变流技术培训.

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1、变流技术（整流逆变）,绪论：电力机车的发展 半导体元件的发展 基础知识：三相异步电动机 半导体元件 电力电子器件 交直交机车基本原理 无源逆变原理 控制方式 冷却原理,绪论,第一节 电力机车的发展 、我国机车的发展 、电力机车的发展 、我国交流传动机车的发展,、我国电力机车的发展,蒸汽机车 内燃机车：电传动 液力传动 电力机车：直流电力机车 交直传动机车（直流牵引电机） 交流传动机车（交流牵引电机）,、电力机车的发展,1879年5月31日 ，直流电力机车 1904年瑞士开始采用单相交流制电力牵引 1932年匈牙利试验成功了单相工频交流电力机车 1950年法国试制了引燃管整流电力机车 1960年

2、西德制成半导体整流器式电力机车 晶闸管（可控硅） 80年代初西德研制了采用异步电动机驱动的交直交电力机车,我国电力机车,我国电气化铁路自1958年开始筹建,采用单相工频交流供电制,接触网电压为25KV。1958年试制成功韶山1（6Y1）型引燃管整流器式电力机车,1961年8月15日宝鸡凤州段91KM电气化铁路通车,这是我国第一条电气化铁路。 SS1 SS2 SS3 SS4 SS5 SS6 SS7 SS8,3、交流传动机车的发展,1996年，AC4000型交流传动电力机车成为中国第一台交流传动电力机车。功率为4,000kW，最高时速120km/h。 DJ型交流传动高速客运电力机车用于干线客运，轴

3、式Bo-Bo，功率为4800kW，最高时速220km/h。 乌兹别克斯坦机车，轴式 B0-B0-B0 ，持续制功率：6000kW，最高运行速度 120 km/h。,中华之星该电动车组将成为我国京一沈快速客运通道的主型车。列车最高运营速度可达270kmh 。 “中原之星”动车组为动力分散型、交流传动电动车组，首列动车组于2001年10月生产下线。于郑武线上运营。持续制牵引功率： 6400 kW，最高运营速度：160km/h。 中国第一台正式进入高速领域的DJ1型200km/h高速动车组，是我们强大机车家族的又一精心完美之作。城际客运，B0-B0，200km/h。,“蓝箭”电动旅客列车组是为满足广

4、深线“小编组、高密度、高速度”的公交化客运要求，由株洲电力机车厂、株洲电力机车研究所、长春客车厂和广铁集团于2000年共同研制的新一代交传高速电动旅客列车组。持续制功率： 4800kW，最高速度： 210km/h。 DJ2型号交流传动电力机车是我国第一台具有自主知识产品的商用型交流传动电力机车。它具有粘着好、恒功范围宽、轴功率大、功率因素及效率高、谐波干扰小、维修率低、节省电能和运营费用等优点。Bo-Bo ，4800kW ，200km/h。,第二节 电力机车与半导体元件,无整流元件：直流电力机车 引燃管整流：交直电力机车 6Y1 6Y2 二极管整流：有级调速 SS1 8G 可控硅整流：无级调速

5、 SS3- 6K 8K 可关断可控硅GTO：交直交传动机车 IGBT：交直交传动机车,第二章 基础知识,第一节 三相异步交流电机 第二节 半导体元件,第一节 三相异步交流电机,直流电机：调速范围广，且易于平滑调节，过载、起动、制动转矩大，易于控制，可靠性高，调速时能量损耗较小。缺点是换向困难，单机的容量受到限制。而且由于运行时换向器需经常维修，寿命也较短。 三相异步交流电机的特点有：结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高、具有适用的工作特点。缺点有功率因数较差，0.86左右，这需要进行功率补偿。,同步转速： f：输入电源频率；p：绕组极对数。 转差率： n：电动机转子转

6、速,三相异步电动机在设计时，都给定了额定电压u,额定电流I，及相应的额定频率，磁通的数值都定为接近磁路饱和值，从公式中可见:降低f1,可使电机减速。但从2式中可见:降低f1时，若电压u1不变，必须增大，但增大是不可能的，因为它己接近饱和值。保持磁通不变，只有降低u1,保持u1/f1=常数。,交流传动机车的特点,1、交流传动机车功率大、粘着系数高、恒功区宽。现代交流传动机车最大轮周功率可达1 600 Kw-1 800 kW 2、节能效果显著。交流传动机车采用四象限变流器，接触网电流减少20%左右。 3、维修保养简单。 4、谐波干扰小。交流传动机车等效干扰电流Jp值在2A左右，远远小于直流传动机车

7、，可大大减轻对通信信号的干扰。,第二节 半导体元件,常见的半导体元件有二极管、晶闸管、双向晶闸管、门极关断（GTO）晶闸管、双极型晶体管（BPT或BJT）、电力MOSFET、静电感应晶体管（SIT）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、MOS控制晶闸管（MCT）、集成门极换向晶闸管（IGCT）、功率集成电路（PIC）。,第三章 电力电子器件及其应用,晶闸管（可控硅） 绝缘栅双极晶体管（IGBT）,第一 节 晶闸管,晶闸管全称为晶体闸流管，是一种功率半导体器件。具有容量大、效率高、控制特性好、寿命长、体积小等特点。常用的螺栓式与平板式两种，有三个引出极：阳极（A）、阴极（K）、门极（G），它安装在散

8、热器上，一般电流在200A以上的晶闸管采用平板式结构。,晶闸管的导通条件是：加正向电压、门极加正向电压。关断条件是：流过晶闸管的电流小于维持电流。理想状态下晶闸管导通后，相当于短路；晶闸管截止时，相当于断路。 常见的单相电路有：半控桥（用于整流，只能输出正电压）、全控桥（用于整流和逆变，能输出正负电压）。,辅助电路：频率控制范围： 050Hz,主电路：输出频率： 0120Hz,晶闸管触发电路的作用是为门极提供触发电压和触发电流，保证晶闸管在要求的时刻准确触发导通。触发电压可以是交流正半周的一部分，也可用直流，但更常用的是采用脉冲电压。为保证晶闸管装置能正常可靠工作，触发电路应满足以下要求： （

9、1）触发脉冲应有足够的幅度 （2）触发脉冲应有一定的宽度 (3)触发脉冲的前沿要陡 （4）触发脉冲的输出功率要足够 （5）触发脉冲与主回路电源电压必须同步 （6）触发脉冲具有需要的移相范围,第三节 IGBT,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，它是按照集成电路的工艺制造出来的,由于IGBT是电压驱动且不需要复杂的吸收电路，由它们构成的逆变器的成本和体积比同等GTO小5070%，而且较低的损耗可允许提高开关频率并减少谐波;此外其电绝缘的封装，使变流器的组装更为简单。,漏极D-C 源极S-E 栅极（门极）G 栅极上加正向偏置并大于开启电压时，导通。 加反向偏置，截止。,IGBT的特点,安全工作区宽 电

10、流密度高 导通压降低 输入阻抗高 驱动功率小 驱动电路简单 开关速度快 热稳定性好,擎住效应,在IGBT内部，除了作为主开关的PNP晶体管外，还寄生着一个NPN型晶体管。当集电极电流IC大于规定的临界电流ICM时，IGBT的栅极失去控制作用，这种失控现象就跟普通晶闸管被触发以后，即使撤消触发信号，晶闸管仍然维持导通的机理一样，因此被称为IGBT的擎住效应。发生擎住效应后，集电极电流IC增大，造成过高的功耗，最后导致器件损坏。 引发擎住效应的原因，可能是集电极电流过大（静态擎住效应），也可能是duCE/dt过大（动态擎住效应），温度升高也会加重发生擎住效应的危险。,驱动电路,输入信号高电平-V1

11、导通-MOSFET截止-VT1导通-G正向偏置电压 输入信号低电平-V1截止-MOSFET导通-VT2导通-G反向偏置电压,IGBT参数,（1）集射极击穿电压UCES 集射极击穿电压UCES即为IGBT的最高工作电压，它取决于IGBT内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压的大小。 （2）开启电压UGE（th）和最大栅极电压UGEM 开启电压UGE（th）是IGBT导通所需的最低栅射极电压，即转移特性与横坐标的交点。 UGE（th）具有负温度系数。在25时，IGBT的UGE（th）一般为26V。由于IGBT的驱动为MOSFET，应将最大栅射极电压UGEM限制在20V以内，其最佳值一般取15V左右。

12、,（3）通态压降UCE(on) 通态压降UCE(on)是指IGBT处于导通状态时集射极间的导通压降。它决定了IGBT的通态损耗，此值越小，器件的功率损耗越小。 （4）集电极最大连续电流IC和峰值电流ICM IGBT集电极允许流过的最大连续电流IC为IGBT的额定电流。IC的大小主要取决于结温的限制。为了防止电流擎住效应的出现，IGBT也规定了最大集电极峰值电流ICM。,对IGBT栅控电路的基本要求如下： 1、提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT能可靠地开通和关断。 2、提供足够大的瞬时功率或瞬时电流，使IGBT能及时迅速建立栅控电场而导通。 3、输入、输出延迟时间尽可能小，以提高工作频率。

13、 4、输入、输出电器隔离性能足够高，使信号电路与栅极驱动电路绝缘。 5、具有灵敏的过电流保护能力。,智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）是以IGBT为基本功率开关元件，将功率变换、驱动及保护电路封装集成在一起的专用功能模块，也称智能IGBT。使用IPM模块，仅需提供各桥臂对应IGBT的驱动电源和相应的开关控制信号，因而大大方便了应用和系统的设计，并使可靠性大大提高。IPM在中、大功率变频电路上已得到广泛应用，如国产蓝箭列车，就是用利用IPM模块构成牵引逆变器。,第四章 交直交电力机车基本原理,概述 整流器,第一节 概述,交直交机车是将恒频的交流电通过整流电路变

14、换成直流，然后再经逆变将直流变换成调压调频的交流电。这种变频器虽然多了一个中间直流环节，但输出交流电的频率可高于电网的频率。变频器由主回路、控制回路组成。主回路包括整流器、中间直流环节、逆变器。,一、整流器 将单相电经过整流变为直流电。 二、逆变器 最常见的结构是利用6个半导体开关元件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流电。 三、中间直流环节 由于逆变器的负载为异步（感应）电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动或电制动状态，其功率因数不会为1。因此在直流中间环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或

15、电抗器）来缓冲。所以常称中间直流环节为中间直流储能环节。,主变流器特点,(l) 主变流器输入端为两重四象限变流器，通过输入电缆直接与牵引变压器牵引绕组输出端相连:主变流器输出端为三相逆变器，通过电缆直接连接到牵引电动机的三相输入接线座上:在四象限变流器和逆变器之间是中间直流环节，包括支撑电容器、一次谐振电路、过压斩波电路、高压安全联锁开关等部件。,（2)控制方式。输入端采用四象限变流控制方式，具有中间直流环节电压稳定、功率因数接近于1.0,能量可再生等优点输出端采用异步电机直接转矩控制方式，具有动态响应特性优良、控制简单高效、牵引力变化平稳等优点。,不断检测电流，及时对变流器进行控制，使电流与

16、电压相位相同，从而使得功率因数提高。,参考书,电力电子技术 黄俊 电力牵引交流传动与控制 黄济荣 机械工业出版社 电力牵引控制系统 王书林 赵茜 中国电力出版社,四象限脉冲整流器 额定输入电流883A 额定输入容量1280KVA 中间电压2800V 逆变器 输出电流0520A 额定输出电压2000V 额定输出电流382A 输出频率0120Hz 额定输出频率35Hz,第二节 主变流器,一、单相不可控桥式整流电路 二、三相不可控桥式整流电路 三、全控桥电路 四、电压型四象限脉冲整流器,一、单相不可控桥式整流电路,二、三相桥式不可控整流电路,三、全控桥电路,1、 电阻性负载 2、电感性负载 3、电容性负载 4、电源性负载,变流器向负载输出能量-整流 负载向变流器输出能量-逆变,四、电压型四象限脉冲整流器,一个理想的交直变流器，在直流侧提供平直的直流电流和电压，而仅从交流电网吸收有功