《动车组交流传动--学习概要》由会员分享，可在线阅读，更多相关《动车组交流传动--学习概要（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、- 1 -“动车组交流传动与控制动车组交流传动与控制”学习概要学习概要1. 牵引变流器组成及功能牵引变流器组成及功能 牵引变流器是交流传动系统的核心部件，能够实现四象限运行，满足列车牵引、制动需要。牵引变 流器的基本功能是，把来自接触网或其它交流电源的交流电压，最终变换为频率、幅值可调的三相交流 电压，供给交流牵引电动机，将电能转换为机械能，输出转矩驱动动轮旋转，在轮轨间产生牵引力或制 动力，使列车运行。 在列车电力传动系统中，由于受调速范围的限制，只能采用交-直-交流传动控制技术。交-直-交流传 动控制由两部分组成，即网(电源)侧整流器控制和电动机(负载)侧逆变器控制。 交-直-交流传动系统
2、变流器由网侧整流器、直流中间环节、电动机侧逆变器及控制装置组成。整流器 的作用是把来自接触网的单相交流电压或同步发电机产生的三相交流电压变换为直流。直流中间环节由 滤波电容器或电感组成，其作用是储能和滤波。逆变器的作用是将中间环节平直的直流电，通过一定的 控制策略，变换为频率、电压可调的三相脉冲交流电，供给交流牵引电动机，进行能量转换驱动列车。牵引变流器根据中间直流环节滤波元件的不同，可分为电压型和电流型两种。电压型变流器直流中 间环节的储能器采用电容器，向逆变器输出的是恒定的直流电压；电流型变流器直流中间环节的储能器 采用电感，向逆变器输出的是恒定的直流电流。现代机车和动车组，牵引电动机一般
3、为异步电动机，主要采用电压型变流器。电流型变流器只为同 步电动机供电或在一些城市、市郊运输装备中使用。交流传动内燃机车等自备能源的列车，变流器由不可控整流器和 PWM 逆变器组成，动力制动一般采 用电阻制动。电力机车/EMU 牵引变流器由网侧整流器和电动机侧逆变器两部分组成，无论是网侧的整流器还是电 动机侧的逆变器都属于开关电路，电路中开关器件的周期性通断，从根本上破坏了交流电压、电流的正 弦波形和连续性，在电压、电流中产生了高次谐波，不仅给污染了电网，而且使电动机运行性能恶化， 谐波电流产生的脉动转矩将使电动机产生振动、噪音，影响稳定运行。减小谐波分量最为有效的方式是 牵引变流器采用 PWM
4、 控制。 从负载来看可分为电压型和电流型两种。由于电压型变流器相对于电流型变流器具有较大的优势， 所以在现代轨道列车交流传动领域大多都采用电压型逆变器。电压型变流器的驱动，一般采用“四象限脉 冲整流器中间直流电路电压型逆变器异步牵引电动机”的方式。根据逆变器输出交流侧相电压的可能取值情况，将电压型逆变器分为两电平式和三电平式。二电平 式逆变器，可以把直流中间环节的正极电位或负极电位接到电动机上去；三电平式逆变器，除了把直流 中间环节的正极或负极电位送到电动机上去以外，还可以把直流中间环节的中点电位送到电动机上去， 含有较少的谐波，其输出波形得到了改善，但需要更多的器件。 2.两电平式牵引变流器
5、两电平式牵引变流器在交-直-交流传动电力机车/EMU 系统，典型的两电平式牵引变流器电路，主要由两电平式四象限脉 冲整流器、中间直流电压回路和两电平式 PWM 逆变器组成，由牵引变压器的二次绕组供电。在交-直-交流传动电力机车/EMU 中，电源侧变流器采用四象限调节整流器（4qc） ，它通过 PWM 斩 波控制方法，可以调节从电网输入的电流相位，使所取电流波形接近正弦波形，并能在广泛的负载范围 内，使列车的功率因数接近于或达到 1，电网只提供有功电能，对减小通讯信号的谐波干扰和充分利用电 网的传输功率方面都具有很重要的意义。另外，四象限变流器能很方便地实现牵引和再生制动之间的能 量转换，能取得
6、显著的节能效果。四象限脉冲整流器将来自牵引绕组的单相交流电压变换成直流电，通过滤波储能元件建立稳定的中 间直流电压。逆变器把中间回路直流电压变成幅值和频率可调的三相交流电压，供给异步牵引电动机。 在起动阶段，逆变器按脉宽调制模式进行控制，恒压频比输出。当逆变器输出达到规定值(基频)后，转入 方波控制模式。有时在逆变器和异步牵引电动机之间串入平波电抗器，用以抑制起动过程中电动机电流 的谐波分量，改善转矩脉动状况并减少损耗。起动完成后，通过接触器把它短接。当列车进行再生制动时，整个系统的工作原理及方式没有发生什么变化，主电路结构也不发生任何- 2 -变化。为了使牵引电动机能够进入发电机状态，控制系
7、统应使异步牵引电动机工作在负的转差频率下。 3.四象限脉冲整流器工作原理四象限脉冲整流器工作原理在传统的变流技术中，几乎全部采用平波电抗器来达到使直流量平直的目的。在由单相交流电网供 电时，是以电网提供无功功率、引起波形畸变为代价，完成了交-直流变换。一个理想的交-直流变流器， 应该在直流侧提供平直的直流电流和直流电压，而仅从交流电网吸取有功功率。从原理上讲，这种装置 可以由一个无储能部分的变流器和一个分离的储能器组成。 为了在交流供电网中既保持较高的功率因数,又获得平整的直流量,变流器的变比必须能够通过调制技 术随时加以改变，而必要的储能器作为简单的串联或并联谐振电路，与直流侧负载并联或串联
8、。 4.脉冲整流器主电路脉冲整流器主电路 脉冲整流器是利用电抗器的储能，达到整流、升压、稳压的目的，四象限脉冲整流器能够做到网侧 功率因数接近 1，并能实现电能的反馈。 四象限脉冲整流器可以看成是由两象限电路插入另外一个开关支路而构成的，因为电感 LN 接受的 无功功率，是由直流侧提供而不是从交流电源取得， iN 和 uN 应当是同相位的, 也就是说，变流器必须 具有反馈的能力。四象限脉冲整流器能够执行脉宽调制和能量变换，即整流或反馈两方面功能。这种整 流器能够在输入电压和电流平面的所有四象限中工作。作为电力牵引用的变流器，相应地能够实现牵引、 制动状态下前进、后退四种工况。 脉冲整流不同于一
9、般的整流电路，它是一种交直流斩波升压电路，其输出直流电压可从交流电源电 压峰值附近向高调节，若要向低调节将会使电路性能恶化，以至不能工作。整流器输出直流电压与变压 器牵引绕组输出电压 UN 成正比关系，与整流器的调制 M 成反比关系。 5.中间直流储能环节作用中间直流储能环节作用在交-直-交流变流器中，储能器是联接四象限脉冲整流器和负载端逆变器之间的纽带，一般称之为中 间回路。它不仅起到稳定中间环节直流电压的作用，而且还承担着与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。电压型脉冲四象限变流器中间直流环节由两个部分组成：一个是相应于 2 倍电 网频率的串联谐振电路(也可以取消)，另一
10、个是滤波电容器（支撑电容器）和过电压限制电路。 支撑电容器在理想情况下，特别是当负载纯粹是一个电阻时，并不需要另外一个储能器。因为反映漏感和四象 限整流器之间无功功率变换的二次谐波电流从串联谐振电路上流过，而流到负载上去的是一个纯直流分 量。但是实际上，由于以下原因，在脉冲整流器的输出端，或者说在中间回路中，由电容器构成的另一 个储能器是必不可少的，这是因为：在脉宽调制过程中，首先要与脉冲整流器、逆变器交换无功功率和 谐波功率，同时还与异步电动机交换无功功率。其次，由于串联谐振回路中实际存在着电阻，二次谐波 电流并非全部通过串联谐振电路，而是由串联谐振电路和支撑电容器 Cd分流。所以，从这个角
11、度来说， 支撑电容器 也承担着一部分与变压器漏感交换无功功率的任务。支撑电容作为储能器，支撑中间回路电压使其保持稳定。如果这个电容器太小，变流器的控制将变 得相当困难。因为控制稍有一点误差，中间回路的电压就会出现很大的波动。 6逆变器逆变器逆变器与整流器相反，是将直流电变成交流电的装置。逆变器可分为无源逆变和有源逆变，若交流 侧接负载则为无源逆变器；若交流侧接电网为有源逆变。交-直-交型变流器由交-直变换和直-交变换两部分组成。直-交变换就是逆变器，如干电池、蓄电池和 太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要依靠逆变器进行变换。交流异步电动机调速、不间断电 源、感应加热电源等电力电子装置的核
12、心部分，就是逆变电路。牵引逆变器的作用是把中间直流电压变换成三相交流电压,为异步牵引电动机提供频率和幅值可调的 三相交流电源, 同时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。因此,异步牵引电动机的 驱动性能主要取决于逆变器的控制。提高逆变器的开关频率,实现高动态性能控制技术(如磁场定向矢量控 制和直接转矩控制)，有利于异步牵引电动机体现其优秀的牵引性能。牵引逆变器一般均采用电压型，按照输出特性，分为六阶波型和 PWM 型。PWM 型按输出电平数的 不同，可分为两点平（两点式）和三电平（三点式）两种。MkUUNd)1 (22- 3 -逆变器的输出中，不论相电压还是线电压，除基波外还包含
13、了许多高次谐波。这些高次谐波将对异 步电动机的稳定运行产生不良影响。 三电平式逆变器由开关元件 IGBT 组成三相逆变桥，每个桥臂由两个全控型开关元件串联构成，这两 个开关都反向并联了二极管。两个串联开关元件的中点通过嵌位二极管和直流侧支撑电容的中点相连接。7.牵引变压器牵引变压器 变压器是通过电磁感应原理，可将一种电压的交流电能(信号)变换为同频率的另一种电压的交流电能 （信号）的静止电磁装置。可从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号，这两个电路具有相同的频 率、不同电压和电流，也可以有不同的相数，但这两个电路之间没有电的直接联系，是通过磁场联系起 来的。 牵引变压器是动车组的能源中心，承
14、担着电能的传送与分配任务，为动车组各动力系统提供适合的 电能。牵引变压器与普通电力变压器在原理上是相同的，都是基于电磁感应原理而工作的。但由于受工 作条件的影响，在参数设计上与普通变压器有着较大差距。牵引变压器是一种静止的电磁感应设备，通过匝链于一个铁心上的两个或几个绕组回路之间，进行 电磁能量的交换与传递，其工作过程与异步电动机十分相似。（1）变压器的基本结构变压器主要由器身和附件组成。器身是变压器能量传递的核心部件，附件为变压器提供安装空间和 工作条件。 变压器的器身由铁心和绕组两部分构成。铁心变压器的铁心既是磁路，又是套装绕组的骨架。铁心 由心柱和铁轭两部分组成，心柱用来套装绕组，铁轭将
15、心柱连接起来，使之形成闭合磁路。为减少铁心 损耗，铁心用厚 0.30.35mm 的硅钢片叠成，片上两面涂有绝缘漆，以避免片间短路。在大型电力变压 器中，为提高导磁率和减少铁心损耗，常采用冷轧硅钢片；为减少接缝间隙和励磁电流，有时还采用由 冷轧硅钢片卷成的卷片式铁心。按照铁心的结构，变压器可分为心式和壳式两种。心式结构的心柱被绕组所包围；壳式结构则是铁 心包围绕组的顶面、底面和侧面。心式结构的绕组装配和绝缘比较容易，所以电力变压器常常采用心式 结构。壳式变压器的机械强度较好，常常用于低压、大电流的变压器或小容量电讯变压器。牵引变压器心式、壳式结构均有采用，CRH2 型动车组 ATM9 变压器采用
16、壳式结构， CRH5 型动车 组牵引变压器采用心式结构。 绕组是变压器的电路部分，由绝缘扁线或圆线绕成。其中输入电能的绕组称为一次绕组(或原边绕组)， 输出电能的绕组称为二次绕组(或副边绕组)，它们通常套装在同一心柱上。一般低压绕组绕制在紧靠铁心 柱处，高压绕组在外层。绕组必须具有足够的电气、耐热、机械强度和良好的散热条件，使变压器既能 在额定条件下长期使用，又能经受住短路、过电压等冲击以及相应的电磁力作用，不致发生绝缘击穿、 过热、变形或损坏。 变压器油在变压器既起冷却作用，又起绝缘作用，对于油品质需进行监测，限制含水量。 （2）牵引变压器的特点牵引变压器由于受总体设计因素限制，对重量和尺寸有严格限制，要求具有体积小重量轻、容量大。 在结构形式、参数定额上与普通变压器差别较大，主要体现在：采用轻量化技术，实现大容量、小型化、 低质量。采用卧式扁平结构，安装方式为吊挂式或下沉式。经常受到振动和冲击,要求具有坚固的机械结 构。电磁线电流密度大，整体绝缘水平高，一般为 F 级。二次侧输出电压规格多，具有较多的二次线圈。 二次侧各绕组的电抗要求高。为了抑
