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牵引变流器简介

2019-07-20 10:53编辑:admin人气:


1 引言

  多年来我对机车上的牵引变频器称为变流器总有些茫然,我们通常称交流变直流或直流变交流的设备为变流器。机车变流器分明是将50hz交流,变为0~50hz变化频率的交流,应属变频器,为何称变流器?冥冥之中似有些怨忿,又有所期待。

  图1所示的和谐5型动车组牵引变流器结构组成图,其机车的外形图如图2所示。

  我国高铁呈现井喷式发展。刚刚通过486.1km/h运营线路速的世界纪录,今年又将打破法国阿尔斯通570km/h的试验线路速度世界纪录,共有600多份国际合作合同正在洽谈中。我们心旷神怡!我们意气风发!

  没有隐忧了么?远远不是。国际上称我们的高铁是山寨版;牵引变流器仍然由西门子、阿尔斯通、庞巴迪、川琦垄断;一列动车组两亿人民币,变流器就超过了一个亿;机车过分相困扰依旧;电气化铁路仍是公共电网的头号坏孩子。怎样去掉隐忧?怎样笑得更舒心?

2 需要解决高铁面临的问题

  小打小闹已无法适应高铁no.1的情怀,彻底解决高铁面临的问题要铺开多长的战线呢?又有多少问题需要我们解决呢?

  (1)具有完全自主知识产权,要不同于现有的技术路线;

  (2)解决机车过分相难题,实现贯通供电;

  (3)不干扰公共电网,无功、负序、谐波、负荷率全面满足电网期望;

  (4)系统成本和变流器成本要低于现有技术相关成本。

  现有高铁供电方式是:每30km左右设一牵引变电所,三相进线,单相出线。每个变电所换一次相,即30km有一个换相点。换相点用一段绝缘体连接2个相电压,机车通过时称为过分相。此时机车要进行复杂的换相作业,机车失去供电,还要用回馈制动提供辅助设备供电。到达另一相时车速降低很多,并且要忍受一次过流冲击,操作不当时产生拉弧烧蚀现象。由于动车速度极快,几分钟就过一次分相,动车司机面临很大精神压力。由于无法贯通供电,每个变电所独自负担区间内的全部机车负荷,高峰时达四列机车,许多时间又空无一车。按照规范规定须按高峰配置容量,平均负荷率不足10%,负荷率太低是造成牵引供电系统高成本、高损耗、高排放物质的主要原因。电网侧的困难是:因单相取电,造成负序电流极大,严重影响电网质量。以及功率因数低、谐波高,高铁成为电网中最为严重的有害负荷。

  国家电网公司组织全国社会各界科技精英,进行大规模的实验研究,证明现有交流体制下解决高铁对电网的严重影响是非常困难的。国网公司总工和各部门负责人,数位院士参加会议(如图3所示)。

3 工艺说明

  以和谐5原型为基础,说明高铁动车现状。

  和谐5共有两组相同的、可相互支援的牵引动力系统。图4所示为第二牵引动力系统电路示意图。

  由图4可见受电弓pnt2接牵引变压器(红色),后经接地轮接钢轨。变压器副边经高压开关(黄色)带2~3台变流器(绿色)、图5是由图4重绘,略去制动电阻而得到的变流器框图。

4 直流/多交流变换器

  我们多年的高压直流变换研究,应用于机车牵引成为现实。新结构采用做减法的方案,减去牵引变压器、四象限整流模块、支撑电容器模块和附加电容器模块;将图6中的各辅助变流器的斩波器(红色)、脉冲变压器(淡红色)、高频整流器(红黑色)移出,放至原牵引变压器位置。

  如图7所示,各斩波器输入串联,斩波器输出接脉冲变压器多原边系统。多原边各匝数相等,因为同一磁路形成串联稳压电路。将牵引逆变器连接到稳定节点上,稳定了各牵引逆变器的输入电压。脉冲变压器副边整流为各辅助逆变器供电。牵引电机定子对地电压高于15kv。

5 技术特点

  直流/多交流变换器(用于电力机车及轧钢机)由直流串联稳压电路、数个逆变器组成。直流串联稳压电路提供均压电位,并提供辅助设备电源,每段电位安置一台逆变器,拖动一台电机。另外可通过调节某台逆变器频率或输出电压改变电流帮助保持均压;亦可调节某台逆变器桥臂短暂贯通强制保持均压。虽然无四象限整流器却能更好地实现回馈制动,在直流贯通的条件下真正实现将能量利用。

6 技术及经济效益分析

  (1)平台变化很小,便于改造已有车辆。电机和牵引逆变模块对地耐压升高增加少许成本,低于变流器成本1%;

  (2)因减少牵引变压器、四象限整流模块、支撑电容和滤波电容预计降低变流器成本50%。(逆变模块与四象限整流模块高度相似;全车降低了60%的散热功率);

  (3)取消过分相;

  (4)克服负序、无功、谐波、供电设备利用率低等牵引变电所痼疾,节省大量设备投资;

  (5)直流贯通供电提高机车运行效率,回馈制动变得有意义;

  (6)可不必规划电力专线,电网用户通过整流器与直流牵引网相连,将他们的负序、无功、谐波等负面电量注入高铁,后者可得到廉价电能;

  (7)以直流牵引网为媒介将各电网联接起来,形成国家统一电网,启动电力期货交易;

  (8)直接吸收风电、太阳能入网,降低其成本,解放我国新能源发展瓶颈,为国家做出更大贡献。

7 结束语

  感悟!为何机车变频器称变流器?直流变交流是它满意的方式!用直流/多交流变换器组成牵引变流器,无牵引变压器、无四象限整流器、直流贯通供电无过分相困扰、吸收交流电网中的负面电量,并以直流牵引网为媒介组成全国统一电网才是我们要实现的目标。此时它远远望着名不正的前辈们,可谓一览众山小。

(来源:未知)

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