【正文】 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .............................. 6 功率開關(guān)器件的選擇 ............................... 7 第 3章 逆變器的控制技術(shù) ............................. 9 SPWM的特點(diǎn)與原理 ................................ 12 空間電壓矢量 SVPWM ............................... 14 SVPWM 的基本原理 ............................. 14 逆變器輸出電壓矢量和正六邊形磁鏈軌跡控制 ...... 16 電壓空間矢量的合成方法 ....................... 18 SVPWM 矢量組合模式的選擇 ...................... 19 ） II 第 4章 逆變器控制仿真 ................................ 22 器件介紹及參數(shù)設(shè)置 .............................. 24 基于 SPWM 的逆變器仿真 ........................... 33 電壓空間矢量 SVPWM ............................... 35 減少低次諧波的方案 .............................. 38 增加開關(guān)頻率 ................................. 38 加入濾波電抗 ................................. 41 比較總結(jié) ........................................ 43 第 5章 結(jié)論 .......................................... 45 全文總結(jié) ........................................ 45 下一步的工作思考 ................................ 45 參考文獻(xiàn) ............................................. 46 致謝 ................................................. 47 ） III 交 — 直 — 交電力機(jī)車 逆變器 PWM 調(diào)制 摘要 電力機(jī)車由牽引電動機(jī)驅(qū)動車輪的機(jī)車。 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。 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(jī)運(yùn)行，它對整個牽引系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行起到重要作用。 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(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的性能。電力機(jī)車因?yàn)樗桦娔苡呻姎饣?鐵路供電系統(tǒng) 的接觸網(wǎng)或第三軌供運(yùn)行中的電力機(jī)車給，所以是一種非自帶能源的機(jī)車。使用電力機(jī)車牽引車列，可以提高 運(yùn)行速度和 承載重量 ，從而大幅度地 提高鐵路 的運(yùn)輸能力和通過能力 電力機(jī)車的發(fā)展歷史 國外電力機(jī)車發(fā)展概況 從供電網(wǎng)電流制來看，電力牽引經(jīng)歷了從直流制（ 或 3KV）到單相低頻交流（ 15KV,50/3HZ或 11KV,25HZ），再到單相工頻交流（ 25kv， 50hz 或 60hz，個別 20kv 和 50kv）3 個主要發(fā)展階段。采用直流制的國家主要有日本、法國、意大利等；采用單相低頻交流制的國家主要有德國、瑞典、奧地利、挪威和美國；采用單相工頻交流制的國家有法國、日本、印度、英國等。 20 世紀(jì) 70 年代以前，直流電力機(jī)車普遍采用直流牽引電動機(jī)和高壓側(cè)調(diào)壓開關(guān)調(diào)壓系統(tǒng)；低頻交流電力機(jī)車幾乎全部采用單相交流整流子 牽引電動機(jī)高壓側(cè)調(diào)壓開關(guān)系統(tǒng)。 20 世紀(jì) 70 年代開始，隨著大功率晶閘管及電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流電力機(jī)車逐漸采用斬波調(diào)壓；單相工頻整流器電力機(jī)車逐步被晶閘管相控電力機(jī)車取代；在采用交流制的國家中，以瑞典為代表，包括奧地利，著重發(fā)展晶閘管相控電力機(jī)車，而德國和瑞士再使用少量相控機(jī)車的同時(shí)。 在 80 年代，一方面，直流斬波機(jī)車和交流相控機(jī)車技術(shù)得到進(jìn)一步完善和發(fā)展。以 1979 年問世的第一 臺 E120 型交流傳動電力機(jī)車（原聯(lián)邦德國 BBC 公司制造）為轉(zhuǎn)機(jī)，三相交流傳動電力機(jī)車在德國第一些國家投入運(yùn)營并得到迅速發(fā)展。目前這些國家早已停止了用于本國的直流傳動和交直傳動電力機(jī)車的生產(chǎn) 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 2 、中國電力機(jī)車發(fā)展概況 中國電力機(jī)車在 40 多年的風(fēng)雨中不斷發(fā)展進(jìn)步，前后共經(jīng)歷了 3 個階段，開發(fā)了 4代產(chǎn)品。 第一 階段（ 1956~1968 年）是中國電力機(jī)車早期引進(jìn)仿制階段 1956 年中國政府提出要迅速地、有步驟地研制使用電力機(jī)車。 1958 年仿制出第一臺電力機(jī)車，即 6Y1型干線電力機(jī)車，此后經(jīng)過多次改進(jìn)，到 1968 年， 6Y1 型改名為 SS1 型，是第一代機(jī)車，開始小批量生產(chǎn)； 第二階段（ 1968~1985 年）是中國電力機(jī)車艱難的成長階段 這期間跳出了照搬國外電力機(jī)車的模式，走上了自我發(fā)展的道路。 1979 年株 洲電力機(jī)車工廠設(shè)計(jì)試制成功 SS3型機(jī)車， SS3 是在吸收了 SS1 和 SS2 的成熟經(jīng)驗(yàn)。 SS3 機(jī)車綜合性能優(yōu)于 SS1型。 1985 年 9 月在株洲電力機(jī)車工廠試制成功我國第 1 臺相控電力機(jī)車 SS4 貨運(yùn)電力機(jī)車， SS4 是中國第 3 代電力機(jī)車 第三階段（ 1984~至今）是中國電力機(jī)車迅速發(fā)展階段 此階段我國第 3 代電力機(jī)車發(fā)展形成多機(jī)型系列，基本形成了較為完整的 8 軸貨運(yùn)、客運(yùn)系列。此期間株洲電力機(jī)車工廠第工廠和株洲電力機(jī)車研究所第科研單位得以大規(guī)模改造，新增很多先進(jìn)專用設(shè)備和實(shí)驗(yàn)檢測設(shè)備，引進(jìn)大量先進(jìn)技術(shù)。經(jīng)過消化吸收，結(jié)合中國電力機(jī)車實(shí)際和優(yōu)秀的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，先后自主研制成功第 3代機(jī)車 11 種，有 SSSS SS SS SS8 以及它們的派生型 SS4b、 SS4c、 SS6b、 SS7b、 SS7c 第。同時(shí)還研制成功了第 4代機(jī)車 C4000 型交流傳動機(jī)車。 電壓型異步電動機(jī)電力機(jī)車工作原理 機(jī)車在工作時(shí)，將電網(wǎng)歹念壓引入機(jī)車變壓器一次側(cè)繞組，經(jīng)變壓器二次側(cè)繞組降壓后送入①環(huán)節(jié) （整流環(huán)節(jié)），將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)②環(huán)節(jié)平滑Ａ處脈動，送入③環(huán)節(jié)，將直流電逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電，經(jīng)④環(huán)節(jié)平波電抗器，供給三相異步牽引電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)牽引運(yùn)行。各環(huán)節(jié)的作用分述如下： ①環(huán)節(jié) —— 整流電路基本作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。 ②環(huán)節(jié) —— 直流環(huán)節(jié)濾波器基本作用是平滑Ａ處的紋波（脈動），消除或減少諧波含量，改善機(jī)車的功率因數(shù)。 ③環(huán)節(jié) —— 逆變器用于將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，同時(shí)為了機(jī)車調(diào)速的需要，它具有較寬的調(diào)頻范圍和調(diào)壓范圍，一般采用正弦波脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù)。 ④環(huán)節(jié) —— 電抗器，有三大作用。 系統(tǒng)的工作特點(diǎn)： 功率 /體積比大。同時(shí)，由于電動機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)簡單，幾乎無需維修。由于異步電動機(jī)具有很穩(wěn)定的機(jī)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(shí)又有利于提高列車的加速度，縮短機(jī)車啟動和制動時(shí)間 。異步電動機(jī)的正、反轉(zhuǎn)及牽引、制動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，通過機(jī)車控制電河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 4 路就能實(shí)現(xiàn)，不需要改變主線路，所以機(jī)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(fèi)用。但是直流電動機(jī)在結(jié)構(gòu)上有嚴(yán)重的缺點(diǎn)，由于它存在電刷和換向器，致使電機(jī)不僅工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴，而且在運(yùn)行中容易產(chǎn)生火花和環(huán)火現(xiàn)象，這就要求電機(jī)換向片之間的電壓不能過高。 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(jī)（所謂的純直流傳動）改為使 用它勵直流電動機(jī)，即采用可控硅電源供給它勵電動機(jī)勵磁（所謂的交 — 直流傳動）。 交 — 直 — 交牽引系統(tǒng)采用三相交流電動機(jī)，由于其轉(zhuǎn)子沒有機(jī)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(yùn)行可靠，能以更高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，可以滿足高功率、大容量牽引傳動裝置的 要求。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(jī)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(jī)車的牽引傳動。由于異步電動機(jī)軸功率大、體積小，使得機(jī)車具有適合低速大牽引力，以較少的動軸保證列車高速運(yùn)行時(shí)所需的功率。近年生產(chǎn)的交流傳動電力機(jī)車，網(wǎng)側(cè)采用了四象限脈寬調(diào)制整流器。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。當(dāng)列車需要制動時(shí)，機(jī)車將列車的動能變?yōu)殡娔埽答佒两佑|網(wǎng)，節(jié)約了能耗。因此 交 — 直 — 交牽引系統(tǒng) 將更廣泛的運(yùn)用于電力機(jī)車中。但是 對于交 — 直 — 交電力機(jī)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(jìn)行 PWM 調(diào)制，減少其低次諧波。 現(xiàn)代逆變器的特點(diǎn)是趨向于采用 IGBT 及無吸收電路。同時(shí)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(hù)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。 逆變器主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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，電壓方向改變 ，毋需反并聯(lián)二極管。故本課題采用電壓型逆變器。 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)河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 7 載的滯后電流提供一條反饋到電源的通路。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(dá)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?yàn)?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?yàn)?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。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。 GTR 飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大 。IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。各種先進(jìn)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。 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(jìn)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(shí)現(xiàn) .直到進(jìn)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(diǎn) ,到目前為止主要有以下幾類方法： 等脈寬 PWM法、隨機(jī) 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。 在此主要介紹 SPWM法和空間電壓矢量控制 PWM。電壓脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（電壓 SPWM），顧名思義就是指利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成電壓正弦的輸出，實(shí)現(xiàn)變壓、變頻控制并且可以較好的消除諧波。正弦脈寬調(diào)制的方法也叫三角波調(diào)制方法。正弦波的頻率和幅值是可控的，只要改變正弦波的頻率，就可以改變輸出脈沖的頻率，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速；改變正弦波的幅值，它與三角波的交點(diǎn)發(fā)生改變，是輸出的逆變脈沖序列的寬度發(fā)生變化，從而改變輸出脈沖的電壓，其 SPWM 生成的原理如圖 所示，通過生成的 SPWM 信號來控制逆變器的開關(guān)斷從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速。為了得到 三相 橋式逆變器所需的三相對稱河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 13 SPWM 脈沖，逆變器三相輸出端 A,B,C 相電壓之間的相位必須互差 120176。它們之間也必須保持 120176。從原理上講，三相 SPWM 脈沖的產(chǎn)生可以每相調(diào)制波單獨(dú)配備一個載波，也可以三相共用一個載波。為了嚴(yán)格的保證三相之間的相位差，載波比應(yīng)該設(shè)