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1、 参考资料 交交 直直 交电力机车逆变器交电力机车逆变器 PWMPWM 调制毕业论调制毕业论 文文 目目 录录 摘要 III ABSTRACT IV 第 1 章 绪论 1 1 1 电力机车的发展历史 1 1 1 1 国外电力机车发展概况 1 1 1 2 中国电力机车发展概况 2 1 2 交 直 交牵引系统的构成及特点 3 1 3 课题研究的背景及意义 4 1 4 论文主要的工作 5 第 2 章 逆变器的主电路 6 2 1 逆变器主电路结构设计 6 2 2 功率开关器件的选择 7 第 3 章 逆变器的控制技术 9 3 1 SPWM 的特点与原理 12 3 2 空间电压矢量 SVPWM 14 参考
2、资料 3 2 1 SVPWM 的基本原理 14 3 2 2 逆变器输出电压矢量和正六边形磁链轨迹控制 16 3 2 3 电压空间矢量的合成方法 18 3 3 4 SVPWM 矢量组合模式的选择 19 第 4 章 逆变器控制仿真 22 4 1 器件介绍及参数设置 24 4 2 基于 SPWM 的逆变器仿真 33 4 3 电压空间矢量 SVPWM 35 4 4 减少低次谐波的方案 38 4 4 1 增加开关频率 38 4 4 2 加入滤波电抗 41 4 5 比较总结 43 第 5 章 结论 45 5 1 全文总结 45 5 2 下一步的工作思考 45 参考文献 46 致谢 47 参考资料 第 1
3、章 绪论 电力机车由牵引电动机驱动车轮的机车 电力机车因为所需电能由电气化铁路供电 系统的接触网或第三轨供运行中的电力机车给 所以是一种非自带能源的机车 电力机 车具有功率大 过载能力强 牵引力大 速度快 整备作业时间短 维修量少 运营费 用低 便于实现多机牵引 能采用再生制动以及节约能量等优点 使用电力机车牵引车 列 可以提高运行速度和承载重量 从而大幅度地提高铁路的运输能力和通过能力 1 1 电力机车的发展历史 1 1 1 国外电力机车发展概况 从供电网电流制来看 电力牵引经历了从直流制 1 5KV 或 3KV 到单相低频交流 15KV 50 3HZ 或 11KV 25HZ 再到单相工频交
4、流 25kv 50hz 或 60hz 个别 20kv 和 50kv 3 个主要发展阶段 电力机车也随之由直流制机车发展到交流机车和多流制机车 采用直流制的国家主要有日本 法国 意大利等 采用单相低频交流制的国家主要有德 国 瑞典 奥地利 挪威和美国 采用单相工频交流制的国家有法国 日本 印度 英 国等 从主电路系统的特点可以看出电力机车最近几十年来的发展过程 20 世纪 70 年代以 前 直流电力机车普遍采用直流牵引电动机和高压侧调压开关调压系统 低频交流电力 机车几乎全部采用单相交流整流子牵引电动机高压侧调压开关系统 工频交流电力机车 主要采用水银整流器或硅整流器与脉流牵引电机和高压侧或低压
5、侧开关调压系统 20 世纪 70 年代开始 随着大功率晶闸管及电力电子技术的发展 直流电力机车逐渐 采用斩波调压 单相工频整流器电力机车逐步被晶闸管相控电力机车取代 在采用交流 制的国家中 以瑞典为代表 包括奥地利 着重发展晶闸管相控电力机车 而德国和瑞 士再使用少量相控机车的同时 着力发展三相交流传动电力机车 在 80 年代 一方面 直流斩波机车和交流相控机车技术得到进一步完善和发展 另 一方面 以 1979 年问世的第一台 E120 型交流传动电力机车 原联邦德国 BBC 公司制造 为转机 三相交流传动电力机车在德国第一些国家投入运营并得到迅速发展 从 80 年代末 90 年代初开始 世界
6、上特别是西欧和日本 随着既有电力机车的更新 参考资料 换代和高速铁路的蓬勃发展 电力机车的研制迅速向交流传动 目前这些国家早已停止 了用于本国的直流传动和交直传动电力机车的生产 1 1 2 中国电力机车发展概况 中国电力机车在 40 多年的风雨中不断发展进步 前后共经历了 3 个阶段 开发了 4 代产品 其发展和国际上发展的路径相类似 即由直流传动到交直电传动的发展 第一阶段 1956 1968 年 是中国电力机车早期引进仿制阶段 1956 年中国政府提出要迅速地 有步骤地研制使用电力机车 1957 年参照苏联 H60 型单相引燃管整流器电力机车 开始研究设计电力机车 1958 年仿制出第一台
7、电力机车 即 6Y1 型干线电力机车 此后经过多次改进 到 1968 年 6Y1 型改名为 SS1 型 是第一 代机车 开始小批量生产 第二阶段 1968 1985 年 是中国电力机车艰难的成长阶段 这期间跳出了照搬国外电力机车的模式 走上了自我发展的道路 产品 SS1 型成批 生产 自主研制成功 SS2 型 1979 年株洲电力机车工厂设计试制成功 SS3 型机车 SS3 是在吸收了 SS1 和 SS2 的成熟经验 并在 SS1 基础上改进设计的 SS3 机车综合性能优于 SS1 型 1989 年开始打批量生产 是中国第 2 代干线主型机车 此期间 1985 年 9 月在 株洲电力机车工厂试
8、制成功我国第 1 台相控电力机车 SS4 货运电力机车 SS4 是中国第 3 代电力机车 第三阶段 1984 至今 是中国电力机车迅速发展阶段 此阶段我国第 3 代电力机车发展形成多机型系列 基本形成了较为完整的 4 6 8 轴货运 客运系列 1986 年中国铁路牵引动力政策改为 大力发展电力牵引 合理发展 燃牵引 以及发展 重载高速 机车 此期间株洲电力机车工厂第工厂和株洲电力机车 研究所第科研单位得以大规模改造 新增很多先进专用设备和实验检测设备 引进大量 先进技术 1985 年和 1986 年进口 8K 和 6K 机车的同时 引进了大量先进技术 经过消化 吸收 结合中国电力机车实际和优秀
9、的传统结构 先后自主研制成功第 3 代机车 11 种 有 SS4 SS5 SS6 SS7 SS8 以及它们的派生型 SS4b SS4c SS6b SS7b SS7c 第 1996 年 AC4000 交流传动电力机车研制成功 这是我国电力机车事业发展上的一个重 要的里程碑 是我国铁路电传动机车开始步入交流传动机车的发展时期 同时还研制成 功了第 4 代机车 C4000 型交流传动机车 2001 年我国研制出第 1 台有自主知识产权交流传动客运电力机车 标志着我国交流传 参考资料 动机车技术跨上了一个新台阶 1 2 交 直 交牵引系统的构成及特点 以电压型交直交变流器供电 三相异步电动机作牵引电动
10、机的机车为例 其包括整 流器 逆变器 电抗器 三相异步电动机等 电压型异步电动机电力机车工作原理 机车在工作时 将电网歹念压引入机车变压器一次侧绕组 经变压器二次侧绕组降压后 送入 环节 整流环节 将交流电转换为直流电 经 环节平滑 处脉动 送入 环节 将直流电逆变为电压和频率可调的三相交流电 经 环节平波电抗器 供给三相异步牵 引电动机 实现牵引运行 在这个系统中 机车先将电网的交流能量转换为直流能量 然后进一步转换成电压和频率可调的交流能量 各环节的作用分述如下 环节 整流电路基本作用是将交流电转换为直流电 具体电路可以是不可控整 流桥 相控整桥流 四象限脉冲变流器 环节 直流环节滤波器基
11、本作用是平滑 处的纹波 脉动 消除或减少谐波含 量 改善机车的功率因数 采用不同的整流电路 其滤波电路也不同 功能有所差别 环节 逆变器用于将直流电转换为三相交流电 同时为了机车调速的需要 它 具有较宽的调频围和调压围 一般采用正弦波脉宽调制 PWM 技术 或采用电压相量 VVCPWM 控制技术 降低电机损耗 减少网压波动的影响 环节 电抗器 有三大作用 降低电机 电缆中的高频成分 控制噪声的传播 抑制电机启动过程中的谐波分量 保证频繁断开电机电路时不损坏变频器 通过三相霍 尔电流传感器对变频器输出端采取完善的短路保护措施 系统的工作特点 1 功率 体积比大 由于 三相异步电动机结构中无换向器
12、 所以相同功率的电机 异步电动机的重量轻 体积小 可使机车转向架簧下部分重量相应减少 在机车通过曲 线时 轮轨之间侧向压力也就相应减少 这对高速行车尤为重要 同时 由于电动机体 积减小 空间利用好 便能选择更为合适的悬挂方式 从而简化了转向架结构 2 交流电机维修量小 三相异步电机结构简单 几乎无需维修 3 机车具有优异的牵引和制动运行性能 由于异步电动机具有很稳定的机械特性 因而有自然防空转和防滑行的性能 粘着利用好 既减少了轮箍的损伤 同时又有利于 提高列车的加速度 缩短机车启动和制动时间 参考资料 4 简化了主线路 异步电动机的正 反转及牵引 制动状态的转换 通过机车控制 电路就能实现
13、不需要改变主线路 所以机车主线路中的两位置转换开关可省去 主电 路变得十分简单 使整车的可靠性大大提高 降低了使用维修费用 交 直 交牵引系统比其它牵引传动系统具有良好的牵引和制动性能 良好的黏着利用 和防空转性能 电机功率大 质量轻 体积小 功率因数高 谐波干扰小 操作简便 维修工作少 易于标准化 通用化和模块化等优越性 1 3 课题研究的背景及意义 电力机车的牵引系统可分为直流牵引传动系统 交 直牵引传动系统 交 直 交 牵引传动系统 过去 在具有调速的牵引传动围大多采用直流传动 这是由于直流牵引 电动机的磁场电流和电枢电流可以单独控制 起动调速性能和转矩特性比较理想 并容 易获得良好的动
14、态响应 但是直流电动机在结构上有严重的缺点 由于它存在电刷和换 向器 致使电机不仅工艺复杂 价格昂贵 而且在运行中容易产生火花和环火现象 这 就要求电机换向片之间的电压不能过高 从而限制了直流电动机的功率和容量 满足不 了铁路牵引向高速 重载方向发展的要求 从 20 世纪 60 年代开始 人们将长期使用的串励直流电动机 所谓的纯直流传动 改为使用它励直流电动机 即采用可控硅电源供给它励电动机励磁 所谓的交 直流传 动 这种牵引方式将接触网的单向交流电通过可控硅整流变成直流电 通过控制励磁电 力使牵引电机具有所要求的软特性和良好的防空转性能 虽然这种脉流式牵引电动机与 直流电动机有所不同但其工作
15、原理基本上与直流电机相同 仍然无法改变电机存在的火 花和环火的致命缺欠 交 直 交牵引系统采用三相交流电动机 由于其转子没有机械换向器 也不带绝 缘绕组 不存在换向火花和环火的现象 因此它结构简单 运行可靠 能以更高的转速 运转 可以满足高功率 大容量牵引传动装置的要求 随着变流技术的发展变流元件从 不控的二极管 半控晶闸管 发展到全控的 GTO IGBT IGCT 容量不断加大 开关频率 不断提高使得脉宽调制技术成为可能 逆变器的输出具有平滑调节供电频率和电压的性 能交 直 交牵引系统由这种变流器供电 就可获得极好的调速性能 并且从原来的开 环控制 到今天的广泛使用的矢量控制 直接扭矩控制
16、使得交流电动机具有极好的控 制特性和动态性能 因此它将更广泛的用于电力机车的牵引传动 交 直 交牵引系统比其它牵引传动系统具有良好的牵引和制动性能 良好的黏着利 参考资料 用和防空转性能 电机功率大 质量轻 体积小 功率因数高 谐波干扰小 操作简便 维修工作少 易于标准化 通用化和模块化等优越性 由于异步电动机轴功率大 体积 小 使得机车具有适合低速大牵引力 以较少的动轴保证列车高速运行时所需的功率 与同样功率等级的直流电机比较 异步电机的质量低 30 左右 因此减少了簧下质量 减 小对线路的作用力 近年生产的交流传动电力机车 网侧采用了四象限脉宽调制整流器 使得机车不论在额定功率 还是小负载时 在牵引或再生制动工况 机车的功率系数都 在 0 98 以上 这就意味着铁路电网所需提供的无功功率很小 接触网上的损耗就很小 那么在给定的电网功率下 使用一定功率的机车就越多 并且等效干扰电流小于 2A 当 列车需要制动时 机车将列车的动能变为电能 反馈至接触网 节约了能耗 较于其它 机车成本较低 因此交 直 交牵引系统将更广泛的运用于电力机车中 1 4 论文主要的工作 逆变器在整个牵引系统中起
