變流器-四隻大象很悠閒

      按照主電路順序，到了變流器了。

    變流器是牽引傳動系統中的核心，是技術含量最高的一部分。CRH系列動車組採用的傳動方式都是交-直-交，這個交-直-交就是變流器來體現的。

      先看看變流器的工作流程，見下圖   

     上圖中，單相工頻交流電經變壓器降壓後，輸送至整流裝置1，將交流電轉換為脈動直流電；中間直流環節2的基本作用是平滑A處的紋波(脈動)，消除或減少諧波含量(5次諧波)，改善功率因數；逆變器3將直流電逆變為電壓和頻率可調的三相交流電；平波電抗器4降低電機、電纜中高頻成分，控制噪聲傳播，抑制電機5起動過程中的諧波分量，使頻繁斷開電機電路時不損壞變流器。

有的朋友可能有疑問了，既然電動機是交流的，變壓器的輸出也是交流的，那麼為什麼變壓器不能直接輸出到電動機，中間還要加個變流器呢？

因為涉及到牽引電動機調速的問題（交流電機的調速後面再說，現在只探討調速的方式--變頻）。

交流牽引電動機的調速需要通過變頻的方式來進行，但變壓器的輸出是不能變頻的，變壓器基於電磁感應原理製造，電磁感應的核心就是閉合迴路的磁通變化產生電壓，磁通在一個閉合的鐵芯內傳遞，變化率是一致的，即兩側頻率是一致的，所以變壓器不能變頻。要想通過變頻實現交流電機的調速，在變壓器和電動機之間，還需要一個變頻裝置，就是主變流器。

主變流器輸出頻率可以變化調節的三相交流電來控制牽引電機的轉速，是基於VVVF（變壓變頻：Variable Voltage VariableFrequency）技術實現的。在主變流器上，由逆變器環節來完成，逆變器通過SVPWM（空間矢量脈寬調製：Space Vector Pulse Width  Modulation）技術實現變頻，要想通過這種先進技術實現變頻，在逆變器輸入端，首先要有一個直流電。

交-直-交，一會直流，一會交流，快把人弄糊塗了，所以，我們先來說說直流和交流的一些基本知識。

   通常我們把大小（電壓高低）和方向（正負極）都不隨時間（相對範圍內）變化而變化的電流叫直流電（DC：DirectCurrent），而把大小和方向都發生周期性變化的電流叫交流電（AC：Alternating Current）。直流電和交流電的波幅隨時間變化的圖像叫波形（Waveform），直流電和交流電的波形見下圖。

     上圖a是正弦交流電的波形，注意，它的波形分布在x軸（x軸為時間軸，y軸為電壓軸）的上下兩側；圖b、c、d是直流電的波形，注意，它的波形分布在x軸的一側。判斷直流和交流最好的方式就是看它的波形是在x軸的一側還是兩側都有，在一側的就是直流，兩側都有是交流。電的傳輸有直流（如電池的輸出）和交流（如發電機或變壓器的輸出）兩種方式，在不同的用電器和用途等情況下，我們有時需要交流電，有時需要直流電，這就要根據不同需要，把交流電轉換為直流電，或者把直流電轉換為交流電，我們把交流變直流的情況叫整流，把直流變交流的情況叫逆變。

    圖a的交流電經過整流以後，變為圖c的波形，在x軸的一側，成為直流電，確切的說是帶有交流分量的直流電，如果再經過電容濾波就變為圖d的波形，和圖b有點相似，但還是帶有少量的交流分量，如果再經過穩壓管穩壓以後，就可以變為非常接近圖b的波形，基本可以成為「乾淨」的直流電。

    既然逆變器的輸入需要一個直流電，那麼，變壓器的輸出是交流，我們就需要先把它整流一下，變成直流電。

整流方式分很多種，按照控制方式分為相控式和斬控式；按照交流輸入相數分為單相和多相；按照組成電路的器件分為不控、半控和全控；按照電路結構分為橋式（又稱全波電路或雙拍電路）和零式（又稱半波電路或單拍電路）。對整流電路的要求是輸出電壓的可調範圍要大，脈動要小；交流電源功率因數要高，諧波電流要小；器件導電時間要儘可能長，承受正反向電壓要低；變壓器利用率要高，儘量防止直流磁化。

    在經典的內燃機車DF4型上採用的是二極體組成的不控橋式整流電路；在SS7E、SS9G、SS4等電力機車上採用的是二極體和晶閘管組成的半控橋式整流電路；而在CRH系列動車組上採用的是二極體和IGBT晶閘管組成的全控橋式整流電路。下圖是機車和動車組的整流電路。

     上圖東風4中，整流橋的器件由二極體組成，二極體屬於不可控器件（Power Diode，不能用信號來控制其通斷，無需驅動電路），整流輸出電壓（平均值）大小和極性不可變；上圖韶山4是三段不等分半控橋，整流橋的器件由二極體和晶閘管組成，晶閘管屬於可控器件（Thyristor，通過信號可控制其導通，但不能控制其關斷），整流輸出電壓（平均值）大小可調、極性不能改變；上圖動車組（和諧電力機車）中，整流橋的器件由整流二極體（Rectifier Diode）和IGBT組成（雙極絕緣柵晶閘管：Insulated-gate BipolarTransistor，通過信號既可控制其導通又能控制其關斷），整流輸出電壓（平均值）大小和極性都可變。

    下圖是幾種控制電力電子器件

    特別提示，只有全控橋才能實現再生制動。

    單相全控橋的整流原理見下圖

    上圖中，用四個晶閘管（VT1～VT4），兩隻晶閘管接成共陰極，兩隻晶閘管接成共陽極，VT1（VT2）和VT4（VT3）為一橋臂。

在u2正半波的（0～α）區間：晶閘管VT1、VT4承受正壓，但無觸發脈衝，四個晶閘管都不通。

在u2正半波的ωt=α時刻：觸發晶閘管VT1、VT4使其導通，電流沿a→VT1→R→VT4→b→Tr的二次繞組→a流通，負載上有電壓（ud=u2）和電流輸出，兩者波形相位相同且uT1.4=0，此時電源電壓反向施加到晶閘管VT2、VT3上，使其承受反壓而處於關斷狀態，則uT2.3=1/2u2，晶閘管VT1、VT4—直導通到ωt=π止，此時因電源電壓過零，晶閘管陽極電流下降為零而關斷。

在u2負半波的（π～π+α）區間：晶閘管VT2、VT3承受正壓，因無觸發脈衝，VT2、VT3處於關斷狀態。此時，uT2.3=uT1.4= 1/2u2。

在u2負半波的ωt=π+α時刻：觸發晶閘管VT2、VT3，元件導通，電流沿b→VT3→R→VT2→a→Tr的二次繞組→b流通，電源電壓沿正半周期的方向施加到負載電阻上，負載上有輸出電壓（ud=-u2）和電流，且波形相位相同。此時電源電壓反向加到晶閘管VT1、VT4上，使其承受反壓而處於關斷狀態。晶閘管VT2、VT3一直要導通到ωt=2π為止，此時電源電壓再次過零，晶閘管陽極電流也下降為零而關斷。晶閘管VT1、VT4和VT2、VT3在對應時刻不斷周期性交替導通、關斷。

    CRH系列動車組採用瞬態直接電流控制的脈衝整流器，在牽引時作為整流器，將單相交流電轉變為直流電；再生制動時作為逆變器，將直流電轉變為單相交流電。它可以很方便的運行在電壓電流平面的四個象限（The four quadrant），因此也稱為四象限整流器，見下圖

上圖中，電機的運行速度方向用x軸表示，代表電磁轉矩方向，電機的電磁轉矩方向用y軸表示，代表電機轉速的旋轉方向。兩軸構成一個平面坐標系xoy，在坐標系第一象限轉速與轉矩旋轉方向相同，此時是電動機狀態正轉；第二象限電動機正轉，但轉矩相反，電機處於發電機狀態，即再生制動；第三象限轉速與轉矩方向相同，此時是電動機狀態反轉；第四象限轉速與轉矩方向相反，電機處於發電機狀態，即再生制動。

    四象限整流器的構成見下圖

四象限整流器主要由以下幾部分組成：

1.預充電電路：由交流接觸器、功率電阻組成及相應的控制迴路。主要功能是系統上電時，完成對直流母線電容的預充電。避免上電時強大的衝擊電流燒壞功率模塊。

2.輸入電抗器：電動狀態下起儲能作用，形成正弦電流波形。回饋狀態下，起濾波作用，濾掉電流波形的高頻成分。

3.變流器模塊：整流側和逆變側IGBT變流器、 隔離驅動、電流檢測以及各種保護監測功能。

4.中間電容：儲能，濾波。

四象限整流器的作用如下：使能量可以雙向流動，既可以由網側向負載側提供能量，又能把能量由負載側向網側反饋，很容易實現異步電動機的再生制動；從網側吸收的電流為正弦波，減少了接觸網的等效幹擾電流，減輕對通訊的幹擾；使電網側功率因數接近1；可保證中間迴路直流電壓在允許偏差內。

好了，我們現在通過四象限整流器得到一個直流電了，是不是就可以輸送給逆變器去用來變頻了呢？還不行，因為這個直流電的「質量」不好。

我們去商店買商品都要看看質量，質量好的才是我們想要的。自然，逆變器的輸入，也希望直流電的「質量」好一點。但整流器輸出的直流電「質量」不好。

什麼是直流電的質量？直流和交流只是一個相對的說法，從物理意義上說不存在絕對的直流電。通常所謂的直流電，就是大小和方向變化很小的交流電，變化越小的直流電，質量就越高，但整流器輸出的直流電，含有較多的諧波，這就需要我們把這些諧波儘量的去掉（濾波），使直流電的波形更加平順。

先說什麼是諧波。

   諧波是相對於基波的一個概念，在圖3-26a中，如果這個波形和振蕩最長周期相等，也就是最低的那個頻率分量，那麼這個正弦波形就是基波（fundamental wave）。諧波 (harmonic wave)，從嚴格的意義來講，就是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍的電量；從廣義上講，由於交流電網有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波。

諧波產生的根本原因是由於非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關係，就形成非正弦電流，從而產生諧波。

    諧波來自於三個方面：一是發電源質量不高產生諧波；二是輸配電系統產生諧波；三是用電設備產生的諧波，其中用電設備產生的諧波最多。

1.電網與電源設備：發電機的三相繞組在製作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因，所以發電機會產生一些諧波，但一般來說很少。

2.輸配電系統：主要是變壓器產生諧波，由於變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設計變壓器時考慮經濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大。

3.在用電設備中，下面一些設備都能產生諧波：

（1）晶閘管整流設備：晶閘管整流裝置採用移相控制，從電網吸收的是缺角的正弦波，從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波，那麼在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為三相全控橋6脈衝整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流；統計表明：由整流裝置產生的諧波佔所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

（2）變頻裝置：變頻裝置採用了相位控制，諧波成份很複雜，除含有整數次諧波外，還含有分數次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調速的使用的增多，對電網造成的諧波也越來越多。變頻器的輸出電壓諧波含量豐富，輸入電流亦含有較大的諧波。

根據諧波頻率的不同，可以分為奇次諧波和偶次諧波。奇次諧波指額定頻率為基波頻率奇數倍的諧波，如3、5、7次諧波；偶次諧波指額定頻率為基波頻率偶數倍的諧波，如2、4、6、8次諧波。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。

在平衡的三相系統中，由於對稱關係，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。對於三相整流負載，出現的諧波電流是6n±1次諧波，例如5、7、11、13、17、19等。變頻器主要產生5、7次諧波。

    諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，並使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部並聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。對於電力系統外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重幹擾。

    除了濾波的因素之外，變流器還存在兩個問題。一是由於逆變器的負載為異步電動機，屬於感性負載，要消耗無功功率（reactive power），使電源不能充分利用，增加附加損耗，導致無論電動機處於電動或發電制動狀態，其功率因數都不會為1。二是牽引工況下當負載突然加大時，脈衝整流器不能瞬時提供較大的能量，將引起電機轉速下降，需要有一個補償能量的設備；而當牽引工況突變為再生制動時，脈衝整流器不能瞬時吸收大量能量，還需要有一個吸收能量，防止電壓上升的設備，所以，基於濾波、能量緩衝的原因，變流器的整流器和逆變器之間，還需要設置一個中間直流環節。

中間直流環節濾波的過程相當於一個脈動能量的分配過程，在中間直流環節加入濾波環節的目的就是將脈衝整流器輸出的功率脈衝限制在進入逆變器之前，使逆變器得到一個「質量」較好的直流電，避免電壓脈動對逆變器的危害。脈動的能量通過二次諧振濾波電路、支撐電容、車體進行濾波。對於HX系列電力機車或動力集中性動車組，如果進入逆變器脈動過大，輕則引起牽引電動機轉矩脈動，牽引電動機的轉矩脈動將引起動輪空轉打滑，損傷輪對踏面；重則使整個牽引系統發生能量振蕩損壞功率器件。對於動力分散型動車組，由於其粘著力的利用效率遠遠大於HX電力機車或動力集中動車組，因此可以允許其存在一定的電動機脈動並不會引起空轉打滑，在變流器能正常工作的情況下，減小中間濾波環節的能量分配，而將大部分能量波動通過車體來吸收，利用巨大的車體進行濾波。

在某些動車組的變流器中取消了二次濾波電路，這是因為二次濾波電路中的電感體積和重量龐大，不適合車體輕量化和動車組迅速啟動及制動的要求。實際上牽引變流器的脈動不可能完全消除，只能通過加大支撐電容的容量來消弱脈動，然而支撐電容的消弱能力是有限的，一部分能量只能依靠車體進行吸收，車體相當於一個巨大的飛輪儲能系統，在保證變流器正常工作的前提下可以吸收很大的能量。

電容或電感有一個共同的特點，能通過直流，不能通過交流，所以，在含有交流成分的直流電通過電容或電感時，電容或電感會把其中的交流成分「過濾」掉，輸出時是更加接近於平順的直流電，給逆變器提供「質量」較高的直流電。

現在，逆變器輸入端得到一個比較理想的直流電了，可以進行逆變了，不過逆變器和逆變器還不一樣，可以分為電壓型逆變器和電流型逆變器，電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流迴路的濾波是電容；電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流迴路濾波是電感。

通常，為同步電機供電的多採用電流型逆變器，為異步電機供電的多採用電壓型逆變器，CRH動車組牽引電動機全部是異步電機，所以，CRH動車組的逆變器都是電壓型逆變器。

    根據變流器輸出交流側相電壓的可能取值，逆變器又分為兩點式（二電平）和三點式（三電平）兩種。下圖為兩點式和三點式逆變器的電路結構。

兩點式逆變器每個時刻都有三個開關管導通，共有8種工作狀態，從而輸出三相對稱電壓波形；三點式逆變器是在大容量電力牽引交流傳動領域中新發展起來的一種逆變器，主電路採用兩IGBT串聯，中點帶嵌位二極體，可以使主管的耐壓值降低一半，一相橋臂的四個主管有三種不同的通斷組合，對應三種不同輸出電位，通過IGBT的動作順序，輸出頻率、幅值可調的三相交流電壓，輸送給牽引電動機。

   與兩點式逆變器相比，三點式逆變器具有以下優點：

    1.每一個功率器件所承受的關斷電壓僅為直流側電壓的一半，在相同情況下，直流側的電壓和容量就可以提高一倍。

    2.在同樣開關頻率及控制方式下，三點式脈衝整流器輸出電壓或電流的諧波小於兩電平脈衝整流器，總諧波失真THD遠小於兩電平脈衝整流器。

    3.即使在開關頻率很低時，三點式脈衝整流器輸入側的電流波形也能保證一定的正弦度。

    CRH系列動車組中，CRH2（380A）系列動車組採用了三點式逆變器，其餘系列的動車組採用了兩點式逆變器。

    上面的各種原理，是不是夠複雜的？這還不算複雜的，下一篇，說說牽引電動機。