任务一 PWM脉冲整流器

图4-1 交传机车牵引传动系统示意图
图4-2 交直型直流牵引传动系统的示意图
【学习任务】
4.1 二电平PWM整流器
脉冲变流器是列车是列车牵引传动系统电源侧逆变器，在牵引时作为整 流器，将单相交流电转变成直流电，再生制动时作为逆变器，将直流电转变成单 相交流电，它可方便运行于电压电流平面四个象限，所以也称了四象限脉冲整流 器。
uab uc
在任意瞬间，电路只能工作于上述开关模式中的一种。在不同时区，可以工 作于不同模式原理可以看到当电容充电时，主要依靠IGBT并联的二极管工作，输入电 感释放能量，输入电流变化取决于输入电压正负；当电容放电时，主要依靠 IGBT本身和二极管工作，输入电感储存能量，输入电流的变化同样取决于输 入电压正负。这是Boost型电路拓扑和IGBT所决定的工作方式。
两电平整流器也叫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:
·能量可以双向流动;
·从电网侧吸收的电流为正弦波;
·功率因数可到达1;
·减低了接触网的等效干扰电流，减少对通讯的干扰;
·可以保证中间回路直流电压在允许偏差内。
4.1.1 电压型桥式PWM整流电路的结构
本项目以大功率交流传动HXD1C型六轴7200kW交流传动电力 机车为例，介绍交传机车主牵引传动系统的结构与工作原理。
【学习目标】
1、掌握交传机车牵引传动系统的结构及主电路工作原理 与基本控制原理；
2、了解交传电力机车直流牵引传动系统的主要设备； 3、掌握交流牵引传动系统常用电力电子器件的结构与工
作原理及特性； 4、掌握交流牵引电机的结构、工作原理与技术参数； 5、掌握交传机车调速与制动的工作原理； 6、培养学生利用相关仪器、设备对交传机车牵引传动系
统维护、调试及常见故障分析与检修的能力； 7、掌握牵引变流器检查维护的安全操作规范。
【项目导入】
图4-1是交传机车牵引传动系统示意图，交流接触网提供 25KV工频电压，经过牵引变压器降压后，再经整流器将 交流整流变为脉动的直流。中间环节起能量支撑作用，主 要由滤波电容组成，将脉动的直流变成平稳的直流。最后 逆变器输出三相变压变频的交流电，提供给三相交流牵引 异步电动机。
uN
Ls
dis dt
is R uab
uab uc
4.1.3 单相电压型PWM整流电路工作过程分析
(3)工作模式3：
T2(D2)、T3(D3)导通时，此时储存在电容C中的能量逐渐流向负载L和
电感上，电流上升，通过D2和D3形成回路，且T1、T4同时关断。并满足关
系式
uN
Ls
dis dt
is R uab
(1)工作模式1： T1(D1)、T3(D3)或T2(D2)、T4(D4)导通时，即下桥臂开关或上桥开关
全部导通，此时=0，负载消耗的能量由电容C提供，直流电压通过负载RL形 成回路释放能量，电压下降。同时，电源两端直接加电感上，当>0时，即 处于正半周，电感中电流上升，T3和D1导通或者T2和D4导通，只要T2、T3 中的一个导通即。
单相电压型桥式PWM整流电路最初出现在交流机车传动系统中，为间接式 变频电源提供直流中间环节，电路结构如图4-3所示。
图4-3 单相PWM整流器结构 由图4-3所示，能量可以通过构成桥式整流的整流二极管D1～D4完成从 交流侧向直流侧的传递，也可以经全控器件T1～T2从直流侧逆变为交流， 反馈给电网。所以PWM整流器的能量变换是可逆的，而能量的传递趋势是 整流还是逆变，主要视T1～T4的脉宽调制方式而定。
4.1.2 单相电压型桥式整流电路的工作原理
（a） 整流工况 （b）逆变工况 图4-4 单相电压型PWM整流电路运行方式相量图
us1(t)设为交流侧电压US(t)的基波分量，iN1(t)为电流iN(t)的基波分量，忽 略电网电阻的条件下，对于基波分量，有下面的相量方程成立，即:
g
g
g
U N U S1 jLN I N1
当<0时，即处于负半周，电感中电流下降，T1和D3导通或者T4和D2导 通，只要T1、T4中的一个导通即可。
4.1.3 单相电压型PWM整流电路工作过程分析
(2)工作模式2：
T1(D1)、T4(D4)导通时，此时储存在电感中的能量逐渐流向负载R和电 容C上，电流下降，通过D1和D4形成回路，且T2、T3同时关断。直流侧电 流一方面给电容C充电，使得直流电压上升，保证直流电压稳定，同时高次 谐波电流通过电容形成低阻抗回路；另一方面给负载R提供恒定的电流，并 满足关系式
4.1.2 单相电压型桥式整流电路的工作原理
假设整流时有： UN UNm sint
调制波为：
ug (t) U gm sin(t )
设为三角载波幅值；为单极性SPWM波，在一个开关周期内的平均值表示为：
us
Ud U cm
U gm
sin(t
)
mU d
sin(t
)
定义正弦脉宽调制比：
m U gm U cm
并取： Us1m mUd
则根据相量图，相角表达式为：
4.1.3 单相电压型PWM整流电路工作过程分析
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°。
四象限整流器分别工作于四象限的工作状态：
4.1.3 单相电压型PWM整流电路工作过程分析
【项目描述】
早期因为交流变频调速技术的不成熟，机车牵引传动系统大都 采用直流牵引传动系统。随着电力电子器件的制造技术、基于电力电 子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩 控制技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以及以微型计算机 和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等迅速发展，使得交流 变频调速的性能获得极大的提高。现在机车交流传动系统已逐步取代 直流牵引传动系统，成为机车牵引传动的主流。直流牵引电动机结构 上固有的缺点与不足，以及交流变频调速传动系统诸多的优点注定了 交传机车取代直流机车会成为必然的趋势。