鐵道機車專業(yè)教學(xué)資源庫武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院主講：黃秀川《高速動車組技術(shù)》課程武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院黃秀川牽引變流器構(gòu)成及原理目錄CONTENTS01牽引變流器用電力電子器件02脈沖整流器03逆變器04中間直流環(huán)節(jié)牽引變流器用電力電子器件最早的交流傳動技術(shù)采用的是大功率的晶閘管，可控晶閘管整流器可以實現(xiàn)電壓的無極調(diào)速，但使用晶閘管的電路脈動電流大，電流畸變和無功功率損耗嚴(yán)重，為了得到比較好的電流波形，機車上一般采用了由二極管和晶閘管組成的多個整流半控橋。但它幾乎不能實現(xiàn)再生制動，因為這需要全控橋和防止逆變器傾覆的特殊保護裝置。隨著速度提高要求，變流器需要更大功率的變流器件，日本首先開發(fā)了GTO晶閘管。GTO不需要強迫換相電路，使逆變器構(gòu)成簡單，結(jié)構(gòu)緊湊可靠，成本低。但隨著IGBT技術(shù)的日益成熟，GTO就退居次要地位了。IGBT傳動首先是在輔助傳動逆變器中取代了晶閘管或GTO傳動。后來才用于輕型和重型近郊運輸、城市高速鐵路的主傳動，最后用于大功率機車及高速動車組。IGBT變流器損耗小，特別是在局部負(fù)荷范圍中節(jié)約了電能。其更高的開關(guān)頻率可減小傳動部件的負(fù)荷和尺寸。關(guān)斷的保護設(shè)計有益于保護電動機和傳動裝置。無吸收電路的簡單的變流器結(jié)構(gòu)可使變流器結(jié)構(gòu)緊湊和經(jīng)濟。但其涉及電磁兼容性、電動機絕緣和軸承電流問題，可能需要增加濾波器。大功率ICBT的采用，減輕了牽引變流器的重量，對于采用了動力分散帶來的動力設(shè)備多、重量大的缺點可以很好的彌補。脈沖整流器脈沖整流器是列車牽引傳動系統(tǒng)電源側(cè)變流器。在牽引時作為整流器，將單相交流電轉(zhuǎn)變成直流電；再生制動時作為逆變器，將直流電轉(zhuǎn)變成單相交流電，它可方便地運行于電壓電流平面的四個象限，因此亦稱為四象限脈沖整流器。圖5-4-1為脈沖整流器電路原理圖，由交流回路、功率開關(guān)橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括變壓器牽引繞組的輸出電壓uN、漏電感LN和繞組電阻RN（RN很小，可以忽略不計）；直流回路包括二次濾波環(huán)節(jié)L2、C2和中間支撐電容Cd。其簡化的等效電路如圖5-4-2所示。

CRH2A動車組主牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖1.兩電平脈沖整流器（1）兩電平脈沖整流器的工作原理單相兩電平脈沖整流器主電路如圖5-4-3所示，LN和RN分別為牽引繞組漏電感和電阻，開關(guān)管T1、T2、T3、T4組成一個全控橋電路，L2和C2組成一個二次濾波器，Cd為中間直流側(cè)支撐電容。為了便于分析，定義理想開關(guān)函數(shù)SA和SB為式（5-4-1）和（5-4-2）。采用理想開關(guān)函數(shù)并忽略牽引繞組電阻，則圖5-4-3所示的兩電平脈沖整流器主電路可以等效為圖5-4-4所示的電路。CRH2A動車組主牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖由于上橋臂與下橋臂不允許直通，則Si（i＝A，B）與S′i（為下橋臂的開關(guān)函數(shù)）必須滿足：S′i＝1－Si。于是uab的取值有Ud、0、－Ud三種電平，有效的開關(guān)組合有22＝4種，即：SASB＝00、01、10、11四種邏輯，則uab可表示為：uab＝（SA－SB）Ud（5—4—3）對應(yīng)于四個開關(guān)的不同開閉狀態(tài)，電路共有以下三種工作模式。工作模式1：SASB＝00或11，即下橋臂開關(guān)或上橋臂開關(guān)全部導(dǎo)通，則此時uab＝0，電容Cd向負(fù)載供電，直流電壓通過負(fù)載形成回路釋放能量，直流電壓下降。另方面，牽引繞組兩端電壓uN直接加在電感LN上，對電感LN充放電：當(dāng)uN＞0，D1與T3導(dǎo)通或T2與D4導(dǎo)通，電感電流iN上升，電感LN儲存能量；當(dāng)uN＜0，D3與T1導(dǎo)通或T4和D2導(dǎo)通，電感電流iN下降，電感LN釋放能量。在此過程中，有下式成立：工作模式2：SASB＝01，其等效電路如圖5-4-5（a）所示，此時uab＝－Ud；T1和T4同時關(guān)斷，由D3和D2導(dǎo)通形成回路，uN＜0，電流流向與電流iN的參考方向相反，并對電感充電儲能電感電流iN上升，滿足如下關(guān)系式：工作模式3：SASB＝10，其等效電路如圖5-4-5（b）所示，此時uab＝Ud；T3和T2同時關(guān)斷，由D1和D4導(dǎo)通形成回路，uN＞0，儲存在電感中的能量向負(fù)載RL，和電容Cd釋放，電感電流iN下降，一方面給電容充電，使得直流電壓上升，保證直流電壓穩(wěn)定，同時高次諧波電流通過電容形成低阻抗回路；另一方面給負(fù)載提供恒定的電流；滿足如下關(guān)系式：在任意時刻，處于整流狀態(tài)的脈沖整流器都只能工作在三種模式中的一種，在不同的時間段，通過對上述3種開關(guān)模式的切換，實現(xiàn)直流側(cè)負(fù)載電壓的穩(wěn)定和負(fù)載電流的雙向流動。（2）兩電平脈沖整流器的PWM控制原理兩電平脈沖整流器采用SPWM調(diào)制，其調(diào)制方式如圖5-4-6所示。當(dāng)ua＞uca時，SA為1，否則為0。b相與a相調(diào)制方式相同，但ub與ua相位相差180°，ucb與uca相同。圖5-4-7為兩電平脈沖整流器SPWM調(diào)制波形。CRH2A動車組主牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖圖5-4-7兩電平脈沖整流器SPWM調(diào)制波形2.三電平脈沖整流器（1）三電平脈沖整流器工作原理單相三電平脈沖整流器主電路如圖5-4-8所示，圖5-4-8中u1為直流側(cè)支撐電容C1上的電壓，u2為直流側(cè)支撐電容C2上的電壓。為了便于分析，定義理想開關(guān)函數(shù)SA和SB如式（5-4-8）、（5-4-9）所示。采用理想開關(guān)函數(shù)并忽略牽引繞組電阻，則圖5-4-9所示的三電平脈沖整流器主電路可以等效為圖5-4-10所示的電路。CRH2A動車組主牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如工作模式3（SA＝1，SB＝－1）：開關(guān)管Ta1，Ta2，Tb3和Tb4導(dǎo)通，Ta3，Ta4，Tb1和Tb2關(guān)斷，網(wǎng)側(cè)端電壓uao＝u1，ubo＝－u2，uab＝u1＋u2。正向網(wǎng)側(cè)電流iN減小，正向網(wǎng)側(cè)電流對電容C1和C2充電。（2）三電平脈沖整流器PWM控制原理三電平脈沖整流器PWM調(diào)制方式為SPWM，其理想相開關(guān)函數(shù)見式（5-4-10）.其調(diào)制方式如圖5-4-10所示。當(dāng)b相調(diào)制波ub與a相相差180°相位，其與b相載波ucb之間的關(guān)系與上述關(guān)系相同，為減少高次諧波，b相載波需要偏離a相載波180°相位。CRH2A動車組主牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖三電平脈沖整流器利用上述調(diào)制方式進行切換動作，得到的PWM調(diào)制和動作波形如圖5-4-11所示。uab是采用Ud、Ud/2、0、－Ud/2、－Ud這5種電平來等效的正弦波。與兩電平脈沖整流器相比，這樣可以有效地減小網(wǎng)側(cè)輸入端電流iN的諧波。逆變器逆變器部分以支撐電容器電壓為輸人，牽引控制裝置控制IGBT的開通或關(guān)斷。牽引時逆變器輸出電壓和頻率可調(diào)的3相交流電，控制牽引電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。再生制動時以牽引電機輸出的3相交流電源為輸人，向支撐電容側(cè)輸出直流電壓。牽引逆變器可以分成電壓源型和電流源型兩種，為同步電機供電的大多采用電流源型逆變器，為異步電機供電的大多采用電壓源型逆變器，我國高速動車組全部采用電壓源型逆變器。根據(jù)輸出電平數(shù)的不同，電壓源型牽引逆變器又可分為兩電平和三電平兩種。電平式逆變器是指每相交流輸出電壓相對于直流輸人電壓只有兩種取值可能——電壓正端或負(fù)端（或兩種電平），普通的逆變器都屬于此類。如果把逆變器視作理想開關(guān)，則可畫出其原理圖，如圖5-4-12（a）所示。而多點式逆變器是指交流輸出電壓相對于直流輸人電壓有多種電平可取，其中電平式逆變器是多點式中最簡單又最有實用意義的一種電路，其交流輸出電壓對直流輸人電壓的三種取值，一般為電壓的正端、負(fù)端與中間的零端，如圖5-4-12（b）所示。逆變器三電平逆變器是在大容量電力牽引交流傳動領(lǐng)域中新發(fā)展起來的一種逆變器，它屬于電壓型逆變器范疇。三電平逆變器主電路采用兩IGBT串聯(lián)與中點帶箝位二極管的方案。這種主電路方案可使主管耐壓值降低一半。圖5-4-16中一相橋臂的四個主管有三種不同的通斷組合，對應(yīng)著三種不同的輸出電位，見表5-4-2。逆變器模式T11T12T13T14輸出相電壓P通通斷斷Ud/2O斷通通斷0N斷斷通通－Ud/2由表5-4-2看出，主管T11和T13柵極上控制脈沖是互反的，主管T12和T14也是如此。同時規(guī)定輸出電壓變化只能是由正到零，零到負(fù)或相反地變換，不允許正負(fù)之間直接變換。此外，電壓型逆變器中各主管通斷轉(zhuǎn)換中必須遵循先斷后通的原則，如表5-4-2中從UUO＋Ud/2到零變換時，先斷T11后通T13，其余類推。通過逆變器IGBT的動作順序，頻率、幅值可調(diào)的三相交流電壓，驅(qū)動牽引電機調(diào)速，實現(xiàn)動車組牽引運行。中間直流環(huán)節(jié)在交—直—交變流器中，中間直流回路屬于儲能環(huán)節(jié)。在電壓型脈沖整流器中，其組成部分包括：相應(yīng)于2倍電網(wǎng)頻率的串聯(lián)諧振電路；支撐電容器和過壓限制電路。1.二次串聯(lián)諧振電路由于脈沖整流器輸出的電流含有大量的高次諧波，其中二次諧波對系統(tǒng)的性能影響最大。二次串聯(lián)諧振電路的作用就是消除二次諧波，下面首先分析二次諧波產(chǎn)生的機理。交流電源提供的瞬時功率為：其中包含一個恒定分量和一個以2倍電源頻率脈動的交變分量。變壓器漏抗上的瞬時無功功率為:變流器輸人瞬時功率為:變流器輸出電流可根據(jù)變流器為無損耗和無儲能器件的簡化假設(shè)，由以下功率平衡關(guān)系求得：則：從式（5-4-10）可知，變流器的輸出電流包含直流分量和2倍于供電頻率的交流兩個重要的分量，一個和一個其中直流分量，流人負(fù)載，幅值為的二次諧波電流分量從串聯(lián)諧振電路流過，而串聯(lián)諧振電路吸收漏抗產(chǎn)生的無功功率，因而可以降低電源瞬時功率的脈動分量。2.支撐電容器在電壓源型變流器中，支撐電容器作為儲能器可以支撐中間回路電壓并使其保持穩(wěn)定。支撐電容Cd值的大小直接決定著中間直流環(huán)節(jié)的工作性質(zhì)，因此合理選擇Cd的值十分重要。由于中間回路與兩端變流器之間存在著復(fù)雜的能量交換過程，迄今還沒有簡單實用的方法來選擇合適的支撐電容器