。

相构件中的其他元件冷却仍很重要,如电阻Rs、电抗器LA。由于它们的体积均设计得很小,热量密RA、

度很大,同时器件表面温度不能过高(否则会导致变压器油的老化),这里采用了特殊设计的导向油冷却。2.3　相构件的结构设计

相构件的结构设计主要考虑如下几个因素:(1)吸收电路“和“和VT1、Ds1、Cs1”VT2、Cs2、Ds2”“连线电感最小;LA、DA、RA”

(2)导向油循环满足各器件的冷却要求;(3)结构紧凑,机械强度大,安装方便;(4)绝缘性能好。为此,把所有电器部件均安装在一个大的塑料面板上,并分成上下两层。下面一层安装了GTO,反并联二极管及其散热器,Ds1、Ds2、Cs1、Cs2、Csp;上面一层安装了LA、DA、RA、Rs1、Rs2。

外面则是具有内表面绝缘层的铝箱。油通过在铝箱中的快速油插头进出,主电路联接通过面板上的大电流电连接器引出。门极线也在面板中引出。

相构件的外形尺寸为486mm×410mm×500mm,质量约为125kg(包括油),不包括油质量为

—11—

　　　　　　　　　　　　　机　　车　　电　　传　　动

100kg。

2000年

这样的相构件开关性能也完全满足要求。2.4　过电压斩波器

极电源监视及保护。其中最小开通时间与GTO关断时的吸收电路的时间常数有关;最小关断时间与开通吸收电路的时间常数有关。

过电压斩波器是用于直流电压过压保护,除少一个GTO元件外,其电路和结构与标准相构件完全一致。

3　门控系统

门控系统如图5所示。它包括门控电源(A、B、C)、门极驱动器(D)、控制逻辑(E)、信号传输(F)。

门极驱动:电流、电压波形如图6所示。控制逻辑:包括最小开通时间、最小关断时间、门

图5　门极控制系统图

图6　GTO门极电流和电压波形

　　信号传输:门控单元与GTO处于同样高电位,因此它与控制系统的信号传输与反馈均采用光纤。这样既解决了电位隔离,又提高了抗干扰能力。

门控电源:门控电源同样也有电位隔离问题。我们采用二级电源。第一级是20kHz的总电源,一般的绝缘水平。第二级是60kHz的驱动器电源,用作每个驱动器的隔离电源。由于机车内空间有限,为减小体积,用高频开关电源。对于高频变压器来说,既要高绝缘,又要耦合好,技术难度是很大的。

对于整个门控系统来说,提高它的抗干扰能力是保证GTO变流器安全、可靠工作的重要措施。特别是对选择高电压、大电流的电磁环境中工作的系统。我们在屏蔽接地、隔离等方面采取了许多有效措施。

(4)具有足够的机械强度和电气绝缘强度;

(5)外形安装尺寸达到装车要求。

图7为2800kVA变流器的外形安装示意图。其中支撑电容器采用进口电容,其体积和质量较国内的小得多。变流器的基本布置是:前面(即走廊侧)为相构件、油软管、快速接头以及门控通GTO门控单元及其电源、

4　2800kVA变流器的结构设计

结构设计主要考虑了如下几个因素:

(1)支撑电容器至相构件连线最

短(小于500mm);

(2)便于维修、安装;

(3)便于、电缆、光纤通信以

及控制电源等布置;

—12—

图7　2800kVA变流器外形图

(下转第15页)

第2期　　　　　　　　　　　　　郭育华,连级三,张昆仑:自动过分相对电力机车的影响　　　　　　　　　　　　　　　

电机回路方程为:ud=n・Ce・5(id)+Ld・di󰃗dt+id・

6

R,其中ud为整流器输出电压,n为电机转速,

系统影响不大,对变压器和辅助电机系统影响较大。机

车自动过电分相合闸时主变压器电流浪涌、辅助电机系统过电流、主变压器的一次侧过电压都与残压有关。有效减小这些有害影响的根本手段是减少或消除残压。用静止逆变器取代旋转劈相机是最佳可选方案,也是发展的方向。但从我国电力机车现状看来,要在短期内用静止逆变器取代旋转劈相机是不现实的。理由有二:其一,旋转劈相机供电技术在我国使用多年,技术成熟,数量很大;其二,采用静止逆变器供电,技术上无问题,但可靠性尚有待改进。因此,西南交通大学连级三教授提出了用晶闸管阀取代真空断路器作为自动过电分相主开关的试验方案,它的前提是:断电时,电流过零无弧断开,可绝对消除断电时的过电压;合闸时,选择适当的时刻触发晶闸管接通,在一定程度上减小前面所述的过电流和过电压。笔者在试验室通过模拟试验也证明了这一点。目前,我们正准备与西安铁路科研所和株洲电力机车研究所合作,将这一方案用于现场试验。参考文献:

[1]高景德,等.交流电机及其系统分析[M].北京:清华大学出版社,

1993.

[2]郭育华,等.自动过电分相过电压仿真分析[J].铁道学报,1999,

(增刊).

Ce为电机常数,5(id)为电机磁通,Ld为平波电抗电感,

6

R为回路总电阻。由此可以看出,合闸时ud增加,大

部分由n・Ce・5(id)和Ld・di󰃗dt承担,只有一少部分由id・6R承担,也就是说电流上升少。具体说,合闸时,假设机车速度下降了10%,且5(id)与id成线性关系,则id上升的最大幅度比1ZK断开时增加不到10%。这说明从电流看来整流器和牵引电机系统所受影响不大,现场试验也证明,过分相时牵引力的冲击不大。如果是相控机车或交直交机车,可通过电网电压检测机车重新得电时软启动牵引系统,消除电流冲击。

5　合闸时的过电压

2ZK合闸时,残压与合闸电网电压有一瞬态差。

合闸后的电压响应是稳态和暂态响应的叠加,当稳态响应与暂态响应正向叠加时就表现出过电压。对过电压的详细分析见文献[2]。过电压曾多次使放电间隙击穿而不能恢复,导致变电所跳闸。过电压的危害还在于:如果过电压感应到变压器的二次侧,可能会击穿整流元件,破坏电机绝缘。

6　总结

由上述分析,自动过电分相对整流器和牵引电机

(上接第12页)

信等;后面(即车侧墙侧)为支撑电容器、电流传感器;左边为冷却用油进出口;右边为主电路电缆外出,可与高压柜相连。GTO相构件与柜体的机械固定以及油接头、门控线在前面,可以拆卸;与主电路的连接在柜中间,通过连接器插拔,可以在不吊出整个变流器的情况下更换相构件。整个机组质量为2720kg,外形尺寸为1080mm(深)×1820mm(高)×1700mm(宽)。

变流领域,如内燃机车、城轨车及电动车组。模块化的设计可方便地安装在地板下,并可构成内燃机车、城轨车所需电压型逆变器主电路。不同中间直流电压下的逆变器输出功率见附表。

6　结论

该变流器目前已通过了调试,中间电压已工作到2800V,GTO开关频率、变流器输出电流均已试验到额定值,变流器工作正常,目前正进行整个牵引系统的特性试验。从调试情况看,变流器各种性能指标优越,能满足机车使用要求。其模块化设计的各部件可组成各种变流系统,除可应用于上述机车变流器外,还可用于各种地面变流系统中。其中模块化设计的技术,同样可以在内燃机车、动车组、地下铁道车辆中得到应用。参考文献:

1　吴茂杉.GTO牵引变流器等效吸收电路分析[J].机车电传动,1995,

(6).

5　模块化设计在其他领域的应用

这次设计的模块如相构件、门控单元及其电源、光

纤技术、路附件、大电流接插件可应用到其他牵引

附表　不同中间直流电压下的逆变器输出功率

中间电压

Ud󰃗V

250018001500

输出线

电压󰃗V

195014041170

额定输出

电流󰃗A

870870870

最大输出

电流󰃗A

110011001100

额定输出

功率󰃗kVA

280021101700

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