第三章 电力机车交-直-交传动系统主电路
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2、用电流型逆变器给异步电动机供电的显著优势，在于容易实 现电机和电网之间的电能互馈，如图3-3。
Ld + Id 3~ P α<900 整流 逆变 ω1＞ω
-
Ld Id 3~ P + Α>900 逆变 整流
~Βιβλιοθήκη Baidu
~
图3-3 电流型逆变器的可逆运行（a）电动机运行 （b）发电机运行
当在电动机运行状态时，整流器控制角 900 ，输出直流电压 上“＋”下“－”，电流由正端流入逆变器，电机电压、电流同 向吸收电能为电动机工况。
若调整逆变器输出电流的频率，使电机磁场同步转速 n1 下 降，当 n1 n 时，转为异步发电机运行状态，逆变器成为整流器， 由电机向直流环节输出电能，对于电流型逆变器，电流方向不变， 900 只需调整整流器控制角 ，使直流环节电压反向，为上“－” 下“＋”，使发电机能量再转变为交流电能回馈电网，对电机而 言是制动过程，称为回馈制动，或“再生制动”，可见用电流型 逆变器实施再生制动简单、方便。 电压型逆变器由于直流回路中的并联电容，使得整流器输出 直流电压极性不能改变，因此不能象电流型逆变器那样调整控 制角方便地实现回馈制动。
按照上述三个原则，1800导通型逆变器功率元件S1 ~ S6的 导通顺序如表3-1所列。
表3-1 1800导通型逆变器功率元件导通表
时间段 0~π/3 π/3 ~ 2π/3 2π/3 ~π π~4π/3 4π/3 ~ 5π/3 5π/3 ~ 2π S1 S1 S1 S2 S2 S2 S3 S3 S3 S4 S4 S4 S5 S5 S6 导通元件 S5 S6 S6
第三章 电力机车交－直－交传动系统的主电路
3.1交—直—交电牵引系统主电路的组成
交流电力机车中普遍采用交—直—交异步电动机变频调速系 统。主电路设备包括整流器、直流中间环节、逆变器、三相笼型 异步牵引电动机，如图3-1所示。
1 2 给定
检测控制
3
整流 器
直流中 间环节
逆变 器
M 3~
1－受电弓 2－主断路器 3－牵引变压器 图3－1 交－直－交牵引系统的组成
1、整流器（也称电网侧变流器）：把来自接触网通过牵引变压 器接入的单相交流电转换为直流，通常采用四象限脉冲整流器； 2、中间直流环节：为整流滤波和平衡功率波动的储能电路； 3、逆变器：主电路结构如下图所示，是用 6个半导体开关器件 S1~S6组成的三相桥式逆变电件的通断，可以得到不路。按照 一定规律控制同频率的三相交流输出各半导体开关器件的通断， 可以得到不同频率的三相交流输出。 4、三相笼型异步牵引电动机：实现电能、机械能转变，牵引电 动机的转矩和转速，决定了机车（动车组）发挥的牵引力、电 制动力和运行速度，也是整个牵引系统综合的被控制对象。
交－直－交电力机车系统一般采用电压型逆变器，这是基 于： （1）一台电压型逆变器可以对多台电动机并联供电；
（2）对牵引电动机电流的控制可以通过调节逆变器的电压输出 来实现，响应速度快，通过脉宽调制（PWM）电压波形可以接 近正弦波； （3）至于再生制动的问题，现在交流机车上在电网侧采用四象 限脉冲整流器，取代不可逆相控整流器，机车的再生制动问题 已经得到解决。基于上述原因，在以后的章节中只讨论电压源 逆变器。
注：以指向O点的电压为“＋”，离开O点的电压为“－”
逆变器输出线电压为：
u AB = u AO - uOB u BC = u BO - uOC uCA = uCO - uOA
(3－1)
根据表3-2和式（3-2）可作出1800导通型逆变器输出三相相电 压和线电压波形图，如图3-5(a)、(b)：
3.1 交－直－交电压型逆变器和电流型逆变器
交－直－交逆变器按照直流中间环节采用的滤波器不同可分 为电压型逆变器和电流型逆变器两类。 如采用大电容滤波器与逆变器并联，则输入直流电压平直， 可以看作内阻为零的恒压直流电源，称为电压型逆变器，如果采 用大电感滤波器与逆变器串联，则输入电流平直，相当于一个恒 流源，称为电流型逆变器，如图3-2所示。
3.3 交－直－交1800导通型逆变器
图3-4 所示为二电平电压源逆变器带三相电阻性负载。其中， S1 ~ S6是6个单向导电的功率半导体开关，每个功率开关反并联一 只续流二极管。
S1
C
S3
S5
RA
A B
C
RC
O
RB
S4
S6
S2
图 3-4 三相电压型逆变器电阻负载原理电路
控制S1 ~ S6有规律的导通和关断，可在逆变器输出端A、B、 C得到对称的三相电压。所谓1800导通型的通、断规律概括如下： （1）每瞬时A、B、C三相桥臂必有一个（上或下）功率元件导 通，S1 ~ S6轮流导通一次为一个周期（3600电角）； （2）每隔600替换一个功率元件，替换过程称为换流，换流元 件处于同一桥臂，为不造成直流环节短路，换流必须是按“先 断后通”的原则进行。通、断之间应有一定时间间隔，称为 ‘死区’，间隔时间的长短由器件的关断时间决定； （3）每个功率元件在一个周期内总共导通1800，故称之为1800 导通型逆变器。
＋ ＋
Ud
－
Cd
(a )
逆 变 器
Ud
－
Id
(b)
逆 变 器
图3-2 (a)电压型逆变器 (b)电流型逆变器
两类逆变器虽然只是滤波环节不同，在性能上却有明显的差异：
1、电压型逆变器，由于大电容的滤波作用，输入逆变器的直流 电压极性不变，逆变器输出电压是三相对称的矩形电压波，或由 矩形脉冲电压波合成，而逆变器输出电流波形由负载决定； 电流型逆变器，电感储能使逆变器输出三相对称矩形电流波， 而输出电压波形却取决于负载。
设逆变器直流输入电压为 U d，电阻性负载为‘Y’接，按表3u A0 、u B 0 、uC 0 如表3-2。 1的导通顺序，逆变器输出的相电压
表3-2 1800导通电压型逆变器输出相电压 0－π/3 π/3-2π/3 uAO uBO uCO +Ud/3 -2Ud/3 +Ud/3 +2Ud/3 -Ud/3 -Ud/3 2π/3-π +Ud/3 +Ud/3 -2Ud/3 π-4π/3 -Ud/3 +2Ud/3 -Ud/3 4π/3-5π/3 -2Ud/3 +Ud/3 +Ud/3 5π/3-2π -Ud/3 -Ud/3 +2Ud/3
Ld + Id 3~ P α<900 整流 逆变 ω1＞ω
-
Ld Id 3~ P + Α>900 逆变 整流
~Βιβλιοθήκη Baidu
~
图3-3 电流型逆变器的可逆运行（a）电动机运行 （b）发电机运行
当在电动机运行状态时，整流器控制角 900 ，输出直流电压 上“＋”下“－”，电流由正端流入逆变器，电机电压、电流同 向吸收电能为电动机工况。
若调整逆变器输出电流的频率，使电机磁场同步转速 n1 下 降，当 n1 n 时，转为异步发电机运行状态，逆变器成为整流器， 由电机向直流环节输出电能，对于电流型逆变器，电流方向不变， 900 只需调整整流器控制角 ，使直流环节电压反向，为上“－” 下“＋”，使发电机能量再转变为交流电能回馈电网，对电机而 言是制动过程，称为回馈制动，或“再生制动”，可见用电流型 逆变器实施再生制动简单、方便。 电压型逆变器由于直流回路中的并联电容，使得整流器输出 直流电压极性不能改变，因此不能象电流型逆变器那样调整控 制角方便地实现回馈制动。
按照上述三个原则，1800导通型逆变器功率元件S1 ~ S6的 导通顺序如表3-1所列。
表3-1 1800导通型逆变器功率元件导通表
时间段 0~π/3 π/3 ~ 2π/3 2π/3 ~π π~4π/3 4π/3 ~ 5π/3 5π/3 ~ 2π S1 S1 S1 S2 S2 S2 S3 S3 S3 S4 S4 S4 S5 S5 S6 导通元件 S5 S6 S6
第三章 电力机车交－直－交传动系统的主电路
3.1交—直—交电牵引系统主电路的组成
交流电力机车中普遍采用交—直—交异步电动机变频调速系 统。主电路设备包括整流器、直流中间环节、逆变器、三相笼型 异步牵引电动机，如图3-1所示。
1 2 给定
检测控制
3
整流 器
直流中 间环节
逆变 器
M 3~
1－受电弓 2－主断路器 3－牵引变压器 图3－1 交－直－交牵引系统的组成
1、整流器（也称电网侧变流器）：把来自接触网通过牵引变压 器接入的单相交流电转换为直流，通常采用四象限脉冲整流器； 2、中间直流环节：为整流滤波和平衡功率波动的储能电路； 3、逆变器：主电路结构如下图所示，是用 6个半导体开关器件 S1~S6组成的三相桥式逆变电件的通断，可以得到不路。按照 一定规律控制同频率的三相交流输出各半导体开关器件的通断， 可以得到不同频率的三相交流输出。 4、三相笼型异步牵引电动机：实现电能、机械能转变，牵引电 动机的转矩和转速，决定了机车（动车组）发挥的牵引力、电 制动力和运行速度，也是整个牵引系统综合的被控制对象。
交－直－交电力机车系统一般采用电压型逆变器，这是基 于： （1）一台电压型逆变器可以对多台电动机并联供电；
（2）对牵引电动机电流的控制可以通过调节逆变器的电压输出 来实现，响应速度快，通过脉宽调制（PWM）电压波形可以接 近正弦波； （3）至于再生制动的问题，现在交流机车上在电网侧采用四象 限脉冲整流器，取代不可逆相控整流器，机车的再生制动问题 已经得到解决。基于上述原因，在以后的章节中只讨论电压源 逆变器。
注：以指向O点的电压为“＋”，离开O点的电压为“－”
逆变器输出线电压为：
u AB = u AO - uOB u BC = u BO - uOC uCA = uCO - uOA
(3－1)
根据表3-2和式（3-2）可作出1800导通型逆变器输出三相相电 压和线电压波形图，如图3-5(a)、(b)：
3.1 交－直－交电压型逆变器和电流型逆变器
交－直－交逆变器按照直流中间环节采用的滤波器不同可分 为电压型逆变器和电流型逆变器两类。 如采用大电容滤波器与逆变器并联，则输入直流电压平直， 可以看作内阻为零的恒压直流电源，称为电压型逆变器，如果采 用大电感滤波器与逆变器串联，则输入电流平直，相当于一个恒 流源，称为电流型逆变器，如图3-2所示。
3.3 交－直－交1800导通型逆变器
图3-4 所示为二电平电压源逆变器带三相电阻性负载。其中， S1 ~ S6是6个单向导电的功率半导体开关，每个功率开关反并联一 只续流二极管。
S1
C
S3
S5
RA
A B
C
RC
O
RB
S4
S6
S2
图 3-4 三相电压型逆变器电阻负载原理电路
控制S1 ~ S6有规律的导通和关断，可在逆变器输出端A、B、 C得到对称的三相电压。所谓1800导通型的通、断规律概括如下： （1）每瞬时A、B、C三相桥臂必有一个（上或下）功率元件导 通，S1 ~ S6轮流导通一次为一个周期（3600电角）； （2）每隔600替换一个功率元件，替换过程称为换流，换流元 件处于同一桥臂，为不造成直流环节短路，换流必须是按“先 断后通”的原则进行。通、断之间应有一定时间间隔，称为 ‘死区’，间隔时间的长短由器件的关断时间决定； （3）每个功率元件在一个周期内总共导通1800，故称之为1800 导通型逆变器。
＋ ＋
Ud
－
Cd
(a )
逆 变 器
Ud
－
Id
(b)
逆 变 器
图3-2 (a)电压型逆变器 (b)电流型逆变器
两类逆变器虽然只是滤波环节不同，在性能上却有明显的差异：
1、电压型逆变器，由于大电容的滤波作用，输入逆变器的直流 电压极性不变，逆变器输出电压是三相对称的矩形电压波，或由 矩形脉冲电压波合成，而逆变器输出电流波形由负载决定； 电流型逆变器，电感储能使逆变器输出三相对称矩形电流波， 而输出电压波形却取决于负载。
设逆变器直流输入电压为 U d，电阻性负载为‘Y’接，按表3u A0 、u B 0 、uC 0 如表3-2。 1的导通顺序，逆变器输出的相电压
表3-2 1800导通电压型逆变器输出相电压 0－π/3 π/3-2π/3 uAO uBO uCO +Ud/3 -2Ud/3 +Ud/3 +2Ud/3 -Ud/3 -Ud/3 2π/3-π +Ud/3 +Ud/3 -2Ud/3 π-4π/3 -Ud/3 +2Ud/3 -Ud/3 4π/3-5π/3 -2Ud/3 +Ud/3 +Ud/3 5π/3-2π -Ud/3 -Ud/3 +2Ud/3