[發明專利]一種用于高鐵機車輔助電源變流器系統的高頻濾波電感

在審

• 申請號: 201210433429.0
• 申請日: 2012-10-29
• 公開（公告）號: CN103794332A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 張中
• 申請（專利權）人: 江蘇正強電氣有限公司
• 主分類號: H01F17/04
• 分類號: H01F17/04;H01F27/24;H01F27/28;H01F27/29
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技術領域

本發明屬于特種變壓器領域，涉及一種濾波電感(亦稱濾波電抗器)的特殊設計，具體地說是一種用于高鐵機車輔助電源變流器系統的高頻濾波電感。

背景技術

電力機車輔助系統是電力機車的重要組成部分，主要包括輔助電源、輔助電機以及相應的控制電路等部分。輔助電源系統是機車的重要組成部分，擔負著除機車牽引系統主電路以外各種裝置的供電任務，是提供風源的空氣壓縮機、空調、通風機等輔助電動機的三相交流電源，電熱器、冰箱、信息顯示裝置的電源等。

當前以龐巴迪公司為代表的主流的輔助電源變流器系統采用單相橋式四象限整流+兩電平三相橋式逆變的主電路形式。從機車牽引變壓器輔助繞組獲取單相交流電壓，經四象限整流器轉換為恒定直流電源，并通過支撐電容進行能量儲存，然后由逆變器將恒定直流電源轉換為三相PWM交流電，再通過LC濾波器為機車輔助負載提供三相正弦交流電壓。在輸入端、支撐電容端及輸出端配置電壓傳感器，實現對輸入電壓、中間直流電壓及三相輸出電壓的監視及保護；輸入端及逆變器模塊輸出端配置電流傳感器，實現對輸入電流及輸出電流的監視及保護。

PWM(脈寬調制)是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變周期來控制其輸出頻率。而輸出頻率的變化可通過改變此脈沖的調制周期來實現。這樣，使調壓和調頻兩個作用配合一致，且于中間直流環節無關，因而加快了調節速度，改善了動態性能。由于輸出等幅脈沖只需恒定直流電源供電，可用不可控整流器取代相控整流器，使電網側的功率因數大大改善。利用PWM逆變器能夠抑制或消除低次諧波。加上使用自關斷器件，開關頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波。因此，PWM(脈寬調制)技術在高鐵電源變流器、光伏逆變器、風電變流器等領域獲得了越來越廣泛的應用。

由于PWM交流電波形不可避免地含有諸多高頻諧波分量，為減小高頻諧波對輔助電動機的不利影響，在逆變器的輸出端加濾波裝置——LC濾波器必不可少。LC濾波器由濾波電容和濾波電感(亦稱：濾波電抗器)組成。

在光伏逆變器、風電變流器等領域中，用于濾除高頻諧波的濾波電感通常采用干式鐵芯電抗器，如當今普遍應用于500kW光伏逆變器的濾波電感均如此。

但在高鐵機車輔助電源的變流器系統，鐵芯電抗器作為濾波電感存在固有的缺陷。

其一，鐵芯電抗器采用帶氣隙的鐵芯結構，通過調節氣隙長度來獲得需要的電感量；這種結構由于鐵芯被氣隙隔斷，在氣隙處將產生相應的漏磁場；另外，敞開式的線圈必然也將產生漏磁場；這兩個漏磁場將必然對周遭的電磁環境產生影響，從而影響到機車的控制系統與通信系統。這就是干式鐵芯電抗器作為濾波電感應用于高鐵機車電源系統時所無法解決的電磁干擾(俗稱EMI：Electro?Magnetic?Interference)問題。

其二，鐵芯電抗器的噪音由于氣隙的存在是比較大的，根據容量大小，通常在70分貝左右。

其三，鐵芯電抗器在高頻諧波的作用下，鐵芯損耗與頻率的平方成正比，高頻諧波在硅鋼片中造成的鐵芯損耗將達到基波鐵芯損耗的數倍，是一個不可忽略的數值，這將顯著降低電源系統的效率。

其四，鐵芯電抗器的電感量在不同的電流下，其電感量幾乎保持恒定不變，這對于高鐵機車輔助變流器對于濾波電感的非線性要求不吻合。

其五，鐵芯電抗器的溫升較高，通常鐵芯和線圈相對于環境的溫升在80-100K之間，這不利于周圍的其他電氣元件，尤其在相對散熱條件較差的機車內部。

其六，鐵芯電抗器的體積較大，這對于安裝于機車下部而空間有限的輔助電源系統是不利的。

其七，干式鐵芯電抗器系敞開式結構，鐵芯和線圈均暴露在環境中，且其鐵芯的緊固依賴于拉緊螺桿，而長期處于戶外運行、環境惡劣、震動不已的機車運行環境對于電抗器的電氣和機械穩定性是嚴峻的考驗。

綜合上述因素，干式鐵芯電抗器作為濾波電感應用于高鐵機車輔助電源變流器系統是不合適的。因此，有必要研發一種能夠有效彌補上述缺陷的新型濾波電感，它應當具有無電磁干擾、低噪音、低損耗、低溫升、電感量非線性、體積小等電氣機械特性，從而完全適用于高鐵機車輔助電源的變流器系統。這對于保障高鐵機車電源系統的穩定性和可靠性有著不可忽略的作用。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有無電磁干擾、低噪音、低損耗、低溫升、電感量非線性、體積小等電氣機械特性的高頻濾波電感。