HXDC型电力机车牵引变流器电气原理分析与检修

1、HUNAN RAILVWY PROFESSIONAL TECHNOLOGY COLLEGE2021届毕业设计说明书HXD1（型电力机车牵引变流器电气 原理分析与检修专业系班 级学生姓名 指导教师完成日期 2021 届毕业设计任务书一、课题名称HXD1C型电力机车牵引变流器电气原理分析与使用维护二、指导教师：第1周至第 10周进展三、设计内容与要求1 课题概述 完本钱课题的设计要求学生具有电路、电力电子变流技术、模拟电子与数字电子技术及工厂电气控制 设备等方面的根底知识。本课题与电力电子变流技术有着密切的关系，随着电力变流技术的飞速开展，越来越多的机车采用交流电机作为牵引源，交流机车牵引电机采用

2、牵引变流器提供变压变频电源实现变频调速及牵引功率的调节。 变频调速易于实现电机车的平稳启动和调速运行，并具有能耗低、调速范围广、静态稳定性好等诸多优点。 通过本课题的设计，学生能够熟练掌握电力电子开关器件IGBT的特性及应用，深入理解电力电子变流技术在交传机车牵引电机调速领域的应用。同时，通过对交传电力机车牵引变流器主电路与控制电路的分析, 培养学生进展运用所学知识分析与解决实际问题的能力以及创新设计能力。2设计内容与要求1) 大功率交传机车主传动系统分析1主传动系统的构造及技术特点； 2交传机车牵引电机的构造与工作原理，大功率交传机车牵引电机常用的调速方式与功率调节方式；3对交流机车牵引传动

3、采用变频调速、调功与其它方式进展比照分析；2) TGA9型牵引变流器主电路分析1多重四象限整流电路工作原理分析：查阅相关技术资料，对牵引变流器常用的整流电路类型进展分析，重点对 TGA9型多重四象限整流电路进展技术分析；2) 中间直流环节滤波电路的构造与电路分析，滤波电容预充电的方式；3PWM逆变器构造与工作原理分析；常用逆变开关器件的构造与工作原理，重点对IGBT的构造及集成驱动电路进展分析；3 TGA9 型牵引变流器控制电路的设计与分析1掌握常用PWM芯片的构造与工作原理，根据电气原理图对PWM逆变控制电路进展分析； 2牵引变流器过流、过压与温度保护电路的分析。4TGA9型牵引变流器的使用

4、维护四、设计参考书1 周志敏等，IGBT和IPM及其应用电路，人民邮电出版社出版2 变频调速三相异步牵引电动机的设计3 徐立娟、张莹，电力电子技术，高等教育出版社4 王青松，三相电流型多电平整流器的研究，浙江大学硕士学位论文5 郭佳，电力机车辅助变流器三相逆变器的控制研究，北京交通大学硕士学位论文6 林渭勋，现代电力电子电路 , 浙江大学出版社五、设计说明书要求1封面2目录3内容摘要 200400 字左右，中英文4引言5正文设计方案比拟与选择、设计方案原理、计算、分析、论证，设计结果的说明及特点 6完毕语7附录参考文献、图纸、材料清单等六、毕业设计进程安排1第 1 周熟悉毕业设计具体任务，进展

5、相关资料收集，了解设计原理，选定设计方案。2第 2 周至第 3 周完成交传机车主传动系统的构造与工作原理的分析。3第4周至6周完成对TGA9型牵引变流器控制电路的构造与工作原理的分析，查找资料完成牵引变 流器的日常使用与维护。4第7至8周进展毕业设计论文初稿的撰写。5第9周完成论文初稿的编写。6 .第10周完成设计任务书。7.准备毕业设计辩论。七、毕业设计辩论及论文要求1 毕业设计辩论要求 辩论前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅， 由指导教师写出审阅意见。学生辩论时对自述局部应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参 考

6、文献、设计的根本内容和主要方法、成果结论和评价。辩论小组质询课题的关键问题， 质询与课题密切相关的根本理论、 知识、 设计与计算方法、 实验方法、 测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。2.毕业设计论文要求文字要求 :说明书要求打印 （除图纸外 ） ，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允 许抄袭。图纸要求 : 按工程制图标准制图， 图面整洁， 布局合理， 线条粗细均匀， 圆弧连接光滑， 尺寸标注标准， 文字注释必须使用工程字书写。曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。2021年 6 月摘要HXD1型电力机

7、车，运行稳定、可靠，能满足该型电力机车的运用要求，实现模块化，通 用化，降低了机车运营和维护本钱。HXD1型电力机车作为我国国产率最高的新型大功率机车， 在现代化铁路运输起着无可替代的重要作用。本毕业设计针对HXD1型机车牵引变流器及控制系统的技术特点和主要参数，描述了其构 造阐述了牵引变流器功能模块和功能原理。对 HXD1型机车在运用中主变流器、制动系统、辅 助系统等常见故障进展原因分析 , 并介绍相应的措施。关键词：电力机车 牵引变流器 冷却系统 控制系统电力机车 常见故障 应对措施。AbstractHXD1C type electric locomotive, the operati o

8、n is stable and reliable, and can satisfy the use of this type of electric locomotive requirements, realize modular, universal, reduce the locomotive operation and maintenance costs. HXD1C type electric locomotives in China GuoChanLv highest new type high power locomotive. In modern railway transpor

9、tation plays an irreplaceable important role.The design specification for HXD1C locomotive traction converters and control systems tech ni cal characteristics and main parameters, describes its structure elaborated tracti on conv erter function module and function principle. HXD1C locomotive main co

10、nverter, braking system, auxiliary systems and com mon faults in the use of reas on an alysis. And in troduce appropriate measuresKeywords:Electric locomotiveTracti on con verterCooli ng system Con trol system of electriclocomotive Com mon faults; Measures目录第一章 大功率交传机车主传动系统 01.1 主传动系统的构造及技术特点 01.2 交

11、传机车牵引电机的构造 . 11.3 大功率交传机车牵引电机常用的调速方式与功率调节方式 . 1第二章TGA9 型牵引变流器主电路分析 52.1 牵引变流器的简介 52.1.1 牵引变流器的主要技术特点 62.1.2 牵引变流器的主要参数 62.1.3 牵引变流器的构造 62.2 多重四象限整流电路工作原理 72.2.1 四象限整流器 82.2.2 滤波电容的设计 112.2.3 滤波电容充电、放电过程 112.3 中间直流环节滤波电路的构造与电路 132.3.1 中间支撑电容 132.3.2 谐振吸收回路 132.3.3 接地故障检测及固定放电电阻 142.3.4 斩波放电 （ 直流放电 ）电

12、路 142.4 PWM逆变器构造及工作原理 152.4.1 PWM 逆变器构造。 152.4.2 PWM 逆变器原理。 15243 电压型PWM§流器间接电流控制 172.5常用PWM芯片工作原理 182.6 脉宽调制逆变器 192.7 逆变桥的换相过程 202.8 三相逆变器的变频变压的原理分析 212.8.1 根本工作方式 180°导电方式 212.8.2 波形分析图 2.25 212.9 IGBT的构造及集成驱动电路分析 222.9.1 IGBT 的构造 222.9.2 IGBT 集成驱动电路 242.9.3 设计栅极驱动电路时，主要考虑的问题 242.10 牵引变流

13、器过流、过压与温度保护电路 253.1 牵引变流柜故障 273.1.1 整流，逆变模块 273.1.2 TCU 控制箱插件板 . 283.1.3 网络控制模块故障 283.1.4 牵引变流器短接接触器 283.2 制动系统 293.3 车顶设备 293.4 辅助系统 29心得体会 31参考文献 32第一章 大功率交传机车主传动系统1.1 主传动系统的构造及技术特点交流传动技术是一门综合技术， 但其本质的特点是牵引电机采用了交流异步电动机， 其一 系列的有点都是由此变现出来的。 与传统的直流传动机车相比， 交流传动机车具有一些明显的 优势1、构造简单交流传动采用的异步电动机除轴承外，没有其它摩擦

14、部件，构造简单， 使得其可靠性大大 优于直流牵引电动机。 直流电动机由于受到换向和机械强度的限制， 最高转速只能达 25O0r/min 左右，而交流电机的转速可达 4O00r/min 以上。所以，在同样功率的情况下， 交流电机体积小， 重量轻，从而改善了机车的动力学性能。2、粘着性能好异步电动机具有很硬的机械特性，当某个轮对发生空转时，随着转速的升高， 转矩很快降 低，具有很强的恢复粘着能力。空转发生时，转速上升值不大，这样，机车在同样的粘着重量 下，可以发挥出更大的起动牵引力和持续牵引力。 异步电动机的工作点可以很方便地进展平滑 调节，以实现最大可能的粘着利用，不会出现粘着中断的情况。同时，

15、通过各轴的单独控制， 当某台电机发生空转时， 可调节该台电机，这样能充分利用机车的粘着性能。由于上述特性和 良好的控制功能，交流传动系统的粘着系数可以利用得很高。3、功率大，恒功率范围广现代交流传动机车最大轮周功率可达 1600kW-1800kW制动功率可做到与额定牵引功率相 等，恒功率速度比 2.5-3 。牵引功率大导致牵引力大，而又由于粘着性能好，大的牵引力能充 分发挥其牵引能力。因此，交流传动机车有强的使用灵活性，它既可满足货运的大的起动牵引 力要求，又可满足客运高速度的要求，做到客货机车通用，实现机车多拉快跑的目的。4、可靠性高且维修简便异步电动机无换向器、无电刷装置 ;密封性好，防潮

16、、防尘、防雪性能好 ; 全部电气部件均 是绝缘的，且所用绝缘材料均为 H级或F级，绝缘性能好，耐热性能好。因此故障率低，可靠 性高。同时，交流传动机车的电气主回路，取消了方向转换开关、工况转换开关等故障率较高 的大电器，机车控制都是通过微机控制完成，主传动系统的可靠性很高，维修量很小，且检修 简便，维修费用大大降低。5、动力性能与制动性能好异步电动机体积小、重量轻，同时采用特殊的悬挂装置，簧下重量小，有较高的曲线通过 能力，对轨面的冲击力小。可在广阔的速度范围内实现电制动，甚至可以制动到零，制动功率 大。一局部电制动的能量可用于其它辅助设备。1.2交传机车牵引电机的构造.电动机运行的三相异步电

17、机。三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间 存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。图1.1电动机外观图电动机有两大局部组成：定子和转子定子：定子是电动机静止不动的局部。定子由定子铁芯、定子绕组和机座三局部组成 转子：电机中的旋转部件。转子由转子铁心和转子绕组组成：1、转子铁心：和定子铁心一样，既是电动机磁路的一局部，又能安放转子绕组。2、转子绕组：有笼型和绕线型两种。1笼型绕组：导体用铜条或铝条，两头用端环联接。构造可靠简单，但是转子电阻 固定。2绕线型转子：接成星型的三相绕组通过滑环与外电路联接，便于串入电阻改善电 动机的运行性

18、能。1.3大功率交传机车牵引电机常用的调速方式与功率调节方式1.3大功率交流传动机车牵引电机常用的调速方式与功率调节方式异步电动机的转速n60 f2、n (1 s)n1 (1 s) - 1-1P从上式可见，改变供电频率f2电动机的极对数P及转差率S均可太到改变转速的目的。从 调速的本质来看， 不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。 在 生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调 速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有 改变定子极对数的多速电动机， 改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电

19、动机调速等。从调速时的能耗观点来看， 有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法如串级调速等。有转差损耗的调速方法属低效调速， 如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油 中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。1 变频调速在保证电动机变频时磁通不变， 该方式通过调节电源频率实现无极调速； 变频调速方式又 分交交与交直交两大类型，而后一种类型又分为电压源型与电流源型。2 串级调速该方式

20、针对绕线转子异步电动机转子串入一个反电动势进而到达调速的目的。 串级调速 有电子串级和电机串级两种方式。 电子串级方式由整流器、电抗滤波器和有源滤波器组成。 转 子中的转差功率通过整流器整流、 电抗滤波后，由晶闸管变换装置装换为工频交流电，经逆变 变压器馈送给电网，或馈送给电动机定子变成为附加的电磁功率，此方式称为内反应方式。 电 机串级调速方式那么采用附加的直流电动机将转差功率变为机械能， 馈送给主电动机机械串 级，或通过异步电动机转变为工频电馈送给电网，该方式目前又被内反应式取代的趋势。串级调速可以将差功率收回，整体效率高。 但该方式如采用开环的方式， 电动机机械特性 较软，且仅适用于绕线

21、转子异步电动机。3 双馈电动机调速双馈电动机调速就是对绕线转子异步电动机的定子馈入恒压额定电压恒频工频 电源、转子馈入变压频电源的特殊型串级调速。该方式的容量在国内已到达2400KV，国外已到达几十兆瓦。该方式既可次同步调速，有可以超同步调速；但缺点是仅适应于绕线转子异步 电动机4 变极调速该调速方式通过改变定子绕组的接法去改变极对数，进而实现有级调速；假设对高电压 大功率电动机进展调速，对所采用的转换开关的要求比拟高，一般采用油浸式或真空式开关。5变阻调速该方式通过在绕线转子异步电动机的转子回路中串入可变电阻，以改变电流，降低输出转柜，即加大转差的方法实现调速。该方式调速范围小，一般为50%

22、100%为满足大功率调速的要求，且所串电阻一般为液体电阻或调速用频敏电阻。6液力偶合器调速这是一种中间环节的调速装置，它以笼型电动机为原动机，以液体油为工质，由泵 轮和涡轮组成。泵轮由原动机驱动，带开工质油旋转，油所产生的动能和压油的动能和压力， 从而改变泵轮与涡轮的转差，实现液力偶合无极调速。其功过原理如图1.2示。图1.2液压偶合器工作原理液力偶合器从构造上可以分为进口调节式、出口调节式和进出口调节式三种类型，国内系列化产生的液力偶合器功率范围为 506300KW调速范围为10%90%调速比为4:1或5:1， 适合于3000r/min以下的大功率风机、泵类负载。缺点是： 液力偶合器使用得电

23、动机与负载之 间没有直接连接，当液力偶合器出现故障时，没法切换为工频运行；油、水泵系统维修率高额定功率的15%表1 .1各种调速方法的比拟调速方法变频率f改变转差率s变极对数pn双馈电动机晶闸管串级调速转子串级电阻调速液力偶合器调速电动机类型异步电动机绕线转子异步电动机绕线转子异步电动机绕线转子异步电动机笼型异步电动机多速异步电动机功率范围/KW数千国内已到达2400以上3020004数千30数千0.45100调速范围5： 110:12:14:12:14:12:15:12:14:1转速变化率小低速时大较小大大较小平滑性能好好好好好有级转矩特性恒转矩恒功率恒转矩恒转矩恒转矩恒转矩或恒功率效率%9

24、0以上95以上80901-s1-s7090功率因数0.30.90.80.350.750.80.90.650.90.60.9投资费用高较咼较咼低一般低适用场合辊道、高速传动及风机水泵等分机、水泵等风机、水泵等频繁起动、短时低速运行。风机、水泵等机床、化工搅 拌机、起重机 械、风机、水泵等第二章TGA9型牵引变流器主电路分析2.1牵引变流器的简介电力机车交流牵引传动系统主要包括各高压设备、主变压器、牵引变流器、牵引电机及相应控制系统。其中，牵引变流器是电力机车传动级控制的核心部件，其功能是实现将工频电网 中交流电通过变频变压控制，变换为适合于交流电力机车运行要求及频率可变的交流电。图 2.1所示。

25、是我国自行研制的交流传动干线货运机车的牵引变流器。图2.1牵引变流器外观图牵引变流器参数额定输入电压：970/50HZ额定输入电流：3*1390A中间电压：DC 1800V额定输出电压：3AC 1375V额定输出电流：3*598A最大输出电流：3*814A控制电压 DC 110V辅助电源：三相440/60HZ外形尺寸：3100*1060*2000mm质量：2500kg该牵引变流器主电路采用交一直一交构造，由电源侧整流器和电机侧逆变器两局部组成， 中间直流电路采用大容量支撑电容储能的电压型构造，保证了两侧变流器（整流和逆变）能够在互不干扰的情况下工作。整流器采用四象限整流器，有利于提高机车的功率

26、因素，减少谐波电 流分量。逆变器采用单轴控制，当某一轴出现故障时，可以将其隔离，只损失局部牵引力，有利于机车运用。中间直流回路连接有二次谐振电路、过压保护电路和接地检测电路等。此外，控制系统还采用了直接转矩控制技术、再生制动技术、TCN网络技术等先进的控制技术。2.1.1 牵引变流器的主要技术特点1主电路特点。 牵引变流器输入端为三重四象限变流器网侧变流器 ，直接连接到主 变压器的 3 个牵引绕组输出端； 牵引变流器输出端为三相逆变器电机侧变流器 ，直接与牵 引电机连接； 中间直流环节包括支撑电容器、 二次谐振电路、 过压斩波电路、 接地检测电路等。 开关元件采用 3 300 V/1 200

27、A 等级 IGBT 元件，技术成熟可靠。2控制电路特点。 变流器输入端采用四象限变流器控制方式，具有中间直流环节电压稳 定、功率因数接近于 1、 能量可再生等优点； 输出端采用异步电机直接转矩控制方式， 具 有动态响应特性优良、 控制简介高效、 牵引力变化平稳等优点。3构造设计特点。 各部件采用模块化设计，具有整体构造相对简单、检修维护方便等优 点。4冷却系统特点牵引变流器冷却采用水冷却方式，具有冷却效率高、 体积质量小、维护方便等优点2.1.2 牵引变流器的主要参数变流器的主要电气和构造参数如表 2.1 所示。2.1.3 牵引变流器的构造牵引变流器作为一台完整的组装设备安装在机械间内 , 由

28、变流器模块 、牵引控制单元 TCU、线路接触器和预充电单元、接地检测单元、谐振电容、斩波电阻、冷却系统及各类监 视控制传感器组成，各类部件可以方便地拆卸。斩波电阻布置在变流器侧面，左侧预留了检修 空间，检修时可以从侧面取出。谐振电容布置在变流器背部，检修时需要将变流器吊出，但是 谐振电容一般故障率较低。 其余部件均布置在变流路正面。表2.1变流器主要电气和构造参数工程技术参数四象限变流器额定输入电压/V 额定输入电流/A 最大输入电流/A 元件开关频率/Hz 控制方式AC 97013901544450中间直流环节中间直流电压/V支持电容/mF二次协振电感/mH二次协振频率/HzDC 18002

29、5.80.27100逆变器输出电压/V 额定输出电流/A 最大输出电流/A 极薄频率范围/Hz 控制方式三相AC 01 4045988140 117直接转矩控制冷却参数冷却方式水和添加剂体积比散热功率/kW强迫水循环冷却44%/56%80构造参数夕卜观尺寸 mm*mm*mm质量/kg3100X 1060 X 200长X宽X高约 25002.2多重四象限整流电路工作原理牵引变流器电路原理图见图2.2,其功能和状态参数均由TCU监控和保护.机车在牵引工况 时,变流器将主变压器次边绕组上的单相交流电转变成驱动牵引电机所需的变压变频三相电制 开工况时.牵引电机处于发电工况，变流器将电机发出的电能反应给

30、电网，以第一个主电路单元 为例说明变流器主电路的工作原理牵引变压器牵引绕组al原x1输入电压首先经由KM4 R1组 成的充电回路对直流回路的支撑电容充电充电完成后闭合短接接触器KM牵引工况时单相工 频电网电压经四象限PWM整流器整流为1800V直流电压.再经逆变器逆变为三相VVV电压供应 牵引电机,再生制开工况时牵引电机发出的三相电压经整流，逆变后通过牵引变压器，受电弓反应回电网,电抗器L1和C3C8组成二次谐振回路.用于滤除四象限PWM整流器输出的二次谐波 电流RCH1为过压斩波电阻，用于直流回路的过电压抑制R4为固定放电电阻袁用于将支撑电容 上的电压放至平安电压以下；R8 R9为直流分压电

31、阻、中点接地，用于变流器主电路接地检。EM* n IKMDT3備，白灯灼IkJkhlJW_Cd=-i rnu thFTIYiMl診并 _二4 vyyv电石也中rLiiiu mLI IILm图2.2变流器电路原理图、四象限整流器在牵引变流器中，四象限整流器设计成变流器模块的形式，外观图参见图2.3。变流器模块(以下简称模块)集成了 IGBT元件、水冷散热器、温度传感器、门控单元、门控电源、脉冲分 配单元、支撑电容器、低感母排等部件。模块上IGBT元件之间及与支撑电容的连接使用低感母 排(Busba:)，减少了线路上的杂散电感，省去了吸收电路，使电路更为简洁可靠。脉冲分配单 元与门控单元间的信号传

32、输通过光纤实现，解决了高压隔离问题，提高了模块的抗干扰性能。图2.3变流器模块的外观图四象限整流器在牵引工况下进展交-直变换，将来自牵引变压器的单相交流输入电压转换为直流电压，为中间电路提供电能：在再生制开工况时，通过中间直流电路进展直-交变换,将电能回馈电网四象限整流器（4QS）这一术语表示的是在牵引工况以及制开工况下，电压 Ust和电流In间 的相位角完全可调节的。通过对电压和电流间的相位角控制，能够在全部四象限内工作， 从而 实现能量的双向流动图2.4四象整流电路图原理采用IGBT乍为开关器件的四象限整流器，由高运算粗粒能力的 DS产生PW脉冲进展控制。 当电机工作在电动状态的时候，整流

33、控制单元控制整流侧IGBT勺开关和通断。IGBT勺开通与断 开与输入电抗器共同作用产生了与输入电压相位一致的正弹性弦电流波形，这样就消除了二极管整流产生的谐波。使功率因数高达99%消除了对电网的谐波污染。此时能量从电网经由整 流回路和逆流回路向电机，变流器工作在第一，第三象限。输入电压和输入电流波形如图2.5所示。图2.5输入电压和输出电流的波形当电动机工作在发电机状态的时候，电机产生的能量通过逆变侧的热、二极管回馈到直流母线，当直流母线电压超过一定的值，整流侧能量回馈控制局部启动，将直流逆变成交流， 此时能量由电机通过逆变侧、整流侧流向电网。变流器工作在二。四象限。输入电抗器的主要 功能是电

34、流滤波。回馈电流和电网电压的波形如图 2.6所示。图2.6回馈电流和电网电压的波形简单的电压型四象限脉冲整流器的根本原理，储能器与直流侧负载并联。结合图 2.7PWM整流器的理想模型来说明PWM变流电路的根本功能：图2. 7 PW整流器在图2. 7中，AC/DC变流器为PWM整流电路的主电路，输入局部由电网电动势 u和 交流侧电感L组成，输出局部那么是由负载电阻 Rl和负载电动势ei功组成（电动势是由负载 电感产生）。做理想化假设，AC/DC无损耗，那么变换前后率 不变，即：ui UdI d 2-1式中： ui 输入交流侧电压和电流；UdId输出直流电压和电流。在理想情况下，输入交流功率和输出

35、直流功率到达平衡，因此可以通过对输入侧的控制实现对输出侧的控制，由 图可以看出，输入输出各参量存在如下关系：(2-2)U l wL i也保持不变。电U、wLi u Ul假设交流侧输入电流的幅值保持不变，那么电感上的电压的幅 网电压u、输入电压和电感上电压三者构成三角形关系，所以通过控制输入电压即可以实现 PWM整流电路的四象限运行。?储能器所承受的电流是正弦形的，其频率为供电频率的2倍，幅值恰好等于直流侧负载电流。?另一方面，在该储能器上的电压是一个纯直流电压。?所以，对于这个作为储能器的电抗两端网络来说，加在其上的直流电压不引起电 流，而流过双倍网频的交流电流也不会在其端子上引起电压。一般情

36、况下电流中有一定大小的谐波。为使牵引变流器输入电流的谐波尽可能的小，四象限整流器的开关频率应足够的大。在大功率使用场合，由于开关器件自身开关时间 或大电流等多方面的限制。必须采取其他措施来改善变流器输入电流的品质，我们通常 采用多重化四象限整流电路，各重四象限整流器的载波错开一定的相位角，从而抵消局 部谐波分量，改善输入电流品质。222 、滤波电容的设计整流滤波电路的原理如图2.8所示，主要有 DiD4二极管、滤波电容 C和负载电阻Rfz组成。如果负载电阻FFz等效为电源设备的稳压电路，就对滤波电路提出指标要求。在整流电路输出电压、功率保证的情况下，主要是对纹波电压的要求。纹波电压是指滤 波电

37、路、稳压电路输出直流电压含有的波动电压。如果滤波电路输出的纹波电压过大，将导致稳压电路输出纹波电压增大，甚至难以稳压。纹波电压是由整流输出的单相脉动 电压对滤波电容 C的充电、放电过程产生的；在负载Rfz不变的条件下，电容 C的大小决定着纹波电压的上下。可见，电容C的设计，应依据纹波电压的要求来设计。图2.8整流滤波电路原理滤波电容充电、放电过程针对图2.9滤波电路，用示波器测试的波形图分析 C的充电、放电过程更为直观。当K断开时，全波整流电路输出的电压波形，即为滤波电路的输入电压Ui，如图2所示，是把1川1;V输入电医帀i t-'o；0藍后的滅形J J.S収:J爲:!后的陂形J 11

38、1*1* f'A ! 1 l/! V ；0输出渡形图2.9整流滤波形图输入的正弦波电压Ui有效值图2.9的转变成频率为100 Hz的单向脉动电压，如图2.9 的。当K接通时，滤波电路输出的直流电压为Ub，并叠加有纹波电压 U,如图2.9的。 如果图2中的和重叠后，在示波器上就会出现图2.9中的波形图。 从图2.9的中就可分析出电容C的充电与放电过程。图2.9的，为图2.8电路处于稳态时输出的Uc 电压波形， U是纹波电压，其幅度决定于 C和负载Rfz的大小。如图2所示，当处在0ti, Ub=Uo Ui，C处于放电过程，DD4均处于截止状态； 在t 1t2, Ui >U0=Uc,

39、C处于充电过程， D、D处于导通状态，D、D4处于截止状态；在t 2-13，ui < U0=Uc, C随ui规律放电， 仍存 在D2、D3处于导通状态，D、D4处于截止状态；在1314, ui v U0=Uc C处于放电过程，D D4处于截止状态。从t 4后开场，其过程同t 1t4。可以看出从t 1t3期间，是电容C充电 过程，纹波电压的变化规律和 UiUi=U0=Uc一样;在t3t4期间，Uc按指数规律下降， 时间常数为 t =FFzCoIGBT是电子开关元件，其开通和关断的频率相对较高。 下面举例说明整流器从无电流的状 态开场的工作过程。参见图2.10，如果在正半波时，S2或S3两个

40、IGBT开关中的一个处于开通状 态，变压器次边绕组处于短路状态，电流开场上升。此时，如果原来开通的IGBT关断，由于变压器的漏电感使电流连续。电流通过IGBT开关S或S的续流二极管流入直流支撑回路并缓慢降 低。利用这一原理，电流就可以围绕一个参考值上下波动且CO尹和直流支撑电压值能保持在要求的范围内。IGBT开关频率决定每个周期的脉冲数量，脉冲频率越高，电流值能越准确地跟 踪参考电流值。图2.10四象限整流器的电流/电压波形2.3中间直流环节滤波电路的构造与电路、中间支撑电容中间支撑电容作为能量存储单元，其作用是对中间直流回路的电压进展滤波和缓冲。因为在一个短的时间周期内输入的能力和输出的能量

41、不对等，因此必须在中间直流回路设置支撑电容，也可以说支撑电容对整流器和逆变器进展了能量解藕。牵引变流器的中间支撑电容是由分布在各变流器模块内的电容器组成。、谐振吸收回路谐振吸收回路是一个谐振电路，由谐振电容器和置于主变压器中的谐振电抗器组成，用来过滤中间直流回路中两倍于输入电压频率的能量流产生的纹波，如图2.11。它作为一个串联的谐振电路工作，其谐振频率为两倍基波频率。为了保证其谐振频率的准确，谐振电容器分为固 定的根底电容器和容值可调的电容器两局部。该可调电容器可由用户定期调整，以防止频率 的漂移。图2.11谐振电路233、接地故障检测及固定放电电阻图2.12接地故障检测简图如图2.12所示

42、，接地故障检测电路由跨接在中间直流电路的两个串联分压电阻和中点电压 检测的电压传感器组成，串联分压电阻的中点接地，中点检测信号送TCI内的检测电路（滤波电 容器、运算放大器和一个比拟电路）判断主电路是否接地。在正常工况下，传感器测得的电压 值等于中间直流电压的1/2。如果发生接地故障，被测电压就会因电容器充电的改变而发生变 化,电容器的电压值将到达中间直流电压的 0%或者100%这样，就可以检测到接地故障。同时, 并联在中间直流回路上的高阻值电阻， 还起到固定放电电阻的作用，用于牵引变流器非正常关 闭后直流支撑电容和二次谐振电容的固定放电。牵引变流器停机后，如果快速放电回路有故障不能泄放中间直

43、流电能，那么固定放电电阻可在规定时间内将中间直流电压降至平安电压以 下。、斩波放电（直流放电）电路如图2.13所示，牵引变流器的中间直流回路并联有斩波放电电路，用于中间直流过压保护和停机后的快速放电。RcH为斩波电阻，由一个IGBT功率元件控制电阻的投切，当TCI检测到中 间直流电压超过规定值时，将触发斩波管（IGBT）开通，中间直流的能量通过斩波电阻快速的释 放掉，使中间直流电压迅速的恢复正常值，随后斩波管关闭，稳定中间电压。变流器正常停机 后，中间直流支撑电容和二次谐振电容上的能量也将通过斩波回路快速释放。+«_nIRch-DC图2.13中间直流回路斩波放电电路2.4 PWM逆变

44、器构造及工作原理图2.14 PWM逆变器原理图2.4.1 PWM逆变器构造。该逆变电路以六个IGBT（VG!VG6）作为开关器件，IGBT可以由门极控制关断，所以该电 路采用自换相方式，无需辅助换相电路。电路输出侧接一组星行连接的电容器组，主要有两个 作用：一是对输出PWI电流波形进展滤波，减小电流中的谐波：二是在IGBT换相时提供换相回 路，以减小IGBT关断时的过电压。与电压源型逆变电路不同，PW式电流源型逆变电路在控制中不能采用三相导通方式，如 果三相导通，那么各相电流与负载的工作情况有关，从这个意义上讲，其电流将不是唯一可控 的，同时由于直流侧电流不能突变，负载必须为电流提供通路，同一

45、时刻必须有两相导通，所 以PW式电流源型逆变电路采用两相导通的方式。PWM变流器具有电能双向流动的功能，当电能由电网流向负载时，处于整流状态；而当电路向电网回馈电能时，PWM变流器处于逆变状态。2.4.2 PWM逆变器原理。从电力电子技术开展来看，整流器是较早应用的一种 AC/D（变换装置。整流器的开展经历 了由不控整流器（二级管整流）、相控整流器（晶闸管整流）到PW整流器（门极关断功率开关管） 的开展历程。传统的相控整流器，虽应用时间较长，技术也较成熟，且被广泛应用，但仍存在 以下问题：（I）晶闸管换向引起电网电压波形畸变。 网侧谐波电流对电网产生谐波污染。（3）深控时网侧功率因数很低。（4

46、）闭环控制时动态相应相比照拟慢。虽然二极管整流器，改善了整流器网侧功率因数，但仍会产生网侧谐波电流而污染电网另外二极管整流器的缺乏还在于其直流电压的不可控性。针对上述缺乏，PW整流器对传统的相控二极管整流器进展了全面改良。其关键的改良在于用全控型功率开关管取代了半控型功率 开关管或二极管，以PW斩控整流取代了相控整流或不控整流。因此，PW整流器可取得以下优良性能：(1) 网侧电流为正弦波。(2) 网侧功率因数控制(如单位功率因数控制)。(3) 电能双向传输。(4) 较快的动态控制相应。显然，PW整流器已不是一般意义上的AC/D(变换器。由于电能的双向传输，当PW整流器 从电网吸取电能时，其运行

47、于整流工作状态；而当PW整流器向电网传输电能时，其运行于有源 逆变工作状态。所以此时的PW整流器我认为可以叫PW整流器了图2.15 PWM整流器的主电路图三相PW整流器主电路如图2.15所示，采用IGBT乍为系统功率开关器件。在系统构造上， 三相变换器同三相逆变器一样均采用了三级型 PW调制技术，功率开关器件IGBT始终处于工作 状态，使变换器三相输入电流中的谐波成分非常小，电流波形失真因数近似为“ T,从而解决了变换器由于输入电流畸变引起的功率因数下降问题。也就是说，保证交流输入侧电压与电流同相位(基波相移因数为1)成为获得高功率因数的最首要条件。由于三相变换器采用三级型PW控制，可通过不同

48、的调制方法控制输入电流im(m=a, b，c) 的相位和幅值，从而到达：(I)保持变换器输出的直流电压恒定。保持变换器输入电流Im和电网电压U司相位，即实现基波相移因数为1。因此PW控制方法成为决定基波相移因数，即决定变换器功率因数的关键。虽然有多种控 制方法，但其控制策略大致一样。如图2.16，如果忽略高次谐波，功率变换局部可以等效为一 个三相交流电压源，其单相(以A相为例)基波等效电路由图2.16可见，Ua。是控制量，通过不同的控制方法适当调节 Ua。的大小和相位，就能控 制输入电流的相位以控制系统功率因数；同时控制输入电流的大小以控制传入功率变换局部的 能量，也就控制了直流侧输出电压。因

49、此，通常采用电压外环和电流内环相结合的双闭环控制 方式。电压外环保证稳定的输出电压，电流内环主要用于提高系统的动态性能。综上可见，PW整流器实际上是一个交、直流可控的四象限运行的变流装置。该装置的核 心在于网侧电流的控制，一方面，可以通过控制 PW整流器交流侧电压，间接控制网侧电流； 另一方面，也可通过网侧电流闭环控制，直接控制 PW整流器的网侧电流，下面分别举例说明 这两种电流控制的PW整流器的控制思路的优缺点。电压型PW整流器间接电流控制间接电流控制技术实质上是，通过 PW控制，在变换器交流侧生成幅值、相位受控的正弦 PW电压。一该PW电压与电网电动势共同作用于变换器交流侧， 并在变换器交

50、流侧形成正弦基 波电流，而谐波电流那么由变换器交流侧电感滤除。由于这种变换器电流控制方案通过直接控制变换器交流侧电压进而到达控制变换器交流侧电流的目的，因而是一种间接电流控制方式。 这种间接电流控制由于无需设置交流电流传感器以构成电流闭环控制，因而是一种简单控制方案。从控制方式上，间接电流控制又分为静态间接电流控制和动态间接电流控制。这里以静态 间接电流控制为例来简述其控制的原理。三相电压性PWM整流器静态间接电流控制，主要依据三相交流侧基波电流电压矢量的静 态关系，求解相应的控制算法。图2.17便是一单相为例画出的静态间接电流控制系统的构造。 图中为实现直流侧电压无静差控制，电压调节器输出为

51、交流侧电流的指令信号， 在通过控制运算，最终输出IGBT的驱动信号，从而实现了三相电压性 PWM整流器静态间接电流控制，并稳 定了直流侧电压。图2.17静态间接电流控制系统构造图这种静态间接电流控制实现比拟简单，而且不需要检测网侧电流，构造简单，容易编程。 但这种构造对系统构造参数变化敏感，动态相应比拟慢，存在瞬态直流电流偏移等等缺点。2.5常用PWM芯片工作原理逆变器控制插件采用美国T I公司生产的高性能DS芯片VC33主要功能为：应用SVPWM 脉宽调制技术向逆变器模块提供DC-A（变换调制脉冲，并通过输出端电压传感器采样实现对输 出电压的闭环控制，使输出电压稳定1，并具有保护逆变器电路的

52、功能。PW控制芯片SG3525具体的内部引脚构造如图2.18所示。其中，脚16为SG3525的基准电 压源输出，精度可以到达5.1 ± 1%V,采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚 5、脚 &脚7内有一个双门限比拟器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成 SG3525的振荡器。振荡器还设有外同步输入端（脚3）。脚1及脚2分别为芯片内部误差放大器 的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB左右。根 据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反应补 偿网络。1 1LN*VKhil'16

53、2IZfVI153SYNOOUTB144oscvoc1 35oruni?12石RTOIFTA11L>1SSL>10SSOOTtlP9SG3525图2.18 SG3525的引脚牧II励10- AH1图2.19 SG3525的内部框图2.6脉宽调制逆变器脉宽调制逆变器由三个相模块组成，逆变器在输出端U、V、W处提供一个变频变压的三相交流电源。在原理上，可以将IGBT简单理解为非常快速的开关。有了这种模型，可以想象3个输出端U、 V、V可以与中间直流回路中Cd的“+或“一端任意相连，其开通或关断的模式必须保证逆 变器的输出为三相正弦交流。在图2.20中，图示了两个输出端子之间的电压。 两

54、输出端子之间输出电压的最大幅度值取 决于中间直流电压Ud.可以通过改变IGBT逆变器的占空比来调节输出电流的有效值。 输出电压波形重复的频率和 脉宽调制逆变器的输出频率一样。在制开工况时，电机轴上的转矩的方向与电机旋转的方向相反，电压和电流之间产生了很图2.20脉宽调制逆变器的方式工况大的相移。通过设定基波电压，脉宽调制逆变器能保证这一电压和电流之间的相移。u_IJn£X 一厂7 J"*41ar 飞、-亠图2.21脉宽调制逆变器的脉冲工况图2.22制开工况下电压和电流的相位2.7逆变桥的换相过程如图2.23逆变电路中VG!到VG3换相的等效电路，其他各个IGBT之间的换相过程与此相似。 图中Ceq是输出侧几个电容的等效电容，设在换相前其电压极性如图 2.23所示。整个换相过程 可以分为以下几个阶段：图2.23换相过程图1）在A时寸刻触发上桥臂的IGBT器件VG3,由于Ceq的电压极性是上正下负的，VG! 不会承受反压而自动关断。2）关断VG，电流那么迅速有VG!换相到VG3 ,此时电流路径有两条：VG3 Ceq u相负载一一w相负载一一VG2和VG3 v相负载w相负载一一VG2，此时 电流由u相向V相换相，u相电流向Ceq充电，随