CN103794332A - 一种用于高铁机车辅助电源变流器系统的高频滤波电感 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高铁机车辅助电源变流器系统的高频滤波电感，包括磁罐、线圈、绝缘端圈、引线、灌封料。磁罐为分段式磁罐，由具备高储能、低损耗特性的特殊铁合金粉末冶金的磁粉芯制成；线圈采用耐高温漆包铜扁线绕制而成，其结构为一体卷绕多层圆筒式线圈，且层数为偶数。线圈的首末端出头引线相邻引出；绝缘端圈采用耐高温工程塑料制成；灌封料采用耐高温、兼具弹性的聚氨酯灌封胶。本发明具有无电磁干扰、低噪音、低损耗、低温升、电感量非线性、体积小等电气机械特性，有助于提高高铁机车辅助电源变流器系统的效率及可靠性。

Description

一种用于高铁机车辅助电源变流器系统的高频滤波电感

技术领域

本发明属于特种变压器领域，涉及一种滤波电感(亦称滤波电抗器)的特殊设计，具体地说是一种用于高铁机车辅助电源变流器系统的高频滤波电感。

背景技术

电力机车辅助系统是电力机车的重要组成部分，主要包括辅助电源、辅助电机以及相应的控制电路等部分。辅助电源系统是机车的重要组成部分，担负着除机车牵引系统主电路以外各种装置的供电任务，是提供风源的空气压缩机、空调、通风机等辅助电动机的三相交流电源，电热器、冰箱、信息显示装置的电源等。

当前以庞巴迪公司为代表的主流的辅助电源变流器系统采用单相桥式四象限整流+两电平三相桥式逆变的主电路形式。从机车牵引变压器辅助绕组获取单相交流电压，经四象限整流器转换为恒定直流电源，并通过支撑电容进行能量储存，然后由逆变器将恒定直流电源转换为三相PWM交流电，再通过LC滤波器为机车辅助负载提供三相正弦交流电压。在输入端、支撑电容端及输出端配置电压传感器，实现对输入电压、中间直流电压及三相输出电压的监视及保护；输入端及逆变器模块输出端配置电流传感器，实现对输入电流及输出电流的监视及保护。

PWM(脉宽调制)是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。利用PWM逆变器能够抑制或消除低次谐波。加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。因此，PWM(脉宽调制)技术在高铁电源变流器、光伏逆变器、风电变流器等领域获得了越来越广泛的应用。

由于PWM交流电波形不可避免地含有诸多高频谐波分量，为减小高频谐波对辅助电动机的不利影响，在逆变器的输出端加滤波装置——LC滤波器必不可少。LC滤波器由滤波电容和滤波电感(亦称：滤波电抗器)组成。

在光伏逆变器、风电变流器等领域中，用于滤除高频谐波的滤波电感通常采用干式铁芯电抗器，如当今普遍应用于500kW光伏逆变器的滤波电感均如此。

但在高铁机车辅助电源的变流器系统，铁芯电抗器作为滤波电感存在固有的缺陷。

其一，铁芯电抗器采用带气隙的铁芯结构，通过调节气隙长度来获得需要的电感量；这种结构由于铁芯被气隙隔断，在气隙处将产生相应的漏磁场；另外，敞开式的线圈必然也将产生漏磁场；这两个漏磁场将必然对周遭的电磁环境产生影响，从而影响到机车的控制系统与通信系统。这就是干式铁芯电抗器作为滤波电感应用于高铁机车电源系统时所无法解决的电磁干扰(俗称EMI：Electro Magnetic Interference)问题。

其二，铁芯电抗器的噪音由于气隙的存在是比较大的，根据容量大小，通常在70分贝左右。

其三，铁芯电抗器在高频谐波的作用下，铁芯损耗与频率的平方成正比，高频谐波在硅钢片中造成的铁芯损耗将达到基波铁芯损耗的数倍，是一个不可忽略的数值，这将显著降低电源系统的效率。

其四，铁芯电抗器的电感量在不同的电流下，其电感量几乎保持恒定不变，这对于高铁机车辅助变流器对于滤波电感的非线性要求不吻合。

其五，铁芯电抗器的温升较高，通常铁芯和线圈相对于环境的温升在80-100K之间，这不利于周围的其他电气元件，尤其在相对散热条件较差的机车内部。

其六，铁芯电抗器的体积较大，这对于安装于机车下部而空间有限的辅助电源系统是不利的。

其七，干式铁芯电抗器系敞开式结构，铁芯和线圈均暴露在环境中，且其铁芯的紧固依赖于拉紧螺杆，而长期处于户外运行、环境恶劣、震动不已的机车运行环境对于电抗器的电气和机械稳定性是严峻的考验。

综合上述因素，干式铁芯电抗器作为滤波电感应用于高铁机车辅助电源变流器系统是不合适的。因此，有必要研发一种能够有效弥补上述缺陷的新型滤波电感，它应当具有无电磁干扰、低噪音、低损耗、低温升、电感量非线性、体积小等电气机械特性，从而完全适用于高铁机车辅助电源的变流器系统。这对于保障高铁机车电源系统的稳定性和可靠性有着不可忽略的作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有无电磁干扰、低噪音、低损耗、低温升、电感量非线性、体积小等电气机械特性的高频滤波电感。

本发明的技术方案是，一种用于高铁机车辅助电源变流器系统的高频滤波电感，包括磁罐、线圈、绝缘端圈、引线、灌封料，其改进点在于：所述磁罐为分段式磁罐，由具备高储能、低损耗特性的特殊铁合金粉末冶金的磁粉芯制成；根据电感容量大小分为三段式结构或两段式结构，其中三段式结构分为上段、中段和下段，两段式结构分为上段和下段。上段和下段磁罐分别开有方形出线槽口。

所述线圈采用耐高温漆包铜扁线绕制而成，其结构为一体卷绕多层圆筒式线圈，且层数为偶数。

所述线圈的首端出头引线与末端出头引线相邻引出。

所述绝缘端圈采用耐高温工程塑料制成。

所述灌封料采用耐高温、兼具弹性的聚氨酯灌封胶。

本发明的有益效果是：

采用分段磁罐作为电感的磁通路(取代传统的由电工硅钢片叠积而成的铁芯)，线圈套装入磁罐的空腔后，将分段磁罐粘结后整体灌封，分段磁罐之间没有气隙，且线圈的漏磁场被封闭在磁罐内，妥善地解决了带气隙的常规铁芯电抗器所固有的电磁干扰问题；

采用高储能、低损耗的特殊铁合金粉末冶金制成的磁粉芯磁罐，可有效减小电感成品体积；尤其铁合金磁粉在高频下的单位损耗远低于普通电工硅钢片，则在基波及高频谐波电流综合作用下的电感铁芯损耗极大降低，显著降低了温升；而且由于磁粉的磁致伸缩接近于零，将使电感基本实现静音。

利用特殊铁合金磁粉芯磁罐的饱和磁特性，实现了电感量的非线性化。

采用一体卷绕多层(偶数层)圆筒式线圈结构，线圈的首末端出头引线相邻引出，由于电流方向相反，其产生的磁场接近于相互抵消，最大程度地实现无电磁干扰。

采用导热性良好、带有弹性的聚氨酯灌封料，在将磁罐及线圈凝聚成整体的同时，可将封闭于内部的线圈所散发的热量及时传导到磁罐壳体表面散热，且能为线圈的热膨胀提供一定的形变空间，可靠地保障电感的机械稳定性与热稳定性。

附图说明

图1是本发明所述的用于高铁机车辅助电源变流器系统的高频滤波电感的结构示意图。

图2是本发明所述的用于高铁机车辅助电源变流器系统的高频滤波电感的线圈结构示意图。

具体实施方式

以下对照附图，通过具体实施方式的描述，对本发明作出进一步说明。

如图1所示，一种用于高铁机车辅助电源变流器系统的高频滤波电感，包括磁罐1、线圈2、绝缘端圈3、引线4、灌封料5.

所述磁罐1采用高储能、低损耗的特殊铁合金粉末冶金的磁粉芯制成；根据电感容量大小分为三段式结构或两段式结构，其中三段式结构分为上段、中段和下段，两段式结构分为上段和下段。上段和下段磁罐分别开有方形出线槽口；图1所示为三段式结构，如图所示，磁罐1由外壳罐体和中柱磁芯构成，两者构成电感的磁通路。

所述线圈2采用耐高温的漆包铜扁线绕制而成，其结构为一体卷绕多层圆筒式线圈，且层数为偶数，如图2所示。具体层数可根据电感的容量大小、线圈的匝数、磁罐内腔容积计算决定。线圈的外径应设计成小于磁罐内径数毫米，以便绝缘隔离和灌封料填充。图2所示的一个实施示例为4层。

所述绝缘端圈3采用耐高温工程塑料制成，套装在磁罐的中柱磁芯上，起到有效隔离线圈与磁罐的绝缘作用。出于线圈装配的工艺需要，绝缘端圈通常也分割制成上下两部分。

所述引线4，由线圈的首端出头引线4-1和末端出头引线4-2组成；由于线圈2的层数为偶数，则线圈的首端出头引线4-1和末端出头引线4-2在同一侧出线，将其绝缘包扎后相邻并排引出。

所述灌封料5，采用导热性良好、带有弹性的聚氨酯灌封料。

本发明实施过程如下：

先将绝缘端圈3套装在磁罐1的中柱磁芯上，接着安装线圈2，安装时需将引线4对准磁罐1的方形出线槽口，然后盖上磁罐1的未安装段；再以适当的夹具夹紧磁罐，即可由磁罐1的不含出头引线的另一段所带的槽口将灌封料5注入实施灌封。灌封完毕后烘燥冷却即可得本发明所述高频滤波电感。

Claims (4)

1.一种用于高铁机车辅助电源变流器系统的高频滤波电感，包括磁罐(1)、线圈(2)、绝缘端圈(3)、引线(4)以及灌封料(5)，其特征在于：所述磁罐(1)为分段式磁罐，由具备高储能、低损耗特性的特殊铁合金粉末冶金的磁粉芯制成。

2.根据权利要求1所述的用于高铁机车辅助电源变流器系统的高频滤波电感，其特征在于：所述线圈(2)采用耐高温漆包铜扁线绕制而成，其结构为一体卷绕多层圆筒式线圈，且层数为偶数。

3.根据权利要求1所述的用于高铁机车辅助电源变流器系统的高频滤波电感，其特征在于：线圈(2)的首端出头引线(4-1)与末端出头引线(4-2)相邻引出。

4.根据权利要求1所述的用于高铁机车辅助电源变流器系统的高频滤波电感，其特征在于：灌封料(5)采用耐高温、兼具弹性的聚氨酯灌封胶。