CN110239359A - 双流制电力机车在供电制式切换时牵引变压器直流偏磁的消除电路及方法 - Google Patents

双流制电力机车在供电制式切换时牵引变压器直流偏磁的消除电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双流制电力机车在供电制式切换时牵引变压器中直流偏磁的消除电路及方法，包括牵引变压器、四象限变流器、牵引逆变器和单调谐感应滤波装置；单调谐感应滤波装置包括电感L、功率管VT、二极管VD、电容C、PI控制器和开关S5，二极管VD的负极和电容C串联后与功率管VT并联，功率管VT的源极接电感L的一端和二极管VD的正极，电感L的另一端接第二绕组，开关S5与二极管VD并联，PI控制器接功率管VT的栅极。本发明通过对单调谐感应滤波装置的结构进行变换，相比于借助交流电按一定周期正反向不断交替并逐渐衰减到零的去磁方法来说，只要***的参数匹配恰当，就可以实现消除牵引变压器铁芯剩磁的目的。

Description

双流制电力机车在供电制式切换时牵引变压器直流偏磁的消 除电路及方法
技术领域
本发明涉及交直交供电***中双流制电力机车的牵引变压器，具体是电力机车从直流供电制式向交流供电制式切换时牵引变压器中直流偏磁的消除技术。
背景技术
随着我国高速铁路交通建设的快速发展，电力牵引凭借其高效、便捷、清洁的特点正在广泛的应用于高速铁路和城际铁路等交通领域。目前，我国轨道交通的供电制式基本分为两种：一种是用于高速铁路和城际铁路的25kV、50Hz的交流供电制式，另一种是用于城市轨道交通地铁和轻轨的1.5kV(750V)的直流供电制式。为了解决轨道交通的互通互联问题，减少大量的重复建设工程，降低电力机车牵引和城市轨道牵引综合变电站的投资费用，多流制牵引供电***应运而生。但是在直流供电制式下，多绕组牵引变压器的牵引绕组充当平波电抗器的作用，此时流经高达数百安培的直流电流会使变压器产生直流偏磁现象。若不进行处理，当电力机车从直流供电制式向交流供电制式切换时，牵引变压器会由于剩磁的存在而产生很大的励磁涌流，严重威胁电力机车的运行安全。
变压器的直流偏磁现象指的是：直流电流流入到电力变压器的绕组中，使变压器的铁芯偏磁，改变了变压器的工作点。直流偏磁对电力变压器带来的危害有：(1)噪声变大，变电站的噪声主要是由变压器带来的，直流偏磁时变压器的噪声会增大到原来的几倍甚至几十倍。(2)振动加剧，变压器本体的振动主要是硅钢片磁致伸缩引起的铁芯振动，磁通偏移使励磁电流出现畸变，导致磁致伸缩加剧，变压器振动加剧的问题比噪声变大更为严重，强烈的振动会使变压器相关零部件脱落，对变压器的安全运行造成严重的威胁。(3)损耗增加，变压器的损耗有磁芯损耗和绕组损耗，在直流电流的作用下，励磁电流会增加，使变压器的绕组损耗增加，同时变压器的漏磁也会增加，时磁芯损耗增加。(4)电压波形畸变，当铁芯工作在深度饱和区时，励磁电流发生畸变，漏磁通增加，主磁通呈现尖顶波形，使电压波形畸变，会导致继电保护装置误动作，导致电容器组和静止无功补偿装置(SVC)过载，导致发电机局部过热和机械振动，导致高压直流输电换流站末端交流滤波器过载。当***中多台变压器同时遭受直流偏磁时，会造成***总的无功需求大幅增加，***电压可能会出现严重波动，对***的稳定运行造成威胁。
双流制电力机车的牵引供电***包括直流制式和交流制式，如图1所示，当电力机车运行在交流工况时，电力机车通过交流受电弓从交流接触网获取交流电压，经过车载变压器将高压交流电降压成符合要求的电压等级输入到单相四象限变流器中，输出直流电压，然后通过牵引逆变器将直流电压逆变成三相交流电供给牵引电机；当电力机车运行在直流工况时，电力机车通过直流受电弓从直流接触网获取直流电压，经过变压器的二次绕组直接给逆变单元提供直流电压，即变压器的二次绕组在直流工况下充当平波电抗器使用，实现了变压器的多功能复用，提高了电力机车设备的利用率。中性段是电力机车在双流制式下切换的过渡阶段，为电力机车在直流工况切换到交流工况时消除变压器中的剩磁留下时间裕度。
由于电力机车牵引变压器中的直流偏磁现象不是由流入变压器中性点的直流电流引起的，所以常用的直流偏磁治理方法：中性点串接电阻、中性点串接电容、中性点串接阻容等在多流制式电力机车中无法使用，当前用在多流制电力机车的去磁方法主要有直流去磁法和交流去磁法两种，但是均需要产生幅值逐渐衰减的电流或者电压的装备，不利于节约电力机车车载牵引供电***的资源配置。如何充分利用牵引传动***中原有的设备和元件实现去磁效果具有重要的工程和理论价值。
发明内容
为了解决现有技术中去磁装置结构复杂、操作不便的问题，本发明提出了一种双流制电力机车在供电制式切换时牵引变压器直流偏磁的消除技术，在现有的双流制牵引供电***上，对单调谐感应滤波装置的结构进行变换最后可以得到一个二阶衰减振荡电路，实现去磁。
本发明的目的是采用以下技术方案来实现的：
双流制电力机车的牵引供电***主要包括牵引变压器、四象限变流器和牵引逆变器，如图1所示，牵引传动***是双流制电力机车的重要结构。为了提高电力机车空间的利用率，新型双流制电力机车牵引传动***将传统双流制电力机车的两套传动***集成在一套***当中，并且只需要一个控制器，主要不同之处是在直流工况下把闲置的车载牵引变压器的牵引绕组当作直流平波电抗器使用，但是这样造成的后果就会给牵引变压器造成严重的铁芯剩磁，本发明介绍的去磁技术如下：
如图2所示，当断路器S1、S4断开，S2、S3闭合时，电力机车运行在交流工况下，牵引变压器的二次绕组侧会串接一个或多个单调谐感应滤波装置，利用感应滤波的原理可以有效的将阀侧产生的特定次谐波电流引入到滤波装置中，防止谐波电流进入网侧对电网质量造成污染，提高网侧的电能质量。
单调谐滤波装置是由一个电感和电容元件构成的，如图2所示，开关S5闭合，开关管VT没有触发脉冲信号时，构成了一个单调谐感应滤波装置，通过对LC参数的设计可以滤除阀侧产生的特定次谐波电流。
断路器S1、S4闭合，S2、S3断开时，电力机车运行在直流工况下，直流受电弓将获得的直流电压通过牵引变压器的二次绕组直接给逆变器供电，其中牵引变压器的二次绕组充当直流侧的平波电抗器作用，但是会有很大的直流电流进入变压器的绕组，使铁芯产生严重的直流偏磁。
对单调谐滤波装置的结构进行变换，将其拓扑成一个升压斩波电路，如图2所示，开关S5断开，开关管VT获得触发脉冲信号，即构成了一个boost升压斩波电路。
利用变压器绕组间的耦合关系，直流电压经过牵引变压器二次绕组时，在逆变器开关的作用下会产生电压波动，会在牵引变压器的第二绕组3中产生感应电动势，感应电动势的大小取决于逆变器侧电压的纹波大小。
第二绕组3中的感应电动势在boost升压斩波电路的作用下可以将其两端的电势升到一定的值，实现电容的储能，boost电路采用的控制方法是电压单闭环控制。
当电力机车从直流供电制式切换到交流供电制式时，中间会有一段距离属于不带电区域，电力机车必须依靠惰行通过。
电力机车在惰行通过不带电区域需要一定的时间，这段时间为电力机车从直流制式切换到交流制式时对牵引变压器的剩磁进行消除提供了充足的时间裕度。
在惰行通过不带电区域时，牵引变压器的第一绕组2不能直接短路，否则由于绕组内阻很小会产生一个很大的冲击电流，通常需要串联一个小电阻R，构成RLC二阶振荡衰减电路，R的取值需要满足如图2所示，开关S6闭合，第二绕组3侧的电路还原成单调谐感应滤波装置，利用变压器绕组间的耦合作用构成一个二阶衰减振荡回路。
由于单调谐感应滤波装置中的电容C进行了储能，会释放能量，通过变压器间的电磁耦合作用会在第一绕组2中产生一个振荡衰减的交流电流。
产生的振荡衰减的交流电流会使牵引变压器铁芯内排布有序的小磁极分子重新回到杂乱无章的状态，从而实现牵引变压器铁芯剩磁消除的目的。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明通过对单调谐感应滤波装置的结构进行变换，相比于借助交流电按一定周期正反向不断交替并逐渐衰减到零的去磁方法来说，这里只需要设计好LC的参数，使其满足机车运行在交流供电制式时单调谐感应滤波装置可以消除变流器产生的特定次谐波，同时满足机车运行在直流供电制式时boost电路能够将电容C两端的电压升到给定值，就可以实现消除牵引变压器铁芯剩磁的目的。本发明的去磁电路充分复用了***中单调谐感应滤波装置中的设备，无需额外增加去磁装置，在电力机车极其有限的空间内减少了去磁设备所需占用的体积和重量，在一定程度上减轻了机车的重量和成本，提高了装置的利用率、经济性。
附图说明
图1为现有技术中双流制电力机车牵引传动供电***简图；
图2为本发明的双流制电力机车牵引变压器去磁***原理图，其中1、2、3分别表示牵引变压器的原边绕组、副边第一绕组和第二绕组。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
双流制电力机车从直流供电制式切换到交流供电制式时，牵引变压器的二次绕组充当直流侧平波电抗器会流入直流电流发生直流偏磁。本发明的目的是为了消除牵引变压器中的剩磁，提高电力机车的安全稳定性。下面结合附图对本发明的目的、技术方案及优点做出进一步详细说明：
如图1所示，分别是双流制电力机车运行在交流制式牵引网和直流制式牵引网时牵引传动***的简图，其中在中性段区域时电力机车不带电，机车需要依靠惰行通过。
只有当电力机车从直流供电制式切换到交流供电制式时，牵引变压器的绕组中才会出现铁芯剩磁，需要在电力机车惰行通过中性段的这个时间内对剩磁进行消除；当电力机车从交流供电制式切换到直流供电制式时，牵引变压器的绕组中不会出现铁芯剩磁，无需进行剩磁处理。
当电力机车运行在交流供电制式时，如图2所示，即断路器S1、S4断开，S2、S3闭合，此时和传统的交直交电力机车工作原理相同，通过交流受电弓从交流接触网获取交流电压，然后由牵引变压器将其降压成符合要求的电压等级输入到单相四象限变流器中，通过中间的直流稳压后再经过逆变器得到三相交流电供给牵引电机。
为了提高网侧电能质量，避免阀侧的谐波电流进入交流牵引网，牵引变压器的副边通常会串接一个或多个单调谐感应滤波装置，单调谐滤波装置由一个电感和电容元件构成的，如图2所示，开关S5闭合，开关管VT没有触发脉冲信号，即构成了一个单调谐感应滤波装置，能有效的消除阀侧产生的特定次谐波电流，防止其进入网侧。
对单调谐滤波装置的结构进行简单变换，可以将其拓扑成一个升压斩波电路，如图2所示，开关S5断开，开关管VT接通触发脉冲信号，即构成了一个boost升压斩波电路，利用boost电路的原理可以对电容C进行储能，最后得到的电容C两端电压为：
VC＝Vd/(1-D)
其中D是开关管VT接通脉冲触发信号的占空比，Vd是boost电路的输入电压。
当电力机车运行在直流供电制式时，如图2所示，即断路器S1、S4闭合，S2、S3断开，电力机车通过直流受电弓从直流接触网获取直流电压，经过变压器的二次绕组直接给逆变单元提供直流电压，其中变压器的二次绕组充当平波电抗器使用，实现了变压器的多功能复用。
利用变压器绕组间的电磁耦合作用，当直流电压经过牵引变压器二次绕组时，在逆变器开关变化的影响下电压会发生波动，然后会在牵引变压器的第二绕组3中产生感应电动势，感应电动势的大小主要取决于逆变器侧电压的纹波大小。
当电力机车从直流供电制式切换到交流供电制式时，中间会通过一段距离的不带电区域，电力机车需要依靠惰行通过，这段时间为电力机车从直流供电制式切换到交流供电制式时对牵引变压器的剩磁进行消除提供了充足的时间裕度。
以上介绍的是双流制电力机车的运行原理及***配置，下面对电力机车从直流制式切换到交流制式时牵引变压器的剩磁消除方法进行叙述：
当电力机车运行在直流供电制式，需要切换到交流供电制式时，电力机车上的感应器会在即将进入中性段的时候通过铁轨旁的感应磁铁装置接受到一个触发信号，控制继电器使直流断路器S1、S4断开，S5、S6闭合，直流受电弓降落，boost电路开关脉冲信号消失。
由于单调谐感应滤波装置中的电容C在电力机车运行在直流供电制式时已获得稳定电压，这样电力机车在惰行进入中性段的时候，如图2所示，牵引变压器的第一绕组2和第二绕组3由于电磁耦合的作用会形成一个振荡消磁电路，产生的振荡衰减的交流电流会使牵引变压器铁芯内排布有序的小磁极分子重新回到杂乱无章的状态，从而实现牵引变压器铁芯剩磁消除的目的。
在电力机车惰行通过中性段并即将进入交流供电制式运行时，电力机车上的感应器会在即将进入交流牵引网的时候通过铁轨旁的感应磁铁装置接受到一个触发信号，控制继电器使交流断路器S2、S3闭合，S6断开，交流受电弓升起，此时牵引变压器中不含剩磁，电力机车能够正常运行。
当电力机车运行在交流供电制式时，开关S5闭合，boost电路的开关没有脉冲信号，则构成一个单调谐感应滤波装置可以对阀侧产生的特定次谐波电流进行消除，防止阀侧谐波电流进入网侧，对供电***安全运行造成威胁。
当电力机车运行时需要从交流供电制式切换到直流供电制式时，电力机车上的感应器会在即将进入中性段的时候通过铁轨旁的感应磁铁装置接受到一个触发信号，控制继电器动作使交流断路器S2、S3断开，则交流受电弓降落，电力机车惰行通过中性段。由于此前电力机车运行在交流供电制式下，牵引变压器中不会产生铁芯剩磁，无需进行剩磁处理。
在电力机车惰行通过中性段并即将进入直流工况运行时，电力机车上的感应器会在即将进入直流牵引网的时候通过铁轨旁的感应磁铁装置接受到一个触发信号，控制继电器使直流断路器S1、S4闭合，开关S5断开，直流受电弓升起，boost电路的开关接通触发脉冲信号，对电容C进行储能，为下一次电力机车从直流供电制式切换到交流供电制式时消除牵引变压器中的铁芯剩磁做准备，以此循环往复。
以上就是双流制电力机车从直流供电制式切换到交流供电制式和从交流供电制式切换到直流供电制式的断路器动作过程，以及牵引变压器铁芯剩磁的消除方法。

Claims (3)

1.双流制电力机车在供电制式切换时牵引变压器中直流偏磁的消除电路，包括牵引变压器，牵引变压器的二次绕组侧的第一绕组接四象限变流器、牵引逆变器，第二绕组串接单调谐感应滤波装置；其特征在于，所述单调谐感应滤波装置包括电感L、功率管VT、二极管VD、电容C、PI控制器和开关S5，二极管VD的负极和电容C串联后与功率管VT并联，功率管VT的源极接电感L的一端和二极管VD的正极，电感L的另一端接第二绕组，开关S5与二极管VD并联，PI控制器接功率管VT的栅极。
2.根据权利要求1所述的双流制电力机车在供电制式切换时牵引变压器中直流偏磁的消除电路，其特征在于，还包括电阻R和开关S6，所述第一绕组、电阻R和开关S6构成串联电路。
3.基于权利要求2所述牵引变压器中直流偏磁的消除电路的牵引变压器中直流偏磁的消除方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：当电力机车运行在直流供电制式时开关S5断开，开关管VT接通触发脉冲信号，即构成了一个boost升压斩波电路，利用boost电路的原理对电容C进行储能；
步骤2：当电力机车从直流供电制式切换到交流供电制式时，开关S5和开关S6闭合，开关管VT断开触发脉冲信号，在电力机车惰行通过中性段的时间内，利用牵引变压器绕组间的电磁耦合作用和经过储能的电容C，形成一个二阶衰减振荡消磁回路，在变压器牵引绕组中产生衰减振荡电流，利用衰减振荡电流产生的磁势实现对变压器铁芯剩磁的消除。
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