1 工作原理
本文以铝电解电容器作为辅助变流器的支撑电容进行分析与设计。当辅助变流器的支撑电容采用铝电解电容器时，可以用串联的方式提高工作电压，用并联的方式提升过纹波电流的能力。
当辅助变流器的主电路采用铝电解电容器串联方式时，辅助变流器常用的充/放电电路如图1所示。其中R1为充电电阻器，R5为放电电阻器，KM1短接接触器，KM2充电接触器，KM3为放电接触器，R2~R4为均压电阻器，R6和R7为接地保护电阻器，L为升压电感器，C1~C3为支撑电容器，V1~V4为整流模块的IGBT。
通常情况下，辅助变流器可用图2所示逻辑时序以保证系统的正常工作，其启动程序为：当控制系统接入DC110V电源并完成自复位后，一旦检测到输入电压在正常的电压范围内，就闭合充电接触器，对辅助变流器进行预充电，直到支撑电容电压达到一定值后，闭合短接接触器，断开充电接触器。自此，系统完成了预充电过程。
2充电时间分析
对图1中的充电过程电路进行等效，可得到如图3所示的一阶RC等效电路。
一般认为，在输入电压的作用下，当充电时间t=(3~5)τ（τ=RC）时，电容器的电压将达到95%的输入电压。然而在实际测试中发现，充电时，即使使用了5τ的充电时间，电容器的电压也可能只达到70%的峰值输入电压，这是因为充电时电容器上的电荷聚集需要一定的时间。同理，放电时，电荷的释放也需要一定的时间，即所谓的充放电过程时间滞后现象。
2.1 电容器的介质吸收
假设将电容器充电到电压U后立即将其短路，随即断开短路接触器并经过一段时间后，发现电容器两端又出现了一定数值的电压Ua，即剩余电压，其由电容器的介质吸收现象所造成。这主要是由于电容器内部介质中，部分质点的正电荷沿电场方向作有限位移，负电荷逆电场方向位移，介质内产生了感应偶极子。位移的结果是在介质表面产生了感应电荷，该现象被称为介质的极化。产生介质吸收现象的根本原因在于电容器介质极化过程较缓慢，多数偶极性介质在加上电压后未能被完全极化，而是需要一定时间来按电场趋向排列偶极子；同时电解电容器内部膜的表面存在大量的坑洞，坑洞上面的电荷不能瞬时完成充/放电，致使充放电过程产生一定时间的滞后。
2.2 电容器的吸收系数
考虑介质吸收效应时，电容器可用图4所示的电路进行等效。其中，Ca为吸收电容，ra为电路吸收电阻，R为绝缘电阻，C∞为由极化充电电流所建立的电容。
将电容充电到一定电压U时，C∞上的电量通过电阻R5被瞬间释放，放电速度取决于电路的时间常数τ（τ=R5C∞）；但由介质极化建立的电容即吸收电容Ca则通过电阻（R5+ra）放电，放电速率决定于时间常数τa，τa=Ca（R5+ra）。由于ra阻值远大于放电电阻R5的，因此当放电时间较短时，Ca上的电量还未被释放完毕，电路就已处于断开状态。此时Ca上的电量大于C∞上的，Ca则向C∞充电，直到C∞与Ca上的电荷平衡为止。电容器两端的电压从短接放电时的零电压，到开路后随时间逐渐增大，达到最大值后依靠电容器的自身放电又随时间逐渐降低。因此若要使电容器上的电压达到0.95U，经过3~5倍R5的充电时间是不够的，而是要根据吸收回路的时间常数τa=（ra+R5）C∞决定，该参数越大，则充放电过程越长。
3 接触器控制逻辑设计
通过理论计算可以得知，对辅助变流器进行充电时，支撑回路直流电压最大可以到输入电压的峰值。通过对电容器吸收系数的分析可以看出，主电路充电完成时间不能由时间常数来确定。电容器经过5τ充电时间，其电压可能只能达到输入电压峰值的70%，此时闭合短接接触器，同样会产生较大的电流冲击，给电容器以及短接接触器造成一定的损伤，影响器件的寿命。因此需要将直流电压设置为输入电压有效值的1.35倍以上时，才能认为充电过程完成，其控制时序如图2所示。
当辅助变流器不工作或处于检修状态时，需要将支撑电容器放电使电压至安全电压(36V)以下，通常设计为直流电压大于36V就闭合放电接触器。但直流电压即使小于36V也不能立即断开放电接触器，这是因为放电接触器断开后，吸收电容会对极化电容进行充电，导致直流电压瞬间又能大于36V，致使接触器在36V的门槛附近反复地闭合、断开。为了杜绝这种现象的发生，需要对放电接触器动作门槛做一个回差设计。由于电容器的吸收系数一般为5%，因此断开门槛值为36V的95%，即34.2V。为了便于软件设计，将断开门槛值定为34V，即当电压大于36V，闭合放电接触器；若低于34V，则断开放电接触器。这样能够避免放电接触器在动作门槛附近反复地合/断操作，从而延长放电接触器的使用寿命。
结语：
针对支撑电容器对辅助变流器预充电系统充放电时间的影响问题，本文基于实际电容器等效模型，研究分析了铝电解电容器内部的介质吸收原理，并通过预充电电路的仿真和试验，验证了充电时间理论计算值与实测值之间的差异，证实了支撑电容器对充电时间存在滞后影响。文中还依据理论分析和计算结果，对预充电系统控制器的控制逻辑进行了优化设计。本文的研究可为变流器充电过程的分析提供理论依据和参考。
参考文献：
[1]邹档兵,翁星方,荣智林,等.轨道牵引用主变流器充放电电阻的参数计算与选型方法[J].机车电传动，2012(3):20-22.
[2]陈永真.整流滤波与DC-Link电容器特性·工作状态分析·选型[M].北京:科学出版社,2013.
