4CRH3型动车组变流器系统分析

4 CRH3型动车组变流器系统分析CRH3器设计成车下牵引箱，易于运用和检修的模块化结(4QC)，2个4QC并联为一个共同的直流环节供电，中间电容个PWM要求的变压变频三相电源驱动4个并联的异步牵引电，再由四相限整流器回馈电网。4.1牵引变流器主电路构造2电平式电路，由脉冲整流器、中间直流电路、逆变器构成。变压器牵引绕组AC1550V、50Hz沟通电输入脉冲整流2PWMIGBT元件，实现输出直流电压2600V～3000V定压掌握、牵引变压器原边电压、电流、功率因数的掌握，以及无接点掌握装置保护。再生制动时，脉冲整流器接收滤波电容器输出的直流3000V电压，入逆变器，依据IGBT掌握信号，输出变频变压的三相沟通电，对4台并联的牵引电机进展转速、转矩掌握。再生制动时逆变器掌握在功能上按正向程序转换，接转矩掌握方式，使转矩掌握反响高速化，提高了系统动态响应性能。84M+4T(M为动力车厢，T为拖车车厢)1个根本动力单元。每个动力单元具有独立的牵引传动系统。受电弓受电弓真空断路器牵引变流器牵引变流器滤波电容器牵引电机滤波电容器逆变器脉冲整流器脉冲整流器牵引电机逆变器X4X4牵引变压器图4.1 CRH3型动车组牵引传动系统CRH34.14个完全一样且相互独立的动力单元，每个独立的动力单元都一样，其电路如图4.2所示。1台主变压器、2台牵引变流器和8台牵引电机等组成。牵引变压器原边额定电压为单相沟通25kV/50Hz1550V/50Hz。牵引变流器的输入侧的整流器为四象限脉冲整流器(4QC)4QCDC连接供电，并产生脉冲DCPWMDC连接电压转换成牵引系统所4个并联的异步牵引电机。主电路的工作过程：受电弓从接触网接收AC25KV的沟通电，然后通过缆将电能输送到装在TC02车下的牵引变压器变压的电压，并通过车辆间的连接线到设在动车车下的变流器单元。变流器单元内部的四象限整流器将 1550V的沟通电整流为电压中间直流电压通过PWM变频单元向牵引电机供给变压变频的三相沟通电源其中限压电阻接在中间直流电路的两极防止过高电压，关心变流器的输入也取自中间直流环节。牵引电动机及传动装置、限压电阻、高压电器等图4.2 CRH3根本动力单元原理图变流器的组成局部及工作原理CRH3CRH3动车组的牵引过程时，它作为整流器，将来自主变压器的1550V左右的单相沟通电转化为2600V的直流CRH32600V的直流电转化1550V作用的沟通电。它可以便利的运行与电压电流平面的四个象限，因此叫做四象限脉冲整流器。四象限脉冲整流器单相两电平脉冲整流器工作原理：电感和电阻，开关管T、T、T1 2 3

、TL4

和C为二次滤波2Cd

为中间直流侧滤波电容。其简化的等效电路图如图4.3所示。4.3单相两电平脉冲整流器主电路图SA所示。

SB

〔4-1〕〔4-2〕1T导通 1T导通S =

〔4-1〕 S =

〔4-2〕A 0T导通2

B 0T导通44.1所示的两电平脉冲整流器4.4所示的电路。4.4单相两电平脉冲整流器开关等效电路图LIN N RNLUAC N UabU图4.5脉冲整流器简化主电路图4.5。很简洁写出脉冲整流器的电压矢量平衡方程为:U =UN ab

+jwLIN N

〔4-3〕UU

:二次侧牵引绕组电压相量IN :调制电压的基波相量ab

:二次侧牵引绕组电流的基波相量当二次侧牵引绕组电压UN

IN

的幅值和相位仅由Uab

的幅值及其与U 的相位差来打算。转变基波的幅值和相位，就可以使U 与IN ab

同相位或反相位。在牵引状态下，UN

与I 的相位差为0，该状态下的相量图如图4.4.1所示，N此时Uab

滞后UN

此时脉冲整流器向直流侧输送电能;在制动状态下UN

与I 的相N1804.4.2所示，此时Uab脉冲整流器向接触网反响能量。

超前UN

，电机通过NNθNNθNNθNNθUN INRN UabIRNNUab UNININ4.4.1牵引工况相量图 4.4.2制开工况相量图图4.4单位功率因数脉冲整流器相量图Si

(i=A,B)与S”i

必需满足S”i

=1-S。于iab

的取值有Ud

,0, Ud

4SSA B

=00,01,10,11四种规律组合，则调制电压Uab

可表示为:U S一S)Uab A B d

〔4-4〕依据抱负开关的开闭状态，脉冲整流器共有3中工作模式:模式1: SA

S=00/11B时U =0，由支撑电容电容C向负载供电，牵引变压器二次绕组端电压U 直接ab d NLN

LN

uN

>0时，D与T1

D4

与T导2iN

LN

uN

3

与TD1 2与T导通，电源电流i 下降，漏电感L 开头释放能量，回馈给电源。4 N N模式2: SA

S=014.5(a)所示，此时UB

= Ud

T、1T同时关断，由T、TD4 2 3

、D导通形成回路。当u3

>0时，电源电流iN

上升，N

储存能量；当uN

<0时，电源电流i 下NLN

释放开头能量，供给直流环节〔负载〕并同时回馈给电源。模式3: SA

S=10，其等效电路如图4.5(b)所示，此时U =U ,T 、TB ab d 2 3DD1 4

或T、T1

导通形成回路。当uN

>0时，电源电流iN

下降，uN

<0时，电源电流iN

器工作在逆变状态。LL NNiNAC uN

iN CC dLd RLRL AC uN图4.5不同开关模式下的等效电路图处一样性质的元件导通时，工作在能量传递状态。假设T-T1 4

或TT2

导通，工作在DD1 4

DD2

态，由电源向负载〔直流环节〕输送能量。PWM掌握原理PWM过程中调制波与载波间的相互关系产生a、b、b4.6所示4.6两电平脉冲整流器PWM调制示意图当uu当uu

,电子开关S,电子开关S

=1，否则S =0A A=1，否则S =0c B B电压型四象限脉冲整流器的掌握方法四象限脉冲整流器的常用掌握策略有:间接电流掌握、滞环直接电流掌握、和电压相量掌握两种方法，在CRH3动车组中，承受瞬态直接电流掌握策略。瞬4.7所示。它主要由电压、电流传感器，电压、电流调整器，比较器，函数发生器，运算器和SPWM掌握器等组成。4.7两电平脉冲整流器瞬态直接电流掌握框图快等优点。瞬态直接电流掌握的根本思想：为到达使中间直流环节电压恒定掌握的目Ud

与给定值U*Ud

<U*时U>0,PIdI*N

增加，使脉冲整流器的输入电流增加，到达增加Ud

的目的。当U >U*时，调整过程则反之。d d中间支撑电容Cd

的主要作用：一是与脉冲整流器、逆变器交换无功电容Cd

的大小，其容量可以依据中间直流环节所允许的电压脉动量打算，电容容量越大则脉动电压越小;而电机的负荷越大，则电压脉动就越大。从储能效果动身,即稳定中间直流电压的力量方面来看,支撑电容器电容值取得越大越好,,,此外,支撑电容器盲目增大,,增加了故障时的破坏力,降低了设备的安全性。因此,为使系统到达最优的性价比,支撑电容器电容值的选择成了变流器设计中一个重要环节。支撑电容器的主要技术参数：支撑电容器主要技术参数包括直流额定电压、额定电流、电容值、等效串联电感值、耐压、工作温度,支撑电容器的工作电压为变流器直流电路的工作电压,因此设计选型时额定工;耐压与工作温度可由牵引变流器系统应用条件确定;电感值由电容器本身的构造打算,设计选型时只需确定该两项参数能满足使用要求即可。因此,对支撑电容器的选型而言,重点是确定支撑电容器的额定工作电流与电容值。两电平式牵引逆变器CRH3电供给牵引电机，同时通过调整三相输出电压波形掌握牵引电动机的磁通和转式等拓扑构造。CRH3动车组承受两电平电压型逆变器。两电平式牵引逆变器构造与工作原理4.83个桥臂，每个桥臂2时导通，所以开关状态共有23=8种组合。4.8两电平逆变器主电路图3个抱负开关函数如下：1T导通 1T导通 1T导通S = 1 〔4-5〕 S = 3 〔4-6〕 S = 5

〔4-7〕A 0T导通

B 0T导通

C 0T导通4 6 2逆变器承受抱负开关等效，牵引电机承受感抗等效，且假设Z =Z =Z ,则A B C图4.8所示的两电平逆变器主电路图可等效为图4.9所示的电路。明显，由S 、AS 、S 所组成的电路共有8种组合状态，对应主电路有8种工作模式。表示为B C电压矢量分别为:V0

(000),V1

(001)V2V3V4V5

、V (110)、V6

(111)4.10所示。4.9两电平牵引逆变器开关等效图图4.10两电平逆变器空间电压矢量其开关状态及相应的工作模式分析：0：开关管T、T、T2 4 6

T、T、T1 3

关断；其a、bc端相电压分别为u =0，u =0，u =0；相应的线电压分别为u =0，aN bN cN abu =0u =0；与该工作模式对应的电压空间矢量为Vbc ca 01：开关管T、T4 5

、TT、T、T6 1 2

关断；其a、b、c端相电压分别为u =U 3，u =U 3，u 3；相应的aN d bN d cN d线电压分别为u =0，u =U ，u =U ；与该工作模式对应的电压空ab bc d ca d间矢量为V52：开关管T、T2 3

、TT、T4 1

、Ta、6b、c端相电压分别为u =U 3，u 3，u =U 3；相应的aN d bN d cN d线电压分别为u =U ，u =U ，u =0；与该工作模式对应的电压空ab d bc d ca间矢量为V3工作模式3：开关管T3

、T、T4

T、T、T1 2

关断；其a、b、c端相电压分别为u 3，u =U 3，u =U 3；相应的线aN d bN d cN d电压分别为u =U ，u =0，u =U ；与该工作模式对应的电压空间ab d bc ca d矢量为V44：开关管T、T、T1 2 6

T3

、T、T4

关断；其a、b、c端相电压分别为u 3，u =U 3，u =U 3；相应的aN d bN d cN d线电压分别为u =U ，u =0，u =U ；与该工作模式对应的电压空ab d bc ca d间矢量为V15：开关管T、T1 5

、T导通，T、T6 2

、T、关断；其a、4b、c端相电压分别为uaN=Ud 3，ubN=2Ud 3，ucN=Ud 3；相应的线电压分别为uab=Ud，ubc=Ud，uca=0；与该工作模式对应的电压空间矢量为V66：开关管T、T、T1 2 3

T、T4

、Ta、6b、c端相电压分别为u =U 3，u =U 3，u =2U 3；相应的线aN d bN d cN d电压分别为u =0，u =U ，u =U ；与该工作模式对应的电压空间ab bc d ca d矢量为V27：开关管T、T、T1 3 5

T2

、T、T4

a、bc端相电压分别为u =0，u =0，u =0；相应的线电压分别为u =0，aN bN cN abu =0，ubc

=0；与该工作模式对应的电压空间矢量为V7两电平牵引逆变器掌握方式步调制及方波掌握四种调制方式。由此产生掌握IGBTPWM脉冲。由于文重点对牵引逆变器的PWM掌握方式做一争论。所谓PWM掌握技术，就是利变频、调压和消退谐波等目的的一种掌握方法。四种掌握方法的分析异步调制方式：在实行SPWM脉宽调制时，在一个调制信号周期内所包含的三角载波的个数称为载波频率比N(亦即载波比)。载波比N=载波频率/N为常数，载波信号和调制信号保持同步的调制方式为同调制。能够正常工作，通常承受异步调制方式，3的整数倍。由于当载波比180开关有可能承受不住。分段同步调制方式：为了扬长避短，可将同步调至和异步调制结合起N不同，在段内则维持载波N的稳定，则可以解决开关无法承受或者噪音干扰大的问题。当逆变器输出可以渐渐减小载波比。方波调制方式：即通过单脉冲方式掌握，在输出沟通量的每半个周期效值由脉冲持续时间打算。3逆变技术的进展趋势逆变技术的原理早在19311948年美国西屋电气公司研制出第一台3KHz