HXD2輔助變流柜輸入熔斷器與過壓抑制電路的研究

傅雪軍, 邢　亮, 楊　帆

(中車大同電力機(jī)車有限公司　技術(shù)中心， 山西大同 037038)

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HXD2輔助變流柜輸入熔斷器與過壓抑制電路的研究

傅雪軍, 邢亮, 楊帆

(中車大同電力機(jī)車有限公司技術(shù)中心， 山西大同 037038)

以HXD2的Crowbar電路為基礎(chǔ)，研究了輔助變流柜輸入熔斷器的參數(shù)及選取原則，同時對過壓抑制電路參數(shù)進(jìn)行了分析，并對熔斷器和過壓抑制電路中器件參數(shù)的配合進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的保護(hù)閥值，對保護(hù)輔助供電系統(tǒng)過壓提供了一定的參考價值。

Crowbar電路; 輸入熔斷器; 輔助供電

HXD2牽引變流器中間回路直流電壓是通過四象限整流變化而得來，因此當(dāng)負(fù)載突變等情況發(fā)生時，四象限變流器控制的電壓調(diào)節(jié)器來不及進(jìn)行調(diào)整，常常會引起直流環(huán)節(jié)的過電壓。而輔助變流器是從牽引變流器中間回路(中間回路電壓DC 1 800 V)取入，經(jīng)輸入熔斷器送入斬波模塊，然后進(jìn)行三相逆變對機(jī)車的負(fù)載進(jìn)行供電。因此當(dāng)直流環(huán)節(jié)產(chǎn)生過電壓或者斬波模塊失控時，如果沒有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)機(jī)制，很容易造成輔助變流器中的器件的燒毀。

HXD2輔助變流器采用Crowbar電路和輸入熔斷器互相配合機(jī)制，達(dá)到限壓和限流的目的，從而對整個輔助變流器進(jìn)行保護(hù)。從HXD2機(jī)車輔助變流器電路保護(hù)的工作原理出發(fā)，對過壓抑制和熔斷器參數(shù)的計算及選型理解它們之間的聯(lián)系。

1　輔助變流器電路保護(hù)原理

從圖1中可以得知，輔助變流器取入牽引變流器中間回路直流電壓，經(jīng)輸入熔斷器和RC吸收電路送入斬波電路，然后經(jīng)過壓抑制保護(hù)電路，最后經(jīng)三相逆變和充電機(jī)給負(fù)載供電。其中過壓抑制電路是由晶閘管、電感和二極管等組成，根據(jù)直流環(huán)節(jié)電壓的波動情況來控制晶閘管元件的通斷，將過電壓的能量通過電抗器熱損耗方式釋放，從而將中間直流環(huán)節(jié)電壓抑制在規(guī)定范圍內(nèi)。

圖1　輔助變流器原理

2　輸入熔斷器參數(shù)計算

輔助變流器輸入為直流1 800 V,經(jīng)過斬波電路變化為中間電壓為DC 545V,在這種BUCK電路的輸入端，為了防止輔助電路發(fā)生短路或者不可控的情況下而導(dǎo)致輸入電流過大，因此需要引入熔斷器以保護(hù)后續(xù)電路器件的安全。

為了計算熔斷器的相關(guān)參數(shù)，需要搭建其Matlab仿真模型，為了簡化相應(yīng)模型，等效電阻R的計算如下：

輸出三相功率和功率因數(shù)：S=135 kVA,cosφ=0.94,三相逆變器效率η1=0.95

充電機(jī)輸出功率P=14 kW(充電機(jī)輸入電壓由中間電壓DC 545 V提供),充電機(jī)效率η2=0.95

因此斬波輸出功率

(1)

等效電阻為

(2)

Matlab仿真模型搭建如下(如圖2)：

圖3　BUCK輸入端電流波形

根據(jù)圖3，計算輸入熔斷器電流有效值：

(3)

其中式(3)中Imax=360 A,Imin=220 A，δ=0.363。

最后選取熔斷器參數(shù)如圖4。

根據(jù)圖4，最后選取熔斷為D302SD24C350QF，可以滿足其要求。

3　Crowbar電路參數(shù)設(shè)計

根據(jù)HXD2電力機(jī)車中輔助系統(tǒng)的實際工作狀況設(shè)計的Crowbar電路，為了保證過壓抑制模塊能夠及時、可靠地響應(yīng)過電壓而動作，以抑制過電壓、保護(hù)負(fù)載和器件，必須選取合適的電感等器件，和設(shè)計過壓閥值，保護(hù)主電路，以實現(xiàn)最佳性能。

3.1過壓閥值

如圖1，輔助輸入電壓是來自于主變流柜的四象限整流，其輸入電壓Ud為1 800 V(電壓范圍1 500 V～2 100 V)，因此當(dāng)輸入為Ud=2 100 V，當(dāng)考慮電壓波

圖4　熔斷器的相關(guān)參數(shù)和熔斷曲線

動波紋取5﹪時，因此取閥值為730 V。當(dāng)中間電壓到達(dá)730 V時，控制單元發(fā)出觸發(fā)脈沖，使開關(guān)管導(dǎo)通進(jìn)而抑制過電壓。同時，為了避免軟件反應(yīng)時間太慢而來不及開通觸發(fā)脈沖，而導(dǎo)致電壓繼續(xù)上升引起IGBT、電容等器件的損壞，需要設(shè)計第二級硬件閥值，由于此IGBT選取的耐壓等級為1 200 V，一般需要預(yù)留1.5倍余量，因此硬件閥值設(shè)為800 V。

綜合所述，過壓閥值設(shè)為兩級，第一級軟件閥值為730 V，第二級硬件閥值為800 V。

3.2晶閘管與電抗器

在主電路中，過壓抑制電路的一端與HT(高壓電路)相連，另一端與電感相連，在選擇晶閘管時，主要考慮的參數(shù)包括重復(fù)峰值電壓VDRM、斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓VDSM，通態(tài)電流臨界上升率di/dt等。最終通過選取晶閘管型號為N0910LS200，二極管型號為W1748LC160。

晶體閘管的技術(shù)參數(shù)如表1。

表1　晶閘管參數(shù)

3.2.1電抗器感抗值和等效電阻值

從上述分析，可以假設(shè)電抗器吸收的能量為500 kJ,為了限制電流上升率，必須選取合適的電感值，保護(hù)晶閘管，由于晶閘管的通態(tài)電流臨界上升率di/dt=300 A/μs,根據(jù)

(4)

當(dāng)U=1 800 V時，

(5)

同時考慮，考慮到電容器的容量：

(6)

其中t取0.01 s，綜述分析，電抗器感抗值L=500 μH,電抗器等效電阻值R=0.06 Ω。

3.2.2熔斷器與晶閘管I2t比較

斬波器失控時，輔助變流器的輸入電壓就會被持續(xù)加在中間回路的濾波器上，當(dāng)中間電壓大于800 V(硬件導(dǎo)通)時，ACU控制晶閘管導(dǎo)通，由于電抗器的限流作用，電流從0開始上升，上升曲線為：

(7)

根據(jù)式(7)隨著電流不斷加大，中間電壓得到抑制。

從圖5可以看出抑制電流到10 000 A時(10 000 A的確定是圖4的熔斷器熔斷曲線中得到的假設(shè)電流，當(dāng)電流達(dá)到10 000 A時，熔斷器的熔斷時間也持續(xù)一定的時間,取電抗器等效電阻)，時間t為0.011 39，所以:

(8)

用Matlab計算,計算結(jié)果為5.066 4×105

從計算結(jié)果I2t=506 640，小于晶閘管的I2t，因此選取的電抗器參數(shù)符合要求。

圖5　一階Matlab仿真圖

4　結(jié)　論

根據(jù)HXD2輔助變流器Crowbar電路的相關(guān)參數(shù)，詳細(xì)分析了其熔斷器和晶閘管參數(shù)的配合計算。研究表明，過壓抑制模塊電路保護(hù)不但響應(yīng)快，而且熔斷器和過壓抑制配合可以很好的保護(hù)輔助變流主電路，避免電路中的器件損壞，對輔助變流中間發(fā)生過壓現(xiàn)象起到了很好的保護(hù)。

[1]徐德鴻. 電力電子建模與控制[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2]林飛,杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的Matlab仿真[M].北京：中國電力出版社，2008.

Research of Auxiliary Converter Cabinet Input Fuse and Crowbar Circuit

FUXuejun,XINGLiang,YANGFan

(DaTong Electric Locomotive Co.,Ltd., Datong 037038 Shanxi, China)

In this paper, the Crowbar circuit HXD2 studied based on the auxiliary converter cabinet input fuse parameters and selection principle, while the overvoltage suppression circuit parameters were analyzed in detail, fuses and overvoltage suppression circuit device parameters with a detailed analysis, the corresponding protection threshold, the protection of the auxiliary power supply system overpressure provide some reference value.

crowbar circuit, input fuse, auxiliary power supply

1008-7842 (2016) 04-0112-03

??)男，高級工程師(

2015-12-18)

U264.5+6

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.29