4CRH3型動(dòng)車組變流器系統(tǒng)分析

4 CRH3型動(dòng)車組變流器系統(tǒng)分析CRH3器設(shè)計(jì)成車下牽引箱，易于運(yùn)用和檢修的模塊化結(jié)(4QC)，2個(gè)4QC并聯(lián)為一個(gè)共同的直流環(huán)節(jié)供電，中間電容個(gè)PWM要求的變壓變頻三相電源驅(qū)動(dòng)4個(gè)并聯(lián)的異步牽引電，再由四相限整流器回饋電網(wǎng)。4.1牽引變流器主電路構(gòu)造2電平式電路，由脈沖整流器、中間直流電路、逆變器構(gòu)成。變壓器牽引繞組AC1550V、50Hz溝通電輸入脈沖整流2PWMIGBT元件，實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓2600V～3000V定壓掌握、牽引變壓器原邊電壓、電流、功率因數(shù)的掌握，以及無接點(diǎn)掌握裝置保護(hù)。再生制動(dòng)時(shí)，脈沖整流器接收濾波電容器輸出的直流3000V電壓，入逆變器，依據(jù)IGBT掌握信號，輸出變頻變壓的三相溝通電，對4臺并聯(lián)的牽引電機(jī)進(jìn)展轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩掌握。再生制動(dòng)時(shí)逆變器掌握在功能上按正向程序轉(zhuǎn)換，接轉(zhuǎn)矩掌握方式，使轉(zhuǎn)矩掌握反響高速化，提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。84M+4T(M為動(dòng)力車廂，T為拖車車廂)1個(gè)根本動(dòng)力單元。每個(gè)動(dòng)力單元具有獨(dú)立的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)。受電弓受電弓真空斷路器牽引變流器牽引變流器濾波電容器牽引電機(jī)濾波電容器逆變器脈沖整流器脈沖整流器牽引電機(jī)逆變器X4X4牽引變壓器圖4.1 CRH3型動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)CRH34.14個(gè)完全一樣且相互獨(dú)立的動(dòng)力單元，每個(gè)獨(dú)立的動(dòng)力單元都一樣，其電路如圖4.2所示。1臺主變壓器、2臺牽引變流器和8臺牽引電機(jī)等組成。牽引變壓器原邊額定電壓為單相溝通25kV/50Hz1550V/50Hz。牽引變流器的輸入側(cè)的整流器為四象限脈沖整流器(4QC)4QCDC連接供電，并產(chǎn)生脈沖DCPWMDC連接電壓轉(zhuǎn)換成牽引系統(tǒng)所4個(gè)并聯(lián)的異步牽引電機(jī)。主電路的工作過程：受電弓從接觸網(wǎng)接收AC25KV的溝通電，然后通過纜將電能輸送到裝在TC02車下的牽引變壓器變壓的電壓，并通過車輛間的連接線到設(shè)在動(dòng)車車下的變流器單元。變流器單元內(nèi)部的四象限整流器將 1550V的溝通電整流為電壓中間直流電壓通過PWM變頻單元向牽引電機(jī)供給變壓變頻的三相溝通電源其中限壓電阻接在中間直流電路的兩極防止過高電壓，關(guān)心變流器的輸入也取自中間直流環(huán)節(jié)。牽引電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)裝置、限壓電阻、高壓電器等圖4.2 CRH3根本動(dòng)力單元原理圖變流器的組成局部及工作原理CRH3CRH3動(dòng)車組的牽引過程時(shí)，它作為整流器，將來自主變壓器的1550V左右的單相溝通電轉(zhuǎn)化為2600V的直流CRH32600V的直流電轉(zhuǎn)化1550V作用的溝通電。它可以便利的運(yùn)行與電壓電流平面的四個(gè)象限，因此叫做四象限脈沖整流器。四象限脈沖整流器單相兩電平脈沖整流器工作原理：電感和電阻，開關(guān)管T、T、T1 2 3

、TL4

和C為二次濾波2Cd

為中間直流側(cè)濾波電容。其簡化的等效電路圖如圖4.3所示。4.3單相兩電平脈沖整流器主電路圖SA所示。

SB

〔4-1〕〔4-2〕1T導(dǎo)通 1T導(dǎo)通S =

〔4-1〕 S =

〔4-2〕A 0T導(dǎo)通2

B 0T導(dǎo)通44.1所示的兩電平脈沖整流器4.4所示的電路。4.4單相兩電平脈沖整流器開關(guān)等效電路圖LIN N RNLUAC N UabU圖4.5脈沖整流器簡化主電路圖4.5。很簡潔寫出脈沖整流器的電壓矢量平衡方程為:U =UN ab

+jwLIN N

〔4-3〕UU

:二次側(cè)牽引繞組電壓相量IN :調(diào)制電壓的基波相量ab

:二次側(cè)牽引繞組電流的基波相量當(dāng)二次側(cè)牽引繞組電壓UN

IN

的幅值和相位僅由Uab

的幅值及其與U 的相位差來打算。轉(zhuǎn)變基波的幅值和相位，就可以使U 與IN ab

同相位或反相位。在牽引狀態(tài)下，UN

與I 的相位差為0，該狀態(tài)下的相量圖如圖4.4.1所示，N此時(shí)Uab

滯后UN

此時(shí)脈沖整流器向直流側(cè)輸送電能;在制動(dòng)狀態(tài)下UN

與I 的相N1804.4.2所示，此時(shí)Uab脈沖整流器向接觸網(wǎng)反響能量。

超前UN

，電機(jī)通過NNθNNθNNθNNθUN INRN UabIRNNUab UNININ4.4.1牽引工況相量圖 4.4.2制開工況相量圖圖4.4單位功率因數(shù)脈沖整流器相量圖Si

(i=A,B)與S”i

必需滿足S”i

=1-S。于iab

的取值有Ud

,0, Ud

4SSA B

=00,01,10,11四種規(guī)律組合，則調(diào)制電壓Uab

可表示為:U S一S)Uab A B d

〔4-4〕依據(jù)抱負(fù)開關(guān)的開閉狀態(tài)，脈沖整流器共有3中工作模式:模式1: SA

S=00/11B時(shí)U =0，由支撐電容電容C向負(fù)載供電，牽引變壓器二次繞組端電壓U 直接ab d NLN

LN

uN

>0時(shí)，D與T1

D4

與T導(dǎo)2iN

LN

uN

3

與TD1 2與T導(dǎo)通，電源電流i 下降，漏電感L 開頭釋放能量，回饋給電源。4 N N模式2: SA

S=014.5(a)所示，此時(shí)UB

= Ud

T、1T同時(shí)關(guān)斷，由T、TD4 2 3

、D導(dǎo)通形成回路。當(dāng)u3

>0時(shí)，電源電流iN

上升，N

儲(chǔ)存能量；當(dāng)uN

<0時(shí)，電源電流i 下NLN

釋放開頭能量，供給直流環(huán)節(jié)〔負(fù)載〕并同時(shí)回饋給電源。模式3: SA

S=10，其等效電路如圖4.5(b)所示，此時(shí)U =U ,T 、TB ab d 2 3DD1 4

或T、T1

導(dǎo)通形成回路。當(dāng)uN

>0時(shí)，電源電流iN

下降，uN

<0時(shí)，電源電流iN

器工作在逆變狀態(tài)。LL NNiNAC uN

iN CC dLd RLRL AC uN圖4.5不同開關(guān)模式下的等效電路圖處一樣性質(zhì)的元件導(dǎo)通時(shí)，工作在能量傳遞狀態(tài)。假設(shè)T-T1 4

或TT2

導(dǎo)通，工作在DD1 4

DD2

態(tài)，由電源向負(fù)載〔直流環(huán)節(jié)〕輸送能量。PWM掌握原理PWM過程中調(diào)制波與載波間的相互關(guān)系產(chǎn)生a、b、b4.6所示4.6兩電平脈沖整流器PWM調(diào)制示意圖當(dāng)uu當(dāng)uu

,電子開關(guān)S,電子開關(guān)S

=1，否則S =0A A=1，否則S =0c B B電壓型四象限脈沖整流器的掌握方法四象限脈沖整流器的常用掌握策略有:間接電流掌握、滯環(huán)直接電流掌握、和電壓相量掌握兩種方法，在CRH3動(dòng)車組中，承受瞬態(tài)直接電流掌握策略。瞬4.7所示。它主要由電壓、電流傳感器，電壓、電流調(diào)整器，比較器，函數(shù)發(fā)生器，運(yùn)算器和SPWM掌握器等組成。4.7兩電平脈沖整流器瞬態(tài)直接電流掌握框圖快等優(yōu)點(diǎn)。瞬態(tài)直接電流掌握的根本思想：為到達(dá)使中間直流環(huán)節(jié)電壓恒定掌握的目Ud

與給定值U*Ud

<U*時(shí)U>0,PIdI*N

增加，使脈沖整流器的輸入電流增加，到達(dá)增加Ud

的目的。當(dāng)U >U*時(shí)，調(diào)整過程則反之。d d中間支撐電容Cd

的主要作用：一是與脈沖整流器、逆變器交換無功電容Cd

的大小，其容量可以依據(jù)中間直流環(huán)節(jié)所允許的電壓脈動(dòng)量打算，電容容量越大則脈動(dòng)電壓越小;而電機(jī)的負(fù)荷越大，則電壓脈動(dòng)就越大。從儲(chǔ)能效果動(dòng)身,即穩(wěn)定中間直流電壓的力量方面來看,支撐電容器電容值取得越大越好,,,此外,支撐電容器盲目增大,,增加了故障時(shí)的破壞力,降低了設(shè)備的安全性。因此,為使系統(tǒng)到達(dá)最優(yōu)的性價(jià)比,支撐電容器電容值的選擇成了變流器設(shè)計(jì)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。支撐電容器的主要技術(shù)參數(shù)：支撐電容器主要技術(shù)參數(shù)包括直流額定電壓、額定電流、電容值、等效串聯(lián)電感值、耐壓、工作溫度,支撐電容器的工作電壓為變流器直流電路的工作電壓,因此設(shè)計(jì)選型時(shí)額定工;耐壓與工作溫度可由牽引變流器系統(tǒng)應(yīng)用條件確定;電感值由電容器本身的構(gòu)造打算,設(shè)計(jì)選型時(shí)只需確定該兩項(xiàng)參數(shù)能滿足使用要求即可。因此,對支撐電容器的選型而言,重點(diǎn)是確定支撐電容器的額定工作電流與電容值。兩電平式牽引逆變器CRH3電供給牽引電機(jī)，同時(shí)通過調(diào)整三相輸出電壓波形掌握牽引電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)式等拓?fù)錁?gòu)造。CRH3動(dòng)車組承受兩電平電壓型逆變器。兩電平式牽引逆變器構(gòu)造與工作原理4.83個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂2時(shí)導(dǎo)通，所以開關(guān)狀態(tài)共有23=8種組合。4.8兩電平逆變器主電路圖3個(gè)抱負(fù)開關(guān)函數(shù)如下：1T導(dǎo)通 1T導(dǎo)通 1T導(dǎo)通S = 1 〔4-5〕 S = 3 〔4-6〕 S = 5

〔4-7〕A 0T導(dǎo)通

B 0T導(dǎo)通

C 0T導(dǎo)通4 6 2逆變器承受抱負(fù)開關(guān)等效，牽引電機(jī)承受感抗等效，且假設(shè)Z =Z =Z ,則A B C圖4.8所示的兩電平逆變器主電路圖可等效為圖4.9所示的電路。明顯，由S 、AS 、S 所組成的電路共有8種組合狀態(tài)，對應(yīng)主電路有8種工作模式。表示為B C電壓矢量分別為:V0

(000),V1

(001)V2V3V4V5

、V (110)、V6

(111)4.10所示。4.9兩電平牽引逆變器開關(guān)等效圖圖4.10兩電平逆變器空間電壓矢量其開關(guān)狀態(tài)及相應(yīng)的工作模式分析：0：開關(guān)管T、T、T2 4 6

T、T、T1 3

關(guān)斷；其a、bc端相電壓分別為u =0，u =0，u =0；相應(yīng)的線電壓分別為u =0，aN bN cN abu =0u =0；與該工作模式對應(yīng)的電壓空間矢量為Vbc ca 01：開關(guān)管T、T4 5

、TT、T、T6 1 2

關(guān)斷；其a、b、c端相電壓分別為u =U 3，u =U 3，u 3；相應(yīng)的aN d bN d cN d線電壓分別為u =0，u =U ，u =U ；與該工作模式對應(yīng)的電壓空ab bc d ca d間矢量為V52：開關(guān)管T、T2 3

、TT、T4 1

、Ta、6b、c端相電壓分別為u =U 3，u 3，u =U 3；相應(yīng)的aN d bN d cN d線電壓分別為u =U ，u =U ，u =0；與該工作模式對應(yīng)的電壓空ab d bc d ca間矢量為V3工作模式3：開關(guān)管T3

、T、T4

T、T、T1 2

關(guān)斷；其a、b、c端相電壓分別為u 3，u =U 3，u =U 3；相應(yīng)的線aN d bN d cN d電壓分別為u =U ，u =0，u =U ；與該工作模式對應(yīng)的電壓空間ab d bc ca d矢量為V44：開關(guān)管T、T、T1 2 6

T3

、T、T4

關(guān)斷；其a、b、c端相電壓分別為u 3，u =U 3，u =U 3；相應(yīng)的aN d bN d cN d線電壓分別為u =U ，u =0，u =U ；與該工作模式對應(yīng)的電壓空ab d bc ca d間矢量為V15：開關(guān)管T、T1 5

、T導(dǎo)通，T、T6 2

、T、關(guān)斷；其a、4b、c端相電壓分別為uaN=Ud 3，ubN=2Ud 3，ucN=Ud 3；相應(yīng)的線電壓分別為uab=Ud，ubc=Ud，uca=0；與該工作模式對應(yīng)的電壓空間矢量為V66：開關(guān)管T、T、T1 2 3

T、T4

、Ta、6b、c端相電壓分別為u =U 3，u =U 3，u =2U 3；相應(yīng)的線aN d bN d cN d電壓分別為u =0，u =U ，u =U ；與該工作模式對應(yīng)的電壓空間ab bc d ca d矢量為V27：開關(guān)管T、T、T1 3 5

T2

、T、T4

a、bc端相電壓分別為u =0，u =0，u =0；相應(yīng)的線電壓分別為u =0，aN bN cN abu =0，ubc

=0；與該工作模式對應(yīng)的電壓空間矢量為V7兩電平牽引逆變器掌握方式步調(diào)制及方波掌握四種調(diào)制方式。由此產(chǎn)生掌握IGBTPWM脈沖。由于文重點(diǎn)對牽引逆變器的PWM掌握方式做一爭論。所謂PWM掌握技術(shù)，就是利變頻、調(diào)壓和消退諧波等目的的一種掌握方法。四種掌握方法的分析異步調(diào)制方式：在實(shí)行SPWM脈寬調(diào)制時(shí)，在一個(gè)調(diào)制信號周期內(nèi)所包含的三角載波的個(gè)數(shù)稱為載波頻率比N(亦即載波比)。載波比N=載波頻率/N為常數(shù)，載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式為同調(diào)制。能夠正常工作，通常承受異步調(diào)制方式，3的整數(shù)倍。由于當(dāng)載波比180開關(guān)有可能承受不住。分段同步調(diào)制方式：為了揚(yáng)長避短，可將同步調(diào)至和異步調(diào)制結(jié)合起N不同，在段內(nèi)則維持載波N的穩(wěn)定，則可以解決開關(guān)無法承受或者噪音干擾大的問題。當(dāng)逆變器輸出可以漸漸減小載波比。方波調(diào)制方式：即通過單脈沖方式掌握，在輸出溝通量的每半個(gè)周期效值由脈沖持續(xù)時(shí)間打算。3逆變技術(shù)的進(jìn)展趨勢逆變技術(shù)的原理早在19311948年美國西屋電氣公司研制出第一臺3KHz