牵引变流器是交流传动电力机车的核心部件之一，用于直流和交流之间进行电能的变换。为了满足机车起动、调速和制动的需求，要求牵引变流器能够四象限运行。
一、牵引变流器的功能及特点
1.基本功能
牵引变流器的基本功能是将来自接触网的交（直）流电压，变换为频率、幅值可调的三相交流电压，供给交流牵引电动机，将电能转换为机械能，在轮轨间产生牵引力，驱动列车前进。
2.主要特点
（1）四象限整流单元和逆变单元均采用IGBT元件，能对牵引力和制动力实行连续控制，可靠性高，噪声低，省电力。
（2）具有可靠的保护电路和保护装置。
（3）采用高性能的电气元件，能承受短时冲击。
（4）采用模块化设计，便于故障检测和故障排除。
（5）布线科学，降低电磁干扰，保证电磁兼容要求。
二、牵引变流器组成
在交-直-交传动系统中，牵引变流器主要由四象限脉冲整流器（4qc）、直流中间环节（DC-Link）和逆变器（PWMI）组成。典型的两电平牵引变流器电路如图4.9所示。
图4.9 两电平式牵引变流器电路
1.整流器单元
电源侧变流器采用四象限脉冲整流器（4qc），构成交-直变换部分，通过PWM斩波控制方式，可以调节从接触网输入的电流相位，使机车所取的电流波形接近于正弦波形，并能在宽广的负载范围内使机车功率因数接近于1，等效谐波电流减小，有利于提高机车功率因数，降低谐波干扰。此外，四象限脉冲整流器能方便地实现牵引和再生制动的能量转换，可取得显著地节能效果。
2.直流中间环节
中间环节（DC-Link）为支撑电容和二次滤波环节，根据直流中间环节的不同牵引变流器可分为电压型和电流型两种。电压型变流器储能元件采用电容，向逆变器输出的是恒定的直流电压，相当于电压源。电流型变流器储能元件采用电感，向逆变器输出的是恒定的直流电流，相当于电流源。电压型变流器转矩脉动小，对电网的反作用力也小，适合于大功率的干线机车。电流型变流器可以为同步电动机供电或在一些城市轨道交通运输中使用。
在三相交流传动系统中，直流中间环节起着很重要的作用：
（1）在网侧整流器和电机侧逆变器之间实现瞬时功率平衡。
（2）储能电容向牵引电动机提供基波无功功率和高次谐波的通路。
（3）变流器换流能力直接受中间电路电压的影响，逆变器的调制电压质量也取决于其平衡程度，因此对它要求较高。
3.逆变器单元
电动机侧采用三相PWM逆变器，形成直-交流变换部分。逆变器将中间回路直流电压变换成幅值和频率可调的三相交流电压，供给异步牵引电动机。在启动阶段，逆变器按脉宽调制PWM模式进行控制，恒电压频率比输出。当逆变器输出频率达到基频（50Hz）后，转入方波控制模式。
有时也在逆变器和异步牵引电动机之间串入电抗器，用来抑制电机启动过程中的谐波分量，改善转矩脉动状况，保证频繁断开电机电路时不损坏变频器。启动完成后，通过接触器将电抗器短接。
当列车进行再生制动时，主电路结构不发生任何变化，控制系统使异步电机工作在负的转差率下，牵引电机进入发电机状态。
三、电压型四象限脉冲整流器
四象限脉冲整流器能够进行脉宽调制和能量变换，即实现整流和反馈两方面的功能，能够在输入电压和电流平面所在的四个象限工作。作为电力牵引用的变流器，能够实现牵引、制动工况下的前进、后退。
1.四象限整流器的特点
四象限整流器是一个交-直流电力转换系统，它采用IGBT元件，将交流电转换成直流电，其特点如下：
（1）采用可控元件IGBT与二极管反向并联。
（2）直流侧输出电压幅值大于交流侧输入电压幅值，具有升压的作用。
（3）当交流电源电压或直流负载发生变化时，输出电压能被控制在恒定状态。
（4）整流器的功率因数接近于1.0。
（5）采用PWM控制技术。
2.四象限脉冲整流器主电路
根据变流器输出交流处相电压的取值将电压型变流器分为两种：两电平（两点式）和三电平（三点式）。当中间直流电压在2.7～2.8kV时，主电路通常采用两电平式结构；当中间直流电压大于3.6kV时，主电路通常采用三电平式结构。目前交-直-交机车普遍使用两电平式电压型四象限脉冲整流器，其结构如图4.10所示。
图4.10 两电平电压型四象限脉冲整流器构成原理
图中，RF为主变压牵引绕组电阻，LF为主变压器牵引绕组漏电抗，Cd为支撑电容，L2、C2为谐振电感和电容。
3.脉冲整流器的基本原理
四象脉冲限整流器不仅可以将交流转换成直流，使整流器的功率因数接近1.0，而且直流输出电压可以高于交流输入电压有效值。
（1）功率因数控制。
为了使整流器的功率因数在1.0附近，必须采用控制方法，让网侧电流接近于正弦波，并且使电网电压Fu和电流Fi同相。为了控制Fu和Fi同相，输入电路中电感FL的电压LFU是一个很重要的参数，Fi的相位角应滞后LFU90°，LFU的幅值取决于Fi和FL。必须控制整流器输入端电压s1u与电网电压Fu之间的相位，才能使Fi与Fu同相，如图4.11所示。矢量图表明了四象限整流器这些参数之间的关系。
图4.11 脉冲整流器矢量图
（2）升压斩波电路。
四象限脉冲整流器由整流器和储能元件构成，它是一种交直斩波升压电路。分析如下：
例如：当正半波 uF＞0时，触发VT2，则主变压器二次侧绕组将通过VT2、VD4短接，输入电源电压us1＝0，电源处于短路状态。由于主变压器具有足够大的短路阻抗，因此短路电流的上升率有限。电源电压直接加在漏电感 LF上，对漏电感充电，漏电感储存能量。此时，由支撑电容 Cd向负载供电。若此时关断VT2，则变压器二次侧电流经VD1、VD4流入中间回路，变流器工作在整流状态。电源和漏电感 LF共同向直流环节（负载）提供能量，即中间回路直流电压 Ud为电源电压uF和漏电感电压uLF之和，产生升压斩波效果。同理负半波 uF＜ 0也一样具有升压斩波效果。
由于电源侧存在牵引变压器的漏电抗 LF，因而可使中间直流电压 Ud高于由整流二极管VD1～VD4所产生的最大整流电压，即 Ud＞UF，UF为牵引绕组电压的峰值，产生升压斩波的效果，使得在较低的变压器副边绕组电压下，得到较高的中间回路直流电压 Ud。
（3）脉冲整流装置。
分析四象限脉冲整流电路可知：全控桥相同位置处不同性质的元件导通时（VT2、VD4或VT1、VD3），电源处于短路状态。全控桥对角位置处二极管导通时（VD1、VD4或VD3、VD2），整流器工作在整流状态，由电源向负载（直流环节）供电。全控桥对角位置处晶闸管导通时（VT1、VT4或VT3、VT2），整流器工作在逆变反馈状态，直流环节和漏电感共同提供能量，向电源回送能量。即：整流时二极管VD1、VD4或VD3、VD2导通，为不可控整流电路，功率因数高。逆变时VT1、VT4或VT3、VT2导通，为全控整流电路，可实现能量回馈。
由变流器和并联储能器构成，并按PWM方式工作，能够把交流能量变换为直流能量的装置，称为脉冲整流装置。
脉冲整流器是利用牵引变压器漏电抗的储能作用，达到升压的目的。脉冲整流器具有整流、稳压作用，其功率因数接近于1，并能实现电能的反馈。电压型脉冲整流器在保证电源电流不发生畸变并能与电源电压保持同相位的情况下，其输出端提供恒定、平整的直流电压，其输出直流电流的大小与负载特性有关。
（4）脉冲整流器的工作原理。
脉冲整流器的每个桥臂电路的通断控制由三角载波和正弦调制波的交点（PWM）来决定。两个桥臂的正弦调制波相位相差 180°，通过控制调制频率来控制各路元件的导通和关断，使直流电压在变流器输入端产生工频正弦交流电压，且使变压器二次侧电流与二次侧电压同相位，波形畸变系数减小，使机车功率因数接近于1。由于上下桥臂的晶闸管不允许同时导通，控制各开关支路的导通和关断，即可实现脉宽调制和能量转换。
根据 uF、iF和us1的关系，可以列出脉冲整流器的12种工作状态，如表4.1所示。
表4.1 电压型四象限脉冲变流器的工作状态
从表4.1中可以看出交流电源uF、变压器漏抗 LF和直流侧回路之间的能量转移关系如下：当s1F0ui=，电源短接；当s1F0ui＞，整流状态；当s1F0ui＜，逆变状态。
虽然整流和逆变状态各有4个，但实际机车上只需要I、III象限的整流状态和II、IV象限的逆变状态。四象限脉冲整流器能在两个方向导通电流，而与所施加的电压极性无关，能够方便地实现牵引与再生制动的转换。
四、中间直流电路
在交-直-交变流器中，中间回路即储能器是连接四象限脉冲整流器和负载端逆变器之间的纽带，它不仅起到稳定中间环节直流电压的作用，而且还承担着前后两级变流器进行无功功率交换和谐波功率交换的作用。
电压型脉冲四象限整流器中间环节由两部分组成：一部分是2倍电网频率的串联谐振电路（也可以取消），另一部分是支撑电容器（滤波电容器）和过电压限制电路。
1.二次谐波滤波电路
当整流器的输入为标准的正弦电压，在理想整流器前提下，直流功率和交流功率的平均值应相等，经过计算得出变流器直流侧电流为：
储能器的电流为：
由于加在储能器上的电压是一个纯直流电压，而输出的电流是一个脉动电流，储能器应是一个具有2倍网频的电容器和电抗器组成的串联谐振电路。二次串联谐振电路的作用是消除二次谐波，让二次谐波电流从谐振电路中流过，以减少电流波形的畸变，使直流分量流入负载。谐振电路的无功功率与变压器漏抗的功率交换，降低了电源瞬时功率的脉动分量。
2.支撑电容器
在理想情况下，特别是当负载纯粹是一个电阻时，反映漏电感和四象限整流器之间无功功率变换的二次谐波电流从串联谐振电路上流过，流到负载上的是一个纯直流分量，所以不需要另外一个储能器即支撑电容Cd。而实际上二次谐波电流并没有完全从串联谐振电路中流过，还需要一个储能器来承担一部分与漏电抗交换无功功率的任务，因此在脉冲整流器输出端（中间回路）设置有储能器即支撑电容Cd。
在脉宽调制过程中，支撑电容器Cd与脉冲整流器、逆变器交换无功功率和谐波功率，同时还与异步电机交换无功功率。由于串励谐振电路中实际存在电阻，二次谐波电流并非全部通过谐振电路，而是有一部分电流通过支撑电容器分流。支撑电容Cd为储能器，支撑中间回路电压使其保持稳定。
在交-直-交电力机车实施电气制动时，反馈到直流环节的能量将通过四象限整流器全部回馈到电网上。而当列车出现打滑、空转或者受电弓出现网压中断等情况时，中间直流环节可能出现瞬时过电压。为了防止过电压对变流器的损坏，在中间环节设置瞬时过电压限制电路，也称过电压保护斩波电路。
五、电压型逆变器
逆变器与整流器工作过程相反，它是将直流电变换为交流电的装置。逆变器可分为有源逆变器和无源逆变器。如交流侧接负载则为无源逆变器，交流侧接电网则为有源逆变器。交-直-交型电力机车的牵引逆变器属于有源逆变器，其作用是把中间直流电压变换为三相交流电压，为异步牵引电动机提供频率和电压可调的三相交流电源，通过调节三相输出电压波形控制牵引电动机的磁通和转矩。
异步牵引电动机的牵引性能主要取决于逆变器的控制。提高逆变器的开关频率，采用磁场定向控制和直接转矩控制等高动态性能控制技术，有利于提高异步电动机的牵引性能。牵引逆变器一般采用电压型，按照输出特性，分为六阶波形和PWM型。PWM型按输出电平数目的不同分为两电平（两点式）和三电平（三点式）两种。以目前普遍使用的两电平式电路为例进行分析。
1.逆变器电路的结构
逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电压。三相逆变器电路由6个全控开关元件VT1～VT6和二极管VD1～VD6构成。可以认为由3个单相半控桥逆变电路组合而成，产生相位互差 120°的三相电压波形，其电路如图4.12所示。图中三相负载接在三相半控桥的输出端，为了分析方便将直流电源看成两个电源的串联，假设中点为“o”。
图4.12 三相逆变器电路
三相逆变电路采用PWM控制方式。在每个周期中，控制各个器件轮流导通和关断，可在输出端得到三相交流电压。改变开关导通和关断的时间，即可得到不同的输出频率。
2.逆变器电路的工作原理
三相逆变电路采用PWM控制技术，电路中VT1～VT6各元件每隔60°轮换导通。其导通顺序为：VT1、VT2、VT3→VT2、VT3、VT4→VT3、VT4、VT5→VT4、VT5、VT6→VT5、VT6、VT1→VT6、VT1、VT2。在每一时刻都有3个开关元件同时导通。
对于A相，当桥臂1导通时，uao=Ud/2；当桥臂4导通时，uao=-Ud/2，即uao的波形是幅值为Ud/2的方波。B、C相的情况与A相类似，其波形ubo、uco与uao相同，只是在相位上相差120°电角度。
逆变电路输出线电压即两个半控桥输出电压差为：
假如负载中点 n 与直流电源假想中点 o之间的电压为uon，则各相负载端的相电压分别为：
将式4.4相加，经整理可得到中点电压为：
由于电路的输出波形仅与开关的状态有关，与负载性质无关。根据式4.4可以得到各个半控桥输出端a、b、c对假象中点的电压波形，它们均为180°方波交流电，开关导通均为180°，这种电路称为180°导电型逆变电路。各开关元件的导通情况和电压、电流波形如图4.13所示。
图4.13 三相电压型逆变器电路电压、电流波形
在逆变器的输出中，由于使用开关阵列的逆变电源，不论是线电压还是相电压其波形都不是标准的正弦波，而是 PWM控制的调制波，除基波分量外还包含许多高次谐波分量，这些谐波将对电机的稳定运行带来诸如谐波发热、转矩脉动和磁噪声等不良影响。为了改善逆变器输出的脉动，可采用多重化逆变器电路，相当于相控机车的多段桥顺序控制。
六、牵引变流器的维护保养和检查
1.维护保养检查注意事项
（1）试验和检查前必须切断高压电路。
（2）切断主断路器，降下受电弓，闭合变流器装置试验开关，通过显示屏确认变流器内的电容放电完毕（15V以下）。
（3）为了变流器内部的散热，在背面上部盖以及背面下部盖上设置了12×12的方孔。因为有高压触电的危险，所以在高压充电中禁止将突出物等物件插入方孔。
（4）变流器停止运转后，仍有暂时过热的部件，一旦触摸就有被烧伤的危险，因此要充分冷却后（30min以上）再开始检查。
（5）变流器内20 kg以上的重物要恰当使用起重机，注意重心位置进行安全作业。
（6）更换不良零部件时，使用和以前相同型号的零部件。
（7）检查、维护保养、修理后，检查确认在变流器内是否遗留了使用的工具等物件。
（8）不要坐在变流器及配管上。
（9）根据标准紧固扭矩进行螺栓的紧固。
（10）不要用手直接触摸组装在安装座上的部件和连接器端子。
（11）慎重使用电路板和端子，并特别注意不要污损。
（12）检查电路板时注意静电。
（13）将电路板放入防静电袋中进行保管和搬运
（14）不要轻易用手触摸光纤。
（15）不要将光纤过渡弯曲，弯曲半径不能超过50 mm。
（16）不要将光纤接近照明设备等发热物体。
总之，在维护保养时，常伴有危险发生，一定要充分注意人员的安全和设备的保护。特别是对充电部件的检查，确认切断电路并已经可靠接地。
2.维护、保养和检查项目
牵引变流器维护、保养和检查项目如表4.2所示。
表4.2 牵引变流器维护、保养和检查项目
续表4.2
续表4.2
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