動車組傳動與控制作業(yè)答案(第5章)

1、動車組傳動與控制參考答案作業(yè)三(5章)一、名詞解釋：1.電流型牽引變流器：交-直-交流傳動系統(tǒng)中，牽引變流器由網(wǎng)側(cè)整流器、直流中間環(huán)節(jié)、電動機(jī)側(cè)逆變器及控制裝置組成。根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)濾波元件的不同，牽引變流器可分為電壓型和電流型兩種。電流型牽引變流器直流中間環(huán)節(jié)的儲能器采用電感，相當(dāng)于恒流源，向逆變器輸出的是恒定的直流電流。2.電壓型牽引變流器：交-直-交流傳動系統(tǒng)中，牽引變流器由網(wǎng)側(cè)整流器、直流中間環(huán)節(jié)、電動機(jī)側(cè)逆變器及控制裝置組成。根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)濾波元件的不同，牽引變流器可分為電壓型和電流型兩種。電壓型變流器直流中間環(huán)節(jié)的儲能器采用電容器，向逆變器輸出的是恒定的直流電壓，相當(dāng)于電壓源。3

2、.兩電平式逆變器：逆變器將直流轉(zhuǎn)換為交流。兩電平式逆變器，把直流中間環(huán)節(jié)的正極電位或負(fù)極電位接到電動機(jī)上，即逆變器的輸出相電壓為兩種電平。4.三電平式逆變器：逆變器將直流轉(zhuǎn)換為交流。三電平式逆變器，除了把直流中間環(huán)節(jié)的正極或負(fù)極電位送到電動機(jī)上去以外，還可以把直流中間環(huán)節(jié)的中點(diǎn)電位送到電動機(jī)上去，即輸出相電壓為三種電平。二、簡答題：1.簡述牽引變流器的類型及特點(diǎn)。答：牽引變流器是交流傳動系統(tǒng)的核心部件，交-直-交流傳動系統(tǒng)中，牽引變流器由網(wǎng)側(cè)整流器、直流中間環(huán)節(jié)、電動機(jī)側(cè)逆變器及控制裝置組成。牽引變流器根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)濾波元件的不同，可分為電壓型和電流型兩種。電壓型變流器直流中間環(huán)節(jié)的儲能器采

3、用電容器，向逆變器輸出的是恒定的直流電壓，相當(dāng)于電壓源；電流型變流器直流中間環(huán)節(jié)的儲能器采用電感，相當(dāng)于恒流源，向逆變器輸出的是恒定的直流電流?，F(xiàn)代軌道列車交流傳動領(lǐng)域大多都采用電壓型變流器。根據(jù)逆變器輸出交流側(cè)相電壓的可能取值情況，將電壓型逆變器分為兩電平式和三電平式。兩電平式逆變器，可以把直流中間環(huán)節(jié)的正極電位或負(fù)極電位接到電動機(jī)上去；三電平式逆變器，除了把直流中間環(huán)節(jié)的正極或負(fù)極電位送到電動機(jī)上去以外，還可以把直流中間環(huán)節(jié)的中點(diǎn)電位送到電動機(jī)上去，含有較少的諧波，其輸出波形得到了改善，但需要更多的器件。在交流傳動領(lǐng)域，當(dāng)中間電路直流電壓U2.72.8 KV時，主電路中變流器通常采用兩電平

4、式電路；當(dāng)U3KV時，宜采用三電平式電路結(jié)構(gòu)。2.簡述電壓型四象限脈沖整流器的基本工作原理。答：圖1為忽略變壓器牽引繞組電阻RN的脈沖整流器簡化的等效電路。變壓器牽引繞組的輸出電壓為uN 、漏電感為LN 圖1 脈沖整流器的簡化等效電路脈沖整流器的電壓矢量平衡方程為：式中 UN為二次側(cè)牽引繞組電壓相量；IN為二次側(cè)牽引繞組電流的基波相量；Uab為調(diào)制電壓的基波相量。當(dāng)UN一定時，IN的幅值和相位僅由Uab的幅值及其與UN的相位差來決定。改變基波相量Uab的幅值和相位，就可以使IN與UN同相位或反相位。在牽引工況下，IN與UN的相位差為0，該工況下的相量圖如圖2（a）所示，此時Uab滯后UN；而對

5、于再生制動工況， IN與UN的相位差為180，該工況下的相量圖如圖2（b）所示，此時Uab超前UN，電機(jī)通過脈沖整流器向接觸網(wǎng)反饋能量。圖2 脈沖整流器簡化基波相量圖由四象限脈沖整流器等效電路及相量圖,有：式中 k變壓器短路阻抗電壓的標(biāo)幺值，牽引變壓器一般取0.30.35；M整流器的調(diào)制度，一般取M=0.80.9； Ud直流側(cè)輸出電壓。由上式計算可得到 由此可見，Ud與UN成正比關(guān)系，與整流器的調(diào)制度M成反比關(guān)系。3.簡述兩電平脈沖整流器PWM控制原理。答：兩電平脈沖整流器采用SPWM調(diào)制。理想電子開關(guān)的狀態(tài)選擇，通過PWM過程中調(diào)制波與載波間的相互關(guān)系產(chǎn)生，在調(diào)制波與載波交點(diǎn)時刻控制電路中開

6、關(guān)元件的通斷，按照A、B兩端分別產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)值。A、B兩端的調(diào)制信號相位相反，而載波信號相位相同，也可共用一個載波信號。調(diào)制方式如圖所示。 兩電平PWM信號調(diào)制方式當(dāng)A端調(diào)制波urAuc，電子開關(guān)SA=l，否則SA=0。當(dāng)B端調(diào)制波urBuc，電子開關(guān)SB=1，否則SB=0。4.簡述電壓型四象限脈沖整流器的特征。答：脈沖整流器是利用電抗器的儲能，達(dá)到整流、升壓、穩(wěn)壓的目的，四象限脈沖整流器能夠達(dá)到網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，并能實現(xiàn)電能的反饋。四象限脈沖整流器能夠執(zhí)行脈寬調(diào)制和能量變換，即整流或反饋兩方面的功能。這種整流器能夠在輸入電壓和電流平面所在的四個象限中工作。作為電力牽引用的變流器，相應(yīng)

7、能夠?qū)崿F(xiàn)牽引、制動狀態(tài)下前進(jìn)、后退四種工況。四象限脈沖整流器的突出優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高，可達(dá)到1，等效諧波干擾電流小。5.簡述牽引變流器中間直流儲能環(huán)節(jié)的作用和組成。答：在交直交流變流器中，中間直流儲能環(huán)節(jié)是連接四象限脈沖整流器和負(fù)載端逆變器之間的紐帶。它不僅起到穩(wěn)定中間環(huán)節(jié)直流電壓的作用，而且還承擔(dān)著與前后兩級變流器進(jìn)行無功功率交換和諧波功率交換的作用。電壓型脈沖四象限變流器中間直流環(huán)節(jié)由兩個部分組成：一個是相應(yīng)于2倍電網(wǎng)頻率的串聯(lián)諧振電路（也可以取消），另一個是濾波電容器（支撐電容器）和過電壓限制電路。6.簡述動車組牽引控制系統(tǒng)的主要控制目標(biāo)。答：動車組牽引控制系統(tǒng)的主要控制目標(biāo)是：（1）

8、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1，電流畸變小；（2）在網(wǎng)壓波動時中間直流電壓保持恒定；（3）在負(fù)載或供電電壓波動時具有快速響應(yīng)的動態(tài)性能，保持良好的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行能力；（4）啟動平穩(wěn)，諧波轉(zhuǎn)矩小，啟動力矩恒定；（5）在寬廣的速度范圍內(nèi)實現(xiàn)恒功率控制。目前動車組牽引控制常采用的控制策略有脈沖整流器瞬態(tài)直接電流控制；牽引逆變器異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)磁場定向矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。7.簡述CRH1型動車組牽引傳動系統(tǒng)主電路的組成、各組成部分所包括的主要設(shè)備。答：CRH1型動車組牽引傳動系統(tǒng)主電路主要由高壓系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)電路構(gòu)成，此外CRH1型主電路還包括輔助供電系統(tǒng)。高壓系統(tǒng)：包括受電弓、主斷路器、主變壓器初級繞組、電流互

9、感器、電壓互感器、避雷器、接地開關(guān)、網(wǎng)側(cè)濾波器、受電弓切斷開關(guān)等部件。牽引系統(tǒng)：從主變壓器次級繞組開始，包括網(wǎng)側(cè)變流器LCM、電機(jī)變流器MCM、濾波器箱、牽引電動機(jī)等。輔助供電系統(tǒng)：包括輔助變流器、三相濾波器、三相變壓器等和蓄電池系統(tǒng)。圖1 CRH1型動車組主電路圖8.簡要分析CRH2型動車組輔助供電系統(tǒng)。答：CRH2型動車組的輔助供電系統(tǒng)由牽引變壓器輔助繞組、輔助電源裝置、蓄電池、輔助及控制用電設(shè)備、地面電源等幾部分組成。輔助電源裝置由輔助電源箱（Auxiliary Power Unit，簡稱APU）和輔助整流箱（Auxiliary Rectifier，簡稱ARf）兩部分組成。其中輔助及控制

10、用電設(shè)備包括各種交流及直流用電設(shè)備。CRH2型的輔助供電系統(tǒng)從牽引變壓器輔助繞組獲取單相交流電，由輔助變流器經(jīng)交-直-交變換后輸出三相AC400 V的交流電，通過交流濾波器濾波后為三相交流輔助電源母線供電并通過三相交流輔助電源母線分配給不同負(fù)載。通過接至交流輔助電源母線的變壓器獲得單相AC100V、AC220 V電壓。通過整流變壓器和整流器獲得DC110V電源，為直流用電設(shè)備和蓄電池供電。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示CRH2型的輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖三、綜合分析題：試分析CRH2型動車組牽引傳動系統(tǒng)的特點(diǎn)。CRH2型動車組牽引傳動系統(tǒng)采用交流傳動，在牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機(jī)、控制策略等方面有如下特

11、點(diǎn)：（1）牽引變壓器采用殼式結(jié)構(gòu)、車體下吊掛安裝、油循環(huán)強(qiáng)迫風(fēng)冷，原邊采用兩組并聯(lián)結(jié)構(gòu)的繞組，從而增加了每相牽引繞組的容量；牽引繞組為兩個獨(dú)立線圈，確保牽引繞組的高電抗、弱耦合性。（2）牽引變流器主電路采用兩主管串聯(lián)與中點(diǎn)帶箝位二極管的方案，功率開關(guān)器件采用IPM智能功率模塊或IBGT模塊。其中IPM是將芯片、驅(qū)動電路、保護(hù)電路等封裝在一個模塊內(nèi)的新型電力電子器件，是IGBT集成化、智能化的一種應(yīng)用方式。除具有IGBT的優(yōu)點(diǎn)外，驅(qū)動功率小，吸收回路簡單，器件模塊本身具有檢測和自保護(hù)功能，可以采用多個并聯(lián)以增大電流容量。（3）脈沖整流器采用單相三點(diǎn)式PWM脈沖整流器，具有以下優(yōu)點(diǎn)：每一個功率器件

12、所承受的關(guān)斷電壓僅為直流側(cè)母線電壓的一半，在相同的情況下，直流母線電壓可以提高一倍，容量也提高一倍；在同樣的開關(guān)頻率及控制方式下，輸出電壓或電流的諧波大大小于兩點(diǎn)式變流器，其總的諧波失真THD也遠(yuǎn)小于兩點(diǎn)式變流器；即使在開關(guān)頻率很低時，其輸入側(cè)的電流波形也能保證一定的正弦度。從而減小對通信系統(tǒng)的諧波干擾。（4）牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)不設(shè)二次諧波濾波裝置，減輕了牽引變流器質(zhì)量。（5）逆變器采用三點(diǎn)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與二點(diǎn)式逆變器相比，端電壓波形包含較少的諧波分量。在一個周期內(nèi)，兩點(diǎn)式逆變器電路只有7種狀態(tài)，而三點(diǎn)式有19種，有利于減小相鄰電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時引起的電壓和電流波動，從而有利于降低損耗，提高電動機(jī)效率，減少脈動轉(zhuǎn)矩。（6）牽引電機(jī)具有良好的牽引特性，可以實現(xiàn)寬范圍的平滑調(diào)速，使動車組啟動時發(fā)出較大的啟動轉(zhuǎn)矩；異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，同直流電機(jī)比較，沒有因換向引起的電氣