华东交通大学动车组牵引技术第6章牵引变流器.ppt
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第6章 牵引变流器第一节 电力电子元件 第6章 牵引变流器 第6章 牵引变流器半控型器件（半控型器件（Thyristor）） ——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断l全控型器件（全控型器件（IGBT,MOSFET) ) ——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件l不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) ——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路一、电力电子器件的分类一、电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类： 第6章 牵引变流器电流驱动型电流驱动型Ø ——通过从器件的控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制电压驱动型电压驱动型l ——仅通过在器件的控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制 按照驱动电路信号的性质，分为两类：按照驱动电路信号的性质，分为两类： 第6章 牵引变流器1-51956年美国贝尔实验室发明了晶闸管1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品1958年商业化。
开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）二、晶闸管二、晶闸管(thyristor) 第6章 牵引变流器（（a）螺栓形；）螺栓形； （（b）平板形；）平板形； （（c）晶闸管符号；）晶闸管符号；Ø外形有螺栓型和平板型两种封装螺栓形一般自然冷却，平板型可以水冷，功率较大）Ø有三个连接端Ø螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间 第6章 牵引变流器Ø常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构 第6章 牵引变流器v晶闸管的结构可以看成是三端四层半导体开关器件，共有3个PN结，J1、J2和J3，如图所示 第6章 牵引变流器v当当A、、K两端加正电压时两端加正电压时（（A接正，接正，K接负），接负），J1、、J3结为正偏置，中间结结为正偏置，中间结为反偏置晶闸管未导为反偏置。
晶闸管未导通时，加正压时的外加通时，加正压时的外加电压由反偏置的电压由反偏置的J2结承结承担，而加反压时的外加担，而加反压时的外加电压则由电压则由J1、、J3结承担 第6章 牵引变流器v若把晶闸管看成由两个三极管T1（P1N1P2）和T2（N1P2N2）构成，则其等值电路可表示成两个三极管对三极管来T1说，P1N1为发射结J1，N1P2为集电结J2；对于三极管T2，P2N2为发射结J3，N1P2仍为集电结J2；因此J2（N1P2）为公共的集电结 第6章 牵引变流器如果晶闸管接入如图（如果晶闸管接入如图（b）所）所示外电路，外电源示外电路，外电源EA正端经正端经负载电阻负载电阻R引至晶闸管阳极引至晶闸管阳极A，电源的负端接晶闸管阴极，电源的负端接晶闸管阴极K，一个正值触发控制电压，一个正值触发控制电压EG经电阻经电阻Rs后接至晶闸管的门后接至晶闸管的门极极G，如果，如果T1（（P1N1P2）的）的集电极电流分配系数为集电极电流分配系数为α1，，T2（（N1P2N2）的集电极电）的集电极电流分配系数为流分配系数为α2，， 注：此处电流分配系数α是指集电极电流与发射极电流的比值此值在管子处于放大区时基本固定，不在放大区则会变化） 第6章 牵引变流器2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性承承受受反反向向电电压压时时，，不不论论门门极极是是否否有有触触发发电电流，晶闸管都不会导通。
流，晶闸管都不会导通承承受受正正向向电电压压时时，，仅仅在在门门极极有有触触发发电电流流的的情况下晶闸管才能开通情况下晶闸管才能开通晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用要要使使晶晶闸闸管管关关断断，，只只能能使使晶晶闸闸管管的的电电流流降降到接近于零的某一数值以下到接近于零的某一数值以下 晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下： 第6章 牵引变流器Ø电力电力MOSFET的种类的种类 按导电沟道可分为P沟道沟道和N沟道沟道 耗耗尽尽型型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道 增增强强型型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道 电力MOSFET主要是N沟道增强型沟道增强型三、电力三、电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 第6章 牵引变流器G：栅极D：漏极S：源极 第6章 牵引变流器Ø电力电力MOSFET的结构的结构是单极型晶体管导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号 第6章 牵引变流器Ø截截止止：：漏源极间加正电源（D高S低），栅源极间电压为零。
–P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过电力电力MOSFET的工作原理（的工作原理（N沟道增强型沟道增强型VDMOS）） 第6章 牵引变流器导电：导电：在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子——电子吸引到栅极下面的P区表面当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 第6章 牵引变流器Ø电力电力MOSFET是电压驱动型器件是电压驱动型器件Ø为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小Ø使使MOSFET开开通通的的驱驱动动电电压压一一般般10~15V，，使使IGBT开开通的驱动电压一般通的驱动电压一般15 ~ 20VØ关关断断时时施施加加一一定定幅幅值值的的负负驱驱动动电电压压（（一一般般取取-5 ~ -15V）有利于减小关断时间和关断损耗有利于减小关断时间和关断损耗Ø在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。
电力电力MOSFET的驱动电路的驱动电路: 第6章 牵引变流器v电力MOSFET特点：v1、开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100KHZ，是主要电力电子器件中最高的v2、场控器件，静态时几乎不需要输入电流，只是开关过程中需要一定的功率，开关频率越高，驱动功率越大 第6章 牵引变流器四、四、 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管Ø绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位 GTR（巨型晶体管，工作原理与三极管类似）的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂 MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单 第6章 牵引变流器 第6章 牵引变流器Ø1) IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极E图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号 第6章 牵引变流器N沟道IGBT。
IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管RN为晶体管基区内的调制电阻图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号 第6章 牵引变流器Ø 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定导导通通：uGE大于开开启启电电压压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通通态压降通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小关关断断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断 IGBT的原理的原理 第6章 牵引变流器 第6章 牵引变流器第二节 整流电路整流电路的分类整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控不可控、半控半控、全控全控三种整流电路整流电路是出现最早的电力电子电路，其作用是将交流电变为直流电 第6章 牵引变流器v一、桥式不控整流电路一、桥式不控整流电路 第6章 牵引变流器首先，引入两个重要的基本概念：触触发发延延迟迟角角：：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示,也称触发角或控制角。
导通角导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用θ表示 基本数量关系基本数量关系 第6章 牵引变流器二二、、单单相相半半控控桥桥带带阻阻感感负载负载的情况的情况 第6章 牵引变流器1) 带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况a)三、单相桥式全控整流电路三、单相桥式全控整流电路（2-9）a 角的移相范围为180 第6章 牵引变流器2、带阻感负载的工作情况、带阻感负载的工作情况 u假设电路已工作于稳态，id的平均值不变假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线VT2和 VT3导 通 后 ， VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换换相相，亦称换流换流 第6章 牵引变流器 数量关系数量关系（2-15）晶闸管移相范围为90晶闸管导通角，均为180变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id 第6章 牵引变流器v控制段数越多，在相同的输出电压比的情况下，功控制段数越多，在相同的输出电压比的情况下，功率因数越高率因数越高v段数多的负面影响是主电路复杂，元件数量越多，段数多的负面影响是主电路复杂，元件数量越多，控制越复杂。
控制越复杂v采用四段半控桥已具有比较好的功率因数，多于四采用四段半控桥已具有比较好的功率因数，多于四段控制的经济意义不大段控制的经济意义不大四、多段桥顺序控制四、多段桥顺序控制目的：改善机车的功率因数，降低谐波干扰目的：改善机车的功率因数，降低谐波干扰 第6章 牵引变流器v1 1、二段半控桥式整流电路（、二段半控桥式整流电路（6G6G））v第一调节区：ＲＭ第一调节区：ＲＭ２２闭锁（闭锁（αα2 2=180=180º º），），ＲＭ１的ＲＭ１的T T1 1、、T T2 2被触被触发逐渐开放，ＲＭ发逐渐开放，ＲＭ２２的的D D3 3和Ｄ和Ｄ４４续流，续流，U Ud d由由0 0～～450V450V调节；调节； 第6章 牵引变流器 第6章 牵引变流器 第6章 牵引变流器 第6章 牵引变流器v第二调节区：ＲＭ第二调节区：ＲＭ1 1满开放（满开放（ αα1=01=0º º ），），vＲＭ２逐渐开放，ＲＭ２逐渐开放， UdUd由由450450～～900V900V调节；调节； 第6章 牵引变流器v第二阶段：第二阶段： 第6章 牵引变流器v2、三段不等分桥式整流电路、三段不等分桥式整流电路v工作原理工作原理:XAx2a2x1a1ud2udo1/41/41/2 第6章 牵引变流器 第6章 牵引变流器v3、四段经济桥式、四段经济桥式整流电路整流电路v第一阶段：控制第一阶段：控制T1T2。
v第二阶段：满开放第二阶段：满开放T1T2,控制控制T3T4v第三阶段：满开放第三阶段：满开放T5T6,控制控制T1T2v第四阶段：满开放第四阶段：满开放T1T2、、T5T6，控，控制制T3T4XAx2a2x1a1ud2udo1/41/41/2 第6章 牵引变流器 第6章 牵引变流器两电平四象限整流器-除了除了CRH2、、CRH380的交流传动机车都采用此结构五、两电平四象限脉冲整流器 第6章 牵引变流器v为了抑制电力电子装置产生的谐波，其中一种方法就是对整流器本身进行改进，使其尽量不产生谐波，且电流与电压同相位，一般均采用PWM整流技术对电压型整流器，将整流器通过电抗器与电源相连，对整流器各开关器件施加适当的PWM控制，就可对整流器网侧交流电流的大小和相位进行控制，不仅可以实现交流电流接近于正弦波，而且可使交流电流的相位于电源电压同相，使系统总功率因数接近1. 第6章 牵引变流器1、单相、单相PWM整流电路理论基础整流电路理论基础UN表示电网电压，为正弦交流电US为负载电压LS为变压器电抗IS为网侧电流，只要波形为正弦且与电压同步，则功率因数可达1. 第6章 牵引变流器由上式可知，调节US的大小，就可调节IS的大小和相位，使其与UN保持一致。
PWM整流器的原理就是采用PWM控制整流元器件的导通和关断，从而调节US的大小和相位，是IS与UN尽量同步且为正弦波，以达到提高功率因数的目的 第6章 牵引变流器 PWM (Pulse Width Modulated)即脉冲宽度调制，PWM控制技术的理论依据是冲量等效原理(大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同)2、、PWM脉冲宽度调制技术脉冲宽度调制技术 第6章 牵引变流器 第6章 牵引变流器 一个正弦半波波形分成N个彼此相连的脉冲所组成的波形这些波形宽度相等，都等于 ； 但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲脉冲的幅值按正弦规律变化的幅值按正弦规律变化把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列等宽的矩形脉冲序列代替，矩形脉冲和相应正弦部分面积(冲量)相等，而各脉冲的宽度是按正弦规律变化，就得到PWM该PWM波形和正弦半波是等效的 第6章 牵引变流器 第6章 牵引变流器v正弦脉宽调制技术（SPWM）即以期望得到的正弦波为调制波，以等腰三角波为载波，当正弦波与三角波相交时，用交点控制变流器开关的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于正弦曲线函数值的矩形波。
根据输出电压波的极性不同，又可分为单极性波和双极性波 第6章 牵引变流器① 单极性正弦脉宽调制单极性正弦脉宽调制单极性单极性SPWM是指逆变器输出相电是指逆变器输出相电压在任何半周内始终为一个极性压在任何半周内始终为一个极性.他的控制信号是由两个半周中不对他的控制信号是由两个半周中不对称的等腰三角形载波与正弦调制波称的等腰三角形载波与正弦调制波相交得出，当正选波的瞬时绝对值相交得出，当正选波的瞬时绝对值超过三角波时，变流器的开关器件超过三角波时，变流器的开关器件导通，反之关断，从而获得一系列导通，反之关断，从而获得一系列脉冲正弦调制波的频率即为输出脉冲正弦调制波的频率即为输出电压频率电压频率 单极性单极性SPWM波形（脉冲数波形（脉冲数i=6））（（a) 输出电压波（输出电压波（b)两种控制电压波的相交两种控制电压波的相交 第6章 牵引变流器v调节正弦调制波或三角载波的幅值均可调节输出电压脉冲的宽度，从而调节输出电压的幅值通常是采用调节正弦调制波幅值的方法如果想增大输出电压，则调制波幅值应增大还是减少？（增大）） 第6章 牵引变流器正弦调制波幅值不应超过三角正弦调制波幅值不应超过三角载波幅值，若过分接近，则在载波幅值，若过分接近，则在正弦波峰值附近脉冲间隙时间正弦波峰值附近脉冲间隙时间太短，会导致开关速度较慢的太短，会导致开关速度较慢的器件（晶闸管）来不及关断，器件（晶闸管）来不及关断，使输出脉冲相连。
这在双极性使输出脉冲相连这在双极性SPWM 中会造成贯穿短路中会造成贯穿短路 第6章 牵引变流器56② 双极性正弦脉宽调制双极性正弦脉宽调制• 双极性双极性SPWM是逆变器输是逆变器输出半个周期内，同一桥臂的上出半个周期内，同一桥臂的上两个元件作互补式通、断工作两个元件作互补式通、断工作的控制方式的控制方式调制波瞬时值大调制波瞬时值大于载波值，一元件导通，调制于载波值，一元件导通，调制波瞬时值小于载波值则同一桥波瞬时值小于载波值则同一桥臂上的另一元件导通）臂上的另一元件导通） 在逆变在逆变器输出相电压在任何半周内，器输出相电压在任何半周内，都有都有 正、负极性交替出现，由正、负极性交替出现，由 此取其基波，可得交变的正弦此取其基波，可得交变的正弦 波电压同样控制调制波的幅同样控制调制波的幅值和频率就可调节输出电压的值和频率就可调节输出电压的幅值与频率幅值与频率双极性双极性SPWM波形波形（（a）三角形载波与）三角形载波与正弦正弦 调制波的相交调制波的相交（（b）输出相电压波）输出相电压波 第6章 牵引变流器Ur>Uc,V4导通； Ur 第6章 牵引变流器四象限四象限整流输出U、I用坐标表示1.二极管整流，U、I输出均为，且只有正值，称为 一象限变换装置2.晶闸管整流，输出正、负U，输出I只正值，称为 二象限即电压可调节3.IGBT功率组件整流，输出正或负U、I，称为 四象限即电压电流均可调节 第6章 牵引变流器交流传动机车主电路 第6章 牵引变流器三电平四象限整流器---CRH2、、CRH380采用此结构采用此结构 第6章 牵引变流器 第6章 牵引变流器 第6章 牵引变流器 第6章 牵引变流器第三节第三节 逆逆变电路变电路 v逆变的概念逆变的概念 逆变逆变——与整流相对应，直流电变成交流电与整流相对应，直流电变成交流电交流侧接电网，为交流侧接电网，为有源逆变有源逆变交流侧接负载，为交流侧接负载，为无源逆变无源逆变对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路变流电路。 第6章 牵引变流器一、无源一、无源逆变电路的基本工作原理逆变电路的基本工作原理图5-1 逆变电路及其波形举例负载a)S1S2S3S4iouoUdS1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成 第6章 牵引变流器S1、S4闭合闭合，S2、S3断开断开时，负载电压uo为正正S1、S4断开断开，S2、S3闭合闭合时，负载电压uo为负负直流电交流电 第6章 牵引变流器逆变电路最基本的工作原逆变电路最基本的工作原理理 ——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率图5-1 逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2电电阻阻负负载载时，负载电流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同阻阻感感负负载载时，i io o相位滞后于u uo o，波形也不同 第6章 牵引变流器二、二、 电压型逆变电路电压型逆变电路1）逆变电路的分类 —— 根据直流侧电源性质根据直流侧电源性质的不同的不同电压型逆变电路——又称为电压源型逆变电路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流侧是电压源电压源（即电容）（即电容）电流型逆变电路——又称为电流源型逆变电路Current Source Type Inverter-VSTI直流侧是电流源电流源（即电感）（即电感） 第6章 牵引变流器2）电压型逆变电路的特点图5-5 电压型全桥逆变电路 (1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动无脉动。 (2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同 (3)阻感负载时需提供无功功率为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管 第6章 牵引变流器 第6章 牵引变流器阶段0~60°60~120°120~180°180~240°240~300°300~360°导通管号1、2、32、3、43、4、54、5、65、6、16、1、2等值电路相电压uAOuBOuCO线电压uAB0-Ud-Ud0UdUduBCUdUd0-Ud-Ud0uCA-Ud0UdUd0-Ud 第6章 牵引变流器 第6章 牵引变流器 第6章 牵引变流器 n=6k±1 第6章 牵引变流器负载已知时，可由负载已知时，可由uUN波形求出波形求出iU波形Ø一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似Ø桥臂桥臂1、、3、、5的电流相加可得直流侧电流的电流相加可得直流侧电流id的波形，的波形，id每每60°脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。 压型逆变电路的一个特点Ø防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取起直流侧电源短路，应采取“先断后通先断后通” 第6章 牵引变流器v思考：v负载如何得到电压可调，频率可调出交流电？ 第6章 牵引变流器vSPWM逆变器：v以期望得到的正弦波为调制波，以等腰三角波为载波，通过其交点控制各个管子的导通与关断通过控制调制波的幅值和频率可以控制输出交流电的频率和幅值 第6章 牵引变流器 第6章 牵引变流器交流传动机车主电路 第6章 牵引变流器休休 息息 一一 下下 。
