牵引变流器

牵引变流器牵引变流器从负载来看可分为电压型和电流型两种。由于电压型变流器相对于电流型变流器具有较大的优势，所以在交流传动领域大多采用电压型逆变器。电压型变流器的驱动一般采用“四象限变流器＋中间直流电路＋电压型逆变器＋异步牵引电动机”的方式。根据变流器输出交流侧相电压的可能取值可将电压型变流器分为两点式和三点式。在交流传动领域，当中间电路直流电压kVkVUd8.2~7.2时，主电路中通常采用两点式结构；当kVUd3时，宜采用三点式结构。下面将分别介绍两点式变流器和三点式变流器的工作原理。一、两点式牵引变流器图3.1为两点式牵引变流器的一种典型电路。它主要由两点式四象限脉冲整流器、中间直流电压回路和两点式PWM逆变器组成，由牵引变压器的二次绕组供电。图3.1两点式变流器电路原理图逆变器把中间回路直流电压变成幅值和频率可调的三相交流电压，供给异步牵引电机。在起动范围内，逆变器按脉宽调制模式进行控制，当逆变器输出达到规定值时，转入方波模式。有时，在逆变器和异步牵引电机之间串入平波电抗器，用以抑制起动过程电动机电流中的谐波分量，改善转矩脉动状况，并减少损耗。起动完成后，通过接触器把它短接。当机车进行再生制动时，整个系统的工作原理及方式没有发生什么变化，主电路结构也不发生任何变化。为了使牵引电动机能够进入发电机状态，控制系统应使异步牵引电动机工作在负的转差频率。在交流传动电力机车发展的初期，为保证电气制动的可靠性和安全性，还装有制动电阻和转换开关。如果电网不能接受再生能量或网侧整流器故障，应立即在无电流状态下接入制动电阻。1.两点式四象限脉冲整流器及中间储能环节1)两点式四象限脉冲整流器在交流传动领域，网侧变流器现大多采用四象限脉冲整流器，它具有以下优点：(1)能量可以双向流动；(2)从电网侧吸收的电流为正弦波；(3)功率因数可到达1；(4)减低了接触网的等效干扰电流，减少对通讯的干扰；(5)可以保证中间回路直流电压在允许偏差内。四象限脉冲整流器的结构如图3.2所示。图3.2四象限脉冲整流器原理图与PWM逆变器的控制类似，整流器的每个桥臂电路的控制方法也是由三角形载波与正弦调制波的交点来决定桥臂中的上下两个元件的换流时刻。二个桥臂的正弦调制波相位差为180°。由于电源侧存在回路电感（或机车牵引变压器的漏抗），因而可使中间直流电压dU高于由整流二极管41DD所产生的最大可能的整流电压，即：dUNU式中NU为网压的峰值。比如sU0时，触发2T，那么变压器次边绕组通过2T—4D短接；由于变压器具有相当大的短路电抗(对于50Hz接触网，通常短路阻抗%30KU），所以电流上升率是有限的。现在如果使2T4D重新关断，那么变压器经由1D和4D流入中间回路。正是这种升压斩波的结果，使得在较低的变压器次绕组电压下，能够得到较高的中间回路直流电压dU。对于负半波也有类似的情况。四象限整流器分别在四象限的工作状态：表3.1两点式四象限脉冲整流器的工作状态表NUNisU导通器件Ni变化能量传递方向状态NU0Ni0013DT或42DT减小NNLU短接NU0Ni0dU41DD减小dNNULU整流NU0Ni0-dU32TT增大NdNLUU逆变NU0Ni0031DT或24DT减小NNUL短接NU0Ni0dU41TT增大NNdULU逆变NU0Ni0-dU32DD减小dNNUUL整流NU0Ni0031DT或24DT增大NNLU短接NU0Ni0dU41TT增大NdNLUU逆变NU0Ni0-dU32DD减小dNNULU整流NU0Ni0013DT或42DT减小NNUL短接NU0Ni0dU32TT减小dNNUUL整流NU0Ni0-dU41DD增大NNdULU逆变如果把一台机车上的几组四象限整流器错开相位进行斩波，比如4组四象限整流器相互位移90°，从而成倍地提高接触网上的等效斩波频率，进一步改善接触网的性能。所以不同于一般的交直整流电路，它是一种交直斩波升压电路。与此同时，通过调制，可使直流电压dU在电源回路的sU两端产生工频交流正弦电压sU。通过对sU相位和幅值的控制，可以达到电源侧回路内电流NI与NU同相位，即基波相位移系数等于1，同时由于调制的频率足够高或者电感NL足够大，可使电流畸变系数接近于1，这样就可使功率因数接近于1。必须指出，在有限的调制开关频率和电感NL之下，Su除了基波1Su外，还包括高次谐波。因此，整流电流除了直流分量aI和二倍网频交流分量2i外，还包括更高次谐波分量。同时，在接触网中同样存在高次谐波分量。所以接触网的功率因数略小于1。图3.3PWM整流器的等效电路及其向量图由四象限整流器的等效电路可知道：SNNULjU（3.1）（a）整流状态（b）回馈状态图3.4电压型PWM整流器基波向量图由上面等式关系及向量图，可知当NU与NI方向的关系可以断定四象限整流器的工作状态，即：NU与NI方向一致时，为整流状态，NU与NI方向相反时，为逆变状态，从上面四象限整流器工作状态表我们可以看出整流状态有4个，而实际在机车里只要一象限和三象限的整流状态，而逆变要二象限和四象限的逆变状态。四象限变流器控制主要有瞬态电流控制和电压相量控制两种方法。而比较起来，瞬态电流控制具有更好的瞬态特性，并且在电网电压发生畸变的情况下，四象限变流器输入电流的畸变也很小。因此在实际应用中，大多数都采用瞬态电流控制的方法。我国“中原之星”电动车组和“奥星”电力机车都采用瞬态电流控制的方法。2）中间储能环节在交—直—交变流器中，储能器是作为变流器的四象限整流器和负载端变流器的逆变器之间的联接纽带，一般称之为中间回路。在电压型脉四象限整流器中，由两个部分组成：一个是相应于2倍电网频率的串联谐振电路(也可以取消)，但是本动车组取用2倍电网频率滤波；另一个是滤波电容器或支撑电容器。(1)二次谐波滤波电路从四象限整流工作介绍中我们可知：第一，因为串联谐振电路对2倍网频调谐，所以二次谐波电流从这个谐振电路流过，而直流分量dI流入负载。第二，2倍网频的串联谐振电路的无功功率，来自与阻抗NL的功率交换，并因而降低电源的瞬时功率的脉动分量。第三，表示电源的感性的无功功率需要一个容性的无功功率来加以平衡，所以，从电源侧来看，四象限整流器可以用一个可变电容c和一个可变电阻LR的并联电路来等效地表示。可变电容代表其与漏感NL交换无功功率的那个部分，而LR代表不同负载所要求的有功功率。在选择串联谐振电路的电感和电容值时，除了考虑很大的谐振电流可能在电容器上产生过电压的危险外，还必须考虑电抗器的结构尺寸与电感值、持续电流与最大电流有关，而电容器的结构尺寸与电容值、最大电压与充电损耗有关。所以，适当选择参数，将有助于减少总费用。(2)支撑电容器dC在理想情况下，特别是当负载纯粹是一个电阻时，并不需要另外一个储能器的。因为反应漏感和四象限整流器之间无功功率变换的二次谐波电流从串联谐振电路上流过，而流到负载上去的是一个纯直流分量。但是实际上，由于以下原因，在脉冲整流器的输出端，或者说在中间回路中，由电容器构成的另一个储能器是必不可少的，这是因为：(1)与脉冲整流器、逆变器交换无功功率和谐波功率。它们是在脉宽调制过程中产生的。(2)与异步电动机交换无功功率。(3)由于串联谐振回路中实际存在的电阻，二次谐波电流并非全部通过串联谐振电路，而是由串联谐振电路和支撑电容器dC分流。所以，从这个角度出发来说，支撑电容器dC也部分地起着与变压器漏感交换无功功率的作用。(4)支撑中间回路电压，使其保持稳定。如果这个电容器太小，变流器的控制将变得相当困难。因为控制稍有一点误差，中间回路的电压就会出现很大的波动。由于中间回路与两端变流器之间存在着复杂的能量交换过程，迄今还没有简单实用的方法来选择合适的支撑电容器dC的值。但人们可以通过系统仿真，并按照以下准则来判定经验取值的正确性。这些准则包括：(1)中间回路直流电压保持稳定，峰—峰波动值不超过规定的允许值。(2)中间回路直流电流是连续的值不超过规定的许可位。(3)中间回路的损耗应保持最小。(4)所选择的电容器的参数不会影响整个系统的稳定性。(5)应当成功地抑制逆变器和电机中发生的暂态过程，保持系统稳定。此外，还必须指出，在牵引应用中，如果没有正确地选择中间回路电容器的值，其高频电流可能引起对通信和信号系统的电磁干扰。2.逆变器逆变器的作用是把中间直流电压变换成三相交流电压，为异步牵引电动机提供频率和幅值可调的三相交流电源，同时通过调节三相输出电压波形控制牵引电动机的磁通和转矩。因此，异步牵引电动机的驱动性能主要取决于逆变器的控制。提高逆变器的开关频率，实现高动态性能控制技术（如磁场定向控制和直接转矩控制），有利于异步牵引电动机体现其优秀的牵引性能。三相电压型逆变器的结构与工作原理三相逆变器电路由6个带无功反馈二极管的全控开关构成。如下图3.5所示。也可以认为它是由三个单相半桥逆变器电路组合构成。在控制上，三个半桥间依次相差三分之一周期。三相负载接在三个半桥的输出端。虽然实际上只需要一个直流电源，但为了分析方便，可将该电源看成是两个电源的串联，并有一个假想的中点“0”。图3.5三相180度电压型逆变电路电路的工作波形如图3.6所示。由于电压型逆变电路的输出电压波形只取决于其开关的状态而与负载的性质无关，所以，很容易得到各个半桥输出端a、b、c对假想的直流电压中点的电压波形图。它们是180°的方波交流电压，其幅值为Ud/2。电路工作时开关T1—T5均导通180°，故这种逆变电路根据其主开关的导电角度被称为180°导通型逆变电路。由半桥电路的特点及上述的控制规则可以得到在该电路中各开关的导通控制顺序，它们依次是：每个状态持续60°。由于负载接在半桥输出之间，所以，逆变电路的输出线电压可由两个半桥间的电压差得到uuuboaoabuuucobobcuuuaococa图3.6三相电压型逆变电路工作波形如图3.6给出了uab得波形。ubc、uca的波形与uab相同，只是相位各差了120°。二、三点式牵引变流器三点式牵引变流器电路结构如图3.7所示，它主要由以下几个部分组成：图3.7三点式牵引变流器原理图（1）四象限整流电路和中间直流电压回路由8个IGBT组成两相整流桥，作用是将单相交流电变为直流电。2L，2C组成二次滤波装置。滤波电容dC滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。当变频器通电时，瞬时冲击电流较大。为了保护电路元件，加限流电阻aR。延时一段时间后，通过控制电路使开关JK闭合，将限流电阻短路。（2）三相逆变电路逆变开关管组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的矩形波交流电。逆变管选择IGBT。（3）续流二极管续流二极管的作用是：当逆变开关由导通状态变为截止时，虽然电压突变降为零．但由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始释放，续流二极管提供通道，维持电流继续在线圈中流动。另外，当电动机制动时，续流二极管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。在方波输出的逆变器中，续流二极管每一个周波中只流过一次，电流的有效值较小，因此按电流有效值来表示电流容量的二极管，其电流额定在方波输出的逆变器中约为主管容量的20%。在PWM逆变器中，续流二极管轮流到通，其电流有效值与主管接近，但二极管电流额定的定义是正弦半波电流的平均值，因此续流二极管的电流额定是主管电流额定的1/3。1.三点式四象限脉冲整流器及中间储能环节1）三点式四象限脉冲整流器四象限变流器是交直交传动电力机车的电源侧变流器，在牵引时作为整流器，在再生制动时作为逆变器。它在牵引或再生制动工况下都能达到3个指标:保证直流中间环节的电压恒定；交流电网侧所取功率因数接近1；电网电流波形接近正弦。传统的四象限变流器采用二点式(如德国的E120型机车)。从90年代以来国外电力机车上开始采用三点式四象限变流器(如瑞士的460型机车)。三点式四象限变流器电网电流波形更接近正弦，比二点式四象限变流器具有更好的性能与可靠性