交直交电力机车ppt课件.ppt

第五章 交直交电力机车,5.1 交直交电力机车工作原理,5.2 交直交电力机车主电路,5.3 交直交电力机车辅助电路,5.4 交直交电力机车控制电路,5.1 交直交电力机车工作原理,指交直交变流器供电、交流电机传动的电力机车。基本结构：电压型、电流型交直交变流器供电的异步电机系统。目前世界上一般都采用电压型。 一、基本工作原理 常用电压型交直交变流器供电、三相异步电动机传动。原理框图：图5-1所示。,图5-1 交直交电力机车原理图,5.1 交直交电力机车工作原理,牵引变压器：将接触网25kV高压电降为适合牵引变流器及其他电机、电器工作的电压。 脉冲整流器：牵引时整流，制动时逆变，故又叫网侧变流器。直流中间环节：储能、滤谐波。牵引逆变器：牵引时，将直流三相交流（VVVF）供给牵引电机；制动时，将牵引电机发出的三相交流电（VVVF）整流成直流供给中间环节。亦称电机侧变流器。牵引电动机：三相交流鼠笼异步电机，一般4极电机，是电能与机械能间转换的核心。二、主要特点1、异步电动机传动。无换向器，重量较轻、体积小，转向架簧下重量，过曲线时轮轨间侧压力（高速列车重要）；合适的悬挂方式，简化转向架结构。,5.1 交直交电力机车工作原理,2、机车效率发挥较高。异步电机无换向器，高速行车效率高；空间利用好，使机车功率得以进一步提高。再生制动输出功率较大。3、牵引、制动特性优异。异步电机机械稳定性好，有自然防空转、防滑性能，粘着利用好，利于加速，缩短起动时间。4、主线路简化。通过控制电路实现异步电机的正、反转及牵引、制动转换，不需改变主线路。5、功率系数接近1。采用四象限整流器，使牵引变压器的牵引电流与电压同相位。同时，减少了电网的谐波污染。6、再生制动，节省能源。自身不耗损能源，同时节省了冷却风机的耗能，减小噪。,5.2 交直交电力机车主电路,组成：牵引变压器、脉冲整流器、三相逆变器、异步电动机。功能：电网馈给的电能机车动能，牵引列车。一、四象限整流器 能够在电压、电流平面上四个象限中工作，故得名。因按斩波方式工作，也叫脉冲整流器。（网侧变流器）牵引时作为整流器，从交流电网吸取与网压同相位的近似正弦波的交流电流，使电网的污染减到最小限度。再生制动时作为逆变器，将电能回馈给电网。（一）基本原理与分类逆变：整流的逆过程，将直流电变成交流电 。,5.2 交直交电力机车主电路,1、分类 按交流负载分有有源逆变、无源逆变，按直流电源分有电压型、电流型逆变电路。有源逆变：交流侧接电网，直流电能经逆变器向交流电源反馈能量，如“交-直-交”电力机车再生制动时脉冲整流器的逆变。无源逆变：交流侧接负载，直流电能通过逆变器向负载供电，如“交-直-交”电力机车的逆变器。电压型脉冲整流器：直流侧滤波，由支撑电容Cd和吸收二次谐谐波电流的L2C2串联谐振组成，交流侧需LN滤波器。,5.2 交直交电力机车主电路,电流型脉冲整流器：直流侧由平波电感Ld和抑制二次谐波电压的串联回路的L2C2并联谐振组成（若直流侧允许Ud中含一定的二次谐波分量脉动，可省去L2C2），交流侧需CN滤波器。注意：LN可以看作为电网或变压器的漏感。,图5-2 滤波器结构（a）电压型基本结构；（b）电流型基本结构。,5.2 交直交电力机车主电路,输入端 （5-1）理想情况，所有元件均无损耗，则输入功率PN（t）应等于输出功率Pd，即 （5-2） 可见，电网的输入功率PN（t）以2倍于电网频率脉动。电压型：输出电压ud（t）= Ud恒定，其输出电流为 (5-3) 可见，电压型输出电流id（t）也是以2倍于网频脉动。,2、原理原理框图：,5.2 交直交电力机车主电路,电流型:输出电流恒定id（t）=Id恒定，其输出电压为 （5-4） 可见，电流型输出ud（t）亦以2倍于网频脉动。（二）电压型脉冲整流器1、电路结构（1）电路,图5-4 电压型脉冲整流器,i,5.2 交直交电力机车主电路,（2）说明LN：滤波电感（或电网或变压器的漏感），消除产生的高次谐波，使uN 、iN同相。 A、B短路（uS=0）， uN向LN储存能量（整流时）。 A、B开路，整流，LN向直流环节释放能量，使UdUNm；Ud向交流侧反馈或向LN反馈无功功率。T1T4：开关管（可关断晶闸管GTO），使uS=0、Ud向交流侧或LN反馈。D1D4：整流二极管。L2、C2：谐振（二词）滤波，使直流电压、电流恒定。Cd：贮能，使UdUNm。uN（t）：为正弦波网压。,5.2 交直交电力机车主电路,Ud：脉冲整流器的恒定直流电压输出；us（t）：脉冲整流器的输入电压，是SPWM控制下的脉冲波；iN（t）：从电网流入脉冲整流器的电流。注意：对四个GTO元件进行合适的SPWM控制，实现：保持Ud恒定。使网流iN（t）与网压uN（t）同相位；脉冲频率fp越高，网流iN（t）越接近正弦波。反馈能量。2、工作原理（1）常规整流（D1D4) 实现两相限整流，即：us、iN,-us 、-iN,5.2 交直交电力机车主电路,（2）四象限整流 uN正半周，iN0，D1、D4可导通区： 通T2（经D4）或T3（经D1），则us=0（短路）， uL=uN(uN 向LN贮能）； 同时通T2 、T3，则D1、D4不通，有uL=uN+Ud， us=-Ud ，i0 。即：Ud向LN反馈无功。区： 通T2（经D4）或T3（经D1），则us=0（短路）， uL=uN(uN 向LN贮能）； 同时断T2 、T3，则仅D1、D4通，有uL=uN-Ud，us=Ud，i0。整流，交流uN向直流侧传送能量。,5.2 交直交电力机车主电路,uN负半周，iN0，D3、D2可导通区： 通T1（经D3）或T4（经D2），则us=0（短路）， uL=uN(uN 向LN贮能）； 同时通T1 、T4，则D2、D3断，有uL=uN-Ud， us=Ud，i0 。即：Ud向LN反馈无功。区： 通T1（经D3）或T4（经D2），则us=0（短路）， uL=uN(uN向LN储能），即同区； 同时断T1 、T4，则仅D2、D3通，有uL=uN+Ud，us=-Ud，i0。整流，交流uN向直流侧传送能量。,5.2 交直交电力机车主电路,可见： a、区，均可us=0，即短路，相当于开关斩波； b、区，同一般整流，但间断有us=0，斩波式整流； c、区，直流向LN反馈无功，斩波式反馈； d、具有开关、整流、反馈三种功能。 （电压源型的开关作用是并的，电流型则是串的，L贮能在直流侧）,5.2 交直交电力机车主电路,（3）再生制动时的能量反馈 uN正半周，iN0，D1、D4可导通 通T2（经D4）或T3（经D1），则us=0（短路）， uL=-uN(LN续流）； 同时通T2、T3，则D2、D3断，有uL=Ud+uN，us=-Ud，i0。反馈，直流侧向交流uN传送能量。,5.2 交直交电力机车主电路,（4）能量变换（或传递） 由前述知：桥式整流经二极管D1D4将电网交流整流成直流，供给中间储能回路或负载；也可经GTO管TlT4将中间储能回路或负载方面的直流能量逆变为交流，反馈给电网。能量变换：若GTO管T1、T4或T2、T3交替导通，如使iN与uN反向，则将负载侧直流逆变为交流，将能量反馈给电网；当iN与uN同向时，则脉冲整流器从电网获取能量，经整流向负载侧提供直流。注意：脉冲整流器的能量变换（传递）是可逆的，是整流还是逆变工况，与GTO管TlT4的脉宽调制（PWM）方式有关。脉宽调制（PWM）方式：就是靠控制GTO管T1T4的导通或关断的时间，以调节反馈能量的大小，或者调节获取能量的数值。 一般采用正弦脉宽调制（称SPWM）方式。,5.2 交直交电力机车主电路,（5）正弦脉宽调制波形 脉冲整流器在正弦脉宽调制时的波形如图5-5所示。载波为三角波，幅值UTm；调制波为正弦波（参照波），幅值URm。,图5-5 正弦脉宽调制波形,5.2 交直交电力机车主电路,（6）功率因数、谐波的控制 通过计算机计算可得M=URmUTm（调制度）与USjmUd的关系曲线。当调制比N=fTfR=5时，US中的基波与各次谐波对调制比的关系曲线，如下图所示。,图5-6 调制比关系曲线,图中j为us中的谐波次数。,5.2 交直交电力机车主电路,重要结论：、由上图可见，基波分量US1与调制比为线性关系，即当 URmUTml且j=1时，则 US1mUd=URmUTm，线性。因此在三角载波幅值UTm恒定时，调参照波（调制波）电压幅值URm就可线性地调节脉冲电压us（t）基波分量us1（t）的幅值（US1m）。、同样，改变参照波uR（t）与网压uN（t）之间相位，即可调节脉冲电压基波分量us1（t）与网压uN（t）之间的相位，从而可使网流iN（t）与网压uN（t）同相位，使功率系数为1。、当载波频率越高，电流波形就越接近正弦波。 所以，脉冲整流器对电网的污染可减至最小限度。,5.2 交直交电力机车主电路,3、基本能量关系 脉冲整流器工作在三种工况下的电压和电流波形：（1）牵引（整流） iN1与uN同相位，向直流侧传递能量。（2）理想空载（图b）（3）再生（逆变） iN1与uN反相位，向电网反馈能量（图c）。,图5-7 电压电流波形,5.2 交直交电力机车主电路,4、主要方程式及相量图 采用脉冲整流器，对电网的污染降至最低程度，即它从电网吸取尽可能与网压同相位的正弦电流。 简化后的电压型脉冲整流器电路如图5-8所示，网流的基波分量iN1（t）应与网压uN（t）相位一致。,5-8 电压型脉冲整流器主电路简化,5.2 交直交电力机车主电路,脉冲整流器交流侧脉冲电压us（t），基波分量为us1（t），有相量方程式 （5-5）,图5-9 基波相量图（a）整流工况 （b）逆变工况 （c）考虑电网电阻RN,5.2 交直交电力机车主电路,（1）整流（牵引）工况 矢量图如图59（a）所示。 设电源 ，且 则有 （5-6） 将正弦脉宽调制基波的调制度M=US1mUd 代入上式得 （5-7） 由矢量图可得 （5-8）可见：为保持网流iN1（t）与网压uN（t）相位一致，通过脉宽调制的控制，在不同的负载电流下应使USl相量端点轨迹沿直线CD运动。,5.2 交直交电力机车主电路,（2）逆变（再生制动）工况 矢量图如图59（b）所示。可做类似分析，只是网流iN1（t）与网压uN（t）相位相反（差180）。（三）三点式脉冲整流器 四象限变流器一般采用二点式（如我国CRH1、CRH3、 CRH5等）。从90年代以来国外电力机车上开始采用三点式四象限变流器（如我国CRH2）。 三点式四象限变流器电网电流波形更接近正弦， 比二点式四象限变流器具有更好的性能与可靠性。1、电路结构特点,5.2 交直交电力机车主电路,说明：图中Cd1、Cd2为支撑电容，L2、C2分别为2次谐波滤波支路电感和电容。特点：直流中间环节电容被分成两部分，以使开关K1和K2得到Ud/2、-Ud/2 、0三种电平， 分别用1，- 1，0表示。 变流器包含两个理想的三点式开关K1、K2。,图5-10 三点式四象限脉冲整流器的主电路结构简图,5.2 交直交电力机车主电路,2、基本工作原理,原理电路：,图5-11 三点式脉冲整流器电路,5.2 交直交电力机车主电路,图5-10中开关K1、K2的通断与图5-11中A、B 两端桥臂各元件的通断情况参见附表5-1。,表5-1 三点式脉冲整流器的开关状态表,5.2 交直交电力机车主电路,由表可见，在牵引或再生工况下，共有9种开关状态：uS=Ud、-Ud各对应1种导通回路； uS= Ud/2、-Ud/2 各对应2种导通回路； uS = 0 则对应着3 种导通回路。 三点式四象限变流器各桥臂元件的开关状态同样采用正弦调制波uR 与三角波ut相交的方法，则在A、B端可获得正弦脉宽调制的电压波形uS 。忽略iN与uS的高次谐波，只考虑其基波iN1与uS1，则有uN=iN1Z+uS1 。 调整uS1的幅值和相位， 即可使iN1在四个象限内随意变化， 使：牵引时iN1与uN同相； 再生制动时iN1与uN反相；功率系数接近1。,5.2 交直交电力机车主电路,3、调节过程 控制，为使后接电压型逆变器（直-交变换）稳定工作，需保持Ud稳定，故需采用电压闭环控制 求出Ud偏差的绝对值Ud=UdrefUd，用以控制 。式中Udref为基准值，Ud为实测值。牵引时UdrefUd ，再生时UdrefUd 。牵引工况负载减小时，Ud下降控制 使之减小；再生工况反馈能量增加时，Ud上升，控制 使之增大。反之同理。 实际中常采用瞬时电流控制。,5.2 交直交电力机车主电路,二、直流中间环节组成：Cd和L2、C2组成（见图5-4）1、中间贮能（Cd） 整流，在A、B短路（uS=0）期间，LN电磁贮能； A、B非短路（uS0）期间，uN与LN的贮能共同向Cd充电，使UdUNm。注意：交流侧与直流侧能量不守恒，由Cd贮能。故：四象限整流斩波升压，实现较低的uN 较高的Ud。 如：CRH2车1500V的UN 2800V的Ud（电机额压2200V）。Cd又叫支撑电容器，起作用： 与脉冲整流器、逆变器交换无功功率和谐波功率（脉宽调制过程中产生的）。,5.2 交直交电力机车主电路,与交流电源、异步电动机交换无功功率。 由于串联谐振回路中实际存在电阻，二次谐波电流并非全部通过串联谐振电路，而是由串联谐振电路和支撑电容器分流。所以，支撑电容器也部分地起着与变压器漏感（或LN）交换无功功率的作用。 支撑中间回路电压，使其保持稳定。若Cd太小，变流器的控制将变得相当困难。因控制稍有误差，Ud就会出现很大的波动。支撑电容器Cd的取值，据以下准则来经验取值：中间回路直流电压保持稳定，峰-峰波动值不超过规定的允许值。中间回路直流电流是连续的值，且不超过规定的许可值。,5.2 交直交电力机车主电路,中间回路损耗应保持最小。所选Cd的参数不影响整个系统的稳定性。应当成功地抑制逆变器、电机中发生的暂态过程，保持系统稳定。注意：在应用中，如果没有正确地选择中间回路电容器的值，其高频电流可能引起对通信和信号系统的电磁干扰。2、滤波（L2、C2） 设电源 ，且 。 四象限调制后uS的基波： （参见矢量图）,5.2 交直交电力机车主电路,忽略四象限整流、中间储能损耗，有： （5-9） 即： （5-10） 直流分量 （5-11） 交流分量 （5-12）L2、C2的作用： 对2 倍网频调谐，滤掉交流分量，仅直流分量流入负载。 2倍网频串联谐振的无功功率，与来自阻抗LN的功率交换，并因而降低电源的瞬时功率脉动分量。,5.2 交直交电力机车主电路,三、逆变器交直交变换系统：先将恒压恒频（CVCF）网压交流电整流成直流，再经逆变器将直流电变换成可控频率和电压的交流。其主要构成如图5-12所示。,5.2 交直交电力机车主电路,（一）正弦脉宽调制（SPWM）控制技术 “交-直-交”六阶波逆变的缺点：主电路需两个功率控制环节（整流、逆变），较复杂；中间直流环节大惯性储能元件滤波电容或电抗器，使系统的动态响应缓慢；相控整流，电源功率因数随变频频率的降低（电压也随之降低）而变差，并产生高次谐波电流；逆变六阶波，电机中形成较多的各次谐波，从而产生较大的脉动转矩，影响电机稳定，低速时尤为严重。 PWM逆变器基本解决了六阶波变频器存在的问题。 1964年，德国BBC公司工程师A.Schonung等人将通信中的调制技术推广应用于交流变频器，率先提出脉宽调制变频的思想。,5.2 交直交电力机车主电路,控制逆变器开关器件按一定规律导通或关断，输出一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形，改变矩形脉冲的不同宽度可改变等效基波电压的幅值，改变调制周期可改变其频率，从而实现变压和变频。1、SPWM的基本原理,所谓正弦脉宽调制（SPWM），按面积相等原则，将等幅不等宽的系列矩形脉冲波等效为正弦波。,图5-13 正弦波与系列矩形波等效,（1）SPWM的含义,单极式SPWM：,正弦波正、负半周分别用正、负矩形脉冲等效的SPWM波形。,5.2 交直交电力机车主电路,（2）单极式SPWM的获取电路：见图5-14所示，功率开关器件VT1VT6各有一个续流二极管反并联接。波形：由逆变器桥臂中一个功率开关器件反复导通和关断形成的。其等效正弦波为Umsin1t，而SPWM脉冲序列波的幅值为US/2，如图5-15所示。（Us为直流电压，即前述Ud）,图5-14 SPWM变压变频逆变电路,图5-15 单极式SPWM电压波形,5.2 交直交电力机车主电路,分析：各脉冲宽度不等，但中心间距相同为/n，n为正弦半周内的脉冲数。令第i个矩形脉冲的宽度为i，其中心点相位为i，则根据面积相等的等效原则，可写成： （5-13） 当n较大时： 则： （5-14）结论：第i个脉冲的宽度i与该处正弦波值近似成正比。因此，与半个周期正弦波等效的SPWM波是两侧窄、中间宽，脉冲宽按正弦规值律逐渐变化的序列脉冲波形。,5.2 交直交电力机车主电路,调制方法：引用通讯技术中的“调制”概念，将所期望的正弦波形作为基准的调制波（Modulation Wave），而受它调制的信号称为载波（Carrier Wave，常用等腰三角波）。 当调制波与载波相交时，由它们的交点时刻控制逆变器开关器件的通断，即可在逆变器输出端得一组等幅而脉冲宽度正比于正弦函数值的矩形脉冲，这就是正弦脉宽调制技术（简称SPWM）。（3）三相对称正弦参考电压信号（调制波） 调制波ura、urb、urc由信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在要求范围内可调，且参考电压信号的幅值在一定范围内变化，以决定逆变器输出电压的大小。 三角载波由三角波发生器产生，为三相正弦参考电压信号共用，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”,5.2 交直交电力机车主电路,的输出，产生SPWM脉冲序列波uda、udb、udc，作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。见图5-16所示。,5.2 交直交电力机车主电路,单极性脉宽调制电压、电流波形,图5-17 单极式脉宽调制电压波形的形成,图5-18 脉宽调制电压波形及电流波形,5.2 交直交电力机车主电路,单极式SPWM波形：在半周内的脉冲电压只在“正”和“零” （或“负”和“零” ）之间变化，主电路每相只有一个开关器件反复通断（另一开关器件关断）。双极式的SPWM波形：同一桥臂上、下两个开关器件交替通断，处于互补工作方式，则输出脉冲就在“正”和“负”间变化，从而得到双极式的SPWM波形。,图5-19 三相双极式SPWM波形(a)三相调制波与双极性三角载波；(b)UAO=f(t)；(c)UBO=f(t)；(d)UCO=f(t)；(e)UAB=f(t),5.2 交直交电力机车主电路,2、脉宽调制的制约条件 脉宽调制，逆变器功率开关器件在其输出电压半周内需开关n次。当n越大，脉冲序列波的脉宽i越小时，SPWM的基波更接近期望的正弦波。 但功率开关器件的开关能力有限，受两方面制约：（1）功率开关器件的开关频率 功率开关器件的开关损耗限制了脉宽调制逆变器的每秒脉冲数。普通晶闸管：换流能力差（须强迫换流），开关频率一般不超过300500Hz，现在SPWM逆变器已很少用。全控型开关器件：开关频率高，如电力晶体管BJT（曾用GTR）可达15KHz，可关断晶闸管GTO可达12KHz，功率场效应管P-MOSFET可达50KHz，绝缘栅双极晶体管IGBT可达20KHz等。,5.2 交直交电力机车主电路,（2）调制度 最小脉宽与最小间歇限制：调制脉冲波最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间ton，而最小脉冲间歇大于器件的关断时间toff，保证开关器件安全工作。调制度限制： 调制度：参考电压信号的幅值Urm与三角载波幅值Utm之比： （5-15） 在理想情况下，M值可在01之间变化，以调节逆变器输出电压的大小。一般取最高的M=0.80.9。,5.2 交直交电力机车主电路,3、同步调制和异步调制载波比（或调制比）：载波频率ft与参考调制波频率fr之比 （5-16） SPWM脉宽调制，载波比N对变频调速系统的工作性能很有影响。视载波比N的变化与否，有同步调制与异步调制之分。（1）同步调制同步调制：N=常数，变频时三角载波频率ft与正弦调制波频率fr同步变化，逆变器输出电压半波内矩形脉冲数固定不变。优点：若取N等于3的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、负半波保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差120的对称关系。,5.2 交直交电力机车主电路,缺点：当输出频率很低时，因相邻两脉冲的间距增大，谐波成分会显著增加，使负载电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声。 为获得异步电动机低频（低速）运行的良好特性，必须抑制低频时的最低次谐波。例如： 假设在逆变器输出频率为50Hz时，已消除5、7次谐波，只有11次以上的谐波存在。则此时所产生最低的脉动转矩频率为1150=5500Hz，它对电机的正常运行没有什么影响。 当逆变器输出频率为3HZ时，由于存在11次以上的谐波，则最低脉动转矩频率为113=33Hz。此频率与一般被驱动机械的自振频率较接近，很容易引起传动系统的共振而损坏机械设备。,5.2 交直交电力机车主电路,（2）异步调制异步调制：在逆变器的整个变频范围内，载波比N不等于常数。一般载波频率ft不变只变参考信号频率fr，因而可提高低频时的载波比。特点：逆变器输出电压半波内矩形脉冲数随输出频率的降低而增加。优点：可减少负载电机的转矩脉动与噪音，从而改善了系统的低频工作性能。缺点：无同步调制的优点。N随输出频率降低连续变化（不可能总是3的倍数），使输出电压波形及其相位都发生变化，难保三相对称性，造成电机工作的不平稳。应用：两种调制结合，分段同步调制方式。,.2 交直交电力机车主电路,（3）分段同步调制分段同步调制：把逆变器整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持载波比N恒定（即同步），频率低时，N值取大些，一般大致按等比级数安排（如表5-2实例）。注意：不同频段内用不同的N值同步调制，可使各频段载波频率ft（也是开关频率）受到限制，其中最高开关频率在11071134HZ之间，这是在BJT器件允许范围之内。举例：一个实际系统的频段和载波比分配，如表5-2所示。（以资参考）,5.2 交直交电力机车主电路,5.2 交直交电力机车主电路,分段同步调制时，逆变器输出频率f1与开关频率ft的关系曲线见图5-20所示。,5.2 交直交电力机车主电路,分段同步调制在世界各国的应用： 世界各国对载波比N的选择是多种多样的。采用异步调制与分段同步相结合的方法 机车起动低速（f1很低）时进行异步调制，而当f1达一定频率值后，实行分段同步调制。例如，前西德早期的DE2500型内燃机车（如图5-21所示）: 起动低速区，异步调制, f118Hz范围内的ft=200Hz； 中高速区，分段同步调制，f1=1823Hz范围内，N=9；f1=2327Hz范围内，N=6；f1=2735Hz范围内，N=3；当f135Hz时，N=1，即实行矩形波法控制。,5.2 交直交电力机车主电路,前西德早期DE2500型内燃机车的调制：,图5-21 异步调制与同步调制时 晶闸管开关频率变化情况,5.2 交直交电力机车主电路,有的国家异步状态时采用f1=300Hz，同步状态时取N=9、7、5、3、1，避开N=6的调制比。有的国家全部采用同步状态， 如美国的Airporter型动车上，在f1=12Hz时，取N=105；f1=24.5Hz时，N=45；f1=4.59.5Hz时，N=21；f1=9.522Hz时，N=9；f1=2235Hz，N=3；当f135Hz时，N=1。注意： 尽可能利用开关元件的开关频率。采用全控型功率开关元件（无强迫换流电路），开关频率大大提高，载波ft最高已超1 000Hz，大大改善了脉宽调制输出波形。 大功率机车，N15时异步调制；分段同步调制的N为3的奇数倍，N小时因低次谐波增大而采用特殊的PWM调制，一方面保持波形对称性下尽量提高N值，另一方面对波形优化。,5.2 交直交电力机车主电路,4、脉宽调制方法（1）分离电路组成：正弦发生器、三角波发生器、比较器、功放等。缺点：电路复杂，可靠性差，且不灵活，难以优化波形。（2）专用集成电路 集成电路可单独使用，亦可与单片机接口。特点：虽系统简单、可靠，但仍不灵活，难优化波形，有的须与单片机接口。（3）专用单片机（DSP） 电机控制DSP有6个高速输出口（如196KC/KD）。表格法 正弦表，分别从0、120、240取出，且3个指针按相同增量移动，在送三相波形发生器WFG。,5.2 交直交电力机车主电路,幅值控制：查表值乘幅值调制比。 频率控制：原始正弦表抽出的正弦子表决定。优点：简单，特别是在定频或只在几个频率点时。缺点：占内存大，连续高分辨率调频时，不可能存所有模式，则难波形优化。实时计算法 由数学模型计算开关时刻，再产生波形。 按SPWM原理计算得自然采样法。优点：很接近正弦波缺点：需解很复杂的超越方程，实时控制难，工程中不用。规则采样法（工程法）以锯齿波作载波：只计算一个点（垂直边交点不用计算）。,5.2 交直交电力机车主电路,优点：计算量减小； 缺点：存在偶次谐波，且分量大。以等腰三角形作载波：正弦函数中点值代替函数值（直线代替额曲线）。实际中常采用。（计算方法略）,5.2 交直交电力机车主电路,（二）IGBT（全控型器件）构成的逆变电路绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）1、电路,图5-22 IGBT逆变电路,5.2 交直交电力机车主电路,2、说明T1T6：IGBT管，构成电压型三相桥式逆变器，向异步电动机供给三相变频电源。D1D6：反馈二极管，续流异步电动机的滞后电流。 例如：逆变器A相输出电流+iA，由Tl和D4轮流供给，+iA=iTl、iD4；UA为正时，T1导通；UA为负时，D4导通。 逆变器A相的负方向电流-iA，经过T4和D1流出，即-iA=iT4 、iD1；UA为正时，D1导通；UA为负时，T4导通。直流中间电路： T7、R2及D构成过电压泄放电路。 CS、RS及DS构成缓冲（吸收）电路。,5.2 交直交电力机车主电路,串联晶闸管SCR：开机时不触发，使储能电容器Cd的最初充电电流流经限流电阻R1；逆变器起动后SCR始终导通，它不能对直流环节调压。 PWM调制比六阶梯的波形好（见图5-23）,图5-23 逆变器-交流电动机系统的电压、电流波形（a）六阶梯波时的电压、电流；（b）PWM时的电压、电流波形。,5.2 交直交电力机车主电路,（三）二点式逆变器和三点式逆变器 电压型逆变器有二点式、三点式两类。1、二点式（二电平）逆变器,过去电压型逆变器几乎均采用二点式。 见图5-24所示。,电路：,图5-24 二点式逆变器及输出波形,5.2 交直交电力机车主电路,特点：直流回路正极或负极接电动机，输出Ud/2Ud/2间变化，见图5-25等效电路。波形：见图5-24所示。2、三点式（三电平）逆变器 随逆变器容量和电压的提高， 特别是采用GTO管，采用多点式，以三点式最为成功。电路：见图5-26所示。特点：把直流正极、中点、负极接电动机，输出在Ud/20、0 Ud/2间变化 ，故亦叫中点嵌位逆变器。波形：见图5-26所示。,图5-25 二点式逆变器等效电路,5.2 交直交电力机车主电路,图5-26 三点式逆变器及其输出波形,5.2 交直交电力机车主电路,优点（与二点式比较）： GTO器件耐压降低一半，即阻断电压为Ud/2。目前牵引系统广泛采用4.5kV的GTO器件，中间直流电压可提高到3.0kV以上。 谐波分量小。在一周内，二点式逆变器电路只有8种状态，而三点式逆变器电路中有27种状态。相邻两种电路状态间转换时引起的电压和电流冲击减小，利于降低损耗、提高系统效率，减少电机脉动转矩。缺点：需元件数目多并涉及几何安装位置。,5.2 交直交电力机车主电路,四、单流制交流传动机车主电路 交流传动电力机车大多采用电压型逆变器。电压型变流器的驱动一般采用“四象限变流器中间直流电路电压型逆变器异步牵引电动机”的方式。 根据变流器输出交流侧相电压的取值可将电压型变流器分为两点式和三点式。在交流传动领域，当中间电路直流电压Ud2.7kV2.8kV时，主电路中通常采用两点式结构；当Ud3kV时，宜采用三点式结构。牵引工况：逆变器把中间回路直流电压变成幅值和频率可调的三相交流电压，供给异步牵引电机。再生制动工况：控制异步牵引电动机工作在负的转差频率成发电机状态。（初期，在电网不能接受再生能量或网侧整流器故障，在无电流状态下转入电阻制动）,5.2 交直交电力机车主电路,目前世界各国广泛采用15kV/ HZ或25kV/50（60）HZ单相交流供电模式，前者主要在欧洲一些国家。（一）两点式GTO主电路1、原理电路,5.2 交直交电力机车主电路,2、常用电路形式（1）主电路直流并联,图5-28 两点式直流并联的主电路,5.2 交直交电力机车主电路,特点：两个主电路的直流并联。即两个脉冲整流向同一直流供电（N=2）；而直流向两个逆变器供电，各带一台电机。N个脉冲整流器并联： 载波按相互位移360/2N进行控制（如N=4，相邻位移45），可大大提高牵引变压器原边或接触网的等效开关频率。如：当脉冲整流器一相（一个桥臂）的开关频率为 时，4重脉冲整流器并联（8个臂）工作的等效开关频率为1 464Hz；而采用GTO晶闸管组成的6重脉冲整流器的电力机车上，等效开关频率可达3 000Hz。优点：降低谐波电流，使电网的功率系数接近1。,5.2 交直交电力机车主电路,（2）整流输出并、逆变输出并（二电机）,图5-29 整流输出并、逆变输出并,5.2 交直交电力机车主电路,特点： 两个整流向同一直流供电（脉冲整流器互移一定角度），一个逆变器向两台电机供电。 两整流并联，优点同前（减少机车对接触网的不利影响）。 应用：适于轴功率较小的电力机车。一转向架两电机由同一逆变器供电，叫转向架组合供电，二电机电气上彼此连接，利于防单轴空转。注意：若一逆变接一台电机，则叫独立供电。对一转向架的两逆变器，有组合控制（一套电子装置对两逆变器同时控制）、独立控制（相反）。独立控制的独立供电，能实现轴控，即能据一轴的运行状态任意调节该轴的转矩和转速。 中间直流Ud在3.5kV或更高要用4.5kV的GTO晶闸管，则应选择三点式电路。,5.2 交直交电力机车主电路,3、CRH1主电路 该动车组由青岛四方一庞巴迪一鲍尔铁路运输设备有限公司（BSP）（后称青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司(BST)）提供，国外合作伙伴是庞巴迪（总部加拿大）运输瑞典AB（BT）。BSP动车组以庞巴迪公司为瑞典国家铁路和地方铁路开发的“Regina”动车组为原型经改变设计而成的。 Regina动车组为动力分散型动车组，最高运营速度180200kmh，轨距 1435mm，车宽3450mm，编组为23节车厢，用于网压E15kV的供电区域。庞巴迪公司自1998年12月至2003年底相继获得了瑞典国铁和地方铁路公司等用户运营商的总共70列152辆的订单。 引进后作了改进（略）。,5.2 交直交电力机车主电路,（1）CRH1动车组工作原理及基本单元工作原理：受电弓从接触网接受25KV 50Hz高压交流电能，经安装在车底架上的主变压器降成900V 50Hz交流电，再经脉冲整流成1650V DC直流电能，然后经逆变器转换成变频变压的三相交流电送给牵引电机，将电能转换成牵引列车的机械能。,图5-30 CRH1动车组基本单元,5.2 交直交电力机车主电路,CRH1A：由图知，8辆编组，5动3拖（5M3T），由两个2动1拖单元和一个1动1拖单元组成。轴重不超16吨，总功率5300千瓦，车体为不锈钢焊接结构。时速200公里，最大250公里。2004年订单。,5.2 交直交电力机车主电路,CRH1B：16节车大编组座车 ，10M6T 。2007年订单。CRH1E：16节车大编组卧铺动车组，10M6T。 2007年订单。CRH380D：运行时速350km/h，最高380km/h；短编组动车为CRH380D ，16节大编组叫CRH380DL。2009年订单。,5.2 交直交电力机车主电路,（2）CRH1能量传递示意图 图示为单元1、2（图5-30中的TBU1、TBU2）的能量传递与转换过程示意图，而中间单元TBU3少一半逆变器及电机（参见图5-31）。（3）牵引传动系统主电路 主电路框架，如图5-32所示。,图5-31 CRH1能量传递与转换过程示意图,5.2 交直交电力机车主电路,电路图：,图5-32 CRH1的主电路框架,5.2 交直交电力机车主电路,一节车的主电路：,图5-33 一节车主电路,5.2 交直交电力机车主电路,由图5-33知，CRH1为图5-29所示电路形式，即整流输出并、逆变输出并（二电机）。 动车组有三个相对独立的主牵引系统并行工作，当一个牵引系统故障时，可以自动切断故障源，列车继续运行。 动车组采用8辆编组，5动3拖，3个动力单元（两个2动1拖、一个1动1拖）。动力单元组成：网测高压电气设备、1个牵引变压器、l或2个牵引变流器、4或8台三相交流异步牵引电动机等组成。 列车有2个受电弓、3个牵引变压器、5个牵引变流器、20台牵引电动机。,5.2 交直交电力机车主电路,（4）网侧高压电气设备组成：受电弓、主断路器、避雷器、电压和电流互感器、接地开关等。4、HXD3B机车主电路 HXD3型机车：2004 年10 月27 日，大连机车车辆有限公司与东芝公司共同获铁道部60 台大功率交流传动货运电力机车的合同，该批机车由4台进口机车，12台散件进口机车和44台国产化机车组成，并由东芝向大连机车车辆有限公司进行技术转让。 （HXD1株洲厂，控制系统采用西门子技术，IGBT、2（B0-B0），1万kW，四组整流;HXD2大同与阿尔斯通联合开发，IGBT、2（B0-B0），1万kW ，四组整流）,5.2 交直交电力机车主电路,特点：C0-C0轴式，交直交传动，采用IGBT 水冷变流机组，1200kW大转矩异步牵引电动机（整车7200kW），具有起动（持续）牵引力大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、功率因数高等特点。HXD3B型机车：德国庞巴迪技术，2007年2月11日，大连机车车辆有限公司与铁道部在北京签订了500 台大功率交流传动9600kW 六轴货运电力机车采购合同。按照合同规定，首台机车将于2008 年底落成，2009年交付49台，至2011年完成全部500台机车的交付。特点：C0-C0 轴式，交直交传动，主电路有3 组大功率水冷IGBT牵引变流器，1632kW 大转矩异步牵引电动机，具有起动（持续）牵引力大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、功率因数高等特点。在每组牵引变流器内集成一台由中间直流回路供电的辅助逆变器。,5.2 交直交电力机车主电路,图5-34 HXD3B型牵引回路电路图,5.2 交直交电力机车主电路,主电路：主电路的组成见5-34所示，原理同图5-28所示电路。 IGBT冷却方式：水冷、水-乙二醇的混合液（4753）5、HXD1C大功率电力机车主电路特点： 三相异步电动机直接转矩控制（HXD1、HXD1B西门子技术，采用矢量控制），实现恒力矩、准恒速特性控制牵引，恒力矩特性控制再生制动。 IGBT水冷变流器。 1225kw大力矩异步电动机，轴控。 下悬式安装一体化多绕组变压器，有高阻抗、重量轻特点。 机车起动牵引力大、风功率范围宽、粘着性能好、功率因数高、谐波含量少。 再生制动。,5.2 交直交电力机车主电路,主电路原理图,图5-35 HXD1C主电路,简介： 主电路属5-28所示类型电路。 牵引绕组额压970V，中间直流额压1800V。 有两台牵引变流器。 每台牵引变流器内有3个四象限脉冲整流器，组成三重整流，其输出由隔离器（故障时可隔离故障整流器）并联共直流中间环节；有3个逆变器，分别向3台牵引电机供电，实现轴控。,5.2 交直交电力机车主电路,6、HXD3C大功率电力机车主电路电路：,图5-36 主电路图,5.2 交