HXD1C型电力机车牵引变流器电气原理分析与检修

湖南铁道职业技术学院毕业设计2010届毕业设计说明书HXD1C型电力机车牵引变流器电气原理分析与检修专 业 系 班 级 学生姓名 指导老师 完成日期 、2013届毕业设计任务书一、课题名称HXD1C型电力机车牵引变流器电气原理分析与使用维护二、指导老师：第1周至第10周进行三设计内容与要求1课题概述 完成本课题的设计要求学生具有电路电力电子变流技术模拟电子与数字电子技术及工厂电气控制设备等方面的基础知识。本课题与电力电子变流技术有着密切的关系，随着电力变流技术的飞速发展，越来越多的机车采用交流电机作为牵引源，交流机车牵引电机采用牵引变流器提供变压变频电源实现变频调速及牵引功率的调节。变频调速易于实现电机车的平稳启动和调速运行，并具有能耗低、调速范围广、静态稳定性好等诸多优点。通过本课题的设计，学生能够熟练掌握电力电子开关器件IGBT的特性及应用，深入理解电力电子变流技术在交传机车牵引电机调速领域的应用。同时，通过对交传电力机车牵引变流器主电路与控制电路的分析,培养学生进行运用所学知识分析与解决实际问题的能力以及创新设计能力。2设计内容与要求1) 大功率交传机车主传动系统分析（1）主传动系统的结构及技术特点；（2）交传机车牵引电机的结构与工作原理，大功率交传机车牵引电机常用的调速方式与功率调节方式；（3）对交流机车牵引传动采用变频调速、调功与其它方式进行对比分析；2)TGA9型牵引变流器主电路分析（1）多重四象限整流电路工作原理分析：查阅相关技术资料，对牵引变流器常用的整流电路类型进行分析，重点对TGA9型多重四象限整流电路进行技术分析；（2)中间直流环节滤波电路的结构与电路分析，滤波电容预充电的方式；（3）PWM逆变器结构与工作原理分析；常用逆变开关器件的结构与工作原理，重点对IGBT的结构及集成驱动电路进行分析；3） TGA9型牵引变流器控制电路的设计与分析（1）掌握常用PWM芯片的结构与工作原理，根据电气原理图对PWM逆变控制电路进行分析；（2）牵引变流器过流、过压与温度保护电路的分析。4）TGA9型牵引变流器的使用维护四、设计参考书1 周志敏等， IGBT和IPM及其应用电路，人民邮电出版社出版2 变频调速三相异步牵引电动机的设计3 徐立娟、张莹，电力电子技术，高等教育出版社4 王青松，三相电流型多电平整流器的研究，浙江大学硕士学位论文5 郭佳，电力机车辅助变流器三相逆变器的控制研究，北京交通大学硕士学位论文6 林渭勋，现代电力电子电路,浙江大学出版社五、设计说明书要求 1封面2目录3内容摘要（200400字左右，中英文）4引言 5正文（设计方案比较与选择、设计方案原理、计算、分析、论证，设计结果的说明及特点）6结束语7附录（参考文献、图纸、材料清单等）六、毕业设计进程安排 1第1周熟悉毕业设计具体任务，进行相关资料收集，了解设计原理，选定设计方案。2第2周至第3周完成交传机车主传动系统的结构与工作原理的分析。3第4周至6周完成对TGA9型牵引变流器控制电路的结构与工作原理的分析，查找资料完成牵引变流器的日常使用与维护。4第7至8周进行毕业设计论文初稿的撰写。5第9周完成论文初稿的编写。6第10周完成设计任务书。7准备毕业设计答辩。七、毕业设计答辩及论文要求1毕业设计答辩要求答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。2毕业设计论文要求文字要求:说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。图纸要求:按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。2012年6月II摘 要HXD1C型电力机车，运行稳定、可靠，能满足该型电力机车的运用要求，实现模块化，通用化，降低了机车运营和维护成本。HXD1C型电力机车作为我国国产率最高的新型大功率机车，在现代化铁路运输起着无可替代的重要作用。本毕业设计针对HXD1C型机车牵引变流器及控制系统的技术特点和主要参数,描述了其结构阐述了牵引变流器功能模块和功能原理。对HXD1C型机车在运用中主变流器、制动系统、辅助系统等常见故障进行原因分析,并介绍相应的措施。关键词：电力机车 牵引变流器 冷却系统 控制系统电力机车 常见故障 应对措施。AbstractHXD1C type electric locomotive, the operation is stable and reliable, and can satisfy the use of this type of electric locomotive requirements, realize modular, universal, reduce the locomotive operation and maintenance costs. HXD1C type electric locomotives in China GuoChanLv highest new type high power locomotive. In modern railway transportation plays an irreplaceable important role. The design specification for HXD1C locomotive traction converters and control systems technical characteristics and main parameters, describes its structure elaborated traction converter function module and function principle. HXD1C locomotive main converter, braking system, auxiliary systems and common faults in the use of reason analysis. And introduce appropriate measures。 Keywords:Electric locomotive Traction converter Cooling system Control system of electric locomotive Common faults; Measures目 录第一章 大功率交传机车主传动系统11.1 主传动系统的结构及技术特点11.2 交传机车牵引电机的结构.21.3 大功率交传机车牵引电机常用的调速方式与功率调节方式.2第二章 TGA9型牵引变流器主电路分析62.1 牵引变流器的简介62.1.1 牵引变流器的主要技术特点72.1.2 牵引变流器的主要参数72.1.3 牵引变流器的结构72.2 多重四象限整流电路工作原理82.2.1四象限整流器92.2.2滤波电容的设计122.2.3滤波电容充电、放电过程122.3 中间直流环节滤波电路的结构与电路142.3.1中间支撑电容142.3.2谐振吸收回路142.3.3接地故障检测及固定放电电阻152.3.4斩波放电(直流放电)电路152.4 PWM逆变器结构及工作原理162.4.1 PWM逆变器结构。162.4.2 PWM逆变器原理。162.4.3 电压型PWM整流器间接电流控制182.5 常用PWM芯片工作原理192.6 脉宽调制逆变器202.7 逆变桥的换相过程212.8 三相逆变器的变频变压的原理分析222.8.1 基本工作方式180导电方式222.8.2 波形分析（图2.25）222.9 IGBT的结构及集成驱动电路分析232.9.1 IGBT的结构232.9.2 IGBT集成驱动电路252.9.3 设计栅极驱动电路时，主要考虑的问题252.10牵引变流器过流、过压与温度保护电路.26第三章 TGA9型牵引变流器的使用维护283.1 牵引变流柜故障283.1.1 整流，逆变模块283.1.2 TCU控制箱插件板293.1.3 网络控制模块故障293.1.4 牵引变流器短接接触器293.2 制动系统303.3 车顶设备303.4 辅助系统30心得体会32参考文献33第一章 大功率交传机车主传动系统1.1 主传动系统的结构及技术特点交流传动技术是一门综合技术，但其本质的特点是牵引电机采用了交流异步电动机，其一系列的有点都是由此变现出来的。与传统的直流传动机车相比，交流传动机车具有一些明显的优势1、结构简单交流传动采用的异步电动机除轴承外，没有其它摩擦部件，结构简单，使得其可靠性大大优于直流牵引电动机。直流电动机由于受到换向和机械强度的限制，最高转速只能达25O0r/min左右，而交流电机的转速可达4O00r/min以上。所以，在同样功率的情况下，交流电机体积小，重量轻，从而改善了机车的动力学性能。2、粘着性能好异步电动机具有很硬的机械特性，当某个轮对发生空转时，随着转速的升高，转矩很快降低，具有很强的恢复粘着能力。空转发生时，转速上升值不大，这样，机车在同样的粘着重量下，可以发挥出更大的起动牵引力和持续牵引力。异步电动机的工作点可以很方便地进行平滑调节，以实现最大可能的粘着利用，不会出现粘着中断的情况。同时，通过各轴的单独控制，当某台电机发生空转时，可调节该台电机，这样能充分利用机车的粘着性能。由于上述特性和良好的控制功能，交流传动系统的粘着系数可以利用得很高。3、功率大，恒功率范围广现代交流传动机车最大轮周功率可达160OkW-18O0kW，制动功率可做到与额定牵引功率相等，恒功率速度比2.5-3。牵引功率大导致牵引力大，而又由于粘着性能好，大的牵引力能充分发挥其牵引能力。因此，交流传动机车有强的使用灵活性，它既可满足货运的大的起动牵引力要求，又可满足客运高速度的要求，做到客货机车通用，实现机车多拉快跑的目的。 4、可靠性高且维修简便异步电动机无换向器、无电刷装置;密封性好，防潮、防尘、防雪性能好;全部电气部件均是绝缘的，且所用绝缘材料均为H级或F级，绝缘性能好，耐热性能好。因此故障率低，可靠性高。同时，交流传动机车的电气主回路，取消了方向转换开关、工况转换开关等故障率较高的大电器，机车控制都是通过微机控制完成，主传动系统的可靠性很高，维修量很小，且检修简便，维修费用大大降低。5、动力性能与制动性能好异步电动机体积小、重量轻，同时采用特殊的悬挂装置，簧下重量小，有较高的曲线通过能力，对轨面的冲击力小。可在广阔的速度范围内实现电制动，甚至可以制动到零，制动功率大。一部分电制动的能量可用于其它辅助设备。1.2 交传机车牵引电机的结构.电动机运行的三相异步电机。三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。图1.1 电动机外观图电动机有两大部分组成：定子和转子定子：定子是电动机静止不动的部分。定子由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成转子：电机中的旋转部件。转子由转子铁心和转子绕组组成：1、转子铁心：和定子铁心一样，既是电动机磁路的一部分，又能安放转子绕组。2、转子绕组：有笼型和绕线型两种。 （1）笼型绕组：导体用铜条或铝条，两头用端环联接。结构可靠简单，但是转子电阻固定。 （2）绕线型转子：接成星型的三相绕组通过滑环与外电路联接，便于串入电阻改善电动机的运行性能。1.3 大功率交传机车牵引电机常用的调速方式与功率调节方式.1.3 大功率交流传动机车牵引电机常用的调速方式与功率调节方式已知异步电动机的转速n （1-1）从上式可见，改变供电频率f2电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。1 变频调速 在保证电动机变频时磁通不变，该方式通过调节电源频率实现无极调速；变频调速方式又分交交与交直交两大类型，而后一种类型又分为电压源型与电流源型。2 串级调速 该方式针对绕线转子异步电动机转子串入一个反电动势进而达到调速的目的。串级调速有电子串级和电机串级两种方式。电子串级方式由整流器、电抗滤波器和有源滤波器组成。转子中的转差功率通过整流器整流、电抗滤波后，由晶闸管变换装置装换为工频交流电，经逆变变压器馈送给电网，或馈送给电动机定子变成为附加的电磁功率，此方式称为内反馈方式。电机串级调速方式则采用附加的直流电动机将转差功率变为机械能，馈送给主电动机（机械串级），或通过异步电动机转变为工频电馈送给电网，该方式目前又被内反馈式取代的趋势。串级调速可以将差功率收回，整体效率高。但该方式如采用开环的方式，电动机机械特性较软，且仅适用于绕线转子异步电动机。3 双馈电动机调速 双馈电动机调速就是对绕线转子异步电动机的定子馈入恒压（额定电压）恒频（工频）电源、转子馈入变压频电源的特殊型串级调速。该方式的容量在国内已达到2400KW，国外已达到几十兆瓦。该方式既可次同步调速，有可以超同步调速；但缺点是仅适应于绕线转子异步电动机4 变极调速 该调速方式通过改变定子绕组的接法去改变极对数，进而实现有级调速；若对高电压大功率电动机进行调速，对所采用的转换开关的要求比较高，一般采用油浸式或真空式开关。5 变阻调速 该方式通过在绕线转子异步电动机的转子回路中串入可变电阻，以改变电流，降低输出转柜，即加大转差的方法实现调速。该方式调速范围小，一般为50%100%；为满足大功率调速的要求，且所串电阻一般为液体电阻或调速用频敏电阻。6 液力偶合器调速 这是一种中间环节的调速装置，它以笼型电动机为原动机，以液体（油）为工质，由泵轮和涡轮组成。泵轮由原动机驱动，带动工质油旋转，油所产生的动能和压油的动能和压力，从而改变泵轮与涡轮的转差，实现液力偶合无极调速。其功过原理如图1.2示。 图1.2 液压偶合器工作原理液力偶合器从结构上可以分为进口调节式、出口调节式和进出口调节式三种类型，国内系列化产生的液力偶合器功率范围为506300KW，调速范围为10%90%，调速比为4:1或5:1，适合于3000r/min以下的大功率风机、泵类负载。缺点是：液力偶合器使用得电动机与负载之间没有直接连接，当液力偶合器出现故障时，没法切换为工频运行;油、水泵系统维修率高额定功率的15%。表1 .1 各种调速方法的比较调速方法变频率f改变转差率s变极对数双馈电动机晶闸管串级调速转子串级电阻调速液力偶合器调速电动机类型异步电动机绕线转子异步电动机绕线转子异步电动机绕线转子异步电动机笼型异步电动机多速异步电动机功率范围/KW数千国内已达到2400以上3020004数千30数千0.45100调速范围5：110:12:14:12:14:12:15:12:14:1转速变化率小低速时大较小大大较小平滑性能好好好好好有级转矩特性恒转矩恒功率恒转矩恒转矩恒转矩恒转矩或恒功率效率（%）90以上95以上80901-s1-s7090功率因数0.30.90.80.350.750.80.90.650.90.60.9投资费用高较高较高低一般低适用场合辊道、高速传动及风机水泵等分机、水泵等风机、水泵等频繁起动、短时低速运行。风机、水泵等机床、化工搅拌机、起重机械、风机、水泵等33第二章 TGA9型牵引变流器主电路分析2.1 牵引变流器的简介电力机车交流牵引传动系统主要包括各高压设备、主变压器、牵引变流器、牵引电机及相应控制系统。其中，牵引变流器是电力机车传动级控制的核心部件，其功能是实现将工频电网中交流电通过变频变压控制，变换为适合于交流电力机车运行要求及频率可变的交流电。图2.1所示。是我国自行研制的交流传动干线货运机车的牵引变流器。图2.1 牵引变流器外观图牵引变流器参数额定输入电压：970/50HZ额定输入电流：3*1390A中间电压：DC 1800V额定输出电压：3AC 1375V额定输出电流: 3*598A最大输出电流: 3*814A控制电压 DC 110V辅助电源：三相440/60HZ外形尺寸：（3100*1060*2000）mm质量：2500kg该牵引变流器主电路采用交一直一交结构，由电源侧整流器和电机侧逆变器两部分组成，中间直流电路采用大容量支撑电容储能的电压型结构，保证了两侧变流器(整流和逆变)能够在互不干扰的情况下工作。整流器采用四象限整流器，有利于提高机车的功率因素，减少谐波电流分量。逆变器采用单轴控制，当某一轴出现故障时，可以将其隔离，只损失部分牵引力，有利于机车运用。中间直流回路连接有二次谐振电路、过压保护电路和接地检测电路等。此外，控制系统还采用了直接转矩控制技术、再生制动技术、TCN网络技术等先进的控制技术。2.1.1牵引变流器的主要技术特点1）主电路特点。 牵引变流器输入端为三重四象限变流器（网侧变流器），直接连接到主变压器的 3 个牵引绕组输出端；牵引变流器输出端为三相逆变器（电机侧变流器），直接与牵引电机连接；中间直流环节包括支撑电容器、二次谐振电路、过压斩波电路、接地检测电路等。开关元件采用3 300 V/1 200 A 等级 IGBT 元件，技术成熟可靠。2）控制电路特点。 变流器输入端采用四象限变流器控制方式，具有中间直流环节电压稳定、功率因数接近于1、 能量可再生等优点； 输出端采用异步电机直接转矩控制方式， 具有动态响应特性优良、 控制简介高效、 牵引力变化平稳等优点。3）结构设计特点。 各部件采用模块化设计，具有整体结构相对简单、检修维护方便等优点。4）冷却系统特点。 牵引变流器冷却采用水冷却方式， 具有冷却效率高、 体积质量小、 维护方便等优点。2.1.2 牵引变流器的主要参数变流器的主要电气和结构参数如表2.1所示。2.1.3 牵引变流器的结构牵引变流器作为一台完整的组装设备安装在机械间内,由变流器模块 、牵引控制单元 （TCU）、线路接触器和预充电单元、接地检测单元、谐振电容、斩波电阻、冷却系统及各类监视控制传感器组成，各类部件可以方便地拆卸。斩波电阻布置在变流器侧面，左侧预留了检修空间，检修时可以从侧面取出。谐振电容布置在变流器背部，检修时需要将变流器吊出，但是谐振电容一般故障率较低。 其余部件均布置在变流路正面。 表2.1 变流器主要电气和结构参数项目技术参数四象限变流器额定输入电压/V额定输入电流/A最大输入电流/A元件开关频率/Hz控制方式AC 97013901544450-中间直流环节中间直流电压/V支持电容/mF二次协振电感/mH二次协振频率/HzDC 180025.80.27100逆变器输出电压/V额定输出电流/A最大输出电流/A极薄频率范围/Hz控制方式三相AC 01 4045988140117直接转矩控制冷却参数冷却方式水和添加剂体积比散热功率/kW强迫水循环冷却44%/56%80结构参数外观尺寸mm*mm*mm质量/kg31001060200（长宽高）约25002.2 多重四象限整流电路工作原理牵引变流器电路原理图见图2.2,其功能和状态参数均由TCU监控和保护.机车在牵引工况时,变流器将主变压器次边绕组上的单相交流电转变成驱动牵引电机所需的变压变频三相电制动工况时.牵引电机处于发电工况,变流器将电机发出的电能反馈给电网,以第一个主电路单元为例说明变流器主电路的工作原理.牵引变压器牵引绕组a1原x1输入电压首先经由KM4 R1 组成的充电回路对直流回路的支撑电容充电.充电完成后闭合短接接触器KM1牵引工况时单相工频电网电压经四象限PWM 整流器整流为1800V直流电压.再经逆变器逆变为三相VVVF电压供给牵引电机,再生制动工况时牵引电机发出的三相电压经整流,逆变后通过牵引变压器,受电弓反馈回电网,电抗器L1 和C3C8 组成二次谐振回路.用于滤除四象限PWM 整流器输出的二次谐波电流RCH1 为过压斩波电阻,用于直流回路的过电压抑制R4 为固定放电电阻袁用于将支撑电容上的电压放至安全电压以下；R8 R9 为直流分压电阻、中点接地,用于变流器主电路接地检。图2.2 变流器电路原理图2.2.1、四象限整流器在牵引变流器中，四象限整流器设计成变流器模块的形式，外观图参见图2.3。变流器模块(以下简称模块)集成了IGBT元件、水冷散热器、温度传感器、门控单元、门控电源、脉冲分配单元、支撑电容器、低感母排等部件。模块上IGBT元件之间及与支撑电容的连接使用低感母排(Busba:)，减少了线路上的杂散电感，省去了吸收电路，使电路更为简洁可靠。脉冲分配单元与门控单元间的信号传输通过光纤实现，解决了高压隔离问题，提高了模块的抗干扰性能。图2.3 变流器模块的外观图四象限整流器在牵引工况下进行交-直变换，将来自牵引变压器的单相交流输入电压转换为直流电压，为中间电路提供电能：在再生制动工况时，通过中间直流电路进行直-交变换，将电能回馈电网。四象限整流器(4QS)这一术语表示的是在牵引工况以及制动工况下，电压和电流间的相位角完全可调节的。通过对电压和电流间的相位角控制，能够在全部四象限内工作，从而实现能量的双向流动图2.4 四象整流电路图原理采用IGBT作为开关器件的四象限整流器，由高运算粗粒能力的DSP产生PWM脉冲进行控制。当电机工作在电动状态的时候，整流控制单元控制整流侧IGBT的开关和通断。IGBT的开通与断开与输入电抗器共同作用产生了与输入电压相位一致的正弹性弦电流波形，这样就消除了二极管整流产生的谐波。使功率因数高达99%，消除了对电网的谐波污染。此时能量从电网经由整流回路和逆流回路向电机，变流器工作在第一，第三象限。输入电压和输入电流波形如图2.5所示。图2.5 输入电压和输出电流的波形当电动机工作在发电机状态的时候，电机产生的能量通过逆变侧的热、二极管回馈到直流母线，当直流母线电压超过一定的值，整流侧能量回馈控制部分启动，将直流逆变成交流，此时能量由电机通过逆变侧、整流侧流向电网。变流器工作在二。四象限。输入电抗器的主要功能是电流滤波。回馈电流和电网电压的波形如图2.6所示。图2.6 回馈电流和电网电压的波形简单的电压型四象限脉冲整流器的基本原理，储能器与直流侧负载并联。结合图2.7 PWM 整流器的理想模型来说明 PWM 变流电路的基本功能：图2.7 PWM整流器在图2.7中，AC/DC 变流器为 PWM 整流电路的主电路，输入部分由电网电动势u 和交流侧电感 L 组成，输出部分则是由负载电阻和负载电动势功组成(电动势是由负载电感产生)。做理想化假设，AC/DC 无损耗，则变换前后率不变，即： （2-1）式中： 输入交流侧电压和电流；输出直流电压和电流。在理想情况下，输入（交流）功率和输出（直流）功率达到平衡，因此可以通过对输入侧的控制实现对输出侧的控制，由图可以看出，输入输出各参量存在如下关系： (2-2)假设交流侧输入电流的幅值保持不变，则电感上的电压的幅wL也保持不变。电网电压、输入电压和电感上电压三者构成三角形关系，所以通过控制输入电压即可以实现 PWM 整流电路的四象限运行。 储能器所接受的电流是正弦形的，其频率为供电频率的2倍，幅值恰好等于直流侧负载电流。 另一方面，在该储能器上的电压是一个纯直流电压。 所以，对于这个作为储能器的电抗两端网络来说，加在其上的直流电压不引起电流，而流过双倍网频的交流电流也不会在其端子上引起电压。 一般情况下电流中有一定大小的谐波。为使牵引变流器输入电流的谐波尽可能的小，四象限整流器的开关频率应足够的大。在大功率使用场合，由于开关器件自身开关时间或大电流等多方面的限制。必须采取其他措施来改善变流器输入电流的品质，我们通常采用多重化四象限整流电路，各重四象限整流器的载波错开一定的相位角，从而抵消部分谐波分量，改善输入电流品质。2.2.2、滤波电容的设计整流滤波电路的原理如图2.8 所示，主要有 D1D4二极管、滤波电容C 和负载电阻 RFZ组成。如果负载电阻RFZ等效为电源设备的稳压电路，就对滤波电路提出指标要求。在整流电路输出电压、功率保证的情况下，主要是对纹波电压的要求。纹波电压是指滤波电路、稳压电路输出直流电压含有的波动电压。 如果滤波电路输出的纹波电压过大，将导致稳压电路输出纹波电压增大，甚至难以稳压。纹波电压是由整流输出的单相脉动电压对滤波电容C 的充电 、放电过程产生的；在负载 RFZ不变的条件下，电容 C 的大小决定着纹波电压的高低。 可见，电容 C 的设计，应依据纹波电压的要求来设计。 图2.8 整流滤波电路原理2.2.3滤波电容充电、放电过程针对图2.9 滤波电路 ，用示波器测试的波形图分析 C 的充电、放电过程更为直观。 当K 断开时，全波整流电路输出的电压波形，即为滤波电路的输入电压Ui，如图2 所示 ，是把图2.9 整流滤波形图输入的正弦波电压Ui（有效值）图2.9 的转变成频率为 100 Hz 的单向脉动电压，如图2.9 的。 当 K 接通时，滤波电路输出的直流电压为U0，并叠加有纹波电压U，如图 2.9 的。 如果图 2中的和重叠后， 在示波器上就会出现图 2.9 中的波形图。 从图 2.9 的中就可分析出电容 C 的充电与放电过程。图2.9 的，为图 2.8 电路处于稳态时输出的 Uc电压波形，U 是纹波电压，其幅度决定于 C 和负载 RFZ的大小。如图2所示，当处在0t1， U0=UcUi，C处于放电过程，D1D4均处于截止状态； 在 t1t2，UiU0=Uc，C处于充电过程，D2、D处于导通状态，D1、D4处于截止状态；在 t2t3，uiU0=Uc， C随ui规律放电， 仍存在 D2、D3处于导通状态，D1、D4处于截止状态；在t3t4， uiU0=Uc，C处于放电过程，D1D4处于截止状态。 从 t4后开始，其过程同 t1t4。 可以看出从 t1t3期间，是电容 C 充电过程，纹波电压的变化规律和 Ui（Ui=U0=Uc） 相同 ； 在 t3t4期间，Uc按指数规律下降，时间常数为 =RFZC。IGBT是电子开关元件，其开通和关断的频率相对较高。下面举例说明整流器从无电流的状态开始的工作过程。参见图2.10，如果在正半波时，S2或S3两个IGBT开关中的一个处于开通状态，变压器次边绕组处于短路状态，电流开始上升。此时，如果原来开通的IGBT关断，由于变压器的漏电感使电流连续。电流通过IGBT开关Sl或S4的续流二极管流入直流支撑回路并缓慢降低。利用这一原理，电流就可以围绕一个参考值上下波动且COS尹和直流支撑电压值能保持在要求的范围内。IGBT开关频率决定每个周期的脉冲数量，脉冲频率越高，电流值能越精确地跟踪参考电流值。图2.10 四象限整流器的电流/电压波形2.3 中间直流环节滤波电路的结构与电路2.3.1、中间支撑电容中间支撑电容作为能量存储单元，其作用是对中间直流回路的电压进行滤波和缓冲。因为在一个短的时间周期内输入的能力和输出的能量不对等，因此必须在中间直流回路设置支撑电容，也可以说支撑电容对整流器和逆变器进行了能量解藕。牵引变流器的中间支撑电容是由分布在各变流器模块内的电容器组成。2.3.2、谐振吸收回路谐振吸收回路是一个谐振电路，由谐振电容器和置于主变压器中的谐振电抗器组成，用来过滤中间直流回路中两倍于输入电压频率的能量流产生的纹波，如图2.11。它作为一个串联的谐振电路工作，其谐振频率为两倍基波频率。为了保证其谐振频率的精确，谐振电容器分为固定的基础电容器和容值可调的电容器两部分。该可调电容器可由用户定期调整，以避免频率的漂移。图2.11 谐振电路2.3.3、接地故障检测及固定放电电阻图2.12 接地故障检测简图如图2.12所示，接地故障检测电路由跨接在中间直流电路的两个串联分压电阻和中点电压检测的电压传感器组成，串联分压电阻的中点接地，中点检测信号送TCU内的检测电路(滤波电容器、运算放大器和一个比较电路)判断主电路是否接地。在正常工况下，传感器测得的电压值等于中间直流电压的1/2。如果发生接地故障，被测电压就会因电容器充电的改变而发生变化，电容器的电压值将达到中间直流电压的0%或者100%。这样，就可以检测到接地故障。同时，并联在中间直流回路上的高阻值电阻，还起到固定放电电阻的作用，用于牵引变流器非正常关闭后直流支撑电容和二次谐振电容的固定放电。牵引变流器停机后，如果快速放电回路有故障不能泄放中间直流电能，则固定放电电阻可在规定时间内将中间直流电压降至安全电压以下。2.3.4、斩波放电(直流放电)电路如图2.13所示，牵引变流器的中间直流回路并联有斩波放电电路，用于中间直流过压保护和停机后的快速放电。RcH为斩波电阻，由一个IGBT功率元件控制电阻的投切，当TCU检测到中间直流电压超过规定值时，将触发斩波管(IGBT)开通，中间直流的能量通过斩波电阻快速的释放掉，使中间直流电压迅速的恢复正常值，随后斩波管关闭，稳定中间电压。变流器正常停机后，中间直流支撑电容和二次谐振电容上的能量也将通过斩波回路快速释放。图2.13 中间直流回路斩波放电电路2.4 PWM逆变器结构及工作原理 图2.14 PWM逆变器原理图2.4.1 PWM逆变器结构。该逆变电路以六个IGBT()作为开关器件，IGBT可以由门极控制关断，所以该电路采用自换相方式，无需辅助换相电路。电路输出侧接一组星行连接的电容器组，主要有两个作用：一是对输出PWM电流波形进行滤波，减小电流中的谐波：二是在IGBT换相时提供换相回路，以减小IGBT关断时的过电压。与电压源型逆变电路不同，PWM式电流源型逆变电路在控制中不能采用三相导通方式，如果三相导通，则各相电流与负载的工作情况有关，从这个意义上讲，其电流将不是唯一可控的，同时由于直流侧电流不能突变，负载必须为电流提供通路，同一时刻必须有两相导通，所以PWM式电流源型逆变电路采用两相导通的方式。PWM 变流器具有电能双向流动的功能，当电能由电网流向负载时，处于整流状态；而当电路向电网回馈电能时，PWM 变流器处于逆变状态。2.4.2 PWM逆变器原理。从电力电子技术发展来看，整流器是较早应用的一种AC/DC变换装置。整流器的发展经历了由不控整流器(二级管整流)、相控整流器(晶闸管整流)到PWM整流器(门极关断功率开关管)的发展历程。传统的相控整流器，虽应用时间较长，技术也较成熟，且被广泛应用，但仍存在以下问题:(l)晶闸管换向引起电网电压波形畸变。(2)网侧谐波电流对电网产生谐波污染。(3)深控时网侧功率因数很低。(4)闭环控制时动态相应相对比较慢。虽然二极管整流器，改善了整流器网侧功率因数，但仍会产生网侧谐波电流而污染电网;另外二极管整流器的不足还在于其直流电压的不可控性。针对上述不足，PWM整流器对传统的相控二极管整流器进行了全面改进。其关键的改进在于用全控型功率开关管取代了半控型功率开关管或二极管，以PWM斩控整流取代了相控整流或不控整流。因此，PWM整流器可取得以下优良性能:(1)网侧电流为正弦波。(2)网侧功率因数控制(如单位功率因数控制)。(3)电能双向传输。(4)较快的动态控制相应。显然，PWM整流器已不是一般意义上的AC/DC变换器。由于电能的双向传输，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。所以此时的PWM整流器我认为可以叫PWM整流器了图2.15 PWM整流器的主电路图三相PWM整流器主电路如图2.15所示，采用IGBT作为系统功率开关器件。在系统结构上，三相变换器同三相逆变器一样均采用了三级型PWM调制技术，功率开关器件IGBT始终处于工作状态，使变换器三相输入电流中的谐波成分非常小，电流波形失真因数近似为“1”，从而解决了变换器由于输入电流畸变引起的功率因数下降问题。也就是说，保证交流输入侧电压与电流同相位(基波相移因数为1)成为获得高功率因数的最首要条件。由于三相变换器采用三级型PWM控制，可通过不同的调制方法控制输入电流im(m=a，b，c)的相位和幅值，从而达到:(l)保持变换器输出的直流电压恒定。(2)保持变换器输入电流Im和电网电压Um同相位，即实现基波相移因数为1。因此PWM控制方法成为决定基波相移因数，即决定变换器功率因数的关键。虽然有多种控制方法，但其控制策略大致相同。如图2.16，如果忽略高次谐波，功率变换部分可以等效为一个三相交流电压源，其单相(以A相为例)基波等效电路图2.16 单相等效电路由图2.16可见，Ura。是控制量，通过不同的控制方法适当调节Ura。的大小和相位，就能控制输入电流的相位以控制系统功率因数;同时控制输入电流的大小以控制传入功率变换部分的能量，也就控制了直流侧输出电压。因此，通常采用电压外环和电流内环相结合的双闭环控制方式。电压外环保证稳定的输出电压，电流内环主要用于提高系统的动态性能。综上可见，PWM整流器实际上是一个交、直流可控的四象限运行的变流装置。该装置的核心在于网侧电流的控制，一方面，可以通过控制PWM整流器交流侧电压，间接控制网侧电流;另一方面，也可通过网侧电流闭环控制，直接控制PWM整流器的网侧电流，下面分别举例说明这两种电流控制的PWM整流器的控制思路的优缺点。2.4.3电压型PWM整流器间接电流控制间接电流控制技术实质上是，通过PWM控制，在变换器交流侧生成幅值、相位受控的正弦PWM电压。一该PWM电压与电网电动势共同作用于变换器交流侧，并在变换器交流侧形成正弦基波电流，而谐波电流则由变换器交流侧电感滤除。由于这种变换器电流控制方案通过直接控制变换器交流侧电压进而达到控制变换器交流侧电流的目的，因而是一种间接电流控制方式。这种间接电流控制由于无需设置交流电流传感器以构成电流闭环控制，因而是一种简单控制方案。从控制方式上，间接电流控制又分为静态间接电流控制和动态间接电流控制。这里以静态间接电流控制为例来简述其控制的原理。三相电压性PWM整流器静态间接电流控制，主要依据三相交流侧基波电流电压矢量的静态关系，求解相应的控制算法。图2.17便是一单相为例画出的静态间接电流控制系统的结构。图中为实现直流侧电压无静差控制，电压调节器输出为交流侧电流的指令信号，在通过控制运算，最终输出IGBT的驱动信号，从而实现了三相电压性PWM整流器静态间接电流控制，并稳定了直流侧电压。图2.17 静态间接电流控制系统结构图这种静态间接电流控制实现比较简单，而且不需要检测网侧电流，结构简单，容易编程。但这种结构对系统结构参数变化敏感，动态相应比较慢，存在瞬态直流电流偏移等等缺点。2.5 常用PWM芯片工作原理逆变器控制插件采用美国T I 公司生产的高性能DSP芯片VC33，主要功能为：应用SVPWM脉宽调制技术向逆变器模块提供DC-AC变换调制脉冲，并通过输出端电压传感器采样实现对输出电压的闭环控制，使输出电压稳定1，并具有保护逆变器电路的功能。PWM控制芯片SG3525 具体的内部引脚结构如图2.18所示。其中，脚16 为SG3525 的基准电压源输出，精度可以达到（5.11）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚5、脚6、脚7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器 的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB 左右。 根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9 和脚1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络。图2.18 SG3525的引脚图2.19 SG3525的内部框图2.6 脉宽调制逆变器脉宽调制逆变器由三个相模块组成，逆变器在输出端U、V、W处提供一个变频变压的三相交流电源。在原理上，可以将IGBT简单理解为非常快速的开关。有了这种模型，可以想象3个输出端U、V、W可以与中间直流回路中的“+”或“一”端任意相连，其开通或关断的模式必须保证逆变器的输出为三相正弦交流。在图2.20中，图示了两个输出端子之间的电压。两输出端子之间输出电压的最大幅度值取决于中间直流电压.可以通过改变IGBT逆变器的占空比来调节输出电流的有效值。输出电压波形重复的频率和脉宽调制逆变器的输出频率相同。在制动工况时，电机轴上的转矩的方向与电机旋转的方向相反，电压和电流之间产生了很大的相移。通过设定基波电压，脉宽调制逆变器能保证这一电压和电流之间的相移。图2.20 脉宽调制逆变器的方式工况图2.21 脉宽调制逆变器的脉冲工况图2.22 制动工况下电压和电流的相位2.7 逆变桥的换相过程如图2.23逆变电路中到换相的等效电路，其他各个IGBT之间的换相过程与此相似。图中是输出侧几个电容的等效电容，设在换相前其电压极性如图2.23所示。整个换相过程可以分为以下几个阶段： 图2.23 换相过程图1） 在A时刻触发上桥臂的IGBT器件，由于的电压极性是上正下负的，不会承受反压而自动关断。2） 关断，电流则迅速有换相到，此时电流路径有两条：u相负载w相负载和v相负载w相负载，此时电流由u相向v相换相，u相电流向充电，随着的电压逐渐升高，u相电流逐渐减小，同时v相电流逐渐增大。3） 两端电压最终将升高到超过uv两相的线电压。当u相电流减小到0时，输出电流最终完全转移到v相，换相过程结束。2.8 三相逆变器的变频变压的原理分析三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路,应用最广的是三相桥式逆变电路图2.24 三相电压型桥式逆变电路2.8.1 基本工作方式180导电方式1)每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 。2)任一瞬间有三个桥臂同时导通。3)每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流2.8.2 波形分析（图2.25）1)负载各相到电源中点N的电压：U相，1通，=Ud/2，4通，=-Ud/2。2)负载线电压 （2-3）3)负载相电压 （24）图2.25 电压型三相桥式逆变电路的工作波形2.9 IGBT的结构及集成驱动电路分析2.9.1、IGBT的结构IGBT是一个三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E，目前多数的IGBT为N沟道型。IGBT简化等效电路和图形符号如图2.26所示。从图中可看出，IGBT是有双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP集体管，图中的是集体管基区内的调制电阻。IGBT是一种场控器件，起开通与关断是有栅极和发射极间的电压决定的，当为且大于开启电压时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通。当施加反向电压或不加电压时MOSFET内沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。图2.26 IGBT简化等效电路和图形符号由于制作工艺的不同，常导致器件具有不同的异性。按照IGBT器件C、E间击穿时PN结耗尽层是否穿透高阻基区层为判断依据，可将IGBT分为两大类：耗尽层穿透高阻基区的称为穿透型IGBT;没有穿过高阻基区的称为非穿透型IGBT。PT-IGBT采用外延法工艺，在制造更高电压的器件时，其技术复杂、成本非常高；NPT-IGBT采用同质量晶硅和扩散工艺，可以制造出更高开关速度、低拖尾电流、正温度系数，且有更高抗热冲击能力的IGBT。目前西门子、东子、IR、等公司已推出用NPT工艺制造的IGBT。IGBT模块常用的电路结构有多种，在高压变流中用得最多的为二合一封装或单一模块封装，器电路结构如图2.27所示。图2.27 IGBT电路结构图辅助变流器的整流器模块及逆变器模块均采用了IGBT元件并联技术，即每个桥臂上2个IGBT元件并联。IGBT元件并联技术的关键是优化其并联的静态特性及动态特性：通过IGBT元件的合理布局及对称布线，获得良好的静态并联特性；通过IGBT元件的选型、参数的一致性、门极驱动技术的优化，获得良好的动态并联特。辅助变流器的整流器、逆变器模块包含散热器、IGBT元件、复合低感母排、驱动单元以及温度检测单元、电源模块等，是功能独立的高度集成功能模块。2.9.2、IGBT集成驱动电路 通常IGBT作为高压变流器的逆变电路的开关器件。IGBT的不同驱动条件影响它的静态与动态特性。其驱动条件主要包括正偏压+、负偏压-和栅极电阻的大小；主要静态与动特性为IGBT的通态电压、开关时间、开关损耗。通态短路能力、等。表2.2定性地给出了IGBT的主要特性与驱动条件的关系。表2.2 栅极驱动条件与器件主要特性的关系主要特性+升高-升高升高降低、降低增加、减小增加开通浪涌电流（硬开关感性负载）增大减小关断浪涌电流（硬开关感性负载）增大减小的敏感度增强降低降低电流限制值增大减小负载短路时的耐冲击性降低增加2.9.3 设计栅极驱动电路时，主要考虑的问题1） 正偏压+,在饱和导通状态下，推荐使用的栅极正偏驱动电压须达到+15V，当最大电压不超过+20V。2） 负偏压-，可以使得在整个关断过程中维持一个足够大的反向栅极电流，进而缩短拖尾时间。它的推荐值为-5-15V。3） 栅极电阻，IGBT的开通与关断是通过栅极电路的充放电来实现的，它的取值对IGBT的主要特性产生极大地影响。较大的栅极电阻延长了IGBT的开通与关断时间，同时也增加了开关损耗；若栅极电阻过小，虽然可以缩短开关时间，但是使得IGBT得开通dr/dt变大，有可能引起IGBT的误导通。在设计时，一般可以参考IGBT应用手册给出的栅极电阻的推荐值灵活选取。栅极电阻的范围为1400，IGBT容量越大，栅极电阻值应该越小。2.10牵引变流器过流、过压与温度保护电路.要求能够对接触器故障、模块过热、电机超温、原边电压过欠压、变流器冷却水压水温、变压器冷却油温进行软件级保护，以保证整体电气系统工作在稳定可靠的环境中。表2.3保护参数参数动作值动作备注网压1s分主断原边欠压主断合上0.6s内网压31.5kv,时间40s分主断原边过压网压32kv分主断原边过压网压17.5kV31 kV正常工作参数动作值动作备注原边电流和回流电流的差值Idiff50A，时间2.0s分主断原边接地原边电流I430A，时间2.5s分主断(延时0.5s动作)原边过流回流电流I850A（冲击电流）分主断原边过流原边电流当主断命令发出0.5s后，I30A降弓主断路器故障参数动作值动作备注主变油温Toil -41分主断Toil -40（复位）8287封锁主变流器Toil 77（复位）Toil 92分主断-40 Toil 82 正常工作第三章 TGA9型牵引变流器的使用维护3.1 牵引变流柜故障牵引变流柜的故障主要有以下几个方面：一是整流，逆变模块炸损(约占变流系统故障率10)；二是T