項(xiàng)目二 城軌車輛主傳動(dòng)系統(tǒng)【拓展任務(wù)】

城市軌道交通車輛電氣控制機(jī)械工業(yè)出版社同名教材

配套電子課件制作：華平唐春林常玉華E-mail：zzhprose@126.com

項(xiàng)

目

二城市軌道交通車輛牽引傳動(dòng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.項(xiàng)目導(dǎo)入2.

學(xué)習(xí)

任務(wù)3.拓

展

任務(wù)4.

任務(wù)1直流主傳動(dòng)控制

任務(wù)3直線電機(jī)主傳動(dòng)控制

任務(wù)2交流主傳動(dòng)控制

任務(wù)4單軌牽引傳動(dòng)系統(tǒng)

任務(wù)1常用電力電子器件類型、原理與應(yīng)用

任務(wù)2電流電壓變換電路

任務(wù)3軌道交通車輛電磁兼容學(xué)習(xí)目標(biāo)1．掌握牽引傳動(dòng)控制的類型；2．掌握電氣制動(dòng)的類型；3．掌握直流、交流傳動(dòng)的控制原理；4．能正確分析牽引和電制動(dòng)電路；5．能正確分析高壓回路電路；6．掌握主傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的保護(hù)方式；7．了解城軌車輛使用的電力電子器件類型、工作原理和應(yīng)用；8．了解城軌車輛整流、斬波和逆變電路工作原理和應(yīng)用；掌握單軌牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成及主要電氣結(jié)構(gòu)作用；了解城匭車輛的電磁兼容技術(shù)應(yīng)用。項(xiàng)目導(dǎo)入：項(xiàng)目內(nèi)容：

主要介紹城軌交通車輛各種牽引傳動(dòng)系統(tǒng)組成及控制原理。全面介紹了主傳動(dòng)設(shè)備——直流牽引電動(dòng)機(jī)、三相異步牽引電機(jī)和直線牽引電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及其特性。簡要介紹了單軌牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的組成特點(diǎn)及應(yīng)用案例。

詳細(xì)分析了主傳動(dòng)系統(tǒng)牽引、制動(dòng)、保護(hù)電路。

知識拓展：

介紹城軌交通車輛使用的主要電力電子器件的類型、工作原理及應(yīng)用場合，分析城軌車輛整流、斬波和逆變電路的工作原理。電力牽引控制定義：在軌道交通車輛中，用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)車輛牽引的傳動(dòng)控制方式（電傳動(dòng)系統(tǒng)）。作用：它是以牽引電機(jī)作為控制對象，通過控制系統(tǒng)對電動(dòng)機(jī)的速度和牽引力進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足車輛牽引和制動(dòng)特性的要求。類型：直流傳動(dòng)系統(tǒng)：采用直流（脈流）牽引電動(dòng)機(jī)。

交流傳動(dòng)系統(tǒng)：采用交流（同步、異步）牽引電動(dòng)機(jī)。電傳動(dòng)系統(tǒng)主電路定義：一般是指一個(gè)車輛單元的牽引動(dòng)力電路。組成：受流器、牽引箱（PA）、牽引電機(jī)、制動(dòng)電阻箱、電抗器、電氣開關(guān)等。圖2-1主牽引逆變器外形結(jié)構(gòu)任務(wù)1常用電力電子器件類型、原理與應(yīng)用（一）門極關(guān)斷晶閘管（GTO）1．GTO的結(jié)構(gòu)及工作原理：（a）GTO外形（b）GTO圖形符號與工作原理圖

圖2-65門極關(guān)斷晶閘管（GTO）外形及原理圖知識拓展

圖2-66門極關(guān)斷晶閘管（GTO）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2．GTO的驅(qū)動(dòng)電路：

理想的門極驅(qū)動(dòng)信號（電流、電壓）波形

圖2-67

GTO門極驅(qū)動(dòng)信號波形其中實(shí)線為電流波形，虛線為電壓波形。圖2-68門極驅(qū)動(dòng)電路（二）大功率晶體管GTR1．大功率晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理

（1）基本結(jié)構(gòu)圖2-69GTR結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子流動(dòng)(a)GTR結(jié)構(gòu)(b）電氣圖形符號（c）內(nèi)部載流子流動(dòng)圖2-70常見大功率三極管外形（2）工作原理在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開關(guān)狀態(tài)。晶體管通常連接成共發(fā)射極電路，NPN型GTR通常工作在正偏（Ib>0）時(shí)大電流導(dǎo)通、反偏（Ib<0）時(shí)處于截止高電壓狀態(tài)。給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅(qū)動(dòng)信號，它將工作于導(dǎo)通和截止的開關(guān)工作狀態(tài)。2．GTR的特性與主要參數(shù)

（1）GTR的基本特性：

①靜態(tài)特性圖2-71GTR共發(fā)射極接法的輸出特性截止區(qū)：Ib≤0，Ube≤0，Ubc＜0放大區(qū)：Ib＞0，Ube＞0，

Ubc＜0，

Ic=βIb飽和區(qū)：Ube＞0，Ubc＞0②動(dòng)態(tài)特性：描述GTR開關(guān)過程的瞬態(tài)性能，又稱開關(guān)特性。圖2-72開關(guān)過程中ib和ic的波形GTR在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)下?lián)p耗都很小。

在關(guān)斷和導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換過程中，電流和電壓都較大，隨意開關(guān)過程中損耗也較大。

當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗是總損耗的主要部分。（2）GTR的極限參數(shù)①最高工作電壓②集電極最大允許電流IcM

③集電極最大耗散功率PcM④最高工作結(jié)溫TJMGTR上所施加的電壓超過規(guī)定值時(shí)，就會發(fā)生擊穿。BUcbo：發(fā)射極開路時(shí)，集電極和基極間的反向擊穿電壓BUceo：基極開路時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。BUcer：實(shí)際電路中，GTR的發(fā)射極和基極之間常接有電阻R，這時(shí)用BUcer表示集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。BUces：當(dāng)R為0，即發(fā)射極和基極短路，用BUces表示其擊穿電壓。BUcex：發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。其中BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>BUceo，實(shí)際使用時(shí)，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。集電極最大耗散功率是在最高工作溫度下允許的耗散功率。它是GTR容量的重要標(biāo)志。晶體管功耗的大小主要由集電極工作電壓和工作電流的乘積來決定，它將轉(zhuǎn)化為熱能使晶體管升溫，晶體管會因溫度過高而損壞。實(shí)際使用時(shí)，集電極允許耗散功率和散熱條件與工作環(huán)境溫度有關(guān)。所以在使用中應(yīng)特別注意集電極電流IC不能過大，散熱條件要好。

通常規(guī)定共發(fā)射極電流放大系數(shù)下降到規(guī)定值的1/2～1/3時(shí)，所對應(yīng)的電流Ic為集電極最大允許電流。實(shí)際使用時(shí)還要留有較大的安全余量，一般只能用到IcM值的一半或稍多些。GTR正常工作允許的最高結(jié)溫，以TJM表示。GTR結(jié)溫過高時(shí)，會導(dǎo)致熱擊穿而燒壞。3．GTR的二次擊穿和安全工作區(qū)（1）二次擊穿問題：實(shí)踐證明：二次擊穿是影響GTR安全可靠工作的一個(gè)重要因素。擊穿原因：集電極電壓升高到一定值（未達(dá)到極限值）

時(shí)，發(fā)生雪崩效應(yīng)造成的。防止辦法：

①應(yīng)使實(shí)際使用的工作電壓比反向擊穿電壓低得多。②必須有電壓電流緩沖保護(hù)措施。（2）安全工作區(qū)：

為了防止二次擊穿，要選用功率足夠大的管子，實(shí)際使用的最高電壓通常比管子的極限電壓低很多。

圖2-73GTR安全工作區(qū)

安全工作區(qū)是在一定的溫度條件下得出的。

4．GTR的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)（1）GTR基極驅(qū)動(dòng)電路

①對基極驅(qū)動(dòng)電路的要求：

實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路間的電隔離。

在使GTR導(dǎo)通時(shí)，基極正向驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)有足夠陡的前沿，并有一定幅度的強(qiáng)制電流。GTR導(dǎo)通期間，在任何負(fù)載下，基極電流都應(yīng)使GTR處在臨界飽和狀態(tài)。

在使GTR關(guān)斷時(shí)，應(yīng)向基極提供足夠大的反向基極電流。

應(yīng)有較強(qiáng)的抗干擾能力，并有一定的保護(hù)功能。圖2-74GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形②基極驅(qū)動(dòng)電路

集成化驅(qū)動(dòng)電路克服了一般電路元件多、電路復(fù)雜、穩(wěn)定性差和使用不便的缺點(diǎn)，還增加了保護(hù)功能。圖2-75實(shí)用的GTR驅(qū)動(dòng)電路③集成化驅(qū)動(dòng)

（2）GTR保護(hù)電路：一般采用緩沖電路

（a）RC緩沖電路（b）充放電型R-C-VD緩沖電路（c）阻止放電型R-C-VD緩沖電路圖2-76GTR緩沖電路（三）功率場效應(yīng)晶體管MOSFET特征:單極型、多數(shù)載流子、“零結(jié)”、電壓可控優(yōu)點(diǎn):開關(guān)速度快、損耗低、驅(qū)動(dòng)電流小、無二次擊

穿現(xiàn)象等（與GTR相比）。缺點(diǎn):電壓還不能太高、電流容量也不能太大。實(shí)用:低壓、小功率、高頻（數(shù)百千赫）開關(guān)。1．功率MOSFET的結(jié)構(gòu)及工作原理（1）結(jié)構(gòu)圖2-77功率MOSFET結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號（a）功率MOSFET結(jié)構(gòu)（b）電氣圖形符號幾種功率場效應(yīng)晶體管的外形圖2-78幾種功率場效應(yīng)晶體管的外形（2）工作原理

當(dāng)D、S加正電壓（漏極為正，源極為負(fù)），柵源電壓UGS=0時(shí)，P體區(qū)和N漏區(qū)的PN結(jié)反偏，D、S之間無電流通過；如果在G、S之間加一正電壓UGS，柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少數(shù)載流子電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當(dāng)UGS大于某一電壓UT（稱開啟電壓或閥值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，從而使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流越大。2．功率MOSFET特性與參數(shù)

（1）功率MOSFET特性

①轉(zhuǎn)移特性

：

定義：ID和UGS的關(guān)系曲線反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系。

跨導(dǎo)：曲線的斜率。

即：

②輸出特性（漏極伏安特性）：

截止區(qū)

UGS≤UT，ID=0飽和區(qū)

UGS＞UT，UDS≥UGS-UT

非飽和區(qū)

UGS＞UT，UDS＜UGS-UT圖2-79電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性（a）轉(zhuǎn)移特性

（b)輸出特性

③開關(guān)特性圖2-80功率MOSFET的開關(guān)過程（a）MOSFET開關(guān)特性的測試電路；（b）波形（2）功率MOSFET的主要參數(shù)①漏極電壓UDS

是MOSFET的額定電壓，選用時(shí)必須留有較大安全余量。②漏極最大允許電流IDM

是MOSFET的額定電流，其大小主要受管子的溫升限制。③柵源電壓UGS

柵極與源極之間的絕緣層很薄，承受電壓很低，一般不得超過20V，

否則絕緣層可能被擊穿而損壞，使用中應(yīng)加以注意。

為安全可靠，選用MOSFET時(shí)，對電壓、電流的額定等級都應(yīng)留有較大余量。3．功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)（1）功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)

①對柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求：

向柵極提供需要的柵壓。

減小驅(qū)動(dòng)電路的輸出電阻。

主電路與控制電路需要電隔離。

具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

正負(fù)柵壓幅值應(yīng)要小于所規(guī)定的允許值。圖2-81理想的柵極控制電壓波形功率MOSFET的保護(hù)措施

①

防止靜電擊穿

②

防止偶然性振蕩損壞器件

③

防止過電壓

④

防止過電流

⑤

消除寄生晶體管和二極管的影響（四）絕緣柵雙極晶體管IGBT（a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖（b)簡化等效電路（c)電氣圖形符號圖2-83IGBT結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號2．IGBT的基本特性（1）IGBT的靜態(tài)特性

圖2-84IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性（a)轉(zhuǎn)移特性；（b)輸出特性。轉(zhuǎn)移特性為IC與UGE間的關(guān)系。輸出特性指的是IGBT的伏安特性。（2）IGBT的動(dòng)態(tài)特性

圖2-85IGBT的開關(guān)過程

3．IGBT的擎住效應(yīng)（自鎖效應(yīng)）定義：器件導(dǎo)通后其柵極不再具有控制能力。形成原因：由于NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形

體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用。車輛牽引系統(tǒng)是一個(gè)大電感，電壓和電流的沖擊很大，容易使IGBT滿足寄生晶體管開通擎住的條件，形成動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)。防止辦法：IGBT必須具有足夠的電流容量且通過合適的柵極電阻Rg延長IGBT關(guān)斷時(shí)間。4．IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要求

驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，對整個(gè)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。（1）驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻應(yīng)盡可能??；驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線應(yīng)盡可能短。（2）用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對柵極電容放電；IGBT開通后，柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能提供足夠電壓。（3）驅(qū)動(dòng)電平UGE要綜合考慮，當(dāng)UGE正向增大時(shí)，一般選15～20V；

在IGBT反向關(guān)斷時(shí)，須施加一負(fù)偏壓UGE，一般?。?～－10V。（4）需提供良好的過壓和過流保護(hù)功能。任務(wù)2電流電壓變換電路定義：將恒定直流電壓變換成為負(fù)載所需的直流電壓的變流電路.

平均負(fù)載電壓E0可用下式表示：式中

：ton為導(dǎo)通時(shí)間，toff為關(guān)斷時(shí)間，T(=ton+toff)為斬波周期，α(＝)為斬波器的導(dǎo)通比圖2-86斬波器的調(diào)壓原理（2-25）1．?dāng)夭ㄆ鞯恼{(diào)壓原理（一）直流斬波電路：知識拓展導(dǎo)通比控制定義：只要調(diào)節(jié)α，即可調(diào)節(jié)負(fù)載的平均電壓。

實(shí)現(xiàn)方法：（1）脈寬調(diào)制：保持?jǐn)夭l率?不變，只改變導(dǎo)通時(shí)間ton

。簡稱定

頻調(diào)寬。（2）頻率調(diào)制：改變斬波周期T，同時(shí)保持(α)導(dǎo)通時(shí)間ton

或者關(guān)斷時(shí)間toff不變。簡稱定寬調(diào)頻。

（3）脈寬和頻率綜合調(diào)制：按照某種規(guī)律同時(shí)改變導(dǎo)通時(shí)間ton和斬波周期T。通常是分段地改變斬波周期T，而連續(xù)地控制ton

。

對于斬波器傳動(dòng)，脈寬調(diào)制是優(yōu)先選用的一種方法。降壓斬波器、升壓斬波器降壓斬波器：

斬波器電路結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的輸出電壓低于輸入電壓(即E0<E)。升壓斬波器：

改變斬波器的電路結(jié)構(gòu)，即能提供較高的負(fù)載電壓(即E0>E)。圖2-87升壓斬波器把電能從下降中的電動(dòng)機(jī)電壓E回饋到固定的電源電壓E0

中去忽略電源電流的脈動(dòng)：斬波器導(dǎo)通期間由電源輸入到電感器的電能為

斬波器關(guān)斷期間，由電感器釋放到負(fù)載的電能是

無損耗系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，兩項(xiàng)電能應(yīng)相等由此可知

當(dāng)0<α<l時(shí)，則E<E0

<∞。直流電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)就是利用了這一作原理。

通過適當(dāng)調(diào)節(jié)導(dǎo)通比即可把電能從下降中的電動(dòng)機(jī)電壓E回饋到固定電源電壓E0

中去。

(2-26)

(2-27)

(2-28)

(2-29)2．?dāng)夭ㄆ鞴╇姷闹C波問題和解決辦法

諧波問題：電源電流諧波與斬波頻率、電流脈動(dòng)幅值等因素有關(guān)系。

解決辦法：（1）提高斬波頻率：實(shí)際使用的斬波頻率一般在200～400Hz之間。（2）采用多相多重?cái)夭ㄆ鳎?/p>

將多個(gè)斬波器并聯(lián)給一

臺牽引電動(dòng)機(jī)供電，各

個(gè)基本斬波器在相位上

有規(guī)律地相互錯(cuò)開運(yùn)行，

則構(gòu)成多相多重?cái)夭ㄆ?。圖2-88三相三重?cái)夭ㄆ麟娐穲D2-89三相三重?cái)夭ㄆ鞑ㄐ危?）采用輸入濾波器圖2-90輸入濾波器L一C濾波器的諧振頻率（）應(yīng)避開斬波頻率，否則會發(fā)生諧振，引起電源電壓大的振蕩。

通常斬波頻率應(yīng)至少是濾波器諧振頻率的2～3倍。（二）逆變電路：1、逆變：整流的逆過程。2、分類：（1）有源逆變電路：

直流電能通過逆向變換，向交流電源反饋能量的逆變電路。（2）無源逆變電路：

直流電能通過逆向變換，得到交流電能直接供給負(fù)載，其輸出

端沒有電源。3、組成：電力電路及緩沖電路、控制電路、電力電子器件的門控電路。4、優(yōu)點(diǎn)：性能可靠，動(dòng)、靜態(tài)性能卓越、節(jié)能等。1．工作原理（1）單相橋式逆變電路：圖2-91單相橋式逆變電路示意圖

用全控型器件，如IGBT取代圖2-91中的開關(guān)后，得到圖2-92（α）所示的單相橋式IGBT逆變器的主電路。圖2-92電阻負(fù)載單相橋式IGBT逆變電路及波形

在感性負(fù)載下，每個(gè)電力電子器件上還需反向并聯(lián)一個(gè)快速二極管，以構(gòu)成滯后電流的通路。圖2-93感性負(fù)載時(shí)單相橋式IGBT逆變電路及波形2．三相橋式逆變電路

（1）結(jié)構(gòu)圖2-94三相橋式逆變電路（2）基本參數(shù)表2-3逆變器導(dǎo)通順序及相電壓圖2-95180°導(dǎo)通型三相橋式逆變器的輸出波形（a)相電壓波形；（b))線電壓波形圖2-96120°導(dǎo)通型三相逆變器的輸出電壓波形（a)相電壓波形；（b))線電壓波形3．正弦脈寬調(diào)制逆變電路

（1）脈寬調(diào)制（PWM）工作原理

把逆變電路的輸出電壓斬波成為脈沖，通過改變脈沖的寬度、數(shù)量或者分布規(guī)則，以改變輸出電壓的數(shù)值和頻率。圖2-97PWM控制電壓的工作原理脈寬調(diào)制（PWM）方法種類脈寬調(diào)制特點(diǎn)

只需對逆變器本身加以控制，使調(diào)壓、調(diào)頻一次完成；調(diào)節(jié)迅速而不需增加功

率設(shè)備。方法種類1、主要方法：

正弦PWM、空間矢量PWM（SVM）、瞬時(shí)電流控制正弦PWM、隨機(jī)PWM、特定諧波消除PWM、最小紋波電流PWM等。尤其以正弦脈寬調(diào)制（SPWM）的諧波分量最少，應(yīng)用最廣。2、從獲得SPWM波的方法看：

有三角波與正弦波相交，得出開關(guān)切換模式的SPWM逆變器。鋸齒波與正弦波相交、馬鞍形波與正弦波相交，三角波與準(zhǔn)正弦的階梯波相交等方法得出的SPWM波。

3、

從逆變電路的負(fù)載端看：

追求電動(dòng)機(jī)氣隙磁通（磁鏈）盡量接近圓形

的磁鏈跟蹤型逆變器。

4、電流跟蹤型逆變電路的逆變電路開關(guān)動(dòng)作：

也是一種PWM控制。（2）正弦脈寬調(diào)制（SPWM）逆變電路

在城市軌道交通車輛中，逆變電路的負(fù)載大多是感應(yīng)要求可以調(diào)壓、調(diào)頻，而且輸出是正弦波形。

為此可以把一個(gè)正弦半波作i等分，把正弦曲線每一等分所包含的面積，都用一個(gè)與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替。圖2-98與正弦波等效的等幅矩形脈沖序列波①

單極性正弦脈寬調(diào)制單極性SPWM是指逆變器輸出相電壓在任何半周內(nèi)始終為一個(gè)極性.圖2-99單極性SPWM波形（脈沖數(shù)i=6）（a)輸出電壓波（b)兩種控制電壓波的相交圖2-100單極性SPWM波形在載波比為20時(shí)的基波和諧波②

雙極性正弦脈寬調(diào)制

雙極性SPWM是逆變器輸出半個(gè)周期內(nèi)，同一橋臂的上

兩個(gè)元件作互補(bǔ)式通、斷工作的控制方式。

在逆變器輸出相

電壓在任何半周內(nèi)，都有

正、負(fù)極性交替出現(xiàn)，由

此取其基波，可得交變的

正弦

波電壓。圖2-101雙極性SPWM波形（a）三角形載波與正弦

調(diào)制波的相交（b）輸出相電壓波

雙極性SPWM電壓脈沖列的付氏級數(shù)表達(dá)式

式中

：UnM—第n次諧波的幅值；ω—基波角頻率；n—諧波次數(shù)，n=1、3、5、…。式中：n—諧波次數(shù)，n=1、3、5、…；?—脈沖次序，j=1、2、…i。

（2-30）（2-31）逆變器在雙極性SPWM時(shí)的輸出電壓表達(dá)式

輸出的基波相電壓幅

值為（2-32）（2-33）

雙極性SPWM在N=19時(shí)的諧波分量與基波分量的比值UnM

／U1M

與調(diào)制深度的關(guān)系。

N越大，諧波越少。n=N±1的諧波較大。在實(shí)際應(yīng)用中，采用“異步正弦脈寬調(diào)制”圖2-102雙極性SPWM在N=19

時(shí)的基波與諧波③

自然采樣與規(guī)則采樣

自然采樣：將正弦波與三角波進(jìn)行比較，由兩者的交點(diǎn)確

定逆變電路

開關(guān)切換點(diǎn)的方法。

規(guī)則采樣：用計(jì)算求出系列脈沖波形寬度的方法。圖2-103SPWM逆變器的規(guī)則采樣（a）對稱規(guī)則采樣（b）不對稱規(guī)則采樣4．牽引逆變器主電路型式的確定三點(diǎn)式電路主要優(yōu)點(diǎn)：

在中間直流電壓一定前提下，降低對開關(guān)元件耐壓等級的要求，并可改善牽引變流器交流輸出波形。

我國200km/h分散交流動(dòng)車組采用2800V中間直流電壓也采用了三點(diǎn)式變流器。

電壓型

電流型電壓型二點(diǎn)式電壓型三點(diǎn)式牽引逆變器分目前交流牽引采用的逆變器主要有軟開關(guān)：零電流時(shí)開關(guān)。硬開關(guān)：非零電流時(shí)開關(guān)。硬開關(guān)逆變器中器件的開關(guān)波形，有一系列有害影響，主要表現(xiàn)：一開關(guān)損耗；二器件應(yīng)力；三電磁干擾問題（EMI）；四對電機(jī)影響。圖2-102牽引逆變器主電路型式（a）IGBT三點(diǎn)式逆變器相構(gòu)件單元電路（b）IGBT二點(diǎn)式逆變器相構(gòu)件單元電路任務(wù)3軌道交通車輛電磁兼容10:31:54知識拓展1.所有車輛設(shè)備的電磁干擾不應(yīng)干擾車載設(shè)備或其它軌道設(shè)備的正常運(yùn)行；2.車載設(shè)備應(yīng)具有足夠的自身抗電磁干擾能力，以使其能正常運(yùn)行。

是電氣裝置在其電氣環(huán)境中正常工作且不對該環(huán)境中任何事物造成不能承受的電磁干擾的能力。電磁兼容性(EMC)電磁兼容范圍：

覆蓋所有的設(shè)備以及軌道車輛與相應(yīng)的供電輸入/輸出的接口，甚至包括軌道車輛的受電弓。一、電磁兼容設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)10:31:54軌道車輛車頂供電電網(wǎng)與運(yùn)行軌道之間的回流電流引起傳導(dǎo)干擾電流，大部分回流電流從接地軌道流向土壤，并在建筑物的接地系統(tǒng)產(chǎn)生雜散電流。軌面信號系統(tǒng)是主要的敏感元件，供電電網(wǎng)、軌道車輛本身都可能對車輛線路產(chǎn)生諧波電流。移動(dòng)式無線電設(shè)備及私人手機(jī)；無線電及電視接收機(jī)；空中安全設(shè)備；道路安全設(shè)備；點(diǎn)對點(diǎn)無線電鏈路及列車無線電通訊；內(nèi)置心臟電子起搏器的人；鐵路公司的無線電服務(wù)。二、車輛及其環(huán)境之間的干擾1、軌道車輛產(chǎn)生的場衰減亂真輻射2、軌道車輛產(chǎn)生的傳導(dǎo)輻射可能干擾吸收源：10:31:54發(fā)射機(jī)頻率MHz傳送功率kW距離處場強(qiáng)距離處場強(qiáng)長波0.14~0.28100095V/m19V/m中波0.52~1.6050070V/m14V/m短波3.90~26.1050050V/m10V/mFM-VHF87.50~108.0010022V/m4V/mVHF47.00~68.00174.00~230.00100—50022—50V/m4—10V/m下表數(shù)據(jù)（近似公式估算）顯示德國境內(nèi)安裝的一些典型發(fā)射機(jī)的預(yù)測場強(qiáng)。數(shù)據(jù)表明：波長越長，傳輸功率越大，近距時(shí)場強(qiáng)越強(qiáng)。表2-16

發(fā)射機(jī)功率及估算場強(qiáng)3、無線電設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾其中P=發(fā)射功率（W）；d=距離（m）；

E=場強(qiáng)（V/m）。

短范圍內(nèi)，場強(qiáng)可根據(jù)手機(jī)到天線的距離按右式計(jì)算：

人們穿著絕緣良好的鞋子行走在絕緣良好的地板面上會產(chǎn)生ESD，而ESD會對周圍的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。4、靜電釋放（ESD）產(chǎn)生的電磁干擾

5、高速瞬變傳導(dǎo)干擾所產(chǎn)生的電磁干擾

6、高能量干擾（浪涌）產(chǎn)生的電磁干擾

當(dāng)電流或電壓發(fā)生快速變化時(shí)，會產(chǎn)生極強(qiáng)的干擾，如：機(jī)械觸頭分?jǐn)嗯c閉合形成的電弧而引起，通過磁場產(chǎn)生的電感耦合與通過電場產(chǎn)生的電容耦合，強(qiáng)度會隨著電流的變化率而提高。

高能量干擾源如雷電襲擊，主斷路器在大功率系統(tǒng)站內(nèi)的開關(guān)動(dòng)作，短路，熔斷器的熔斷，保護(hù)元件動(dòng)作以及大負(fù)荷分合等等。7、對攜帶心臟起搏器的人的電磁干擾

由列車內(nèi)電氣系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場會干擾正在使用的心臟起搏器，在列車內(nèi)任何地點(diǎn)的磁場強(qiáng)度（該地點(diǎn)是帶有正在使用的心臟起搏器的人所在）必須低于相關(guān)規(guī)定的極值，參見圖2-112所示，在0至10Hz時(shí)磁通密度的極限值為500μT（磁場強(qiáng)度＝400A/m）。對帶有心臟起搏器的人的磁場強(qiáng)度曲線的極值在下述測量中必須遵守：（1）

裝置測量在距裝置/容器表面0.6m距離內(nèi)，帶有心臟起搏器的人能承受的磁場強(qiáng)度曲線極限應(yīng)嚴(yán)格遵循；（2）

整車測量距整車地板0.8m高度距離處合成總的磁場不得高于帶心臟起搏器的人所承受的磁場極限值。圖2-112

列車內(nèi)坐或站立承受的磁場強(qiáng)度及限值三、軌道車輛EMC措施（1）電子控制元件的支架將通過盡可能大的表面面積對裝配骨架進(jìn)行良好的接地，以確保低阻抗。（一）軌道車輛系統(tǒng)環(huán)境的EMC措施1、做好接地和連接對電子控制裝置的箱體、支架、裝配骨架等進(jìn)行接地和連接，應(yīng)做到：（3）黃色硌酸鹽、油漆或陽極化處理表面，應(yīng)使用諸如齒形之類的接觸墊圈。（2）裝配骨架應(yīng)通過盡可能大的表面面積和盡可能多的點(diǎn)與車輛框架進(jìn)行連接。（8）接觸面應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性能并且面積盡可能大。（7）通過連接帶的接地連接應(yīng)具有低阻抗的特性，即接地板要盡可能短而厚；（6）對于任何不屬于電氣設(shè)備的導(dǎo)電部件也應(yīng)通過內(nèi)部連接列入等電位接地的范圍；（5）對于一個(gè)在故障時(shí)可能帶電的電氣設(shè)備，它的任何導(dǎo)電部分都應(yīng)通過內(nèi)部連接列入等電位接地的范圍；（4）通過適當(dāng)?shù)慕拥?，門、地板、屏柜接插件等應(yīng)組成一個(gè)高度互連、大面積的接地設(shè)計(jì)；為滿足接地和連接所要求的觸點(diǎn)和材料，應(yīng)按下列步驟執(zhí)行：（1）所有接地連接具有良好的傳導(dǎo)性，抗振動(dòng)，易于檢查，并位于裸露的接觸面之間；（2）螺栓式連接要采用可靠的接觸墊圈，特別對于不導(dǎo)電的表面；（3）接觸面防腐蝕；（4）連接要有機(jī)械保護(hù)；（5）如有可能，不同的金屬之間不互相接觸，以防止接觸電壓造成的腐蝕。2、處理好屏蔽處理好屏蔽：就是把所有屏蔽層連接到車體上。對于電子元件的屏蔽，應(yīng)遵守下列幾點(diǎn)：（6）線路和信號濾波器要安在一個(gè)區(qū)域，以低阻﹑低感抗方式連接到機(jī)殼或裝配骨架上；（5）電纜屏蔽層應(yīng)以低阻抗、低感應(yīng)連到裝配骨架或機(jī)殼的入口點(diǎn)處的；（4）避免縫隙大于5-10cm；（3）到裝配骨架的插件應(yīng)具備金屬前端面板，同裝配骨架良好接觸；（2）可采用沖孔板來保證通風(fēng)，要接觸良好；（1）裝配骨架或機(jī)殼作屏蔽，應(yīng)由導(dǎo)電材料組成，且所有外殼部件應(yīng)低阻抗、低感應(yīng)、大面積的連接在一起對于電子元件的屏蔽，應(yīng)遵守下列幾點(diǎn)（續(xù)）（12）有效屏蔽電場、磁場和電磁場，屏蔽必須由連續(xù)的覆蓋層組成。（11）未完全封閉的屏蔽（如一側(cè)屏蔽接觸）只對靜態(tài)和低頻電場有效；（10）未屏蔽的信號電纜在屏蔽區(qū)域需對其提供屏蔽或在進(jìn)入屏蔽區(qū)域入口處進(jìn)行濾波；（9）若在裝配區(qū)域或支架內(nèi)有產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾輻射的設(shè)備，在這些設(shè)備和敏感設(shè)備之間應(yīng)放置屏障。例如：利用金屬板，這些板子和裝配區(qū)域/支架進(jìn)行多點(diǎn)低感抗連接；（8）門、蓋板等應(yīng)與框架/側(cè)墻多點(diǎn)導(dǎo)電性連接。（7）用裝配區(qū)域或支架作屏蔽，由導(dǎo)電材料組成，所有外殼部件連接在一起的接觸面應(yīng)盡可能大，且連接處阻抗和感抗應(yīng)較低；信號與數(shù)據(jù)導(dǎo)線屏蔽連接有許多可能性，通常應(yīng)考慮以下各點(diǎn)：（1）信號與數(shù)據(jù)導(dǎo)線的屏蔽至少必須兩端都接地；（2）屏蔽層應(yīng)以盡可能寬的表面積接觸，并且應(yīng)保證低阻抗、低感應(yīng)連接；（3）盡可能避免在屏蔽終端使用單根導(dǎo)線；（4）電纜屏蔽應(yīng)與外殼入口相連接，這樣干擾電流不至從屏蔽層流入內(nèi)部；

（5）大干擾的導(dǎo)線之間用電纜通道或屏蔽相隔離與列車地導(dǎo)電連接。上述導(dǎo)線應(yīng)與車輛地盡可能低阻抗、低感抗相連，且至少兩端須如此連接。

對電機(jī)電纜等功率單元的屏蔽，限制電磁干擾：電子功率元件通過放置在全封閉金屬箱的內(nèi)部來實(shí)現(xiàn)屏蔽，通風(fēng)孔應(yīng)該采用用沖孔板、金屬柵格等，蓋子、蓋板、通風(fēng)孔都要同電機(jī)機(jī)殼進(jìn)行很好密封。電機(jī)機(jī)殼的所有出線要進(jìn)行屏蔽、濾波或電位隔離。3、電路中盡可能考慮濾波（1）濾波器直接位于屏蔽處或其附近；（2）濾波器外殼或?yàn)V波器參考接地同支架、屏蔽護(hù)套或箱體以低阻抗和低感抗連接；（3）應(yīng)保證輸入和輸出導(dǎo)線之間的良好解耦，決不相互平行布置；（4）使用旁路電容或旁路濾波器，用螺栓固定到屏蔽地上；（5）濾波器漏電流不能流向內(nèi)部參考電位，而是應(yīng)通過低阻抗和低感抗連接流向屏蔽地或車輛地；

濾波的作用：降低電子元件傳導(dǎo)干擾和提高抗干擾為使濾波發(fā)揮最大效果，遵循下列幾點(diǎn)：為使濾波發(fā)揮最大效果，遵循下列幾點(diǎn)（續(xù)）（6）裝配區(qū)域不是屏蔽區(qū)或?yàn)V波器位于屏蔽外，則濾波器到電子元件連線要屏蔽；（7）濾波器位于裝配區(qū)域內(nèi)，應(yīng)屏蔽從屏蔽層到濾波器的連線；（8）所有由蓄電池供電的電子控制元件/單元要配有合適的濾波器；（9）由其它電子控制單元通過它們的濾波電源供電的電源線（例如：通過電位隔離DC/DC變換器）（10）兩個(gè)元件之間的電源線被屏蔽。

此外，所有帶繼電器、接觸器之類感性負(fù)載的機(jī)械連接應(yīng)配有合適的暫態(tài)抑制裝置，而帶控制和信號元件的機(jī)械接觸器應(yīng)配有合適的變阻器。4、注意電纜的敷設(shè)提高電磁兼容性的基本方法：考慮EMC/EMI來選擇和布置電纜因?yàn)椋翰煌€路與功能單元內(nèi)的電纜之間存在感性與容性耦合電纜之間的電容耦合在電纜平行敷設(shè)時(shí)出現(xiàn)，耦合度取決于：電纜平行敷設(shè)的軌道區(qū)間長度，電纜之間的距離，必要時(shí)還要考慮電纜距地面的距離。電感耦合發(fā)生在導(dǎo)線環(huán)內(nèi)，感應(yīng)干擾的強(qiáng)度主要取決于：導(dǎo)線環(huán)的面積。電動(dòng)機(jī)的導(dǎo)線、輔助設(shè)備的引線是特別易于受干擾的。信號導(dǎo)線、數(shù)據(jù)傳輸總線、天線的引線、聲音與圖像的導(dǎo)線對場感應(yīng)耦合特別敏感。電纜敷設(shè)應(yīng)遵守下列要求：（1）應(yīng)使用多芯電纜作電源線。如果不得已而采用單芯電纜，整個(gè)電路電纜盡可能布置的相互靠近；（2）導(dǎo)線盡量布置得靠近車輛構(gòu)架或其它與車輛構(gòu)架導(dǎo)電連接的金屬部件；（3）一般屏蔽絞接電纜用作敏感信號的信號線；（4）屏蔽電力電纜用作電機(jī)引線；（5）載有不同類型信號的導(dǎo)線不能布置在同一屏蔽內(nèi)；EMC–電纜類別電纜負(fù)載AA11500VDC電纜（正極和回流）A2電機(jī)電纜、電阻電纜、輔助設(shè)備電纜B蓄電池導(dǎo)線、控制電纜C數(shù)據(jù)傳輸總線、信號傳輸導(dǎo)線、天線、揚(yáng)聲器的引線、音頻與視頻導(dǎo)線由于軌道車輛空間的限制，根據(jù)制造經(jīng)驗(yàn)采用3種電纜類別。不同類別的電纜要分開走線。表2-17EMC－電纜類別為保證足夠的去耦，不同電纜之間盡可能保持下列最小間隙：表2-18不同電纜之間的最小間隙（m）電纜類別ABCA0.1m0.2mB0.1m0.1mC0.2m0.1m電纜敷設(shè)要滿足下列標(biāo)準(zhǔn)：（1）分開布置不同類別的電纜，盡量保持建議的間隙；（2）整個(gè)電路電纜應(yīng)緊湊布置，特別是電力電纜；（3）為利用衰減效應(yīng)，電纜盡量布置在靠近車輛接地處，如