CN104553832B - 基于LC Plus四象限变流器振荡回路的变压器铁心剩磁的去磁系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LC Plus四象限变流器振荡回路的变压器铁心剩磁的去磁新方法，在多流制牵引供电系统从直流供电制式向交流供电模式转换时，将单相多绕组电力机车牵引变压器牵引绕组与四象限变流器相连，四象限变流器与直流稳压电容相连，同时断开电容与DC/AC逆变器间的断路器，从而形成仅由单相多绕组牵引变压器，四象限变流器和电容构成的振荡电路。通过对四象限变流器进行协调控制，从而在牵引绕组中形成衰减振荡的电流，从而达到去除变压器铁心中剩磁的目的。该变压器铁心剩磁的去磁新技术方案完全利用电力机车牵引传动系统中现有的设备和元件，无需系统额外配置去磁电路，设备利用率高。

Description

基于LC Plus四象限变流器振荡回路的变压器铁心剩磁的去磁系统及方法

技术领域

本发明涉及轨道牵引供电系统领域，特别涉及一种基于LC Plus四象限变流器振荡回路的变压器铁心剩磁的去磁系统及方法。

背景技术

由于铁磁材料固有的磁滞现象，如图1所示，断开变压器绕组的直流电流后，会在铁心中残留剩磁。给去磁状态的变压器绕组通以逐渐增加的直流励磁电流，铁心中的磁场强度H逐渐增加，磁感应强度B将沿OM增加，当H增大到饱和值Hm，B达到饱和值Bm。OM称为起始磁化曲线。如果将直流励磁电流逐渐减小，磁场强度H逐渐减小，B并不沿原来的曲线原路返回，而是沿MR曲线下降，即使磁化场H减小到零时，B减小至剩余磁感应强度Br。此时变压器绕组通以逐渐增加的反向励磁电流，当反向磁场强度H逐渐增加到矫顽力Hc时，磁感应强度才降到零。继续增加反向磁场强度H，反向磁感应强度B很快增加直至反向饱和。

目前，我国轨道交通的供电制式基本上分两种：一种是用于高速铁路和城际铁路的25kV、50Hz的交流牵引供电制式；另外一种是用于城市轨道交通地铁和轻轨的直流1.5kV(750V)牵引供电制式。为了解决三种轨道交通的互通互联问题，多流制牵引供电系统正在逐步发展。但是在直流供电制式下，接触网端口的直流电流高达数百安培，当多绕组牵引变压器的牵引绕组用作直流滤波电抗器时，高达数百安培的工作电流都会在铁心中产生严重的剩磁现象。如果不对铁心采取有效的去磁，当牵引供电制式从直流牵引转换至交流牵引时，由于铁心中剩磁的存在，受电弓接触到交流供电系统后，牵引变压器会产生严重的励磁涌流，轻者会造成受电弓触网不成功，反复升降弓；严重时会造成烧毁触网设备和牵引变压器的绕组。尤其是针对现有技术中的已公开的申请专利基于单相多绕组牵引变压器的多流制牵引供电系统，公开号为CN 103754123A，考虑到电力机车在进入交流牵引变电所时受到时间，距离和设备等客观因素制约，亟需一种简便快捷的消除剩磁方法。

当前的去磁方法主要有直流去磁法和交流去磁法两种，但是无论哪一种都需要产生幅值逐渐衰减的电流或者电压。如果增加额外的去磁电路，不利于节约电力机车车载牵引供电系统安装空间、重量和成本。如何充分利用牵引传动系统内部的设备和元件达到去磁效果具有重要的工程和理论价值。

发明内容

为了解决现有技术中去磁装置结构复杂、成本高昂且操作不便的问题，本发明提供了一种基于LC Plus四象限变流器振荡回路的去磁系统和方法，在现有的多流制牵引供电系统上通过增设几个简单的元器件，在多流制牵引供电系统从直流供电制式向交流供电制式的转换过程中，实现去磁。

一种基于LC Plus四象限变流器振荡回路的变压器铁心剩磁的去磁系统，包括基于单相多绕组牵引变压器的多流制牵引供电系统，还包括电压采集电路11、PWM发生器12和第八连接单元21，其中，整流器为四象限变流器4；

所述第八连接单元21设置于直流稳压电容5的一端A点与DC/AC逆变器6的一个输出端之间；

所述电压采集电路11的输入端与直流稳压电容5的一端A点相连，输出端与PWM发生器12的输入端相连；所述PWM发生器12的输出端与整流器4的输入端相连。

所述第八连接单元为连接片、手动开关或电控开关。

一种基于LC Plus四象限变流器振荡回路的变压器铁心剩磁的去磁方法，采用所述的基于LC Plus四象限变流器振荡回路的变压器铁心剩磁的去磁系统，当牵引供电接触网从直流供电制式向交流供电制式转换时，断开第八连接单元，连通第一连接单元、第三连接单元和第四连接单元，使得单相多绕组牵引变压器1、四象限变流器4和直流稳压电容5形成二阶衰减振荡电路，基于电压采集电路11采集的直流稳压电容上的电压值u_c的正负，通过PWM发生器12来控制四象限变流器中各晶体管的通断，使得电磁能量在二阶衰减振荡回路中反复流动，从而在变压器牵引绕组中产生衰减振荡电流，利用衰减振荡电流产生的磁势实现对变压器铁心剩磁的去磁；

其中，所述二阶衰减振荡电路中需要满足C<4L/R²，R是二阶衰减振荡回路的总电阻，L是单相多绕组牵引变压器的牵引绕组端口电感量，C是直流稳压电容的电容值。

通过PWM发生器12来控制四象限变流器中各晶体管的通断，改变牵引绕组中形成的衰减振荡电流，具体过程为：利用电压采集电路11实时采集直流稳压电容的电压，当u_c>0时，触发VT1和VT4导通，关断VT2和VT3；u_c<0时，触发VT2和VT3导通，关断VT1和VT4。

通过对四象限变流器进行协调控制，改变牵引绕组中形成的衰减振荡电流，具体步骤如下：

在断开第八连接单元，连通第一连接单元、第三连接单元和第四连接单元的初始时刻，进入步骤1；

步骤1：触发VT1和VT4导通，VT2和VT3处于关断状态，二阶衰减振荡回路中的电流沿着直流稳压电容—VT1—单相多绕组牵引变压器—VT4—直流稳压电容的回路流通；

该过程中直流稳压电容释放电能，电容电压不断下降；

步骤2：当直流稳压电容电压处于过零时刻时，关断VT1和VT4，触发VT2和VT3导通，二阶衰减振荡回路中的电流沿着单相多绕组牵引变压器—VD3—直流稳压电容—VD2—单相多绕组牵引变压器回路流通；

该过程中，单相多绕组牵引变压器的牵引绕组中的电流不断下降，牵引绕组端口电感不断释放储能，保证直流稳压电容电压为正，防止直流稳压电容两端因产生反向电压沿着稳压电容—VD2—VD3—稳压电容回路释放电能；

步骤3：当单相多绕组牵引变压器的牵引绕组中的电流处于过零时刻时，VT1和VT4持续关断，VT2和VT3持续导通，二阶衰减振荡回路中的电流沿着直流稳压电容—VT3—单相多绕组牵引变压器—VT2—直流稳压电容回路流通；

该过程直流稳压电容释放电能，电容电压不断下降；

步骤4：当直流稳压电容电压再次处于过零时刻时，重新关断VT1和VT4，触发VT2和VT3导通，二阶衰减振荡回路中的电流沿着单相多绕组牵引变压器—VD1—直流稳压电容—VD4—单相多绕组牵引变压器回路流通；

该过程中，单相多绕组牵引变压器的牵引绕组中的电流不断下降，牵引绕组端口电感不断释放储能，保证直流稳压电容电压为正；

返回步骤1，重复上述步骤，使得衰减振荡电流逐渐减小。

对R和L进行设置，使得二阶衰减振荡回路中电感电流的衰减速度e^-δ满足牵引供电接触网从直流供电制式向交流供电制式进行转换的时间要求，其中，δ＝R/2L，R是二阶衰减振荡回路的总电阻，L是单相多绕组牵引变压器的牵引绕组端口电感量。

有益效果

本发明一种基于LC Plus四象限变流器振荡回路的去磁系统和方法，通过在现有的多流制牵引供电系统上通过增设几个简单的元器件，包括电压采集电路、PWM发生器和第八连接单元，利用四象限变流器中晶闸管的通断，解决了多流制牵引供电系统从直流制式向交流制式切换过程中牵引变压器铁心中存在的剩磁问题。该变压器铁心剩磁的去磁新技术方案无需系统额外配置去磁电路，完全利用电力机车牵引传动系统中现有的设备和元件，达到去除变压器铁心中剩磁的目的。节省了电力机车车载牵引供电系统的安装空间、重量和成本，对提高多流制车载系统运行经济性和可靠性很有价值。

附图说明

图1为变压器铁心中存在的磁滞现象示意图；

图2为基于LC Plus四象限变流器振荡回路的去磁系统结构图；

图3为LC Plus四象限变流器自振荡回路的内部结构图；

图4为LC Plus四象限变流器自振荡回路在第一导通路径下的结构图示意图，其中，图(a)为电路结构示意图，(b)为图(a)对应的等效电路示意图；

图5为LC Plus四象限变流器自振荡回路在第二导通路径下的结构图示意图，其中，图(a)为电路结构示意图，(b)为图(a)对应的等效电路示意图；

图6为LC Plus四象限变流器自振荡回路在第三导通路径下的结构图示意图，其中，图(a)为电路结构示意图，(b)为图(a)对应的等效电路示意图；

图7为LC Plus四象限变流器自振荡回路在第四导通路径下的结构图示意图，其中，图(a)为电路结构示意图，(b)为图(a)对应的等效电路示意图；

图8为LC Plus四象限变流器直流稳压电容的电压波形图、变压器牵引绕组的电流波形图；

标号说明：1、单相多绕组电力机车牵引变压器，2、受电弓，3、牵引供电接触网，4、四象限变流器，5、直流稳压电容，6、DC/AC逆变器，7、牵引电机，8、轮轨，9、第一连接单元，10、第二连接单元，11、电压采集电路，12、PWM发生器，16、第五连接单元，17、第三连接单元，18、第四连接单元，19、第六连接单元，20、第七连接单元，21、第八连接单元。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图2所示，一种基于LC Plus四象限变流器振荡回路的变压器铁心剩磁的去磁系统，包括单相多绕组电力机车牵引变压器1、牵引电机7、DC/AC逆变器6、直流稳压电容5、整流器4、受电弓2、牵引供电接触网3及轮轨8，电压采集电路11，PWM发生器12，所述高压绕组的首端GA与受电弓之间设有第一连接单元9，所述高压绕组的尾端GB与轮轨之间设有第二连接单元10，所述牵引绕组的首端QA与整流器的一个输入端之间设有第三连接单元17，所述牵引绕组的尾端QB与整流器的另一个输入端之间设有第四连接单元18，所述牵引绕组的首端QA与受电弓之间设有第五连接单元16，所述直流稳压电容的一端B点与轮轨之间设有第六连接单元19，所述直流稳压电容的一端A点与牵引绕组的尾端QB之间设有第七连接单元20，所述直流稳压电容的一端A点与逆变器的一个输入端之间设有第八连接单元21；所述第一连接单元、第二连接单元、第三连接单元、第四连接单元、第五连接单元、第六连接单元、第七连接单元和第八连接单元为连接片、手动开关或电控开关。

在牵引供电接触网的供电制式为直流供电时，连通第五连接单元、第六连接单元、第七连接单元和第八连接单元，将牵引绕组作为直流滤波电感，将牵引绕组的首端和尾端分别与受电弓和直流稳压电容的一端A点相连，直流稳压电容的另一端B点通过第六连接单元与轮轨相连，形成直流牵引供电系统；

当牵引供电接触网从直流供电制式向交流供电制式进行转换时，为了消去直流供电制式下的工作电流在牵引变压器铁心中产生的剩磁，断开第五连接单元、第六连接单元、第七连接单元和第八连接单元，连通第三连接单元和第四连接单元，从而形成仅由单相多绕组牵引变压器，四象限变流器和电容构成的二阶衰减振荡电路。初始时刻，直流稳压电容上储存了一定的电能，电压极性如图3所示。

触发VT1和VT4导通，此时VT2和VT3处于关断状态，如图4(a)所示，振荡回路电流沿着直流稳压电容—VT1—单相多绕组牵引变压器—VT4—直流稳压电容的回路流通，此回路可近似等效成图4(b)的二阶振荡电路。其中R是二阶衰减振荡回路的总电阻，L是单相多绕组牵引变压器的牵引绕组端口电感量，C是直流稳压电容的电容值。根据二阶电路的特性可知，当C<4L/R²时，i_L＝(U₀/ωL)e^-δtsin(ωt)，u_c＝(U₀ω₀/ω)e^-δtsin(ωt+β)。其中U₀是初始时刻的直流稳压电容的电压值，δ＝R/2L，β＝arctan(ω/δ)。在0<t<(π-β)/ω时，直流稳压电容释放电能，直流稳压电容电压为正，且呈现不断下降的趋势。其中，0<t<β/ω时，i_L不断增大，稳压电容释放的电能，一部转化为牵引变压器的牵引绕组端口电感L的磁能，一部分转化为回路总电阻损耗；β/ω<t<(π-β)/ω时，i_L不断下降，稳压电容和绕组端口电感同时向回路电阻释放能量。

对R和L进行设置，使得二阶衰减振荡回路中电感电流的衰减速度e^-δ满足牵引供电接触网从直流供电制式向交流供电制式进行转换的时间要求，其中，δ＝R/2L，R是二阶衰减振荡回路的总电阻，L是单相多绕组牵引变压器的牵引绕组端口电感量。

在直流稳压电容电压过零时刻，关断VT1和VT4，触发VT2和VT3导通，如图5(a)所示，振荡回路电流沿着单相多绕组牵引变压器—VD3—直流稳压电容—VD2—单相多绕组牵引变压器回路流通，此回路可近似等效成图5(b)的二阶振荡电路。(π-β)/ω<t<π/ω时，变压器牵引绕组电流不断下降，牵引绕组端口电感不断向稳压电容和回路电阻释放储能，保证直流稳压电容电压为正，防止直流稳压电容两端因产生反向电压，沿着稳压电容—VD2—VD3—单相多绕组牵引变压器回路释放电能。

在变压器牵引绕组正向电流过零时刻，VT1和VT4持续关断，VT2和VT3持续导通，如图6(a)所示，振荡回路电流沿着直流稳压电容—VT3—单相多绕组牵引变压器—VT2—直流稳压电容回路流通，此回路可近似等效成图6(b)的二阶振荡电路。在π/ω<t<(2π-β)/ω时，直流稳压电容释放电能，电容电压不断下降。其中，π/ω<t<(π+β)/ω时，i_L不断增大，稳压电容释放的电能，一部转化为牵引变压器的牵引绕组端口电感L的磁能，一部分转化为回路总电阻损耗；(π+β)/ω<t<(2π-β)/ω时，i_L不断下降，稳压电容和绕组端口电感同时向回路电阻释放能量。

直流稳压电容电压再次过零时刻，重新触发VT1和VT4导通，关断VT2和VT3。如图7(a)所示，振荡回路电流沿着单相多绕组牵引变压器—VD1—直流稳压电容—VD4—单相多绕组牵引变压器回路流通，此回路可近似等效成图7(b)的二阶振荡电路。(π+β)/ω<t<2π/ω时，变压器牵引绕组电流不断下降，牵引绕组端口电感不断向稳压电容和回路电阻释放储能。

依次反复，电磁能量在LC振荡回路中反复流动，从而在变压器牵引绕组中产生衰减振荡电流，利用衰减振荡电流产生的磁势实现对变压器铁心剩磁的去磁。如图8所示，整个过程中，电感电流i_L＝(U₀/ωL)e^-δtsin(ωt)，与普通的二阶振荡电路的振荡电流完全相同；而直流稳压电容电压u_c＝|(U₀ω₀/ω)e^-δtsin(ωt+β)|,是二阶振荡电路电容电压的绝对值。

t＝4π/ω时，即在i_L第二次衰减振荡周期结束时刻，连通第一连接单元、第二连接单元和第八连接单元，使得高压绕组的首端和尾端分别与受电弓和轮轨相连，牵引绕组的首端和尾端分别与整流器的两个输入端相连，整流器的输出端并联相接于直流稳压电容的两端，形成交流牵引供电系统。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润色，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于LC Plus四象限变流器振荡回路的变压器铁心剩磁的去磁方法，其特征在于，采用一种基于LC Plus四象限变流器振荡回路的变压器铁心剩磁的去磁系统，包括基于单相多绕组牵引变压器的多流制牵引供电系统，该多流制牵引供电系统包括单相多绕组电力机车牵引变压器(1)、牵引电机(7)、DC/AC逆变器(6)、直流稳压电容(5)、整流器、受电弓(2)、牵引供电接触网(3)及轮轨(8)，电压采集电路(11)，PWM发生器(12)，单相多绕组电力机车牵引变压器(1)的高压绕组的首端GA与受电弓之间设有第一连接单元(9)，所述高压绕组的尾端GB与轮轨之间设有第二连接单元(10)，单相多绕组电力机车牵引变压器(1)的牵引绕组的首端QA与整流器的一个输入端之间设有第三连接单元(17)，所述牵引绕组的尾端QB与整流器的另一个输入端之间设有第四连接单元(18)，所述牵引绕组的首端QA与受电弓之间设有第五连接单元(16)，所述直流稳压电容的一端B点与轮轨之间设有第六连接单元(19)，所述直流稳压电容的一端A点与牵引绕组的尾端QB之间设有第七连接单元(20)；

还包括电压采集电路(11)、PWM发生器(12)和第八连接单元(21)，其中，整流器为四象限变流器(4)；

所述第八连接单元(21)设置于直流稳压电容(5)的一端A点与DC/AC逆变器(6)的一个输出端之间；

所述电压采集电路(11)的输入端与直流稳压电容(5)的一端A点相连，输出端与PWM发生器(12)的输入端相连；所述PWM发生器(12)的输出端与整流器(4)的输入端相连；

当牵引供电接触网从直流供电制式向交流供电制式转换时，断开第五连接单元、第六连接单元、第七连接单元和第八连接单元，连通第一连接单元、第二连接单元、第三连接单元和第四连接单元，使得单相多绕组牵引变压器(1)、四象限变流器(4)和直流稳压电容(5)形成二阶衰减振荡电路，基于电压采集电路(11)采集的直流稳压电容上的电压值u_c的正负，通过PWM发生器(12)来控制四象限变流器中各晶体管的通断，使得电磁能量在二阶衰减振荡回路中反复流动，从而在变压器牵引绕组中产生衰减振荡电流，利用衰减振荡电流产生的磁势实现对变压器铁心剩磁的去磁；

其中，所述二阶衰减振荡电路中需要满足C<4L/R²，R是二阶衰减振荡回路的总电阻，L是单相多绕组牵引变压器的牵引绕组端口电感量，C是直流稳压电容的电容值。

2.根据权利要求1所述的基于LC Plus四象限变流器振荡回路的变压器铁心剩磁的去磁方法，其特征在于，通过PWM发生器(12)来控制四象限变流器中各晶体管的通断，改变牵引绕组中形成的衰减振荡电流，具体过程为：利用电压采集电路(11)实时采集直流稳压电容的电压，当u_c>0时，触发VT1和VT4导通，关断VT2和VT3；u_c<0时，触发VT2和VT3导通，关断VT1和VT4。

3.根据权利要求2所述的基于LC Plus四象限变流器振荡回路的变压器铁心剩磁的去磁方法，其特征在于，对R和L进行设置，使得二阶衰减振荡回路中电感电流的衰减速度e^-δ满足牵引供电接触网从直流供电制式向交流供电制式进行转换的时间要求；

其中，δ＝R/2L，R是二阶衰减振荡回路的总电阻，L是单相多绕组牵引变压器的牵引绕组端口电感量。

4.根据权利要求1所述的基于LC Plus四象限变流器振荡回路的变压器铁心剩磁的去磁方法，其特征在于，所述第八连接单元为连接片、手动开关或电控开关。