【正文】 sturbance, the operation simple, low maintenance, easytostandard, generic and modular and other advantages. Therefore, AC DC AC electric lootive has bee the most widely used electric lootives. Inverter in the DC traction system played the role of threephase AC inverter into the supply motor is running, it is the traction system can play an important role in normal operation. But for AC DC AC power for electric lootive that occasion, the inverter switching frequency islow, will have a lot of loworder harmonics, ranging from the performance of the system, readjustment will cause the entire speed control of the system failed, so it needs to be PWM modulation. AC Speed Control System PWM modulation as a key link in the merits of its design is directly related to system performance. Key words: electric lootives, AC DC AC electric lootive, PWM modulation 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 1 第 1 章 緒論 電力機(jī)車由 牽引電動機(jī) 驅(qū)動車輪的機(jī) 車。電力機(jī)車也隨之由直流制機(jī)車發(fā)展到交流機(jī)車和多流制機(jī)車。工頻交流電力機(jī)車主要采用水銀整流器或硅整流器與脈流牽引電機(jī)和高壓側(cè)或低壓側(cè)開關(guān)調(diào)壓系統(tǒng)。另一方面。其發(fā)展和國際上發(fā)展的路徑相類似，即由直流傳動到交直電傳動的發(fā)展。產(chǎn)品 SS1 型成批生產(chǎn)，自主研制成功 SS2 型。 1989 年開始打批量生產(chǎn)，是中國第 2 代干線主型機(jī)車，此期間。 1985 年和 1986 年進(jìn)口 8K 和 6K 機(jī)車的同時，引進(jìn)了大量先進(jìn)技術(shù)。 2021 年我國研制出第 1臺有自主知識產(chǎn)權(quán)交流傳動客運(yùn)電力機(jī)車，標(biāo)志著我國交流傳 動機(jī)車技術(shù)跨上了一個新臺階 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 3 交 直 交牽引系統(tǒng)的構(gòu)成及特點(diǎn) 以電壓型交直交變流器供電、三相異步電動機(jī)作牽引電動機(jī)的機(jī)車為例，其包括整流器、逆變器、電抗器、三相異步電動機(jī)等。具體電路可以是不可控整流橋、相控整橋流、四象限脈沖變流器?；虿捎秒妷合嗔浚?VVCPWM）控制技術(shù)，降低電機(jī)損耗，減少網(wǎng)壓波動的影響。由于 .三相異步電動 機(jī)結(jié)構(gòu)中無換向器，所以相同功率的電機(jī)，異步電動機(jī)的重量輕、體積小，可使機(jī)車轉(zhuǎn)向架簧下部分重量相應(yīng)減少，在機(jī)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。 。 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(jī)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(jī)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(jī)的磁場電流和電樞電流可以單獨(dú)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)。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(jī)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(jī)與直流電動機(jī)有所不同但其工作原理基本上與直流電機(jī)相同，仍然無法改變電機(jī)存在的火花和環(huán)火的致命缺欠。 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(jī)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、河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 5 維修工作少、易于標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化等優(yōu)越性。使得機(jī)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(jī)車的功率系數(shù)都在 以上。較于其它機(jī)車成本較低。 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 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 6 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(jī)所需的三相交流電壓向電機(jī)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。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。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。如圖 三相逆變器主電路所示 圖 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。 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(diǎn)。 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 8 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(xiàng)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(hù)功能 外設(shè) 完善的自我保護(hù) 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 9 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(jìn)了電力機(jī)車逆變器系統(tǒng)及控制技術(shù)的發(fā)展。 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(shí)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(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。 （ 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(shí)現(xiàn)有以下幾種方案 . 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 10 1）等面積法：該方案實(shí)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脈沖序列代替正弦波 ,然后計算各脈沖的寬度和間隔 ,并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中 ,通過查表的方式生成 PWM信號控制開關(guān)器件的通斷 ,以達(dá)到預(yù)期的目的 .由于此方法是以 SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn) ,可以準(zhǔn)確地計算出各開關(guān)器件的通斷時刻 ,其所得的的波形很接近正弦波 ,但其存在 計算繁瑣 ,數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大 ,不能實(shí)時控制的缺點(diǎn) . 2）硬件調(diào)制法：硬件調(diào)制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的 ,其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號 ,把接受調(diào)制的信號作為載波 ,通過對載波的調(diào)制得到所期望的 PWM波形 .通常采用等腰三角波作為載波 ,當(dāng)調(diào)制信號波為正弦波時 ,所得到的就是 SPWM波形 .其實(shí)現(xiàn)方法簡單 ,可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路 ,用比較器來確定它們的交點(diǎn) ,在交點(diǎn)時刻對開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制 ,就可以生成 SPWM波 .但是 ,這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,難以實(shí)現(xiàn)精確的控制 . 3）軟件生成 法：由于微機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成 SPWM波形變得比較容易 ,因此 ,軟件生成法也就應(yīng)運(yùn)而生 .軟件生成法其實(shí)就是用軟件來實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法 ,其有兩種基本算法 ,即自然采樣法和規(guī)則采樣法 . 4）自然采樣法：以正弦波為調(diào)制波 ,等腰三角波為載波進(jìn)行比較 ,在兩個波形的自然交點(diǎn)時刻控制開關(guān)器件的通斷 ,這就是自然采樣法 .其優(yōu)點(diǎn)是所得 SPWM波形最接近正弦波 ,但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性 ,脈沖中心在一個周期內(nèi)不等距 ,從而脈寬表達(dá)式是一個超越方程 ,計算繁瑣 ,難以實(shí)時控制 . 5）規(guī)則采樣法：規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用 方法 ,一般采用三角波作為載波 .其原理就是用三角波對正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波 ,再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時刻控制開關(guān)器件的通斷 ,從而實(shí)現(xiàn) SPWM法 .當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn) (或底點(diǎn) )位置對正弦波進(jìn)行采樣時 ,由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬 ,在一個載波周期 (即采樣周期 )內(nèi)的位置是對稱的 ,這種方法稱為對稱規(guī)則采樣 .當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時刻對正弦波進(jìn)行采樣時 ,由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬 ,在一個載波周期 (此時為采樣周期的兩倍 )內(nèi)的位置一般并不對稱 ,這種方法稱為非對稱規(guī)則采樣 . 規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進(jìn) ,其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計算簡單 ,便于在線實(shí)時運(yùn)算 ,其中非對稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦 .其缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低 ,線性控制范圍較小 . 以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中 . 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 11 6）低次諧波消去法：低次諧波消去法是以消去 PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法 .其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數(shù)展開 ,表示為 tt nanu ?? sin? ,首先確定基波分量 a1的值 ,再令兩個不同的 an=0,就可以建立三個方程 ,聯(lián)立求解得 a1,a2及 a3,這樣就可以消去兩個頻率的諧波 . 該方法雖然可以很好地消除所指 定的低次諧波 ,但是 ,剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會相當(dāng)大 ,而且同樣存在計算復(fù)雜的缺點(diǎn) .該方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中 . 7）梯形波與三角波比較法前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的 ,從而忽視了直流電壓的利用率 ,如 SPWM法 ,其直流電壓利用率僅為 %.因此 ,為了提高直流電壓利用率 ,提出了一種新的方法 梯形波與三角波比較法 .該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號 ,三角波為載波 ,且使兩波幅值相等 ,以兩波的交點(diǎn)時刻控制開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn) PWM控制 . 由于當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時 ,其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值 ,從而可以有效地提高直流電壓利用率 .但由于梯形波本身含有低次諧波 ,所以輸出波形中含有 5次 ,7次等低次諧波 . （ 2）空間電壓矢量控制 PWM：空間電壓矢量控制 PWM(SVPWM)也叫磁通正弦 PWM法 .它以三相波形整體生成效果為前提 ,以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的 ,用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通 ,由它們的比較結(jié)果決定逆變器的開關(guān) ,形成 PWM波形 .此法從電動機(jī)的角度出發(fā) ,把逆變器和電機(jī)看作一個整體 ,以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制 ,使電機(jī)獲得 幅值恒定的圓形磁場 (正弦磁通 ). 具體方法又分為磁通開環(huán)式和磁通閉環(huán)式 .磁通開環(huán)法用兩個非零矢量和一個零矢量合成一個等效的電壓矢量 ,若采樣時間足夠小 ,可合成任意電壓矢量 .此法輸出電壓比正弦波調(diào)制時提高 15%,諧波電流有效值之和接近最小 .磁通閉環(huán)式引 入磁通反饋 ,控制磁通的大小和變化的速度 .在比較估算磁通和給定磁通后 ,根據(jù)誤差決定產(chǎn)生下一個電壓矢量 ,形成 PWM 波形 .這種方法克服了磁通開環(huán)法的不足 ,解決了電機(jī)低速時 ,定子電阻影響大的問題 ,減小了電機(jī)的脈動和噪音 .但由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié) ,系統(tǒng)性能沒有得到根本性的 改善 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 12 SPWM 的特點(diǎn)與原理 由于本文