第三章%20电力机车交-直-交传动系统的主电路

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)：
u AO
设逆变器直流输入电压为 U d，电阻性负载为‘Y’接，按表3u 1的导通顺序，逆变器输出的相电压 A0 、u B0 、uC 0 如表3-2。
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
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
图３-6 PWM变频器原理图
为使逆变器输出PWM电压波，前提是取得所需要的PWM脉 冲序列，以控制逆变器开关元件 VT1 ~ VT6的通、断。通常是利用三 角波电压与参考电压（如正弦电压）相比较调制出PWM脉冲序列， 如图3-7所示。
ut ur
+
ur
uP
0
ut
uP
0
图3-7 PWM脉冲序列的形成
3.5 正弦脉宽调制（SPWM）
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。
图３-6是PWM变频器的主电路原理图，图中以IGBT全控 功率元件VT1、VT4，VT3、VT6，VT5、VT2 构成A、B、C三相桥臂，为简 化图形，与各开关元件并联的续流二极管未画出，三相电阻负 载‘Y’接。

Ud
Ud / 2 VT1
VT3
VT5
O
A
B
O

Ud / 2

C
VT4
VT6
VT2
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
（3-2）
上式中，Tc ：三角载波周期（s）； Tr ：正弦参考波周期（s）； Urm ：正弦参考波电压幅值（V）； Utm ：三角载波电压幅值（V）。 使用规则采样法计算得到的脉宽t2，和准确值在起始点和 终了时间点上有很小的误差，一般对控制不会产生影响。
ur
ut
0
（a）
uP


t
0
i
0
t
i
/n

ur
t
ur
0
（b）


t
uP
0
t
图３-8 SPWM脉冲序列（a）单极性SPWM脉冲（b）双极性SPWM脉冲
以图3-6的二电平逆变器A相为例，在输出端A点只能有+Ud /2 或-Ud /2两个电平，因此 VT1 、VT4必须处于互补的通、断状态，而 VT 采用双极性的SPWM脉冲序列，可控制 VT1、 4互补触发或关断， 当然，在用于控制功率元件互补通断时须满足“先断后通”的原 则。则逆变器A端输出电压波形为图3-9。
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， 90 0 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。
一、单极性和双极性调制
以等腰三角形载波ut和参考正弦波ur的相交关系，可以产生 SPWM调制波。 当参考电压ur正半波时，若ur≤ ut，调制波 u P = 0，而ur≥ ut， u P 为宽度不等的矩形脉冲波，正弦参考电压与三角载波电压的交 点 ur＝ut是输出电压转折点，由于采用正弦参考波调制，所以靠近 ur幅值处的脉冲波较宽，两边逐渐对称变窄，矩形面积所表示的输 出电压有效值大小符合正弦分布规律，称这种脉冲序列SPWM序列。 当 ur在负半周时，需要把ur正半波的SPWM序列反向，得到一 个周期的、幅值在 变化的脉冲序列，称为单极性SPWM调制 0 ~ uP 模式，如图3－8（a）。 如果在每个交点ur＝ut处同时产生正、负触发脉冲，在一个半 周内既有 又有- 脉冲序列，这种调制称为双极性SPWM调制模 uP uP 式，如图3－8（b）。
3.4 脉宽调制（Pulse Width Modulation 简称PWM） 型逆变器
早期交－直－交逆变器，特别是大功率电压型逆变器，1800 导通型逆变器居多，这是因为当时相对可靠的大功率开关元件是 半控式晶闸管，由于半控元件换流时需要专设电路使晶闸管强迫 关断，使电路复杂且工作频率低。 随着大功率、高频率全控功率元件的成功开发与应用，新型 的PWM交－直－交逆变器已逐步取代六阶梯波逆变器，而成为 交流传动系统的主流。 所谓PWM（Pulse Width Modulation）是用直流斩波的方 法，将逆变器的输出相电压调制成幅值相等的若干个矩形电压脉 冲，通过调节占空比改变脉冲宽度，即可改变输出电压的大小， 而调节一个周期的循环开断时间可改变输出电压频率，从而在逆 变器上实现VVVF的综合控制。
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。
用1800导通型逆变器向三相异步电动机供电时，有两点须 作考虑： （1）由于1800导通型逆变器自身不具备输出电压的调节功能， 因此若需要逆变器输出可调的三相交流电压，只有通过调节中 间直流环节的电压实现。 （2）1800导通型逆变器输出相电压为六阶梯波，除正弦基波外 含有较大量低次谐波电压，使电机电流中谐波分量较大。谐波 电流除使电动机发热增加损耗外，还引起转矩脉动对电机运行 不利。
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。
＋ ＋
Ud
－
Cd
逆 变 器
Ud
－
Id
(b)
逆 变 器
(a )
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。
在相邻的两个三角波的中点引一垂线，与参考电压ur交于E 点，该点参考波ur的相角所对应的时间t也即为已知。从交点E 作平行直线与相邻的三角波交于A、B两点，则对应的时间间隔 t2 便为ur在t时刻的SPWM波的脉宽。由图解法可推导出：
2 t Tc Tc U rm t2 sin T 2 2 U tm r
-Ud / 2
+U d / 2
0

2 t
-U d / 2
图3-9 逆变器输出端SPWM电压波
从图3-9，虽然矩形脉冲组成的电压波有正有负，而在逆 变器输出端只能是电压平均值，显然在正半周+Ud /2脉冲合成 面积大于-Ud /2的面积，电压平均值为正，且电压脉冲的宽度 仍然符合正弦分布，因此近似于正弦电压。同理，负半周逆变 器端输出负值正弦电压。
二、 SPWM波的计算法 早期的SPWM波是由模拟电路生成的，如图３-10所示。所 产生双极性的脉冲序列波uda、udb、udc，作为功率元件的驱动 信号。现这种模拟电路已很少应用，而代之以微机数字计算的 方法。
在微机数字计算时，为简化程序，通常采用称为“规则采 样法”的计算程序，其原理如图３-11加以说明。
u AB
0
t
1 Ud 3 2 Ud 3
Biblioteka Baidu
0
t
u BO u BC Ud
0
t
0
t
u CA
u CO
0
t
0
0
t
0
/3
2 / 3

4 / 3
5 / 3
2
/3
2 / 3

4 / 3
5 / 3
2
图3-5 交－直－交1800导通型逆变器输出电压波形图(a)相电压(b)线电压
由图3-5可知： （1）1800导通型逆变器输出相电压为交流阶梯形电压波，正负 半周对称共6个台阶。故1800导通型逆变器也称为六阶梯波逆变 器。每个台阶代表一个功率元件的轮替为一拍，一个周期共6拍， 输出电相压也称六拍波； （2） 1800导通型逆变器输出线电压为矩形交流电压波； （3）三相相电压和三相线电压互差1200的对称； （4）逆变器输出电压的频率，可通过调整S1 ~ S6的导通周期 时间来改变。
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
S3
S5
RA
C
A B
C
RC
S2
O
RB

S4
S6
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。
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
~
~
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 90 0 ，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。