[发明专利]一种用于高铁机车辅助电源变流器系统的高频滤波电感

说明书

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。