動(dòng)車(chē)組傳動(dòng)與控制作業(yè)答案(第5章)

1、動(dòng)車(chē)組傳動(dòng)與控制參考答案作業(yè)三(5章)一、名詞解釋?zhuān)?.電流型牽引變流器：交-直-交流傳動(dòng)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(dòng)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)上去，即輸出相電壓為三種電平。二、簡(jiǎn)答題：1.簡(jiǎn)述牽引變流器的類(lèi)型及特點(diǎn)。答：牽引變流器是交流傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，交-直-交流傳動(dòng)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(dòng)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(chǔ)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(chǔ)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。現(xiàn)代軌道列車(chē)交流傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)領(lǐng)域，當(dāng)中間電路直流電壓U2.72.8 KV時(shí)，主電路中變流器通常采用兩電平

4、式電路；當(dāng)U3KV時(shí)，宜采用三電平式電路結(jié)構(gòu)。2.簡(jiǎn)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(jiǎn)化的等效電路。變壓器牽引繞組的輸出電壓為uN 、漏電感為L(zhǎng)N 圖1 脈沖整流器的簡(jiǎn)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(shí)，IN的幅值和相位僅由Uab的幅值及其與UN的相位差來(lái)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(shí)Uab滯后UN；而對(duì)

5、于再生制動(dòng)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(shí)Uab超前UN，電機(jī)通過(guò)脈沖整流器向接觸網(wǎng)反饋能量。圖2 脈沖整流器簡(jiǎn)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(jì)算可得到 由此可見(jiàn)，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(jiǎn)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(kāi)關(guān)的狀態(tài)選擇，通過(guò)PWM過(guò)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(shí)刻控制電路中開(kāi)

6、關(guān)元件的通斷，按照A、B兩端分別產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)值。A、B兩端的調(diào)制信號(hào)相位相反，而載波信號(hào)相位相同，也可共用一個(gè)載波信號(hào)。調(diào)制方式如圖所示。 兩電平PWM信號(hào)調(diào)制方式當(dāng)A端調(diào)制波urAuc，電子開(kāi)關(guān)SA=l，否則SA=0。當(dāng)B端調(diào)制波urBuc，電子開(kāi)關(guān)SB=1，否則SB=0。4.簡(jiǎn)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(chǔ)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(shí)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(gè)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(dòng)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(jiǎn)述牽引變流器中間直流儲(chǔ)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(chǔ)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(jí)變流器進(jìn)行無(wú)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(gè)部分組成：一個(gè)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(gè)是濾波電容器（支撐電容器）和過(guò)電壓限制電路。6.簡(jiǎn)述動(dòng)車(chē)組牽引控制系統(tǒng)的主要控制目標(biāo)。答：動(dòng)車(chē)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??；（2）在網(wǎng)壓波動(dòng)時(shí)中間直流電壓保持恒定；（3）在負(fù)載或供電電壓波動(dòng)時(shí)具有快速響應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能，保持良好的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行能力；（4）啟動(dòng)平穩(wěn)，諧波轉(zhuǎn)矩小，啟動(dòng)力矩恒定；（5）在寬廣的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒功率控制。目前動(dòng)車(chē)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(dòng)系統(tǒng)磁場(chǎng)定向矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。7.簡(jiǎn)述CRH1型動(dòng)車(chē)組牽引傳動(dòng)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(dòng)車(chē)組牽引傳動(dòng)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(jí)繞組、電流互

9、感器、電壓互感器、避雷器、接地開(kāi)關(guān)、網(wǎng)側(cè)濾波器、受電弓切斷開(kāi)關(guān)等部件。牽引系統(tǒng)：從主變壓器次級(jí)繞組開(kāi)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(dòng)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(dòng)車(chē)組主電路圖8.簡(jiǎn)要分析CRH2型動(dòng)車(chē)組輔助供電系統(tǒng)。答：CRH2型動(dòng)車(chē)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(jiǎn)稱(chēng)APU）和輔助整流箱（Auxiliary Rectifier，簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)交流濾波器濾波后為三相交流輔助電源母線供電并通過(guò)三相交流輔助電源母線分配給不同負(fù)載。通過(guò)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(guò)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(dòng)車(chē)組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)。CRH2型動(dòng)車(chē)組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)采用交流傳動(dòng)，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(chē)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(gè)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(kāi)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(dòng)電路、保護(hù)電路等封裝在一個(gè)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(dòng)功率小，吸收回路簡(jiǎn)單，器件模塊本身具有檢測(cè)和自保護(hù)功能，可以采用多個(gè)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(gè)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(kāi)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(kāi)關(guān)頻率很低時(shí)，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(duì)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(gè)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(shí)引起的電壓和電流波動(dòng)，從而有利于降低損耗，提高電動(dòng)機(jī)效率，減少脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。（6）牽引電機(jī)具有良好的牽引特性，可以實(shí)現(xiàn)寬范圍的平滑調(diào)速，使動(dòng)車(chē)組啟動(dòng)時(shí)發(fā)出較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，同直流電機(jī)比較，沒(méi)有因換向引起的電氣