城轨列车辅助系统设备检修-轨道交通车辆常用辅助逆变器电路

辅助逆变器组成教学目标►掌握辅助逆变器组成教学重点►辅助逆变器组成目录辅助逆变器的组成线路滤波器斩波器中间电路三相逆变器010203040501●辅助逆变器组成辅助逆变器线路滤波器斩波器中间电路三相逆变器02●线路滤波器线路滤波器的作用

①滤平输入电压②抑制电网侧发生的过电压对逆变器的影响。例如变电所的操作过电压、雷击过电压等。③抑制逆变器因换流引起的尖峰过电压。④抑制电网侧传输到逆变器直流环节的谐波电流，抑制逆变器产生的谐波电流对电网的影响。⑤限制变流器的故障电流。03●线路滤波器电抗器和线路滤波电容器电抗器用于直流回路，为保证电感在任何电流值时均恒定，因此均采用空心线圈结构。对于网压为DC1500V的城轨车辆，逆变器容量在1000kVA以上的系统来说，电感量一般为5～8mH。线路滤波电容器是一种非常特殊的直流电容器。从功能上，由于它用于逆变系统的直流环节（DCLink），因此称作“支撑电容器”。从性质上，由于要求它能承受很大的谐波电流，因此称作“直流脉冲电容器”。03●斩波器工作原理基本斩波器的原理电路如图所示，Q为斩波开关，R为负载。斩波开关可用普通晶闸管、可关断晶闸管或自关断器件来实现。若采用普通晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路；采用自关断器件，则省去了辅助电路，有利于提高斩波器的频率，这是斩波开关发展的方向。QRi03●斩波器工作原理

可见只要调节α就可以调节负载的平均电压。通常斩波器的工作方式有两种：

●脉宽调制（PWM）－改变t，维持T不变；

●频率调制（PFM）－改变T，维持t不变。

其中脉宽调制工作方式应用较普遍。

在地铁列车辅助逆变器中一般采用降压式斩波电路和升压式变换电路03●三相逆变器整流：把交流电能变换成直流电能的过程逆变：把直流电能变换成交流电能的过程有源逆变器：在逆变电路中，把直流电能经过直交变换，向交流电源反馈能量的变换电路无源逆变电路：把直流电能变换到交流电能，再直接向非电源负载供电的电路03●脉宽调制(PWM)电压型逆变器的工作原理

随着全控型高频率大功率的新型功率器件的不断出现和成熟以及微机控制的发展，为PWM型控制技术的发展创造了有利条件，现在大量应用的逆变电路中多数都是PWM型逆变电路。如图1所示，该电路图就是典型的辅助逆变器中的三相逆变部分，它的控制采用的是双极性PWM的控制方式。03●脉宽调制(PWM)电压型逆变器的工作原理

根据采样控制理论，冲量（脉冲面积）相等而形状不同的窄脉冲（如左图）分别加在具有惯性的环节上时，其输出相应波形基本相同，也就是说，尽管脉冲形状不同，但只要脉冲面积相等，其作用的效果基本相同。这就是PWM控制的重要理论依据。

03●脉宽调制(PWM)电压型逆变器的工作原理如下图所示，将一个正弦半波划分成等宽的6块面积，然后用一列脉冲列来等效。该脉冲列的幅度相同，但宽度不一，面积与所对应的正弦半波面积相等，其作用效果基本相同；对于正弦负半波，用同样方法可得到PWM波形来取代正弦负半波。如果要获得不同的输出电压（即正弦波的幅值），只要按同一比例改变脉冲的宽度即可。03●脉宽调制(PWM)电压型逆变器的工作原理

单极性PWM控制方式工作原理。按照PWM控制的基本原理，如果给定了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲个数，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确地计算出来。依据计算结果来控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。但是这种计算很烦琐，较为实用的方法是采用调制控制，如图2-26所示，把希望输出的正弦波作为调制信号u，把接受调制的等腰三角形作为载波信号u。对逆变桥V～V的控制方法如下：03●脉宽调制(PWM)电压型逆变器的工作原理

当u正半周时，让V一直保持通态，V保持断态。在u与u正极性三角波交点处控制V的通断，在u>u各区间控制V为通态，输出负载电压u＝U；在u<u各区间控制V为断态，输出负载电压u＝0，此时负载电流可以经过VD与V续流。

当u负半周时，让V一直保持通态，V保持断态。在u与u负极性三角波交点处控制V的通断，在u<u各区间控制V为通态，输出负载电压u＝－U；在u>u各区间控制V为断态，输出负载电压u＝0，此时负载电流可以经过VD与V续流。03

双极性PWM控制的输出u波形如图所示，它为两个方向变化等幅不等宽的脉冲列。这种控制方式特点是：①同一半桥上下两个桥臂晶体管的驱动信号极性恰好相反，处于互补工作方式；②电感性负载时，若V和V处于通态，给V和V关断信号，则V和V立即关断，而给V和V以导通信号，由于电感性负载电流不能突变，电流减小感生的电动势使V和V不可能立即导通，而是二级管VD和VD导通续流，如果续流能维持到下一次V和V重新导通，负载电流方向始终没有变，V和V始终未导通。只有在负载电流较小无法连续续流情况下，在负载电流下降至零，VD和VD续流完毕，V和V导通，负载电流才反向流过负载。辅助逆变器主要部件教学目标►掌握辅助逆变器主要部件教学重点►辅助逆变器主要部件目录辅助逆变器主要部件GTO结构与工作原理IGBT工作原理IGBT栅极驱动电路IPM010203040501●辅助逆变器主要部件辅助逆变器主要部件是大功率半导体开关器件。早期的直流传动地铁车辆中，逆变器采用大功率GTO器件（门极可关断晶闸管），如上海地铁DC-01型列车使用4500V/600A的GTO。随着技术的进步，大功率的IGBT（绝缘栅双极晶体管）及IPM（智能型功率模块）问世，在新建的地铁或轻轨动车都使用IGBT器件。辅助逆变器主要部件GTO半导体器件IGBT半导体器件IPM模块02●GTO结构►GTO结构

●与普通晶闸管的相同点：PNP四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门级

●和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个阳极的小GTO元，这些GTO的阴极和门级则在器件内部并联在一起。03►

GTO工作原理

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IGBT工作原理

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IGBT栅极驱动电路根据IGBT的特性，其对驱动电路的要求如下：提供适当的正反向输出电压，使IGBT能可靠地开通和关断。IGBT的开关时间应综合考虑。IGBT开通后，驱动电路应提供足够的电压、电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不至退出饱和而损坏。驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。06►

IPMIPM（IntelligentPowerModule）是IGBT智能化功率模块，它将IGBT芯片、驱动电路、保护电路和箝位电路等封装在一个模块内。