变流器*概述

　　1879年德国西门子公司建造的直流125伏、3马力的电车应用牵引变流器取得成功。20世纪50年代法国、匈牙利、联邦德国、日本等国研制成多种工频牵引变流器，有单相-三相变频式变流器、单相交流-直流旋转式变流器、多阳极水银式变流器和引燃管式变流器等。这些牵引变流器还未推广就被60年代新出现的大功率半导体器件构成的变流器所替代。起初仅用大功率二极管进行交流-直流间的整流。晶闸管和电子控制器件出现后,牵引整流器便具有交-直流间的可控整流和有源逆变、直-直流间的变换的功能，并且试制出直-交流间的变换器。80年代，牵引变流器在电力机车、电力传动柴油机车、燃气轮机车、动车组以及地下铁道车辆上得到广泛的应用。应用何种牵引变流器已成为表明机车特性的主要标志之一。

　　电力机车以及安装电传动装置的其他机车上设置在牵引主电路中的变流器。牵引变流器的功能是转换直流制和交流制间的电能量，并对各种牵引电动机起控制和调节作用，从而控制机车的运行。

　　变流器*工作原理

　　变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另 一频率的电能控制装置。 我们现在使用的变频器主要采用交—直 —交方式(VVVF 变频或矢量控制变频) ，先把工频交流电源通过 整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均 可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中 间直流环节、逆变和控制 4 个部分组成。整流部分为三相桥式不 可控整流器，逆变部分为 IGBT 三相桥式逆变器，且输出为 PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

　　变流器*分类

　　牵引整流器可分为下述四类：

　　交流-直流整流器

　　将交流电整成直流电,主要有两种形式：采用桥式整流线路的桥式整流器和采用中抽整 流线路的中抽整流器。图1a为应用在电力机车上的单相桥式线路，交流电压u正半周经二级管1和二极管3、负半周经二极管2和二极管4接到直流侧，从而在直流侧得到不变方向的脉动电压Ud,经过平波电抗器Ld滤去脉动成分后用于驱动直流牵引电动机，其电压波形图如图1a上部所示。图1b为单相中抽整流线路图和电压波形图。图1c为柴油机车采用的三相桥式整流线路图和电压波形图。若用适当数量的二极管串联(以增加电压)和并联(以增加电流)代替原理图中的一个元件，则可构成所需功率的交-直整流器。

　　在上述整流器中换用控制元件就可得到可控整流器。以晶闸管代替图1中的二极管,就成为全控桥式整流器，又称相控整流器。控制晶闸管每周期中的开始导通时刻(ɑ角)，从而控制直流侧电压。图2为单相全控桥式整流电路图和相应的电压电流波形图。如果控制 ɑ>π/2并人为地使牵引电动机电势反向，则变流器进入再生制动工况,此时全控桥式整流器就处于有源逆变的工况,将机车的动能反馈给电网。如果晶闸管和二极管混合接成图3的方式，则构成单相半控桥式整流器，二极管在晶闸管未开通前起负载续流作用。半控桥式整流器只能调压，不能再生制动。全控桥和半控桥是桥式整流器的两大类，应用较广。

　　直流-直流变流器

　　又称斩波器,用以改变直流电压平均值的一种装置。用晶闸管强迫关断方法，周期性地控制直流电源和负载间的通断，使斩波器输出端得一脉动电压，用平波电抗器Ld滤去脉动成分，则在负载上得到一由周期导通角ɑ控制的直流电压Ud。图4为其原理图，其中F为强迫关断器件，D为续流二极管，M为负载。电压Ud实为由ɑ角控制的斩波器出端电压U2的平均值。斩波器经适当的改接可有再生制动性能。直流斩波器多用在直流电力机车、动车组和地铁车辆上。

　　直流-交流变流器

　　又称逆变器,将直流电变成交流电的变流器，有电压型和电流型两种。

　　①电压型逆变器：单相作用原理如图5a所示，由于换向要求直流侧电压Ud需保持恒定而得名。如果控制电路触发脉冲使器件F1、F2的通断次序如图5b，则交流侧可得一矩形波电压如图。5c该交流电压幅值为Ud,而频率可由控制回路进行调节。图5a中 c为支撑直流电压用的支撑电容，D1、D2为当负载电流和电压不同相时做续流用的续流二极管。

　　异步牵引电动机起动时要求逆变器供出幅值可变的、接近正弦的低频电压,这可用分谐波调制法控制F1、F2的通断顺序来达到。电压型逆变器在控制电路作用下能顺利地转入再生制动。利用这一可逆性又可制成交-直-交电力机车电源侧变流器，它能提供恒定的中间环节直流电压，又可调节交流电网侧的功率因数和改善电流波形，这就是电压型四象限变流器。

　　②电流型逆变器：电路原理如图6a,它要求直流侧是一电流源，即Id要相对稳定,这可以采用串联电抗器Ld来达到。如果控制各强迫关断器件的导通顺序(图6b)，则在电机每相绕组中可得到2π/3电角度导通的交变电流(图6c)。在低频起动时为了避免因 2π/3矩形波电流而造成过大的电机力矩脉动，也可采用电流分谐波调制方法。电流型逆变器只能调频不能调压，调压功能由电源侧交-直变流器来完成。电流型逆变器已在地铁车辆上应用。

　　交流-交流变流器 不需经过直流中间环节,可直接将单相交流电变成三相可调频的交流电。这种变流器中较成功的是用次驱动同步型牵引电动机的两组三相反并桥式系统，它在原理上类似一电流型直-交逆变器,并借助于电源和负载电势进行换向。这种类型的变流器已在苏联ВЛ83型电力机车上应用。循环变流器是另一种降频交-交变流器,是燃气轮机车电传动系统可以选择的一种设备。

　　变流器*控制系统

　　变流器由不控整流器向可控变流器的发展，变流器的电子控制系统也发生变化。变流器在60年代采用分立元件的开环控制系统，70年代过渡到线性集成元件(运算放大器等)的闭环控制系统，70年代末则应用大集成度的数字集成器件和微处理机的闭环控制系统。这些电子控制技术的应用使变流器的性能，进而使整个机车的性能和自动化程度显著提高。

　　变频器*选型方法

　　变频器选型时要确定以下几点：

　　1) 采用变频的目的;恒压控制或恒流控制等。

　　2) 变频器的负载类型;如叶片泵或容积泵等，特别注意负 载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。

　　3) 变频器与负载的匹配问题;

　　I.电压匹配;变频器的额定电压与负载的额定电压相符。

　　II. 电流匹配;普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的 额定电流相符。 对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能 参数，以*大电流确定变频器电流和过载能力。

　　III.转矩匹配; 这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。

　　4) 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。 因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。

　　5) 变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电 缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下， 变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗 器。

　　6) 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引 起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。

　　变频器*控制原理图设计

　　1) 首先确认变频器的安装环境;

　　I.工作温度。变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工 作温度的影响， 产品一般要求为 0～55℃， 但为了保证工作**、 可靠，使用时应考虑留有余地，*好控制在 40℃以下。在控制 箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中 的安装要求， **不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。

　　II. 环境温度。温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。在水处理间，一般水汽都比较重，如果温度变化大的话，这个问题会比较突出。

　　III. 腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会 腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老器件的老化，降低绝缘性能。

　　IV. 振动和冲击。装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击 时，会引起电气接触**。淮安热电就出现这样的问题。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗 震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。 设 备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。

　　V. 电磁波干扰。变频器在工作中由于整流和变频，周围产 生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳， 屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地，除此之 外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无 法工作，导致控制单元失灵或损坏。

　　2) 变频器和电机的距离确定电缆和布线方法;

　　I.变频器和电机的距离应该尽量的短。这样减小了电缆的对 地电容，减少干扰的发射源。

　　II. 控制电缆选用屏蔽电缆，动力电缆选用屏蔽电缆或者从 变频器到电机全部用穿线管屏蔽。

　　III.电机电缆应独立于其它电缆走线， 其*小距离为500m m。同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线，这样才能 减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。如果控制电缆 和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90度角交叉。与变频器有关的模拟量信号线与主回路线分开走线， 即使在控制柜中也要如此。

　　IV. 与变频器有关的模拟信号线*好选用屏蔽双绞线，动力 电缆选用屏蔽的三芯电缆(其规格要比普通电机的电缆大档)或遵从变频器的用户手册。

　　3) 变频器控制原理图;

　　I.主回路：电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过 电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据 变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器; 滤波器是安装在变 频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的 距离较远时， 应该安装滤波器。虽然变频器本身有各种保护功能， 但缺相保护却并不**，断路器在主回路中起到过载，缺相等保 护，选型时可按照变频器的容量进行选择。可以用变频器本身的 过载保护代替热继电器。

　　II. 控制回路：具有工频变频的手动切换，以便在变频出现 故障时可以手动切工频运行，因输出端不能加电压，固工频和变频要有互锁。

　　4) 变频器的接地; 变频器正确接地是提高系统稳定性， 抑制噪声能力的重要手 段。变频器的接地端子的接地电阻越小越好，接地导线的截面不 小于 4mm，长度不超过 5m。变频器的接地应和动力设备的接地 点分开，不能共地。信号线的屏蔽层一端接到变频器的接地端，另一端浮空。变频器与控制柜之间电气相通。

　　变频器控制柜设计

　　变频器应该安装在控制柜内部， 控制柜在设计时要注意以下 问题

　　1) 散热问题：变频器的发热是由内部的损耗产生的。在变 频器中各部分损耗中主要以主电路为主，约占 98%，控制电路占 2%。为了保证变频器正常可靠运行，必须对变频器进行散热我们通常采用风扇散热; 变频器的内装风扇可将变频器的箱体内部 散热带走，若风扇不能正常工作，应立即停止变频器运行;大功 率的变频器还需要在控制柜上加风扇， 控制柜的风道要设计合理，所有进风口要设置防尘网，排风通畅，避免在柜中形成涡流，在 固定的位置形成灰尘堆积; 根据变频器说明书的通风量来选择匹 配的风扇，风扇安装要注意防震问题。

　　2) 电磁干扰问题：

　　I.变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰 电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰，而且会产生高次谐波， 这种高次谐波会通过供电回路进入整个供电 网络，从而影响其他仪表。如果变频器的功率很大占整个系统 25%以上，需要考虑控制电源的抗干扰措施。

　　II.当系统中有高频冲击负载如电焊机、电镀电源时，变频器 本身会因为干扰而出现保护，则考虑整个系统的电源质量问题。

　　3) 防护问题需要注意以下几点：

　　I.防水防结露：如果变频器放在现场，需要注意变频器柜上 方不的有管道法兰或其他漏点，在变频器附近不能有喷溅水流， 总之现场柜体防护等级要在 IP43 以上。

　　II.防尘：所有进风口要设置防尘网阻隔絮状杂物进入，防尘 网应��设计为可拆卸式，以方便清理，维护。防尘网的网格根据现场的具体情况确定， 防尘网四周与控制柜的结合处要处理严密。

　　III.防腐蚀性气体：在化工行业这种情况比较多见，此时可以 将变频柜放在控制室中。

　　变频器接线规范： 信号线与动力线必须分开走线： 使用模拟量信号进行远程控 制变频器时，为了减少模拟量受来自变频器和其它设备的干扰，请将控制变频器的信号线与强电回路(主回路及顺控回路)分开 走线。距离应在 30cm 以上。即使在控制柜内，同样要保持这样的接线规范。该信号与变频器之间的控制回路线*长不得超过50m。信号线与动力线必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管内部：连接 PLC 和变频器的信号线如果不放置在金属管道内，极易受到变频器和外部设备的干扰; 同时由于变频器无内置的电 抗器，所以变频器的输入和输出级动力线对外部会产生极强的干扰，因此放置信号线的金属管或金属软管一直要延伸到变频器的 控制端子处，以保证信号线与动力线的彻底分开。

　　变流器*组成器件

　　牵引变流器主要包括大功率二极管以及晶闸管、电容器和电抗器等。这些器件主要在两个方面得到了发展：一是向大功率发展。提高元件质量、加强冷却措施(采用强迫通风、风冷、油冷及氟冷方法)使单个元件开关峰值功率由 100千伏安增加到1000千伏安以上;二是增加品种。联邦德国、日本等国已实现变流器元件产品系列化、专用化，如快速二极管和快速晶闸管用于强迫换向电路;普通二极管和晶闸管用于电源换向电路。此外，制成逆导通晶闸管，它在较高频的强迫换向电路中得到了应用,还有自关断器件：控制极关断晶闸管GTO和大功率三极管，因为它们不需要强迫换流用的电容器和电抗器而使变流器大为简化。电容器分为支撑电容器、滤波电容器和换流电容器。电抗器有滤波、换流和饱和电抗器之分。各类器件都有其独自特点。

　　变流器*发展过程

　　牵引变流器正在朝大功率、调节控制性能齐全和对通信、电网无干扰的方向发展。80年代初在牵引变流器中得到推广应用的是二极管整流、晶闸管相控和直流斩波,而以应用交流牵引电动机为目标的直-交、交-交逆变技术虽然性能优越，并已有小批量生产应用，但因价格昂贵、技术复杂以及操作、维修要求高等还未得到普遍推广。提高功率半导体器件的性能，特别是提高自关断类的GTO和大功率三极管的功率和性能,应用氟冷却和大规模集成数字电路技术等，将会推进牵引变流技术的发展。

　　变流器*故障处理

　　1：功率与力矩不匹配

　　现象：主控发送的力矩和变流器反馈力矩不一致，差距在100-600之间.

　　处理方法： a：检查主控和变流器4-20ma通道的线缆屏蔽是否压好..

　　注意:德能变流器是主控端和变流器端都要压好，否则会经常出现此问题.

　　b：更换主控控制4-20ma控制板.

　　c：更换变流器I/O扩展板.

　　2：整流未准备好

　　现象：主控报变流器故障,变流器报整流未准备好,且复位不掉.

　　处理方法： a：检查风扇开关E012Q4和E013Q2是否断开，如果是，首先看这两个开关的额定电流值是否调到4A，否则把值调到4A.再检查风扇是否正常，如有异常,应更换相应有问题的风扇.

　　b：检查500A的保险是否有烧坏，如果是,应更换保险,及时跟德能公司联系.

　　3：驱动板连接错误

　　现象：主控报变流器故障，变流器报驱动板连接错误，此故障不是一直报,只是偶尔报，

　　以复位.

　　处理方法： a：首先把风机手动停机，然后把变流器的UPS电源关掉,把变流器的1和2号柜打开(停机5分钟后对变流器进行操作)，把从电路板到功率模块的驱动线(20芯)都取下来，把插头和插座的灰尘都清理一遍,*后把线重新规范的插上.开电—起机.

　　b：如果报的次数较频繁(每月都有)，请与德能公司联系，更换线缆.

　　4：变流器温度底

　　现象：主控报变流器温度底，变流器告警，但是不报错.

　　现象说明： a：这并不是一个错误，只是显示目前变流器处于加热状态.和风机的其他部件(齿轮箱，电机等)一样，在环境温度低于5度时，变流器就要自动加热，使变流器运行更加稳定，发电质量更优，使用寿命更长.所以大家要正确的认识变流器加热问题，不要误认为就是变流器有故障，这是很不专业的初级认识.

　　b：变流器的加热时间大约是在5-20分钟不等，具体情况跟环境温度关系较大，如果变流器在30分钟内不能完成加热，应当分析一下具体原因了，主要原因有：加热垫(E019E3)由于长时间加热，可能导致损坏;还有可能就是40度温度开关(E017S4.1)的灵敏度降低，导致测温不准引起的.

　　5：母线充电超时

　　现象：主控报变流器错误，变流器报母线充电超时.

　　处理方法：a：确认充电开关K016K3是否动作，如果没有动作，检查K016K3

　　的A1是否有24V直流电压.

　　b：如果K016K3动作了，但是还是报，那就检查K016K3，E011Q2，一直到网侧功率模块，检查中间是否有断路的现象.

　　6：主断路器闭合超时

　　现象：主控报变流器错误，变流器报主断路器闭合超时.

　　处理办法：a：首先检查在断路器闭合的时候K016K5是否闭合，如果没有闭合，就检查此开关的A1是否有24V直流电压.

　　b：如果K016K5动作了，且听断路器里有动作的声音，那就检查断路器是否储能，如果也没问题就再检查主断路器**链是否正常.

　　7：风扇过热

　　现象：主控报变频器错误，后台报风扇过热

　　处理方法：a：检查大风扇风扇(E012M4)是否正常运转，如果不能，说明风扇已经损坏，并且不能再使用了，因该立即与德能厂家联系，以便及时更换.

　　b：如果风扇还能正常运转，没有出现任何故障，那么就应当检查1号柜X4端子上风扇的状态反馈线是否连接正常，如果线路一切正常，那就建议更换转子侧检测电路板。

　　8：UPS告警

　　现象：UPS红的指示灯一直亮，有告警的滴答声音，并且UPS能正常使用.

　　处理方法：a：UPS电池电量低告警，建议及时更换新的UPS，以免影响UPS电源后端设备的正常使用(整个风机的控制系统).

　　b：由于环境温度过底(超过-20)，会影响UPS的正常使用，这种情况因该把UPS放置室内，并且给对UPS充电24小时，一般情况下就能正常使用了.*后建议风场冬天尽量不要断电网，让UPS闲置，这样再次启动UPS的过程中就会有这种情况的发生.

　　9：断路器状态错误

　　现象：主控报变频器错误，后台报短路器错误.

　　处理方法：a： 检查**链是否断开，检查E006K7和K062K1是否正常闭合，如果没有因该检查主控由于什么原因没有给**链的信号.

　　b： 检查断路器上接线合是否卡好，由于长时间的动作运行，断路器上的接线盒可能有松动的情况，平时因该多注意，因当列如列行检查的项目中.

　　c： 欠压脱扣器是否完好，如有问题请更换.

　　10：主滤波异常断开

　　现象：主控报变频器错误，后台报主滤波器异常断开.

　　处理方法：a：检查D014F2的95和96是否都有24V直流电压，如果没有：因该检查D014F2上的额定电流是否是调到102;再检查此热继电器是否有烧坏的迹象，一般都是由于继电器过热引起的;*后再检查此热继电器的输入和输出的线是否有接触**的.

　　b：检查主滤波回路主滤波电容和中间的电阻)是否有故障，如果有异常，因该及时与德能厂家联系，以便得到合理的解决.