电力电子技术第9章 电力电子技术应用

变压器、2组牵引变流器、8台三相交流异步牵引电动 （1） 网侧高压电路
CT1 电流互感器1 VCB 真空断路器
25kV-50Hz
ACK1
C/I 变流器
交流接 触器 IM21 IM22 IM23IM24
M2(2,6)
IM-感应电动机， 即异步牵引电动机
C/I 变流器
IM11 IM12 IM13 IM14 M1(3,7)
每个牵引变流器基本上包括两个四象限斩波器 (4QC)、一个带串联谐振电路 的中间电压电路、一个过压限制器、一个支持电容和一个脉宽调制逆变器 (PWMI)。
K1 4QC
DC-Link
PWMI
1.1
Q1.1
1.2
K2
2.1
Q1.2
.. 1770V/50HZ
..
L2
R
C2
Cd ...
2.2
K2
牵引变流器结构框图
四
工作原理：
LN
VT1 VD1VT3 VD3
象
限
IN
UN
UST
CD
斩
UD
波
器
结
技术参数：
构
VT2 VD2VT4 VD4
图
4QC 输入频率：50 Hz
4QC 输入功率：牵引操作
约 2×1 430 kVA
制动操作
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
约 2×900 kVA
20
9.2.1 CRH系列动车组电力传动系统中的应用
（2）逆变器工作原理和技术参数
（2）中间直流环节 脉动现象:单相交流供电系统中，脉冲整流器的输出中总含有二次谐波 ，出现在中间直流环节，引起直流电压脉动。当逆变器频率接近脉动 频率时，牵引电动机电流产生脉动现象。
•CRH2型动车组沿用日本技术习惯，在中间直流环节不设置谐振电路 ，而是通过逆变器的软件控制，调节逆变器频率，使逆变器输出电压 正负周期的电压时间乘积趋于相等，来消除二次谐波电压的影响，大 幅度抑制牵引电动机电流脉动现象和转矩脉动现象。
3
9.1 交-直流传动电力机车牵引系统中的应用 9.1.1 国产交-直流传动电力机车主电路的特征 9.1.2 典型相控电力机车牵引传动系统主电路分析
4
9.1.1 国产交-直流传动电力机车主电路的特征
国产相控电力机车主电路形式及特征
型号 SS4G SS4B SS6B SS3B SS7/SS7B SS7C SS8 SS9 SS9G SS7D SS7E
676
5
676
75
S13
76 4KYK
3M H23
2ZR 3
37 3ZR
1WH
•
35•
C11
C21
10 • 1QGK
14
1CXR 11CXR 12CXR
11CC 12CC
C12
C13
3CXR 31CXR 32CXR
2CXR 21CXR 22CXR
C22
C23
31CC 32CC
21CC 22CC
20•
3QS
2AP
•
1LH
1
•
4QF 5F
91 •
• 92
I>
YGJ •
1ZGZR
1RV 1ZBR 93 1ZBC
609 610
6TV 80
A a1
•••
•
•
TPW
VT12
VD11 •
• 100
102QA
• 81
ZB 103PV
V~ 100
81
100TV
•
677
678 100
• 81
(D0610) X
105PJ 127•
6
9.1.2 典型相控电力机车牵引传动系统主电路分析
主电路 ✓ 电力机车完成能量转换 ✓ 产生牵引力与制动力 ✓ 实现机车启动、调速和制动
以SS3B为例，从主电路对电力机车的交-直流传动系 统进行分析，说明最基本的工作原理。
7
9.1.2 典型相控电力机车牵引传动系统主电路分析
25kV/50Hz
1AP •
1TB 601 602
x1 • a6
•• • 104
FBC 119
b6
FBR
x6
•
105 5LH
a3 • • •
c3
TPW
3ZBC
b3
3TB 605
3RV 3ZBR
606 x3 • • •
• VT11
VD12
•
•
•
•
•7
VT16 VT14 VD13 VT18
2ZGZR
• •
• • VT15 VT13 VD14 VT17
VT26
VT24
70
VD23
VT25 VT23 VD24 4
9.1.2 典型相控电力机车牵引传动系统主电路分析
三段不等分半控桥的调压控制过程与输出波形
段数 绕组
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
ax 11
1 2
1
1
2
2
ab 33
bx 33
1
1
4
4
1 4
u
1
d
2
3
1
4
u d 波形
I
d 波形
Id 2
3Id 4
I d
晶闸管
VT11-VT12移相 VD11-VD12续流
用途 货运 货运 货运 货运 货运 货运 客运 客运 客运 客运 客运
牵引主电路结构
电气制动电路
不等分三段半控桥相控调压 加馈电阻制动
不等分三段半控桥相控调压 加馈电阻制动
不等分三段半控桥相控调压 加馈电阻制动
不等分三段半控桥相控调压 加馈电阻制动
一段全控桥一段半控桥相控
再生制动
一段全控桥一段半控桥相控
工作原理：
+
VT1 VD1 VT3 VD3 VT5 VD5
-
Ud
三
2
U
相
•N
•
•
••
V
W
•
•
逆 变
+
Ud
器
2
原
VT4 VD4 VT6 VD6 VT2 VD2
理
图
技术参数：
PWMI 的输出功率为：
牵引操作
约 2 383 kW
制动操作
约 1 843 kW
21
9.2.1 CRH系列动车组电力传动系统中的应用
19
9.2.1 CRH系列动车组电力传动系统中的应用
（1）四象限整流器工作原理和技术参数 构成：两个完全相同AC-DC变流器。
（压这等两参个数子。系）统均由内部计算机监督控制，因此需要测量4QC内部的温度、电流和电
功能：该整流器在牵引工况可以将交流转化为直流，在实施再生制动
时将直流转换为交流反馈回电网。
构成：三个相同的桥臂构成一个三相变流器。，其功率模块为IGBT，IGBT的 开关状态由门电路驱动单元控制，门电路驱动单元根据中央控制单元（TCU ）的指令接通和断开IGBT
功能：既能将DC电能变成可控的三相对称交流电能，又能在电制动时又能反 过来把牵引电机发出来的三相交流电能变换成直流电能，实现对牵引电机的 牵引与制动控制。
•CRH3型动车组继承了欧洲技术特征，设置了二次谐波吸收回路，通 过LC串联谐振电路来消除二次谐波，电感0.603mH，电容4.42mF。
•CRH5没有设置二次谐波吸收回路，通过增大直流侧支撑电容的电容 值，以达到减少二次谐波电压的目的。中间支撑电容器由四个1mF、 三个1.67mF的电容器并联，实际容量为9.01mF。
16
CRH
9.2.1 CRH系列动车组电力传动系统中的应用
（3）牵引特性
系 列 动 车 组 牵 引 传 动 系 统 基 本 技 术 参 数
17
9.2.1 CRH系列动车组电力传动系统中的应用
2. CRH3型动车组牵引变流器分析
CRH3动车组有4台牵引变流器，
牵引变流装置组成：两组四象限整流器（4QC）、一组逆变器（控制4台
第9章 电力电子技术的应用
1
第9章 电力电子技术的应用
9.1 交-直流传动电力机车牵引系统中的应用 9.2 交-直-交流传动电力机车牵引系统中的应用 9.3 城市轨道车辆中的应用 本章小结
2
学习指导
※ 多重化整流电路在相控机车中的应用分析。 ※ 四象限整流器和逆变器在CRH系列动车组和HXD
系列机车中的应用分析。 ※ 斩波电路和逆变器在城轨车辆中的应用分析。
学习指导291交直流传动电力机车牵引系统中的应用?911国产交直流传动电力机车主电路的特征?912典型相控电力机车牵引传动系统主电路分析3911国产交直流传动电力机车主电路的特征国产相控电力机车主电路形式及特征4型号用途牵引主电路结构电气制动电路ss4g货运不等分三段半控桥相控调压加馈电阻制动ss4b货运不等分三段半控桥相控调压加馈电阻制动ss6b货运不等分三段半控桥相控调压加馈电阻制动ss3b货运不等分三段半控桥相控调压加馈电阻制动ss7ss7b货运一段全控桥一段半控桥相控再生制动ss7c货运一段全控桥一段半控桥相控再生制动ss8客运不等分三段半控桥相控调压加馈电阻制动ss9客运不等分三段半控桥相控调压加馈电阻制动ss9g客运不等分三段半控桥相控调压加馈电阻制动ss7d客运不等分三段半控桥相控调压加馈电阻制动ss7e客运不等分三段半控桥相控调压加馈电阻制动911国产交直流传动电力机车主电路的特征我国干线相控电力机车主电路存在着如下基本技术特征
DC环节电容器是变流器的无功功率源，起到稳定DC电压的作用，这对 变流器的能量转换过程来讲是非常关键的。
限压电阻器专用于保护牵引功率转换器，以防过压。若功率转换器出现 故障时，电阻器可以保证使中间电路以规定方式安全放电。一旦电源线不能 保证电气制动能量的吸收，转换器立即将电气制动能量转换为热能释放。
VT11-VT12 全开放
VT13-VT14移相
VT11-VT14 全开放
VT15-VT16移相
注意：在接触网允许工作的最低电压下，当第三段半控桥完全开放时
要能够保证牵引电动机的额定电压。
9.2 交-直-交流传动电力机车牵引系统中的应用 9.2.1 CRH系列动车组电力传动系统中的应用 9.2.2 “和谐”系列电力机车中的应用
•
2QGK
30 •
•
3QGK
24 3
•
34
8
675
7ZLH
669 676
•
S12 1KYK
9 1ZJDK 1XLR 95 • 19
1ZJDR 1ZJDJ
1FLR
100X
96
-+
8•
210
9.1.2 典型相控电力机车牵引传动系统主电路分析 • 1. 网侧高压电路
受电弓升起与接触网线接触后，将25kV、50Hz单相交流电通过主断路 器4QF、高压电流互感器1HL引入主变压器一次绕组A-X，经低压电流 互感器2HL后接至车体，再经接地装置到车轮，通过钢轨向变电所回流 ，形成高压供电回路。
23
CRH2型动车组主电路（一个动力单元）
9.2.1 CRH系列动车组电力传动系统中的应用
（2） 牵引变压器 CRH2型动车组采用ATM9型牵引变压器
作适用合：的将电从压接触网上取得的25kV高压电变换为牵引变流器及其他电器工作所
9.1.2 典型相控电力机车牵引传动系统主电路分析 • 2. 整流调压电路
整流调压电路
9.1.2 典型相控电力机车牵引传动系统主电路分析
➢SS3B型电力机车主变压器ZB的二次绕组由两组对称的绕组构成。每 组绕组设计为两段完全对称的绕组（完整绕组），并将其中的一段 绕组设计为中抽式结构，这样可形成三段不对称绕组，各段绕组的 匝数比为2∶1∶1。
•3
Wh •
•
100X •••••
100
1E 2E 3E 4E 5E 6E
1PK
5
•
1XC
2XC
3XC
13 1ZLH
S11 1M
H21
675 661 676 75
U1 U2
76
23 2ZLH
675
667
S12
676 2M
H22
17 1ZR
1WH 15 •
1WH
•
25•
33
675 662
3ZLH
675 663
牵引电机）、一组牵引控制装置、冷却系统及中间直流环节。
主要功能:
1770V/50HZ
位置：位于 EC01 / EC08 和 IC03 / IC06 车底架下的牵引箱中，牵引变流 器冷却装置在每个牵引箱的旁边。
18
9.2.1 CRH系列动车组电力传动系统中的应用
2. CRH3型动车组牵引变流器分析
➢ 网侧25kV、50Hz的高压电经主变压器ZB降压，在二次侧各段完整 绕组上输出电压为1071V。对于每组绕组，分别产生三段电压，即 1071V、535.5V、535.5V，经整流装置（1ZGZ或2ZGZ）整流后，向 1M～3M或4M～6M供电。
➢SS3B型电力机车采用双拍全波桥式整流电路，主整流桥（1ZGZ或 2ZGZ）采用三段半控桥式串联接法，其中第二、三段小桥是一种叠 加式经济桥接法。不等分三段半控桥整流电路原理如图所示。
技术参数：
牵引电压操作
约 2 700– 3 600 V
制动电压操作
约 2 800– 3 600 V
22
9.2.1 CRH系列动车组电力传动系统中的应用
3. CRH2电力牵引传动系统主电路分析
CRH2动车组由两个基本动力单元组成，2M2T构成一个基本动力单元。 组成：一个基本动力单元的牵引传动系统，主要由网侧高压电路、1台牵引
（3）中间电路的特点和技术参数
构成：一个带串联谐振电路的中间电压电路、一个过压限制器 (MUB) 、接地 故障检测模块 (ESE)、限压电阻器等。
动车组配有四个限压电阻器。每个限压电阻器分配给一个动力装置
功能：过压限制器 (MUB) 用于减少牵引中间电路的过压情况，防止对牵引电 路的功率半导体造成损坏。
14
9.2.1 CRH系列动车组电力传动系统中的应用 1. CRH系列动车组电力传动系统特征
（1）变流器结构与控制
• CRH系列动车组都采用四象限变流器，VVVF控制。 • 变流器电路结构不同，CRH2采用三电平脉冲变流器，
CRH3、CRH5采用两电平脉冲变流器。
15
9.2.1 CRH系列动车组电力传动系统中的应用
9.1.2 典型相控电力机车牵引传动系统主电路分析
三段不等分半控桥整流电路原理
1
1ZGZ
VD11
VT12
VD12
VT11
7
VT18 VD13
VT14 VT16
3 VT17 VD14 VT13 VT15
ZB
a1
a2
A
x1
x2
u1
a3
a4
c3
b3
b4
x3
X x4
2ZGZ VT22
2
VD21
VT21
VD22
再生制动
不等分三段半控桥相控调压 加馈电阻制动
不等分三段半控桥相控调压 加馈电阻制动
不等分三段半控桥相控调压 加馈电阻制动
不等分三段半控桥相控调压 加馈电阻制动
不等分三段半控桥相控调压 加馈电阻制动 5
9.1.1 国产交-直流传动电力机车主电路的特征 我国干线相控电力机车主电路存在着如下基本技术特 征： 主电路调压方式采用多段整流桥串联形式，以三段不 等分半控整流桥为主； 电气制动主要采用加馈电阻制动方式， SS7/SS7B/SS7C采用再生制动方式