变流技术

（3）绝缘栅双极晶体管 复合型电力电子器件IGBT是绝缘栅双极晶体
管的简称 。IGBT是以MOSFET为驱动元件，以 GTR（电力晶体管）为主导元件的达林顿电路结 构的器件。
其最大的特点是小功率驱动，通态电阻非常小， 工作频率适应范围广，适合大功率变流电路。
（4）智能功率模块IPM
以IGBT作为功率开关，含有电流传感器、驱 动电路及过载、短路、超温、欠电压保护等多种 功能。它具有体积小、重量轻、可靠性高，使用 维护方便，且高速开关性能、低损耗、低噪声、 智能化等方面非常优越。
（1）可关断晶闸管GTO
可关断晶闸管GTO可以通过在门极施加负的 脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。
GTO逆变器的体积比晶闸管逆变器的体积减 小40%以上，重量也大为减轻。由于GTO逆变器 不需要强迫换流电路，而使电路的损耗减少64% 左右。这些优点对重量、体积和效率都有严格要 求的轨道交通车辆电力牵引系统是十分重要的。
（2）晶闸管时代 随着电力电子技术的发展，半可控器件—晶闸
管的问世，出现了采用晶闸管相位控制整流器式 的机车，将变压器副边输出交流电压整流成可连 续自由变化的直流电压，然后作为直流电源驱动 直流牵引电机，使列车的加速控制变得更加平滑。 （3）可关断器件时代
采用交—直牵引电传动系统具有直流电机的起动力 矩大、只需控制电机电压即可简单地调节电机转速等显 著优点。同时也有直流电机体积大、单位输出功率的电 机重量大的缺点。更为致命的弱点是，直流电机在构造 上必须要有电刷和机械换向器，而这两者都需要经常性 的维护保养，这是一件费事费钱的麻烦事。
（3）PWM控制技术
PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过 对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波 形（含形状和幅值），这一技术也称为脉宽调制技术。
直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术。这种电 路把直流电压“斩”成一系列脉冲，通过改变脉冲的占空 比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲 宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都 是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是 对脉冲的占空比进行控制，这是PWM控制中最为简单的 一种情况。
三、四象限脉冲整流器
1、传统整流技术的问题 （1）功率因数问题
相控技术的解决办法：多段桥 功率因数补偿 满电压下运行
（2）反向及再生运行问题 相控技术的解决办法：有触点开关 全控桥
（3）谐波抑制问题
2、四象限脉冲整流器的有关概念 （1）四象限整流器
以整流器输出电压和输出电流为直角坐标，四 象限整流器在直角坐标系的四个象限中均能可靠 工作，则这种整流器称为四象限整流器。
PWM控制的基本原理
如图4-10所示为用PWM波代替正弦半波。图中正弦 半波被分成Ｎ等份，则正弦半波可以看成是由Ｎ个彼此相 连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 π/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线， 各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用 相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的 中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应 的正弦波部分面积相等，就得到图4-10（b）所示的脉冲 序列。这就是PWM波形。
电力机车转型培训
(变流技术)
课题内容
• HXD3型机车变流装置 • 电力电子器件 • 四象限脉冲整流器 • 斩波器 • VVVF逆变技术
一、HXD3型机车变流装置
1、变流装置的集成 每台机车装有两台变流装置，每台变流装置内含有三
组牵引变流器和一组辅助变流器。每组牵引变流器由一个 四象限整流器和一个逆变器组成。 2、冷却方式 （1）牵引变流器采用强制循环水冷方式 （2）牵引变流器的冷却液和主变压器（Mtr）的冷却油 经过复合冷却器循环，依靠复合冷却器风机进行强制风冷。 （3）辅助变流器（APU）单独采用强制风冷方式。
3、变流装置元件
（1）四象限脉冲整流器单元使用了模块化IGBT元 件；
（2）牵引逆变器单元同整流单元一样使用模块化 IGBT元件 ；
（3）辅助变流器使用IGBT元件。
4、变流装置的工作方式
（1）四象限整流器采用脉宽调制（PWM）方式， 通过高次谐波整流和错开各组控制载波的相位， 从而降低高次谐波和提高功率因数。
（2）电力场效应晶体管MOSFET
电力场效应晶体管又称功率MOSFET或电力 MOSFET，它和小功率场效应晶体管一样，有结 型和绝缘栅型两种类型。
其特点为：驱动功率小，驱动电路简单，这是 其他电力电子器件达不到的。通常它的开关时间 为10～lOOns，开关速度很快，工作频率很高。
但是MOSFET的一个主要缺点是通态电阻比较大， 因此通态损耗也较大，功率利用不理想。
（2）斩波器 直流斩波电路是把恒定直流电压变换成为负
载所需的直流电压的变流电路。它通过周期性的 快速通、断，把恒定直流电压斩成一系列的脉冲 电压，改变这一脉冲列的脉冲宽度或频率就可调 节输出电压的平均值，斩波电路还可以用来调节 电阻的大小和磁场的强弱。
根据面积等效性原则，可以容易的计算出输 出电压的高低。
随着电力电子技术的飞，从此进入了交—直—交牵引电传动的
新时代。上图是交—直—交牵引电传动系统原理示意图。 变压器输出的交流电先通过整流器变换成直流电(交一 直)，再通过逆变器将直流电变换成驱动电机的交流电 (直—交)，“交—直一交”指的就是这两次电力变换。
2、新型电力电子器件
（2）牵引逆变器采用矢量控制方式，可以实现电 机转矩的控制，达到快速响应，提高粘着利用率 和实现空转、滑行保护控制。
（3）辅助变流器具有变压变频（VVVF）控制和 恒压恒频（CVCF）两种控制方式。两台复合冷却 器风机和六台牵引通风机电机为了确保适应机车 状况的冷却风量和降低运转声音，按照VVVF控制 模式进行设定。
二、电力电子器件
1、电力电子器件的发展带来了电力机车电传动方 式的变迁 （1）电力二极管时代
早期的电力机车都采用直流电动机驱动，上图中是采 用交—直牵引电传动系统原理示意图。这种电传动方式先 通过受电弓从电网上获取25kV的高压交流电。经车上的 变压器降压后，再通过整流器（元件为电力二极管）把交 流电变换成直流电(交—直流变换)驱动直流牵引电动机。 最早的电力机车为了实现变压器副边电压可调，在副边通 过调压开关调压，也就是说把变压器的输出电压分为若干 个等级，根据需要选用其中一个等级的交流电压，交流电 压再经过二极管整流为直流电压后，驱动直流牵引电机。