《电力机车控制》教学课件—04交流传动技术.ppt

电力机车控制系统电力机车控制系统教学资源库牵引引变流器流器组成及原理成及原理牵引引变流器流器组成及原理成及原理 牵引变流器的功能及特点 1 牵引变流器组成2电压型四象限脉冲整流器3中间直流电路4电压型逆变器51.基本功能基本功能 牵牵引引变变流流器器是是交交流流传传动动电电力力机机车车的的核核心心部部件件之之一一，用用于于直直流流和和交交流流之之间间进进行行电电能能的的变变换换为为了了满满足足机机车车启启动动、调调速速和和制制动动的的需需求求，要要求求牵牵引引变变流流器器能能够够四四象象限限运运行行牵牵引引变变流流器器的的基基本本功功能能是是将将来来自自接接触触网网的的交交（直直）流流电电压压，变变换换为为频频率率、幅幅值值可可调调的的三三相相交交流流电电压压，供供给给交交流流牵牵引引电电动动机机，将将电电能能转转换换为为机机械能，在轮轨间产生牵引力，驱动列车前进械能，在轮轨间产生牵引力，驱动列车前进牵引变流器的功能及特点 12.主要特点主要特点（1）四四象象限限整整流流单单元元和和逆逆变变单单元元均均采采用用IGBT元元件件，能能对对牵牵引引力和制动力实行连续控制，可靠性高，噪声低，省电力。

力和制动力实行连续控制，可靠性高，噪声低，省电力2）具有可靠的保护电路和保护装置具有可靠的保护电路和保护装置 （3）采用高性能的电气元件，能承受短时冲击采用高性能的电气元件，能承受短时冲击4）采用模块化设计，便于故障检测和故障排除采用模块化设计，便于故障检测和故障排除5）布线科学，降低电磁干扰，保证电磁兼容要求布线科学，降低电磁干扰，保证电磁兼容要求牵引变流器的功能及特点 1 在在交交- -直直- -交交传传动动系系统统中中，牵牵引引变变流流器器主主要要由由四四象象限限脉脉冲冲整整 流流 器器 （ 4qc4qc） 、 直直 流流 中中 间间 环环 节节 （ DC-LinkDC-Link） 和和 逆逆 变变 器器（PWMIPWMI）组成典型的两电平牵引变流器电路如下图所示典型的两电平牵引变流器电路如下图所示 牵引变流器组成2 1 1整流器单元整流器单元 电电源源侧侧变变流流器器采采用用四四象象限限脉脉冲冲整整流流器器（4qc4qc），构构成成交交- -直直变变换换部部分分，通通过过PWMPWM斩斩波波控控制制方方式式，可可以以调调节节从从接接触触网网输输入入的的电电流流相相位位，使使机机车车所所取取的的电电流流波波形形接接近近于于正正弦弦波波形形，并并能能在在宽宽广广的的负负载载范范围围内内使使机机车车功功率率因因数数接接近近于于1 1，等等效效谐谐波波电电流流减减小小，有有利利于于提提高高机机车车功功率率因因数数，降降低低谐谐波波干干扰扰。

此此外外，四四象象限限脉脉冲冲整整流流器器能能方方便便的的实实现现牵牵引引和和再再生生制制动动的的能能量量转转换换，可取得显著地节能效果可取得显著地节能效果 牵引变流器组成2 2 2直流中间环节直流中间环节 中中间间环环节节（DC-LinkDC-Link）为为支支撑撑电电容容和和二二次次滤滤波波环环节节，根根据据直直流流中中间间环环节节的的不不同同牵牵引引变变流流器器可可分分为为电电压压型型和和电电流流型型两两种种电电压压型型变变流流器器储储能能元元件件采采用用电电容容，向向逆逆变变器器输输出出的的是是恒恒定定的的直直流流电电压压，相相当当于于电电压压源源电电流流型型变变流流器器储储能能元元件件采采用用电电感感，向向逆逆变变器器输输出出的的是是恒恒定定的的直直流流电电流流，相相当当于于电电流流源源电电压压型型变变流流器器转转矩矩脉脉动动小小，对对电电网网的的反反作作用用力力也也小小，适适合合于于大大功功率率的的干干线线机机车车电电流流型型变变流流器器可可以以为为同同步步电电动动机机供供电电或或在一些城市轨道交通运输中使用在一些城市轨道交通运输中使用 牵引变流器组成2 3 3逆变器单元逆变器单元 电电动动机机侧侧采采用用三三相相PWMPWM逆逆变变器器，形形成成直直- -交交流流变变换换部部分分。

逆逆变变器器将将中中间间回回路路直直流流电电压压变变换换成成幅幅值值和和频频率率可可调调的的三三相相交交流流电电压压，供供给给异异步步牵牵引引电电动动机机在在启启动动阶阶段段，逆逆变变器器按按脉脉宽宽调调制制PWMPWM模模式式进进行行控控制制，恒恒电电压压频频率率比比输输出出当当逆逆变变器器输输出出频频率达到基频（率达到基频（50Hz50Hz）后，转入方波控制模式后，转入方波控制模式 牵引变流器组成2电压型四象限脉冲整流器 3 上图为上图为两电平电压型四象限脉冲整流器构成原理图两电平电压型四象限脉冲整流器构成原理图，其其中，中，RFRF为主变压牵引绕组电阻，为主变压牵引绕组电阻，LFLF为主变压器牵引绕组为主变压器牵引绕组漏电抗，漏电抗，CdCd为支撑电容，为支撑电容，L2L2、C2C2为谐振电感和电容为谐振电感和电容 电压型四象限脉冲整流器 31 1、结构：四个晶闸管，四个二极管、结构：四个晶闸管，四个二极管 2 2、整流状态、整流状态 1 1）当）当Uf0Uf0时时 先给先给LfLf充电，储存能量，同时充电，储存能量，同时CdCd向负载供电向负载供电 电流路径：电流路径：Uf - Rf - Lf - VT2 -VD4 - UfUf - Rf - Lf - VT2 -VD4 - Uf 关断关断VT2VT2，进行整流升压阶段，向，进行整流升压阶段，向CdCd充电。

充电 电流路径：电流路径：Uf -Rf -Lf -VD1 -Uf -Rf -Lf -VD1 -直流环节直流环节-VD4 - Uf-VD4 - Uf 此时，此时，Ud =Uf + ULfUd =Uf + ULf 2 2）当）当Uf0Uf0时时( (自行分析）自行分析）3 3、逆变状态、逆变状态 两电平电路工作在全控桥电路，即由两电平电路工作在全控桥电路，即由VT1 VT2 VT3 VT4 VT1 VT2 VT3 VT4 组成 正半周：直流环节正半周：直流环节-VT3-Uf -Rf-Lf-VT2-VT3-Uf -Rf-Lf-VT2-直流环节直流环节 负半周：直流环节负半周：直流环节-VT1-Lf-Rf-Uf -VT4-VT1-Lf-Rf-Uf -VT4-直流环节直流环节电压型四象限脉冲整流器 3 中间直流电路 4 电压型脉冲四象限整流器中间环节由两部分组成：一部电压型脉冲四象限整流器中间环节由两部分组成：一部分是分是2 2倍电网频率的串联谐振电路（也可以取消），另一部分倍电网频率的串联谐振电路（也可以取消），另一部分是支撑电容器（滤波电容器）和过电压限制电路是支撑电容器（滤波电容器）和过电压限制电路。

由于串励谐振电路中实际存在电阻，二次谐波电流并非由于串励谐振电路中实际存在电阻，二次谐波电流并非全部通过谐振电路，而是有一部分电流通过支撑电容器分流全部通过谐振电路，而是有一部分电流通过支撑电容器分流支撑电容支撑电容CdCd为储能器，支撑中间回路电压使其保持稳定为储能器，支撑中间回路电压使其保持稳定 电压型逆变器 5 逆变器与整流器工作过程相反，它是将直流电变换逆变器与整流器工作过程相反，它是将直流电变换为交流电的装置逆变器可分为有源逆变器和无源逆变为交流电的装置逆变器可分为有源逆变器和无源逆变器若交流侧接负载则为无源逆变器，若交流侧接电网器若交流侧接负载则为无源逆变器，若交流侧接电网则为有源逆变器则为有源逆变器交交- -直直- -交机车的牵引逆变器属于有源逆变器，其作用交机车的牵引逆变器属于有源逆变器，其作用是把中间直流电压变换为三相交流电压，为异步牵引电是把中间直流电压变换为三相交流电压，为异步牵引电动机提供频率和电压可调的三相交流电源，通过调节三动机提供频率和电压可调的三相交流电源，通过调节三相输出电压波形控制牵引电动机的磁通和转矩相输出电压波形控制牵引电动机的磁通和转矩HXD3型机型机车牵引引变流器控制流器控制电路路HXD3型机车牵引变流器控制电路四象限脉冲整流器1中间直流电路2三相逆变电路3 四象限脉冲整流器能够进行脉宽调制和能量变换，即实现整流和反馈两方面的功能，能够在输入电压和电流平面所在的四个象限工作。

作为电力牵引用的变流器，能够实现牵引、制动工况下的前进、后退 四象脉冲限整流器不仅可以将交流转换成直流，使整流器的功率因数接近1.0，而且直流输出电压可以高于交流输入电压有效值四象限脉冲整流器1四象限脉冲整流器1 图中，RF为主变压牵引绕组电阻，LF为主变压器牵引绕组漏电抗，Cd为支撑电容，L2、C2为谐振电感和电容四象限脉冲整流器1四象限脉冲整流器1 从表中可以看出交流电源 、变压器漏抗LF和直流侧回路之间的能量转移关系如下：当 ，电源短接；当 ，整流状态；当 ，逆变状态 虽然整流和逆变状态各有四个，但实际机车上只需要I、III象限的整流状态和II、IV象限的逆变状态四象限脉冲整流器能在两个方向导通电流，而与所施加的电压极性无关，能够方便的实现牵引与再生制动的转换 中间直流电路2 在交-直-交变流器中，中间回路即储能器是连接四象限脉冲整流器和负载端逆变器之间的纽带，它不仅起到稳定中间环节直流电压的作用，而且还承担着前后两级变流器进行无功功率交换和谐波功率交换的作用 电压型脉冲四象限整流器中间环节由两部分组成：一部分是2倍电网频率的串联谐振电路（也可以取消），另一部分是支撑电容器（滤波电容器）和过电压限制电路。

三相逆变电路3 逆变器与整流器工作过程相反，它是将直流电变换为交流电的装置逆变器可分为有源逆变器和无源逆变器若交流侧接负载则为无源逆变器，若交流侧接电网则为有源逆变器交-直-交机车的牵引逆变器属于无源逆变器，其作用是把中间直流电压变换为三相交流电压，为异步牵引电动机提供频率和电压可调的三相交流电源，通过调节三相输出电压波形控制牵引电动机的磁通和转矩 异步牵引电动机的牵引性能主要取决于逆变器的控制提高逆变器的开关频率，采用磁场定向控制和直接转矩控制等高动态性能控制技术，有利于提高异步电动机的牵引性能牵引逆变器一般采用电压型，按照输出特性，分为六阶波形和PWM型PWM型按输出电平数目的不同分为两电平(两点式）和三电平（三点式）两种以目前普遍使用的两电平式电路为例进行分析三相逆变电路3三相逆变电路3 三相逆变电路采用PWM控制技术，电路中VT1VT6各元件每隔60轮换导通其导通顺序为：VT1、VT2、VT3VT2、VT3、VT4VT3、VT4、VT5VT4、VT5、VT6VT5、VT6、VT1VT6、VT1、VT2在每一时刻都有三个开关元件同时导通 对于A相，当桥臂1导通时，uao=Ud /2；当桥臂4导通时，uao= -Ud /2，即uao的波形是幅值为Ud /2的方波。

B、C相的情况与A相类似，其波形ubo、uco与uao相同，只是在相位上相差120电角度 在逆变器的输出中，由于使用开关阵列的逆变电源，不论是线电压还是相电压其波形都不是标准的正弦波，而是PWM控制的调制波，除基波分量外还包含许多高次谐波分量，这些谐波将对电机的稳定运行带来了诸如谐波发热、转矩脉动和磁噪声等不良影响为了改善逆变器输出的脉动，可采用多重化逆变器电路，相当于相控机车的多段桥顺序控制电力机车控制系统电力机车控制系统教学资源库交流机交流机车控制策略控制策略一、机一、机车牵引控制特性引控制特性牵引运行三个区域：引运行三个区域： 二、不同控制方式下的二、不同控制方式下的牵引特性引特性1. CRH5型型动车组二、不同控制方式下的二、不同控制方式下的牵引特性引特性2. CRH2、CRH3、CRH5型型动车组二、不同控制方式下的二、不同控制方式下的牵引特性引特性3. HXD1、HXD2型型电力机力机车二、不同控制方式下的二、不同控制方式下的牵引特性引特性4. HXD3型型电力机力机车。