機(jī)車電力電子技術(shù) 課件 7.1 牽引變流器

復(fù)習(xí)提問1.電壓型單相全橋逆變器2.電壓型三相橋式逆變器3.脈寬調(diào)制技術(shù)：1．電壓型單相全橋逆變器復(fù)習(xí)提問2．電壓型三相橋式逆變器3.脈寬調(diào)制技術(shù)：指利用全控電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的交流電壓脈沖序列，實現(xiàn)變壓、變頻（VVVF）控制并消除諧波的技術(shù)，簡稱PWM控制技術(shù)。

HXD3型機(jī)車，牽引電機(jī)、輔助電機(jī)、控制設(shè)備都需要電源，機(jī)車有多個變換設(shè)備，利用IGBT組成的變換電路，把交流電變換為電機(jī)需要電能。

牽引電機(jī)第七章HXD3型機(jī)車變換電路

空氣壓縮機(jī)

通風(fēng)機(jī)新課引入

HXD3型機(jī)車，接觸網(wǎng)提供的是25kV，50Hz的定壓定頻交流電，牽引電機(jī)需要的是0～2150V、0

～120Hz可調(diào)的三相正弦交流電，機(jī)車中需要什么樣的設(shè)備來完成這樣的變換呢？

變流柜7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器1.機(jī)車牽引變流器組成及作用2.四象限整流器組成、作用、原理3.中間直流電路組成、作用4.脈寬調(diào)制逆變器組成、作用5.主變流器控制重點難點新課講授一、主電路：受電弓主斷路器主變壓器主變流器（整流環(huán)節(jié)）主變流器（VVVF逆變]）

主變流器（中間直流環(huán)節(jié)）牽引電動機(jī)

機(jī)車主電路由網(wǎng)側(cè)電路、傳動系統(tǒng)電路和庫用動車電路等組成。機(jī)車網(wǎng)側(cè)電路主要完成網(wǎng)側(cè)電壓的采集，供司乘人員觀察、電度表計量和控制系統(tǒng)控制。傳動系統(tǒng)電路由主變壓器、主變流器和牽引電動機(jī)等組成。主電路（傳動部分）

1主電路概述25kV,50Hz1450V,50Hz2800V直流0~2150V,0~120Hz7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器主變壓器牽引電機(jī)（6臺）臺變流柜（2臺）7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器一、主電路概述：

主變壓器原邊通過受電弓和主斷路器得電，25kV電壓通過主變壓器降壓成1450V，主變壓器次邊的6個獨立的牽引繞組分別向6臺主變流器的6個四象限整流器供電，每個四象限整流器分別對應(yīng)一個獨立的中間電路，它們分別向一個電壓型PWM逆變器（又稱牽引逆變器）供電,提供給6臺牽引電動機(jī)。再生制動過程與此相反。傳動系統(tǒng)圖變壓器副邊繞組1450V中間直流電壓2800V電壓0~2150V頻率0~120HzVVVF逆變器四象限整流器2傳動系統(tǒng)7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器一、主電路：3.牽引變流器組成、作用組成：（1）線路接觸器和預(yù)充電單元；（2）四象限整流器和中間直流回路（包含支撐電容和接地檢測單元）；（3）保護(hù)模塊；（4）脈寬調(diào)制逆變器；（5）控制和監(jiān)視組成。牽引繞組電流互感器線路接觸器預(yù)充電單元四象限整流器脈寬調(diào)制逆變器電流互感器牽引電機(jī)接地檢測裝置過電壓保護(hù)裝置電壓傳感器支撐電容7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器一、主電路：3.牽引變流器組成、作用牽引變流器（CI）為牽引電動機(jī)提供三相交流的變壓變頻（VVVF）電源。根據(jù)車輛的速度，通過矢量控制，精確快速地控制牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。HXD3型機(jī)車每臺機(jī)車裝有兩臺變流柜，每臺變流柜內(nèi)含三組牽引變流器和一組輔助變流器。7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器一、主電路：4.牽引變流器參數(shù)額定輸入電壓單相交流1450V/50Hz額定輸入電流966A輸入頻率50Hz牽引變流器每組容量1400kV·A中間電壓直流2800V額定輸出電壓三相交流2150V額定輸出電流390A最大輸出電流520A輸出頻率0~120Hz效率≥98%控制電壓直流110V7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器

1.傳動系統(tǒng)電路

2.組成、作用

3.參數(shù)7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器

小結(jié)二、四象限整流器1.四象限整流器組成

四象限整流單元是由U相、V相兩個功率模塊構(gòu)成，由于四象限整流單元額定輸入電流較大，因此四象限整流單元是由兩個IGBT元件并聯(lián)后組成功率模塊。

四象限整流器單元U相V相7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器二、四象限整流器功率模塊是構(gòu)成變流器的核心部件，是由上下橋臂的兩組IGBT元件和反并聯(lián)二極管構(gòu)成，還包括冷卻元件的水冷散熱片和控制IGBT柵極電壓的驅(qū)動電路。IGBT元件參數(shù)：額定電壓4500V（集電極一發(fā)射極間電壓）額定電流900A（集電極的有效值電流）最大電流1800A使用溫度40~125℃絕緣耐壓6000V交流（1min)7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器2.功率模塊二、四象限整流器3.四象限整流器作用交流電壓1450V，直流電壓2800V，怎樣整流？7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器

四象限整流器的用途是將來自主變壓器的單相交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓以供給直流支撐回路。四象限整流器（4QC）這一術(shù)語表示的是在牽引工況以及制動工況下，電壓UST和電流IN間的相位角是完全可調(diào)節(jié)的。通過對電壓和電流間的相位角的控制，能夠獲得全部四個操作的象限。（既能整流，又能逆變）二、四象限整流器：4.四象限整流器工作原理四象限整流器工作在四個象限，交流側(cè)的電壓和電流為縱軸和橫軸，一、三象限牽引工況（P>0），整流。二、四象限制動工況（P<0）。是一個脈寬調(diào)制逆變器，逆變。整流（能量方向）逆變（能量方向）7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器二、四象限整流器：4.四象限整流器工作原理（1）整流模式

檢修后直流環(huán)節(jié)重新上電，通常先通過橋式整流的整流二極管VD1~VD4將電網(wǎng)的交流電能變?yōu)橹绷?，供給直流環(huán)節(jié)預(yù)充電；直流環(huán)節(jié)電壓升到一定值。＋－7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器（1450×1.2=1740V）正半周二、四象限整流器：4.四象限整流器工作原理（1）整流模式

檢修后直流環(huán)節(jié)重新上電，通常先通過橋式整流的整流二極管VD1~VD4將電網(wǎng)的交流電能變?yōu)橹绷?，供給直流環(huán)節(jié)預(yù)充電；直流環(huán)節(jié)電壓升到一定值。＋－7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器（1450×1.2=1740V）負(fù)半周二、四象限整流器：4.四象限整流器工作原理（2）升壓模式

電壓達(dá)到一定值后，開啟VT2、VT4使其工作在升壓模式，其基本原理為控制IGBT的開關(guān)頻率即調(diào)制頻率>交流電網(wǎng)頻率（通常為20倍以上），這時四象限整流器可看成按正弦規(guī)律控制的直流升壓斬波電路。7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器二、四象限整流器：4.四象限整流器工作原理（2）升壓模式①UN為正時，控制VT2開通：

UN+→LS→A→VT2→VD4→B→UN-＋－正半周變壓器副邊短路，充電蓄能（變壓器副邊等效為大電感LS）。7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器二、四象限整流器：4.四象限整流器工作原理（2）升壓模式控制VT2關(guān)斷：＋－正半周②UN為負(fù)時，控制VT4開通和關(guān)斷。（自己討論）變壓器副邊電壓和大電感LS電動勢疊加給電容FC充電（升壓充電）。通過控制VT2占空比來控制輸出的直流電壓。UN+→LS→A→VD1→FC→VD4→B→UN﹣7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器二、四象限整流器：4.四象限整流器工作原理（3）PWM逆變模式輸入端A、B輸出端能量流動方向脈寬調(diào)制逆變器輸出SPWM波7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器四象限整流器工作在逆變狀態(tài)，采取PWM控制技術(shù)，把2800V直流電變換為1450V、50Hz交流電，波形為SPWM波。二、四象限整流器：4.四象限整流器工作原理（總結(jié)）四象限整流器是一個脈寬調(diào)制變流器，它將電源的交流電壓，通過脈沖寬度和相位控制，控制中間直流電壓的幅值和流入四象限整流器的交流電流波形和相位，使交流電流的波形盡量接近正弦外，同時使得交流側(cè)的基波電壓和基波電流的相位差接近于0，這樣，既限制了諧波電流分量，又提高了機(jī)車功率因數(shù)。7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器二、四象限整流器：5.四象限整流器工作模式及能量關(guān)系能量流動路徑為：電網(wǎng)→變壓器→四象限整流器→中間直流環(huán)節(jié)→脈寬調(diào)制逆變器→牽引電機(jī)（電動機(jī)）（1）牽引工況（整流）

控制電流IN網(wǎng)壓UN同相位，電流接近正弦波，變壓器輸出功率。功率因數(shù)接近于+1。此時，四象限整流器從電網(wǎng)吸收功率，向中間直流環(huán)節(jié)供給電能，經(jīng)脈寬調(diào)制逆變器向牽引電機(jī)供電，電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，驅(qū)動輪動轉(zhuǎn)動，牽引列車運行。（交-直-交變換）7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器二、四象限整流器：5.四象限整流器工作模式及能量關(guān)系（2）制動工況（整流）再生工況時，控制電流IN和電網(wǎng)電壓UN反相，電流IN接近正弦波，變壓器吸收直流環(huán)節(jié)能量。功率因數(shù)接近于－1。牽引電機(jī)（發(fā)電機(jī)）→脈寬調(diào)制逆變器→中間直流環(huán)節(jié)→四象限整流器→變壓器→電網(wǎng)能量流動路徑：7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器二、四象限整流器：6.四象限整流器優(yōu)點

能量可以雙向流動；從電網(wǎng)側(cè)吸收的電流為正弦波；功率因素可到達(dá)1；減低了接觸網(wǎng)的等效干擾電流，減少對通訊的干擾；可以保證中間回路直流電壓在允許偏差內(nèi)。7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器三、中間直流電路1.中間直流電路作用（1）在網(wǎng)側(cè)整流器和電機(jī)側(cè)逆變器之間實現(xiàn)瞬時功率平衡。（2）儲能電容向牽引電動機(jī)提供基波無功功率和高次諧波的通路。（3）變流器換流能力直接受中間電路電壓的影響，逆變器的調(diào)制電壓質(zhì)量也取決于其平衡程度，因此對它要求較高。7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器三、中間直流電路：2.中間直流電路組成

中間直流電路由中間電壓支撐電容、瞬時過電壓限制電路和主接地保護(hù)電路組成。7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器四、脈寬調(diào)制逆變器：脈寬調(diào)制逆變器是由U、V、W三相逆變單元構(gòu)成的，牽引逆變器的作用是把中間直流電壓變換成三相交流電壓，為異步牽引電動機(jī)提供頻率和幅值可調(diào)的三相交流電源，同時通過調(diào)節(jié)三相輸出電壓波形控制牽引電動機(jī)的磁能和轉(zhuǎn)矩。1.組成、作用7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器四、脈寬調(diào)制逆變器：機(jī)車的牽引電動機(jī)M1~M3分別由牽引變流器UM1的3個PWM逆變器單獨電，M4~M6分別由牽引變流器UM2的3個PWM逆變器單獨供電，實現(xiàn)牽引電動機(jī)的獨立控制。由于機(jī)車六根動軸的輪徑差、軸重轉(zhuǎn)移及空轉(zhuǎn)等可能引起負(fù)載分配不均勻，都可以通過牽引變流器的控制進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，以實現(xiàn)最大限度地發(fā)揮機(jī)車牽引力。2.與牽引電機(jī)供電關(guān)系：7.1HXD3型機(jī)車牽引變流器四、脈寬調(diào)制逆變器：3.YJ85型異步牽引電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：持續(xù)功率1250kW額定電壓2150V額定電流390A額定頻率46Hz額定轉(zhuǎn)速1365r/min最高轉(zhuǎn)速2662r/min極數(shù)4功率因數(shù)