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1、课程名称：牵引电机课程设计设计题目：PWM整流技术在和谐号系列机车上的应用院 系：电气工程系专业：申,力机车年级：2009级姓 名：指导教师：西南交通大学峨眉校区2012年 10 月 25 日课程设计任务书专业 姓名 学号开题日期： 年 月日完成日期：年 月日题 目PWM整流技术在和谐号系列机车上的应用一、设计的目的通过该设计，使学生初步掌握PWM流技术的组成系统、作用原理以 及其在和谐号机车上的应用。二、设计的内容及要求1 .画出PWM蒸储技术的原理图；2 .并说明图中各丰要部件的作用、性能：3 .掌握PWM调频调压技术的工作原理；4 .掌提PWM整流技术 在和谐号及车上的应用 三、指导教师
2、评语四、成绩指导教师（签章）西南交通大学课程设计PWM整流技术原始资料PWMI流电路是PWME制方式和全控型器件组成的整流电路。就整流 电路而言，按相数不同有单相和三相之分，按滤波环节所用器件不同，又 有电压型和电流型两种，而现在普遍使用的是电压型整流电路。对PWM整流电路的控制方式，在机车上我们采用的是以正弦信号为调制波的正弦 脉宽调制（简称SPWM 一：单相桥式电压型 PWM8流电路单相桥式电压型PWMI流电路最早用于交流机车传动系统，为间接式 变频电源提供中间环节，器电路如图1所示。每个桥臂有一个全控器件和 反并联的整流二极管在组成。L为交流侧附加的电抗，在PWMI流电路中 是一个重要的
3、元件，起平衡电压、支撑无功功率和储存能量的作用。 为简 化分析，可以忽略L的电阻。图1单相桥式电压型 PW悭流电路二：三相电压型PWM8流电路图2为三相电压型PWM8流电路，其应用非常广泛，工作原理与单相 桥式PWM8流电路相似。对六个全控器件按一定要求和反式进行控制，在交流输入端a、b、c可得到SPW施压。对各项电压进行控制，就可以使各项电流为正弦波且和电压相位相同，功率因数近似为1。图2 三相电压型PW限流电路三：PWMH频调压技术PWMI频调压技术是通过改变PW快来实现的，而PWMft冲序列是由 调制波和载波通过比较器来得到的， 因此，要实现PW蜩频调压，需改变 调制波与载波之间的相互关
4、系。PW瞰实质上是功率器件的驱动脉冲，受 到变流器性能要求、特备是功率元件允许的工作条件的限制。1 .调制比，定义为：M =UrmUtm上式中，Urm：调制波电压幅值（V）Utm：载波电压幅值（V在双极性PWMfe中，最小月宽出现在 比接近载波Ut峰值的两交点问，此处的最小脉宽时间必须保证大于功率元件的关断时间toof使其可靠关断后，互补元件再导通，因此一般 M 0.9 o2 .载波比，定义为：N =上fr式中，ft：载波频率（Hz）fr：调制波频率（Hz）载波比是一个周期参考调制波与载波的周期数，在fr 一定的情况 下，显然载波N比越大，调频调压效果越好；但同时元件的开、断频率 也越高，因此
5、受到元件的开、断频率允许值的限制。四：PWM8理技术在和谐号系列及车上的应用在我国现有的和谐号系列及车上，PWMI流技术有着广范的使用，在CRH8列车上都使用了以PWM0频调压技术，在CRH1 CRH3 CRH卵 车上都是用的两点平脉冲整流器，用PWMB制技术来实现开关元件的导通 与关断；在CRH翌车上用的是三电平脉冲整流器，同样是以 PWMB制技 术来实现开关元件的导通与关断。摘 要PWMK术从最初追求电压波形正弦 ,到电流波形正弦,再到磁通的 正弦，取得了突飞猛进的发展。而 PWM整流器具有输入电流正弦，谐波 含量低，功率因数高及双向能量流动，体积小及重量轻等特点，在功率 因数补偿，电能回
6、馈，有源滤波等领域得到越来越广泛的应用。按是否具 有能量回馈功能,PWM整流器可分为无能量回馈整流器和有能量回馈整 流器；按主电路拓扑结构和外特性分,PWM8流器可分为电压源型和电流 源型高频整流器。PWMg流器以其优越的性能和潜在的优势得到了广泛地 应用，而对于现在广泛使用的交直交和谐号机车，PWMI流技术的应用得到了更高的提升。本文从对PWMI流技术的原理出发，分析了 PWM8流技 术在及车上的应用原理，应用方法，以实现机车较好的整流和对电网的污 染小的目的。关键词：pwm整流技术；和谐号系列机车;目录第1章绪论1.1 简介11.2 PWM整流技术设计的任务及要求2第2章PWM整流技术2.
7、1 PWM整流器的分类32.2 PWM整流电路工作原理3第3章PWM调频调压技术3.1正弦脉宽调制（SPWM7第4章PWM6流技术在和谐号系列机车上的应用4.1 PWM整流技术在两电平整流器上的应用114.2 PWM整流技术在三电平整流器上的应用14结论17参考文献 18西南交通大学课程设计第#页第1章 绪 论1.1 简介随着电力电子技术的发展，电力半导体开关器件性能不断提高，已从 早期广泛使用的半控型电力半导体开关器件，如普通晶闸管（ SCR发展 到如今性能各异且类型诸多的全控型电力半导体开关器件， 如双极性品闸 管（BJT）、门极关断（GTO晶闸管、绝缘栅双极性晶闸管（IGBT）、集成 门
8、极换向晶闸管（IGCT）、电力场效应晶体管（MOSFBT以及场控品闸管（MCT等。而20世纪90年代发展起来的智能功率模块（IPMI）则开创了 电力半导体开关器件新的发展方向，出现了以脉宽调制（PWM控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变 流器等，这些变流装置在国民经济各个领域取的广泛的应用。但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节， 以获得直流电压，由于常规整流 环节广泛采用二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功功率，造成严重电网“污染”。治理这种电网“污染” 最根本的措施就是，要求变流装置实现网侧电流正弦化， 且运行由于
9、单位 功率因数。因此，作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到学术界的 关注，并开展大量研究工作。其主要思路就是，将PWMfc术引入整流器的 控制中心，使整流器网侧电路正弦化，且运行由于单位功率因数。根据能 量是否可双向流动，派生出两类不同拓扑结构的PWM8流器，即可逆PWM 整流器和不可逆PWM8流器。本文只讨论能量可双向流动的可逆 PWMI流 器及其控制策略，以下所称 PWM8流器均指可逆PWM8流器。能量可双向流动的PWM8流器不仅体现出AC/DC变流特性（整流）， 而且还可以呈现出DC/AC变流特性（有源逆变），因而确切地说，这类PWM 整流器实际上是一种新型的可逆 PWM8流器。经过
10、几十年的研究与发展，PWMI流器技术已日趋成熟。PW联流器 主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型期间桥路；其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWMF关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率等级从千瓦级发展到兆瓦 级，而在主电路类型上，既有电压型整流器（ Voltage Source Rectifier VSR,也有电流型整流器（Current Source Rectifier CSR,并 且两者在工业上均成功的投入应用。由于PW联流器视线了网侧电压正弦化，且运行于单位功率因数，甚 至能量可双向传输，因而真正实现了 “绿色电能变换”。由于PW联流器 网
11、侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使PW联流器及其控制技术获 得进一步的发展和拓宽，并取得了更为广泛和重要的应用。1.2 PWM整流技术设计的任务及要求本文对PW联流技术的设计，从单相电压型PWM6流器的电路原理出 发，通过对其工作原理的分析，得出此种电路怎样通过PWMS制实现对电 路的控制。在电力机车上使用的PWMI流器普遍是四象限脉冲整流器，而 这种整流器在哪种控制下可实现网侧电路正弦化， 且运行由于单位功率因 数，也是本文要重点叙述的。这种控制也就是PW硼频调压技术。在现今 的和谐号系列机车上，这种电路及控制得到了广泛的应用。本文将在 CRH1 CRH2 CRH手口 CRH卵机车上谈至
12、U PWMI流技术的应用。第2章PWM整流技术2.1 PWM整流器的分类随着PWMI流器的发展，以设计出多种PWMI流器，并可分类如下：(1)按直流储能形式分类电压型PWM8流器和电流型PWM8流器；(2)按电网相数分类单相电路PWM8流器、三相电路PWM8流器和多相电路PW悭流器；(3)按PWMF关调制分类硬开关调制PWM8流器和软开关调制PWM8流器；(4)按桥路结构分类半桥电路PWM8流器和全桥电路PWM8流器；(5)按调制电平分类两电平PWM8流器、三电平PWM8流器和多电平PWM8流器；尽管这些分类方法多种多样，但最基本的分类是将PWMI流器分类成 电压型和电流型两大类，这主要是因为
13、电压型、电流型PWMI流器，无论 是在主电路结构、PWMF号发生以及控制策略等方面均有各自的特点，并 且两之间存在电路上的对偶性。其他分类主要就主电路拓扑结构而言， 均 可归类于电流型或者电压型PWIME流器，本文着重介绍电压型PWMI流器。 2.2 PWM整流电路工作原理2.2.1 单相电压型PWMI流电路单相桥式电压型PWMI流电路如下图3所示。按照自然采样法对功 率开关元件Vi-V4进行SPWItt制，就可以在全桥的交流输入端 ab间产生 出SPW帔电压Uab o Uab中含有和正弦调制波同频率、幅值成正比的基波, 以及载波频率的高次谐波，但不含低次谐波。由于交流侧输入电感L的作 用，高
14、次谐波造成的电流脉动被滤除，控制正弦调制波频率使之与电源同频率，则输入电流is也可为与电源同频率的正弦波。图3单相桥式电压型 PWMI流电路单相桥式电压型PWM8流电路按升压斩波原理工作。当交流电压 usA0时，由V2、VD4、VD1、L和V3、VD1、VD4、L分别组成两个升压 斩波电路。以V2、VD4、VDi、L构成的电路为例，当V2到同时，Us通过 V2、VD4向L储能；当V2关断时，L中的储能通过VDi、VD4向直流电容C 充电，致使直流电压Ud高于Us峰值。当Us。时，则由Vi、VD3、VD2、 L和V4、VD2、VD3、L分别组成两个升压斩波电路，工作原理与us0时 类似。由于电压
15、型PW悭流电路是升压型整流电路，具输出直流电压从交 流电压峰值鲜花上调节，而向下调解会恶化输入特性，甚至不能工作。输入电流is相对电源电压Us的相位是通过对整流电路交流输入电压 Uab的控制来实现调节的。图4给出了交流输入回路积薄等效电路及各种 运行状态下的向量图。途中U：、U：和I；分别是交流电压Us、电感L电压及输入电流is的相量，Uab是Uab的相量。图4 (b)为PWM8流状态，此时控制Uab滞后Us的一个a角，以保 证Is与Us同相位，功率因数为1,能量从交流侧送至直流侧。图4 (c)为PW咻变状态，此时控制Uab超前Us的一个a角，以保 证Is与Us正好反相位，功率因数也为1,但能量从直流侧返回至交流侧。从图4 (b)、(c)可以看出，PWM8流电路只要控制Uab的相位，就可以欲实现四象限运方便地实现能量的双向流动，这对需要有再生制动功能、行的交流调速系统是一种必须的交流方案。Ul等效输入电路(a)Is*Us(c)bIUabUab3 UUl(d
