25T手册(5)

2.2中间支撑电路。主要由滤波电容C1、C2组成。其主要功能是滤平输入电路的电压纹波，当负载变化时，使直流电压平稳。由于逆变器功率较大，因此滤波电容的容量较大，一般使用电解电容。但由于电解电容的电压等级限制（一般最高工作电压为450V），需要两个电容串联后再并联。由于电容自身参数的离散，使得串联的两个电容电压无法完全一致，因此采用电容两端并联均压电阻的方法，如图中的R1和R2。R1和R2的另一个作用是在逆变器停止工作时，将电容上的电压放掉。

2.3缓冲电路 由R0和KM2组成。电容的特性是电压不能突变，因此在合闸瞬间，电容的电压很低，基本可以认为瞬间短路，因此对电源造成很大的冲击电流，这个电流足以使保护熔断器熔断，因此逆变器电流一般都有输入缓冲电路。 其工作原理为：在输入端施加电压时，先通过缓 冲电阻R0对电容充电，当电容电压充到一定值 时（比如540V），KM2吸合，将R0短路。只有 在电阻R0短路后，三相逆变电路才能启动工作。 2.4桥式三相逆变电路

由V1~V6 组成的桥式三相逆变主电路是逆变器的核心电路，目前大部分逆变器采用IGBT和IPM作为开关器件。IGBT是MOSFET和GTR复合的产物，具有GTR的导通特性和MOSFET的驱动特性，驱动简单、功率小，开关频率高，通态压降低、损耗功率小。IPM是一种智能型模块，是把IGBT的驱动电路、保护电路及部分接口电路和功率电路集成于一体的功率器件。35KW等级的DC600V逆变器一般采用1200V/300A的模块，IGBT和IPM分为单单元和双单元，所谓双单元是指一个模块上包含上下桥臂的两个IGBT（或IPM），6只单单元器件或3只双单元模块可构成三相逆变器的主电路。 IGBT或IPM内部都集成了续流二极管。 IPM元件构成的主电路结构和控制相对简单， 但因为驱动和保护模式固定，降低了控制电 路设计的灵活性。

2.5 交流滤波电路。 由L1~L3和C1~C3组成，主要是将逆变器输出的PWM波变成准正弦波。早期的逆变器输出波形PWM波，谐波含量高，很多负载无法适应。根据铁道部新的技术条件要求，25T客车使用的逆变器输出为正弦波。由于驱动和保护技术的不断完善，使逆变器的调制频率提高，最高可达到6K~8K，因而滤波电感和电容的体积并不太大。 2.6逆变器工作原理

21 上图为三相逆变器的主电路图，输入端 为A、B，输出为U、V、W，右上角为

V1~V6的导通顺序，阴影部分为各个IGBT的导通时间，每一格的时间为л/3，则根据各IGBT的导通顺序，可以绘出U、V、W的线电压波形。

1）T1、T2时间内，V1、V4同时导通，U为+，V为-，uUV为+且Um=Ud。 2）T4、T5时间内，V2、V3同时导通，U为-，V为+，uUV为-且Um=-Ud。 3）T3、T4时间内，V3、V6同时导通，V为+，W为-，uVW为+且Um=Ud。 4）T6、T1时间内，V4、V5同时导通，V为-，W为+，uVW为-且Um=-Ud。 5）T5、T6时间内，V5、V2同时导通，W为+，U为-，uWU为+且Um=Ud。 6）T2、T3时间内，V1、V6同时导通，W为-，U为+，uWU为-且Um=-Ud。

三相线电压的波形如图右下角。由图可以看出，三者之间的相位差为2л/3，幅值与直流电压Ud相等。由此可见，只要按照一定的顺序控制6个逆变管的导通与截止，就可以把直流电逆变成三相交流电。

实际上由于IGBT的开通与关断特性的影响，同一桥臂中的两个IGBT在关断与开通之间有一定的时间延迟，即死区保护，主要是防止同一桥臂的上下IGBT同时导通，造成所谓的桥臂贯穿短路。

按照上述原理，我们把方波电压按照正弦 波的规律调制成一系列脉冲，即使脉冲系列的 占空比按正弦规律排列，当正弦值为最大时，脉

冲的宽度也最大；反之，当正弦值为最小时，脉冲的宽度也最小。把脉冲的宽度调制的越细，即一个周期内脉冲的个数越多，调制后输出的波形越好，电动机负载的电流波形越接近于正弦波。

2.7逆变器的保护功能

通常逆变器具有输入过压、欠压保护，输出过流、过载、短路保护，IGBT过流、过热路保护等功能。

过压保护：输入电源、电动机的突然停止和线路感抗等是引起逆变器过压的原因。对于输入电源的短时过压，逆变器一般进行检测后，自动停止工作，当电源恢复正常后，逆变器可以自动重新工作，但对于输入电源的长时间过压，则逆变器将切断输入电路进行隔离保护；对于电动机的突然停止，由逆变器本身的中间支撑电容和系统内其他负载消化；对于线路感抗产生的过电压，则依靠逆变器自身的吸收电路来解决。

欠压保护：由于接触网电压的波动，有可能造成输出欠压，但在这种情况下逆变器可以不停止工作，而是采取降频降压的方式工作，即当输入电压低于540V时，逆变器按照V/F=C的规律降频降压工作。电力机车由于存在过分相的问题，因此欠压保护可以不考虑保护，而只是进行提示。

过流保护：逆变器在下列情况下会出现过流，（1）负载尤其是电动机负载的冲击；（2）输出侧短路；（3）自身工作不正常，如逆变桥臂中某个IGBT损坏、上下桥臂同时导通等。25T客车用的逆变器在技术要求中已明确要求逆变器具备承受电动机负载突加与突减的能力；当输出侧和负载发生短路时，逆变器能立即封锁脉冲输出，并停止工作，这种保护是一

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次性的，必须在故障清除后，逆变器才能重新工作。逆变器在三相输出侧都安装了电流检测传感器，传感器的输出信号既做输出电流的监测，又用于过流和过载保护；逆变器的内部过流保护一般依靠IGBT的驱动模块或IPM的内部电流检测电路来实现，其原理是检测IGBT或IPM导通时的管压降Vce，当器件故障时，Vce会发生变化，根据变化来判断是否过流并采取保护对策，如减低驱动脉冲的幅值、封锁脉冲等。

过载保护：由于某种原因，使逆变器的输出超过其自身的输出能力，称为过载，逆变器的过载检测靠输出侧的电流传感器或输入侧的直流电流传感器。一般情况下逆变器的过载保护为反时限特性，即设定过载电流为额定电流的1.5倍持续1min后保护，而低于1.5倍可延长保护动作时间，而高于1.5倍时则保护动作的时间小于1min。

过热保护：IGBT工作时，产生各种损耗，其中主要包括导通过程损耗、通态损耗和关断时的损耗，这些损耗以热量的形式通过散热器向外传送。当调制频率低即IGBT的开关频率低时，通态损耗占主要成分，散热器的温升不会太高，而当开关频率增高后，IGBT的开关损耗便不可忽略，因此散热器温升相对升高，半导体器件工作在较高的温度环境下，性能、寿命、可靠性等都受到影响，而且超过其结温的限值（150oC）将使其损坏。因此需要对IGBT进行过热保护。25T客车使用的逆变器开关频率比较高，靠散热器的自然冷却有一定的难度，因此大都采用风扇强迫冷却，当散热器的温度达到一定值时（设置为65oC~80oC不等），风扇才启动。当散热器温度超过允许温度时，安装在散热器上的热保护继电器给出信号，逆变器的控制电路自动封锁脉冲，停止工作。

除上述保护功能外，逆变器还有其他一些保护功能，如三相不平衡、缺相等。 2.8逆变器输出波形对负载的影响及改进

DC600V供电系统在试验运用阶段，逆变器的输出波形为PWM调制波，这种波形在运用中出现几个比较突出的问题，1）逆变器输出端到空调机组有约20m长的导线，由线路阻抗引起的脉冲尖锋电压（高达1000V）施加在小电动机上，影响电动机的绝缘，烧毁电机。2）脉冲调制波形输出，使客室电加热的漏电流增大，导致机车电源的接地保护动作，影响DC600V供电，调制频率越高,等效阻抗越小,漏电流越大。3）民用负载基本无法适应这种供电品质。4）调制频率低、滤波器体积大的问题，对车下安装带来一定的难度。此外，电源工作时产生的高频噪声也影响到旅客乘车的舒适度。新的铁道部标准TB/T3063-2002《旅客列车DC600V供电技术条件》已明确规定了逆变器输出电压波形的谐波总含量不大于10%，因此25T客车使用的逆变器的输出与以前相比有以下改善：1）改善逆变器的输出品质，直接输出正弦波，提高逆变器的无故障运行时间，解决电动机端电压脉冲的问题和电动机因谐波影响温升的问题；2）提高逆变器的开关频率，减小滤波器的体积和重量，降低工作时的噪声。3）实现主电路和控制电路的一体化，减少车上车下的电气连线。4）完善逆变器的故障诊断，逆变器的运行信息和故障诊断与充电器进行通讯，通过充电器的通讯接口连接到综合控制柜的PLC上并在显示屏上显示。 2.9逆变器故障时的对策

空调逆变器的可靠性对保障客车空调系统的正常工作至关重要，在提高逆变器的可靠性要求的同时，应当考虑故障情况下的对策。25T客车采用两个35KVA逆变器，其中一个专门

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为空调机组的供电，而另一个为其他三相负载供电，在一个逆变器出现故障时，通过控制系统可以转换到无故障电源，同时空调机组减半载运行。

2.10逆变器使用中的问题

客车用的逆变器属于静态辅助电源（SIV），控制方案和控制精度比变频调速系统要简单的多，但在使用中，客车逆变器却不是那么简单。单纯的变频器，控制的负载单一，比如电动机，而客车逆变器供电的负载却非常复杂，有风机类、压缩机类、电阻性负载、容性负载等，电源要适应或满足上述不同负载的要求，因此，逆变器的设计和应用相对困难些。

1）逆变器工作时对母线电压的影响。

所有的逆变器都更关注输出电压波形，而忽视了逆变器工作时对直流母线电压波形的影响，实际上 ，逆变器和充电器工作时，由于线路阻抗的存在，换流时产生很高的脉冲电压，这些脉冲电压直接反馈到直流母线上，使母线电压波形叠加了很多高频脉冲成分。当几个逆变器并联在母线上时，母线电压波形便含有大量的高频脉动成分。这种脉动一方面对挂在母线上的电源装置产生影响，另一方面可能对机车电源的工作产生影响。目前逆变器所使用的IGBT或IPM对过电压有一定的承受能力，因此大多数逆变器仅采用在桥臂上并联高频电容的简单吸收电路，这种吸收对电源本身没有太大的问题，但对系统的影响却很大。 2）电热器、PTC元件的漏电问题。

98年首列DC600V供电列车和部分动车组，存在一个比较大的问题是电加热器的漏电问题。当时的客室电加热器采用板式电加热器，由逆变器输出的PWM波供电，后改成管式电加热器，有的逆变器输出增加了滤波。PWM波形下的板式电加热器产生漏电的原因在于：板式电加热器由于结构和材料的问题，对地存在等效电容，在频率不高的情况下，对地电容通过的电流非常小，而频率较高的情况下，通过等效电容的漏电流便无法忽略。 板式电加热器的等效电路如图:

等效电容的容抗为：XC = 1/（2πf C）

则通过电容上的电流为：I=U/ XC = U（2πf C） 可见，尽管C很小，但当f较高时，漏电流是无法忽略的。 25T客车和2003年部备25G型DC600V列车的客室电热采用DC600V直接加热的方式，由于直流电的频率为0，因此客室电加热的漏电流几乎为0，但是由于使用了大量的PTC伴热元件，使的漏电流问

题仍然很突出。从特性上分析，PTC元件的等效电路如图：

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PTC元件在市电AC220V工 作时，就存在3次谐波，在 逆变器供电时，尤其是逆变器 的开关频率很高时显得更加

突出，而且对地漏电流也很大， 对地漏电流的谐波成分较多。

25G部备DC600V客车冬季漏电问题比25T DC600V要严重些，除客车布线缺乏经验外，主要有几方面问题：一是采用一个逆变器供电，冬季模式为三相220V，使相同功率的负载电流增加了1.73倍，漏电流相对增加，二是伴热负载直接由逆变器供电，PTC材料自身的谐波电流影响整个系统的漏电流。

3）电磁干扰（EMI）问题

电力电子技术的发展，使得高频化、大功率逆变器和充电器的应用更加

普及，但是高频化和大功率使电力电子装置内部的电压、电流发生剧变，不但使器件承受很大的电压电流应力，还在逆变装置的输入输出引线周围空间里产生高频电磁噪声，引发电气设备的误动作，这种公害称为电磁干扰。

逆变器对外的高次谐波干扰主要分为直接传导、感应和辐射三种。由于逆变器的输出是超过几KHZ的高频电压脉冲，其输出线对地以及负载对地之间都存在有分布电容，并由此产生高次谐波电流。在民用上，谐波电流的存在使通用的漏电断路器经常跳闸，因此民用上必须使用带有抑制高次谐波能力的漏电断路器。

高次谐波干扰的直接传导体现在输入直流回路中存在大量的高次谐波电流，使系统的漏电流增加；控制设备的I/O接口、低压测量回路和显示回路则受到高次谐波的感应而产生干扰或误动作；逆变器工作时产生的电磁干扰，对客车内部的电子装置、控制设备和网络通信的正常工作产生不良影响，电子装置尤其应当在设计上采取抑制措施。 2.11逆变器使用和调试

逆变器作为一种比较复杂的电力电子设备，包含了强电弱电控制技术、微电子技术、计算机控制和网络通信等技术，使用和维护比较困难，一般维修更需要专业人员和专用工具。使用中应注意的基本问题包括：

2必须注意输入DC600V和DC110V的极性不能接反。

2两个逆变器的输出不能并联，逆变器的输出三相禁止接入其他电源。 2逆变器工作之前，最好能测量负载三相是否平衡，是否存在短路？

2启动时先合DC110V控制电源再合主电源，停止时先断主电路电源，再断控制电源，禁止工作中突然断开控制电源。

2避免逆变器在空载输出情况下，突加全部空调负载（控制电源正常，空调主电路开关由断开状态突然合闸）。

2模拟量控制线、数字信号线和通信线采用屏蔽线，屏蔽层靠近逆变器的一端接在控制电路的公共端（COM），另一端悬空。

2开关量、控制信号线可以不用屏蔽线，但同一信号的进出两根线尽可能使绞在一起。

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