【正文】 低電機損耗，減少網(wǎng)壓波動的影響。④環(huán)節(jié)——電抗器，有三大作用。降低電機、電纜中的高頻成分，控制噪聲的傳播，抑制電機啟動過程中的諧波分量；保證頻繁斷開電機電路時不損壞變頻器；通過三相霍爾電流傳感器對變頻器輸出端采取完善的短路保護措施。系統(tǒng)的工作特點：功率/體積比大。，所以相同功率的電機，異步電動機的重量輕、體積小，可使機車轉(zhuǎn)向架簧下部分重量相應(yīng)減少，在機車通過曲線時，輪軌之間側(cè)向壓力也就相應(yīng)減少，這對高速行車尤為重要。同時，由于電動機體積減小，空間利用好，便能選擇更為合適的懸掛方式，從而簡化了轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)。三相異步電機結(jié)構(gòu)簡單，幾乎無需維修。由于異步電動機具有很穩(wěn)定的機械特性，因而有自然防空轉(zhuǎn)和防滑行的性能，粘著利用好，既減少了輪箍的損傷，同時又有利于提高列車的加速度，縮短機車啟動和制動時間。異步電動機的正、反轉(zhuǎn)及牽引、制動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，通過機車控制電路就能實現(xiàn)，不需要改變主線路，所以機車主線路中的兩位置轉(zhuǎn)換開關(guān)可省去，主電路變得十分簡單，使整車的可靠性大大提高，降低了使用維修費用。交—直—交牽引系統(tǒng)比其它牽引傳動系統(tǒng)具有良好的牽引和制動性能、良好的黏著利用和防空轉(zhuǎn)性能、電機功率大、質(zhì)量輕、體積小、功率因數(shù)高、諧波干擾小、操作簡便、維修工作少、易于標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化等優(yōu)越性 課題研究的背景及意義電力機車的牽引系統(tǒng)可分為直流牽引傳動系統(tǒng)、交—直牽引傳動系統(tǒng)、交—直—交牽引傳動系統(tǒng)，過去，在具有調(diào)速的牽引傳動范圍內(nèi)大多采用直流傳動，這是由于直流牽引電動機的磁場電流和電樞電流可以單獨控制，起動調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩特性比較理想，并容易獲得良好的動態(tài)響應(yīng)。但是直流電動機在結(jié)構(gòu)上有嚴(yán)重的缺點，由于它存在電刷和換向器，致使電機不僅工藝復(fù)雜、價格昂貴，而且在運行中容易產(chǎn)生火花和環(huán)火現(xiàn)象，這就要求電機換向片之間的電壓不能過高。從而限制了直流電動機的功率和容量，滿足不了鐵路牽引向高速、重載方向發(fā)展的要求。從 20 世紀(jì) 60 年代開始，人們將長期使用的串勵直流電動機（所謂的純直流傳動）改為使用它勵直流電動機，即采用可控硅電源供給它勵電動機勵磁（所謂的交—直流傳動） 。這種牽引方式將接觸網(wǎng)的單向交流電通過可控硅整流變成直流電，通過控制勵磁電力使?fàn)恳姍C具有所要求的軟特性和良好的防空轉(zhuǎn)性能，雖然這種脈流式牽引電動機與直流電動機有所不同但其工作原理基本上與直流電機相同，仍然無法改變電機存在的火花和環(huán)火的致命缺欠。交—直—交牽引系統(tǒng)采用三相交流電動機，由于其轉(zhuǎn)子沒有機械換向器，也不帶絕緣繞組，不存在換向火花和環(huán)火的現(xiàn)象，因此它結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，能以更高的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，可以滿足高功率、大容量牽引傳動裝置的要求。隨著變流技術(shù)的發(fā)展變流元件從不控的二極管、半控晶閘管，發(fā)展到全控的 GTO、IGBT、IGCT，容量不斷加大，開關(guān)頻率不斷提高使得脈寬調(diào)制技術(shù)成為可能，逆變器的輸出具有平滑調(diào)節(jié)供電頻率和電壓的性能交—直—交牽引系統(tǒng)由這種變流器供電，就可獲得極好的調(diào)速性能。并且從原來的開環(huán)控制，到今天的廣泛使用的矢量控制、直接扭矩控制，使得交流電動機具有極好的控制特性和動態(tài)性能，因此它將更廣泛的用于電力機車的牽引傳動。交—直—交牽引系統(tǒng)比其它牽引傳動系統(tǒng)具有良好的牽引和制動性能、良好的黏著利用和防空轉(zhuǎn)性能、電機功率大、質(zhì)量輕、體積小、功率因數(shù)高、諧波干擾小、操作簡便、維修工作少、易于標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化等優(yōu)越性。由于異步電動機軸功率大、體積小，使得機車具有適合低速大牽引力，以較少的動軸保證列車高速運行時所需的功率。與同樣功率等級的直流電機比較，異步電機的質(zhì)量低 30%左右，因此減少了簧下質(zhì)量，減小對線路的作用力。近年生產(chǎn)的交流傳動電力機車，網(wǎng)側(cè)采用了四象限脈寬調(diào)制整流器。使得機車不論在額定功率，還是小負(fù)載時，在牽引或再生制動工況，機車的功率系數(shù)都在 以上。這就意味著鐵路電網(wǎng)所需提供的無功功率很小，接觸網(wǎng)上的損耗就很小。那么在給定的電網(wǎng)功率下，使用一定功率的機車就越多，并且等效干擾電流小于 2A。當(dāng)列車需要制動時，機車將列車的動能變?yōu)殡娔?，反饋至接觸網(wǎng)，節(jié)約了能耗。較于其它機車成本較低。因此交—直—交牽引系統(tǒng)將更廣泛的運用于電力機車中。 論文主要的工作逆 變 器 在 整 個 牽 引 系 統(tǒng) 中 起 到 把 直 流 電 逆 變 成 為 三 相 交 流 電 的 作 用 ， 供 給 電 動 機 運行 ， 它 對 整 個 牽 引 系 統(tǒng) 是 否 能 正 常 運 行 起 到 重 要 作 用 。 但 是 對于交—直—交電力機車這種大功率場合，由于逆變器的的開關(guān)頻率較低，將會產(chǎn)生很大的低次諧波，輕則影響系統(tǒng)的性能，重則將導(dǎo)致整個調(diào)速系統(tǒng)的控制失敗，因此需要對其進行 PWM 調(diào)制，減少其低次諧波。PWM 調(diào)制作為交流調(diào)速系統(tǒng)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其設(shè)計的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的性能第 2 章 逆變器的主電路逆變器的任務(wù)是將直流電壓轉(zhuǎn)換成負(fù)載電機所需的三相交流電壓向電機供電，其輸出方式既可以選擇變壓變頻(VVVF)方式，也可以 選擇恒壓恒頻(CVCF)方式，以滿足不同負(fù)載的需要。 現(xiàn)代逆變器的特點是趨向于采用 IGBT 及無吸收電路。逆變器過去采用的功率器 件有晶閘管、GTO、功率晶體管等，IGBT 技術(shù)是近年來逐漸發(fā)展成熟起來的，由于 IGBT 具有工作頻率高、自我保護能力強、控制較簡單的優(yōu)點，現(xiàn)在逆變器采用的 功率器件主要是 IGBT。同時也由于采用了 IGBT，逆變器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變 化，這主要體現(xiàn)在功率器件的過壓保護方面，由最早采用的高損耗 RCD 阻容型過 壓吸收電路，發(fā)展到來采用的低損耗不對稱型過壓吸收電路及△型過壓吸收電 路，再到現(xiàn)在的無吸收電路。吸收電路逆變器通過采用無感復(fù)合母排技術(shù)、低感電容技術(shù)來盡可能消除產(chǎn)生過電壓的因素，從而盡可能避免過電壓情況的發(fā)生，同時也消除了吸收電路所產(chǎn)生的損耗，這樣，既簡化了電路結(jié)構(gòu)，又降低了逆變 器的損耗，提高了效率，同時還因逆變器發(fā)熱量的降低而使得逆變器的體積重量 也得以減小。 逆變器主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計逆 變 器 主 要 分 為 電 壓 型 逆 變 器 和 電 流 型 逆 變 器 ， 電 壓 型 逆 變 器 由 直 流 電 壓 中 間 電 路供 給 一 個 恒 定 的 直 流 電 壓 ， 其 元 件 過 電 壓 的 可 能 性 較 小 ， 但 由 于 中 間 電 路 的 內(nèi) 阻 小 ，負(fù) 載 的 故 障 和 換 流 失 敗 ， 易 引 起 過 電 流 。 再 生 制 動 時 ， 為 了 使 電 流 反 向 ， 與 晶 閘 管 反向 了 二 極 管 ， 因 此 晶 閘 管 毋 需 反 向 耐 壓 ； 電 流 型 逆 變 器 由 直 流 電 流 中 間 電 路 供 給 一 個恒 定 的 直 流 電 流 ， 由 于 將 電 感 串 聯(lián) 在 中 間 電 路 中 ， 有 較 大 的 阻 抗 ， 半 導(dǎo) 體 器 件 一 般 不會 產(chǎn) 生 過 電 流 。 再 生 制 動 ， 電 壓 方 向 改 變 ， 毋 需 反 并 聯(lián) 二 極 管 。 就 電 壓 型 逆 變 器 和 電流 型 逆 變 器 相 比 較 ， 在 大 功 率 牽 引 領(lǐng) 域 ， 以 電 壓 型 逆 變 器 為 主 。 故 本 課 題 采 用 電 壓 型逆 變 器 。為了使直流電逆變成為三相可調(diào)交流電，需對晶閘管的開關(guān)斷時間進行調(diào)制，在逆變器運行時，每個工作狀態(tài)下都有 3 只晶閘管同時導(dǎo)通，其中每個橋臂上都只有一只晶閘管導(dǎo)通，形成三相負(fù)載同時通電，這樣就可把直流電逆變成為三相可控交流電。三相電壓型逆變器主電路由 6 只晶閘管組成，每只晶閘管反并一只續(xù)流二極管，為負(fù)載的滯后電流提供一條反饋到電源的通路。如圖 三相逆變器主電路所示圖 三相逆變器主電路 功率開關(guān)器件的選擇三相逆變器的開關(guān)器件采用 IGBT。逆變器的主功率元件的選擇至關(guān)重要，目前使用較多的功率元件有達林頓功率晶體管（BJT） ，功率場效應(yīng)管（MOSFET） ，絕緣柵晶體管（IGBT）和可關(guān)斷晶閘管（GTO）等，在小容量低壓系統(tǒng)中使用較多的器件為 MOSFET，因為 MOSFET 具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關(guān)頻率，在高壓大容量系統(tǒng)中一般均采用 IGBT模塊，這是因為 MOSFET 隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大，而 IGBT 在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢，而在特大容量（100KVA 以上）系統(tǒng)中，一般均采用 GTO 作為功率元件。在電力機車上的開關(guān)器件常用 IGBT 和 GTO，開關(guān) IGBT 元件稱為絕緣門極雙極型晶體管，它兼有功率 MOOSFET 高輸入阻抗特性（電壓控制型）和雙極型器件的通態(tài)特性，同時開關(guān)頻率也遠高于 GTO 元件。由于 IGBT 的開關(guān)頻率高，可使 PWM 調(diào)制頻率提高，因此IGBT 是一種鐵道牽引比較理想的變流器件。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由 BJT(雙極型三極管)和 MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR 飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大。MOSFET 驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。IGBT 元件和 GTO 元件的基本性能對比可見下圖表 IGBT 元件和 GTO 元件的基本性能對比項目 GTO 元件 IGBT 元件電壓（V） 4500(6000) 3300(4000)電流（A） 3000~4000（可關(guān)斷電流） 1200開關(guān)頻率（HZ） 500 5000開關(guān)損耗 大 小通態(tài)損耗 小 大吸收回路損耗 大 小驅(qū)動功率 大 小di/dt,du/dt 限制 嚴(yán)格 不嚴(yán)保護功能 外設(shè) 完善的自我保護第 3 章 逆變器的控制技術(shù) 現(xiàn)代電力電子技術(shù)，特別是數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，促進了電力機車逆變器系統(tǒng)及控制技術(shù)的發(fā)展。各種先進的控制方式如正弦脈寬調(diào)制（SPWM） ，空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM） ，關(guān)聯(lián)指令脈寬調(diào)制等日趨成熟。使用這些先進的控制方式可以很大的提高逆變器的工作效率。脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)。脈 沖 寬 度 調(diào) 制 是 一 種 模 擬 控 制 方 式 ， 其 根 據(jù) 相 應(yīng) 載 荷 的 變 化 來 調(diào) 制 晶 體 管 柵 極 或基 極 的 偏 置 ， 來 實 現(xiàn) 開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 輸 出 晶 體 管 或 晶 體 管 導(dǎo) 通 時 間 的 改 變 ， 這 種 方 式 能使 電 源 的 輸 出 電 壓 在 工 作 條 件 變 化 時 保 持 恒 定 ， 是 利 用 微 處 理 器 的 數(shù) 字 輸 出 來 對 模 擬電 路 進 行 控 制 的 一 種 非 常 有 效 的 技 術(shù) 。 PWM控 制 的 基 本 原 理 很 早 就 已 經(jīng) 提 出 ,但 是 受 電 力 電 子 器 件 發(fā) 展 水 平 的 制 約 ,在 上世 紀(jì) 80年 代 以 前 一 直 未 能 實 現(xiàn) .直 到 進 入 上 世 紀(jì) 80年 代 ,隨 著 全 控 型 電 力 電 子 器 件 的出 現(xiàn) 和 迅 速 發(fā) 展 ,PWM控 制 技 術(shù) 才 真 正 得 到 應(yīng) 用 .隨 著 電 力 電 子 技 術(shù) ,微 電 子 技 術(shù) 和 自動 控 制 技 術(shù) 的 發(fā) 展 以 及 各 種 新 的 理 論 方 法 ,如 現(xiàn) 代 控 制 理 論 ， 非 線 性 系 統(tǒng) 控 制 思 想 的應(yīng) 用 ,PWM控 制 技 術(shù) 獲 得 了 空 前 的 發(fā) 展 .到 目 前 為 止 ,已 出 現(xiàn) 了 多 種 PWM控 制 技 術(shù) ,根 據(jù)PWM控 制 技 術(shù) 的 特 點 ,到 目 前 為 止 主 要 有 以 下 幾 類 方 法 ： 等 脈 寬 PWM法 、 隨 機 PWM 、 SPWM法 、 線 電 壓 控 制 PWM、 電 流 控 制 PWM、 空 間 電 壓 矢 量 控 制 PWM、 矢 量 控 制 PWM、直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 PWM、 非 線 性 控 制 PWM、 諧 振 軟 開 關(guān) PWM等 。 由 于 正弦PWM（SPWM）和電壓空間矢量（SVPWM）是應(yīng)用最多的兩種逆變器控制技術(shù)。在 此 主 要 介 紹 SPWM法 和 空 間 電壓 矢 量 控 制 PWM。（ 1） SPWM法 ： SPWM(Sinusoidal PWM)法 是 一 種 比 較 成 熟 的 ,目 前 使 用 較 廣 泛 的PWM法 .前 面 提 到 的 采 樣 控 制 理 論 中 的 一 個 重 要 結(jié) 論 :沖 量 相 等 而 形 狀 不 同 的 窄 脈 沖 加在 具 有 慣 性 的 環(huán) 節(jié) 上 時 ,其 效 果 基 本 相 同 .SPWM法 就 是 以 該 結(jié) 論 為 理 論 基 礎(chǔ) ,用 脈 沖 寬度 按 正 弦 規(guī) 律 變 化 而 和 正 弦 波 等 效 的 PWM波 形 即 SPWM波 形 控 制 逆 變 電 路 中 開 關(guān) 器 件 的通 斷 ,使 其 輸 出 的 脈 沖 電 壓 的 面 積 與 所 希 望 輸 出 的 正 弦 波 在 相 應(yīng) 區(qū) 間 內(nèi) 的 面 積 相 等 ,通 過 改 變 調(diào) 制 波 的 頻 率 和 幅 值 則 可 調(diào) 節(jié) 逆 變 電 路 輸 出 電 壓 的 頻 率 和 幅 值 .該 方 法 的 實現(xiàn) 有 以 下 幾 種 方 案 . 1） 等 面 積 法 ： 該 方 案 實 際 上 就 是 SPWM法 原 理 的 直 接 闡 釋 ,用 同 樣 數(shù) 量 的 等 幅 而不 等 寬 的 矩 形