两点式牵引变流器的特性分析

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1、两点式牵引变流器的特性分析摘要：文章对两点式牵引变流器结构特点和控制方式以及主电路的工作原理 进行了分析，并且与三点式牵引变流器做了比较，介绍了两点式牵引变流器和三 点式牵引变流器在动车上的应用关键词：牵引变流器 整流器 逆变器1 引言20世纪90年代以来,随着大功率电力电子器件和微电子技术的飞速发展,以 及现代控制理论和控制技术的应用,交流传动调速技术取得了突破性的进展,逐 步具备了调速范围宽、稳速精度高、动态响应快以及可作四象限运行等优良的技 术性能。因此,交流传动己经作为一种完全肯定的系统,正大举进入电气传动调速 控制的各个领域。容量从数百瓦的伺服系统到万千瓦级的大功率系统,从工业传 动

2、到机车牵引,从单机传动到多机协调运转,调速范围达到 1:10 万以上,调速精 度可达10 一级“许多国家已实现了产品的系列化”。随着电力电子技术的快速发展与成熟,高功率因数的牵引变流器己在铁路牵 引传动系统得到广泛应用。我国电气化铁路采用单相工频交流25kV供电,所以电 力牵引交流传动系统均采用单相输入、三相输出的牵引变流器,其电路基本结构 由三部分组成,即四象限整流器、中间直流回路及牵引逆变器,构成交-直-交电路。 牵引变流器的电力开关器件经历了晶闸管、GTO、IGBT、IPM等几代器件的发展， 其电路结构、控制方式也有不同的形式, 如何进一步提高其牵引性能、提高功率 因数、降低谐波干扰、保

3、证可靠运行, 仍然是电力电子行业研究的热点问题。2 牵引变流器牵引变流器的基本构成如图2-1所示,它由整流、中间直流滤波、逆变及控 制回路等部分组成。交流电源经整流、滤波后变成直流电源,控制回路有规律地 控制逆变器的导通与截止,使之向异步牵引电动机输出电压和频率可变的电源, 驱动电动机运行。图 2-1 变流器结构示意图牵引变流器与交流牵引电机构成交流传动电路, 在运用中一般分两种工况, 即牵引工况和电制动工况（包括再生制动和电阻制动）。当牵引工况时,通过整流 器把电网交流电压整流成中间回路的直流电压,经过中间环节的滤波和储能,再通过逆变器把中间回路直流电压逆变成幅值和频率可调的三相交流电压,供

4、给异 步牵引电机,此时电机作电动机运行。再生制动工况时,牵引电机作为发电机运行, 能量的流向与牵引工况相反,通过逆变器整流和整流器逆变把电流反馈到电网上 电阻制动工况时,则是把牵引电机发出的电流,经整流后消耗在中间直流回路的 电阻上 。由于牵引变流器要实施牵引和再生两种工况,因此整流器一般采用四象限的 SPWM整流器。显然,SPWM整流器已不是一般传统意义上的AC/DC变换器。由于电 能的双向传递，当PWM整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；而当 PWM整流器向电网传输电能时,其运行于有源逆变工作状态。而且功率因数也是 可控的：当PWM整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相（牵引

5、）当PWM 整流器运行于有源逆变状态时, 其网侧电压!电流反相（再生制动）。根据变流器输出交流侧相电压的可能取值可将电压型分为两点式和三点式。 在电力牵引交流传动领域,各个国家对两点式还是三点式都有不同的选取,关键 是对技术的综合性及成熟性来考虑。如 CRHI、 CRH5、 CRH3 就采用两点式结构, 而CRH2则采用三点式结构，甚至在地铁车辆这种直流电压并不高的条件,有的也 采用三点式结构。下面将分别介绍两点式变流器和三点式变流器原理。2.1 两点式牵引变流器图2-2 为两点式牵引变流器的一种典型电路。它主要由两点式四象限脉冲整 流器、中间直流电压回路和两点式PWM逆变器组成，由牵引变压器

6、的二次绕组供 电。rm Hbm图 2-2 两点式变流器电路原理图2.1.1 两点式四象限脉冲整流器四象限脉冲整流器也称PWM整流器，它实际上是一个其交-直流侧可控的四 象限运行的变流装置。在交流传动领域被广泛运用，它具有以下优点：（1）PWM整流器的直流侧采用大电容作为滤波元件，直流电压波形比较平稳（2）电量可以双向流动（3）从电网侧吸收的电流为正弦波（4）网侧功率因数可控， 且可达到1（5）较快的动态控制响应（6）减低了接触网的等效干扰电流,减少对通讯的干扰（7）适用于经常起动!制动与反转的拖动系统 四象限脉冲整流器的结构如图 2-3 所示.Ud图 2-3 四象限脉冲整流器原理图整流器的每个

7、桥臂电路的控制方法是由三角形载波与正弦调制波的交点来 决定桥臂中的上下两个元件的换流时刻。由于两桥臂只能互补工作（相位差为 180 度）,则每个桥臂的输出电压只有两个状态,所以称为两电平。例如在正半周，即当uN 0时，TD关断，变压器经由D和D流入中间回路N0 2 4 1 4（u = U ），为整流状态；当TD导通的时候,变压器次边绕组通过T -D短接 s d 2 4 2 4（u二0 ），由于变压器具有相当大的短路电抗，短接瞬间使电感L贮存电能，L sNN的感应电势与U方向相反，同时电流上升;现在如果使TD重新关断，那么变压 N24器经由D和D接通中间回路又为整流状态，此时的感应电势L与U方向

8、相同，14NNL释放电能，L与U共同向中间直流回路供电，即使U U （U为网压的峰NNNd NN值），这就是升压斩波的结果，使得变压器次绕组电压在较低的情况下，能够得到 较高的中间回路直流电压U。同理可得负半周。交流侧输出电压总在二电平上 d 切换，当开关频率不高时，将导致谐波含量相对较大。四象限整流器分别在四象限的工作状态，如表2-1所示：表 2-1 两点式四象限脉冲整流器的工作状态表导通器件状态UNiNuSiNUN0i 0N0T D 或 T D3 1 2 4增大输入短路U -NL 贮能NUN0i 0NUdDD14减少整流U + LNNUdUN0i 0N-UdTT23增大逆变U + UNdL

9、NUN0i 0i 0i 0N-UdDD23减少整流U + LNNUdUN0i 0N0T D 或 T D1 3 4 2增大输入短路U -NL 贮能NUN0i 0NUdTT14增大逆变U + UNdLNUN0i 0N-UdDD23减少整流U + LNNUdUN0N0T D 或 T D3 1 2 4减少输入短路U -NL 贮能NUN0 NUdDD14减少整流U + LNNUdUN0 N-UdTT23增大逆变U + UNdLN如果把一台机车上的几组四象限整流器错开相位进行斩波,比如4 组四象限 整流器相互位移 90 度,从而成倍地提高接触网上的等效斩波频率,进一步改善接 触网的性能。所以不同于一般的交

10、直整流电路,它是一种交直斩波升压电路。与 此同时，通过调制,可使直流电压U在电源回路的u两端产生工频交流正弦电 ds压。通过对u相位和幅值的控制,可以达到电源侧回路内电流i与U同相位，s N N即基波相位移系数等于1,同时由于调制的频率足够咼或者电感L足够大,可使N 电流畸变系数接近于 1。必须指出，在有限的调制开关频率和电感L之下，除了基波uS，夕卜，还NS1包括高次谐波。因此，整流电流除了直流分量I和二倍网频交流分量-外,还包括 a2 更高次谐波分量。同时，在接触网中同样存在高次谐波分量所以接触网的功率因 数略小于 l。 PWM 整流器的的等效电路及其向量图如图 2-4 所示US图 2-4

11、 PWM 整流器的等效电路及其向量图U = j L + UN N S由四象限整流器的等效电路可知：UNN由上面等式关系及向量图,可知当I与U方向的关系可以断定四象限整流NN器的工作状态，即：I与U方向一致时,为整流状态，I与U方向相反时，为逆N N N N变状态, 从上面四象限整流器工作状态表我们可以看出整流状态有 4 个, 而实际 在机车里只要一象限和三象限的整流状态, 而逆变要二象限和四象限的逆变状态。四象限变流器控制主要有瞬态电流控制和电压相量控制两种方法。而比较起 来, 瞬态电流控制具有更好的瞬态特性, 并且在电网电压发生畸变的情况下, 四象 限变流器输入电流的畸变也很小。因此在实际应

12、用中, 大多数都采用瞬态电流控 制的方法。我国“中原之星”动车组和“奥星”电力机车都采用瞬态电流控制的 方法。2.1.2 中间储能环节在交-直-交变流系统中, 中间储能环节衔接整流和逆变二个环节。在逆变器 部份, 电机是一感性负载, 其运转中的无功功率由电容器供给。同时, 储能电容对 整流环节输出的脉动电压进行滤波。另外, 当负载突变时, 系统的直流电源不能瞬 时提供大量能量, 引起电机转速下降, 此时将由电容进行补偿。总之, 电容器的作 用是稳定电压。A. 二次谐波滤波电路。四象限整流器的输出含有较大的脉动成分，需要能滤 去高次谐波,改善直流电源的输出波形。为此,可采用一个串联谐振电路进行滤

13、波, 其作用如下:(1) 串联谐振电路对2倍网频调谐，使二次谐波电流从这个谐振电路流过，而直流分量 I 流入负载。d(2) 2倍网频的串联谐振电路的无功功率，与来自阻抗L的功率交换，并因N而降低电源的瞬时功率的脉动分。(3) 表示电源的感性的无功功率需要一个容性的无功功率来加以平衡，所以，从电源侧来看，四象限整流器可以用一个可变电容C和一个可变电阻R的并联电L路来等效地表示。可变电容代表其与漏感L交换无功功率的那个部分，而R代表NL不同负载所要求的有功功率。B. 支撑电容器Cd在中间回路中，支撑电容器作为另一个储能器是必不可少的，主要原因如下:(1) 补偿电机的无功功率。电机是感性负载，要消耗

14、无功功率，使电源不能 充分利用，增加了各种附加损耗。支撑电容器能对无功功率起补偿作用，稳定端压， 降低对直流电源的容量要求，也改善了电机的输出性育旨。(2) 负载突变时的供能。当负载突变时， 系统的直流电源不能瞬时地供给大 量能量， 引起电机的转速下降， 此时电容将起到一个补偿能量的作用， 有些电压源 逆变器利用增大电容C以改善电动机的起动状况，其目的就在于此。d(3) 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。而且电机暂态过程，也需要足够大的电容来稳定。此外，还必须指出，在牵引应用中，如果没有正确地选择中间回路电容器的值， 其高频电流可能引起对通信和信号系统的电磁干扰。2.1.3 逆变器逆变器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。通过调节三相输出电压波形来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