1、電力牽引交流傳動及其控制系統第五章 脈沖整流器主電路及其控制5.1脈沖整流器概述5.4中間直流回路的功能與參數主講人石凌風石凌風楊桂芳楊桂芳5.1.1 引言5.1.2 脈沖整流電路的等效電路模型5.1.3 脈沖整流電路的工作原理牽引工況5.1.3脈沖整流電路的工作原理再生制動工況5.4 中間直流回路的功能與參數 5.4.1 串聯諧振電路 5.4.2 支撐電容器電力牽引交流傳動及其控制系統引言1脈沖整流電路的等效電路模型2脈沖整流電路的工作原理3中間直流回路的功能與參數4電力牽引交流傳動及其控制系統 引言引言交流傳動電力機車和動車組中所用牽引變流器主要由四象限脈沖整流器和牽引逆變器組成。脈沖整流

2、器是列車牽引傳動系統中的網側變流器。脈沖整流器：目前牽引變流器均采用PWM控制技術，因此也稱其為PWM整流器。其拓撲結構分為兩電平和三電平兩大類。 脈沖整流器具有多種類型結構，大致如下圖所示（見下頁）電力牽引交流傳動及其控制系統 引言引言但我們基本上就把它們分為電流型和電壓型，因為它們具有各自比較獨立的特點，并且這兩者在電路上存在對偶性。（詳見下圖電容和電感的串并聯）電力牽引交流傳動及其控制系統 引言引言網側變流器： 在列車牽引時起整流作用，將牽引供電網上單相交流電轉變成機車使用的直流電；再生制動時是其逆過程。 定義： 由于其可以工作在電壓、電流坐標平面的四個象限，因此亦稱為四象限整流器。 由

3、于當前牽引傳動系統中基本采用PWM技術控制整流器，因此又稱之為脈沖整流器。電力牽引交流傳動及其控制系統 引言引言波形畸變是由電力系統中的非線性設備引起的，流過非線性設備的電流和加在其上的電壓不成比例關系。電力牽引交流傳動及其控制系統 引言引言電力牽引交流傳動及其控制系統 引言引言結論 在電力牽引系統中四象限脈沖整流器取代了其它各種交-直變流器，主要在于它徹底地、全面地解決了電力牽引設備對于功率因素、等效干擾電流、優化粘著利用和再生制動能力方面的特殊而苛刻的要求。 相對于傳統整流器，PWM整流方式有效的減少了整流環節對于“電網”的諧波污染，對于鐵道電氣化的發展具有重大意義。電力牽引交流傳動及其控

4、制系統CRH5牽引變流器外觀四象限脈沖整流器的安裝位置示意圖u CRH5型電力機車對于脈沖整流器的應用介紹型電力機車對于脈沖整流器的應用介紹電力牽引交流傳動及其控制系統引言1脈沖整流電路的等效電路模型2脈沖整流電路的工作原理3中間直流回路的功能與參數4電力牽引交流傳動及其控制系統 脈沖整流電路的等效電路模型脈沖整流電路的等效電路模型前言一個理想的脈沖整流器，需要滿足： 在保證電源電流不發生畸變，并與電源電壓保持同相位的同時，其輸出端能提供恒定平整的直流電壓。 僅從交流電網吸取有功功率。原理上這種裝置可以由一個無儲能部分的變流器和一個分離的儲能器組成。為了使牽引供電網中保持較好的功率因數的同時獲

5、得平整的直流量，脈沖整流器的變比必須能夠通過調制技術隨時加以改變。通過不同的方法能夠使脈沖整流器的變比逼近所希望的曲線：有級變換、頻繁變換（脈寬調制）。電力牽引交流傳動及其控制系統 脈沖整流電路的等效電路模型脈沖整流電路的等效電路模型脈沖整流器電路原理圖電力牽引交流傳動及其控制系統 脈沖整流電路的等效電路模型脈沖整流電路的等效電路模型脈沖整流器等效理想電路模型電力牽引交流傳動及其控制系統 脈沖整流電路的等效電路模型脈沖整流電路的等效電路模型電力牽引交流傳動及其控制系統 脈沖整流電路的等效電路模型脈沖整流電路的等效電路模型電力牽引交流傳動及其控制系統 脈沖整流電路的等效電路模型脈沖整流電路的等效

6、電路模型電力牽引交流傳動及其控制系統 脈沖整流電路的等效電路模型脈沖整流電路的等效電路模型電力牽引交流傳動及其控制系統以上推導結果顯示：以上推導結果顯示： 儲能器所接受的電流是正弦型，其頻率為供電頻率的兩倍。 儲能器上的電壓是一個純直流電壓。 脈沖整流電路的等效電路模型脈沖整流電路的等效電路模型電力牽引交流傳動及其控制系統 脈沖整流電路的等效電路模型脈沖整流電路的等效電路模型電力牽引交流傳動及其控制系統引言1脈沖整流電路的等效電路模型2脈沖整流電路的工作原理3中間直流回路的功能與參數4電力牽引交流傳動及其控制系統再生制動再生制動工況工況牽引工況牽引工況工作原理工作原理電力牽引交流傳動及其控制系

7、統 脈沖整流電路的工作脈沖整流電路的工作原理原理牽引工況牽引工況脈沖整流器等效電路由圖可知：由圖可知：二次牽引繞組電壓 阻抗 阻抗角電力牽引交流傳動及其控制系統脈沖整流器向量圖脈沖整流器在能量變換過程中的功率關系：由復功率的計算公式：得脈沖整流器吸收的復功率為：牽引工況牽引工況電力牽引交流傳動及其控制系統牽引工況牽引工況交流電源提供的復功率為：根據等號左右兩邊實部、虛部分別對應相等，則有：（5 - 11）電力牽引交流傳動及其控制系統牽引工況牽引工況綜上，得脈沖整流器的電壓向量平衡方程：電力牽引交流傳動及其控制系統牽引工況牽引工況把有關參數代入式（5 - 11），經簡化后可求得這種狀態下的相應功

8、率為：電力牽引交流傳動及其控制系統再生制動再生制動工況工況牽引工況牽引工況工作原理工作原理電力牽引交流傳動及其控制系統 脈沖整流電路的工作脈沖整流電路的工作原理原理再生制動再生制動工況工況脈沖整流器等效電路再生制動工況電力牽引交流傳動及其控制系統2/abmUUdNNNKUIwL2abmUdUUd-直流側電壓m -整流器的調制深度，亦稱調制比K -短路阻抗的標幺值，一般取0.30.35（5-12）再生制動再生制動工況工況電力牽引交流傳動及其控制系統mKUUN/122d（5-13）再生制動再生制動工況工況電力牽引交流傳動及其控制系統再生制動再生制動工況工況調制深度調制深度m m由圖 56 可知，如

9、果保持 與 同方向，即位移因數為，則 隨負載電流變化。 （1） 時， ，這時調制深度m最小 即 （2）m的最大值取決于開關器件的開關頻率，開通時間和關斷時間。0NINUUminabNINUabUUUUUmdNdab/2/2minmin_max21BCttDonm電力牽引交流傳動及其控制系統引言1脈沖整流電路的等效電路模型2脈沖整流電路的工作原理3中間直流回路的功能與參數4電力牽引交流傳動及其控制系統 定義：在交-直-交變流器中，儲能回路是作為網側變流器的四象限脈沖整流器和負載側變流器的逆變器之間的連接紐帶。 在電壓型脈沖整流器中，中間直流回路有兩個部分組成：一個是相應于兩倍電網頻率的串聯諧振電

10、路；一個是支撐電容器。電力牽引交流傳動及其控制系統串聯諧振電路串聯諧振電路假設 ,且基波功率因數=1交流電源提供的瞬時無功功率為 -恒定分量 -兩倍電源頻率脈動的交變分量0NRwtIUIUSinwtIwtSPNNNNNNtNtNtNUiu2cos2in2)()()(NNIUwtIUNN2cos電力牽引交流傳動及其控制系統wtIUNLN2sinNNIUwtIUNN2coswtIUwtIwtNLNNLNtNtLNLNUiuQ2sin2sin2sin2)()() t (wtIwtUNLNNtabtiuPsin2sin2) t ()()(abdtdctNUiui)()(ab) t (變壓器漏電抗上的瞬

11、時無功功率為 脈沖整流器輸入瞬時無功功率為 = - - 脈沖整流器輸出電流可根據整流器為無損耗和無儲能器件的簡化假設，由以下功率平衡關系求得。電力牽引交流傳動及其控制系統wtUIUUwtIwtdnabNabui2coscossin2sin2ddc(t)wtIUwtIUIUUNabNabNabdidctiP2sinsin2coscoscos)()(dNNIUwtIUNN2coswtIUNLN2sin則再次證實了脈沖整流器的輸出電流包含兩個重要的分量：一個直流分量和一個兩倍于供電頻率的交流分量。 脈沖整流器輸出的瞬時功率為 = - -電力牽引交流傳動及其控制系統結論結論（1）脈沖整流器的輸出電流包

12、含兩個重要的分量：流過諧振電路的二次諧波交流分量；流入負載的直流分量。（2）兩倍網頻的串諧電路的無功功率來自于漏電抗的功率交換，因此電路的瞬時功率的脈動分量也被降低了。（3）此處串聯諧振電路一般采用可變電容器和可變電阻的串聯結構，可變電容用來平衡漏電抗，可變電阻用來適配阻抗以輸出最大功率。電力牽引交流傳動及其控制系統支撐電容器支撐電容器 在理想情況下，特別是負載完全是一個電阻時，是不需要一個儲能器的，流到負載上的是一個純直流分量。 在實際情況中，由于以下原因，在中間直流電路中，我們還需要添加一個由電容器構成額外的一個儲能器。原因如下: （1）在脈寬調制過程中產生的與脈沖整流器，逆變器交換無功功率和諧波功率。 （2）與異步電動機交換無功功率。 （3）中間直流電路存在線路阻抗，二次諧波電流不全部通過串聯諧振電路。支撐電容器還要與變壓器漏電感交換無功功率。電力牽引交流傳動及其控制系統（4）支撐中間直流回路電壓，保持穩定，防止出現較大電壓波動。（Q值過大） 選取支撐電容器目前還沒有簡單的方法，并且還要用一些準則來判斷經驗取值的正確性注意注意： 在牽引應用中，如果沒有正確選擇中間回路電容器的值，高頻電流可