機車電力電子技術(shù) 課件 第7章 HXD3型機車電力電子變換電路

復習提問1.電壓型單相全橋逆變器2.電壓型三相橋式逆變器3.脈寬調(diào)制技術(shù)：第7章HXD3型機車電力電子變換電路

1．電壓型單相全橋逆變器復習提問2．電壓型三相橋式逆變器3.脈寬調(diào)制技術(shù)：指利用全控電力電子器件的導通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的交流電壓脈沖序列，實現(xiàn)變壓、變頻（VVVF）控制并消除諧波的技術(shù)，簡稱PWM控制技術(shù)。

HXD3型機車，牽引電機、輔助電機、控制設備都需要電源，機車有多個變換設備，利用IGBT組成的變換電路，把交流電變換為電機需要電能。

牽引電機第七章HXD3型機車變換電路

空氣壓縮機

通風機新課引入

HXD3型機車，接觸網(wǎng)提供的是25kV，50Hz的定壓定頻交流電，牽引電機需要的是0～2150V、0

～120Hz可調(diào)的三相正弦交流電，機車中需要什么樣的設備來完成這樣的變換呢？

變流柜7.1HXD3型機車牽引變流器7.1HXD3型機車牽引變流器1.機車牽引變流器組成及作用2.四象限整流器組成、作用、原理3.中間直流電路組成、作用4.脈寬調(diào)制逆變器組成、作用5.主變流器控制重點難點新課講授一、主電路：受電弓主斷路器主變壓器主變流器（整流環(huán)節(jié)）主變流器（VVVF逆變]）

主變流器（中間直流環(huán)節(jié)）牽引電動機

機車主電路由網(wǎng)側(cè)電路、傳動系統(tǒng)電路和庫用動車電路等組成。機車網(wǎng)側(cè)電路主要完成網(wǎng)側(cè)電壓的采集，供司乘人員觀察、電度表計量和控制系統(tǒng)控制。傳動系統(tǒng)電路由主變壓器、主變流器和牽引電動機等組成。主電路（傳動部分）

1主電路概述25kV,50Hz1450V,50Hz2800V直流0~2150V,0~120Hz7.1HXD3型機車牽引變流器主變壓器牽引電機（6臺）臺變流柜（2臺）7.1HXD3型機車牽引變流器一、主電路概述：

主變壓器原邊通過受電弓和主斷路器得電，25kV電壓通過主變壓器降壓成1450V，主變壓器次邊的6個獨立的牽引繞組分別向6臺主變流器的6個四象限整流器供電，每個四象限整流器分別對應一個獨立的中間電路，它們分別向一個電壓型PWM逆變器（又稱牽引逆變器）供電,提供給6臺牽引電動機。再生制動過程與此相反。傳動系統(tǒng)圖變壓器副邊繞組1450V中間直流電壓2800V電壓0~2150V頻率0~120HzVVVF逆變器四象限整流器2傳動系統(tǒng)7.1HXD3型機車牽引變流器一、主電路：3.牽引變流器組成、作用組成：（1）線路接觸器和預充電單元；（2）四象限整流器和中間直流回路（包含支撐電容和接地檢測單元）；（3）保護模塊；（4）脈寬調(diào)制逆變器；（5）控制和監(jiān)視組成。牽引繞組電流互感器線路接觸器預充電單元四象限整流器脈寬調(diào)制逆變器電流互感器牽引電機接地檢測裝置過電壓保護裝置電壓傳感器支撐電容7.1HXD3型機車牽引變流器一、主電路：3.牽引變流器組成、作用牽引變流器（CI）為牽引電動機提供三相交流的變壓變頻（VVVF）電源。根據(jù)車輛的速度，通過矢量控制，精確快速地控制牽引電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。HXD3型機車每臺機車裝有兩臺變流柜，每臺變流柜內(nèi)含三組牽引變流器和一組輔助變流器。7.1HXD3型機車牽引變流器一、主電路：4.牽引變流器參數(shù)額定輸入電壓單相交流1450V/50Hz額定輸入電流966A輸入頻率50Hz牽引變流器每組容量1400kV·A中間電壓直流2800V額定輸出電壓三相交流2150V額定輸出電流390A最大輸出電流520A輸出頻率0~120Hz效率≥98%控制電壓直流110V7.1HXD3型機車牽引變流器

1.傳動系統(tǒng)電路

2.組成、作用

3.參數(shù)7.1HXD3型機車牽引變流器

小結(jié)二、四象限整流器1.四象限整流器組成

四象限整流單元是由U相、V相兩個功率模塊構(gòu)成，由于四象限整流單元額定輸入電流較大，因此四象限整流單元是由兩個IGBT元件并聯(lián)后組成功率模塊。

四象限整流器單元U相V相7.1HXD3型機車牽引變流器二、四象限整流器功率模塊是構(gòu)成變流器的核心部件，是由上下橋臂的兩組IGBT元件和反并聯(lián)二極管構(gòu)成，還包括冷卻元件的水冷散熱片和控制IGBT柵極電壓的驅(qū)動電路。IGBT元件參數(shù)：額定電壓4500V（集電極一發(fā)射極間電壓）額定電流900A（集電極的有效值電流）最大電流1800A使用溫度40~125℃絕緣耐壓6000V交流（1min)7.1HXD3型機車牽引變流器2.功率模塊二、四象限整流器3.四象限整流器作用交流電壓1450V，直流電壓2800V，怎樣整流？7.1HXD3型機車牽引變流器

四象限整流器的用途是將來自主變壓器的單相交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓以供給直流支撐回路。四象限整流器（4QC）這一術(shù)語表示的是在牽引工況以及制動工況下，電壓UST和電流IN間的相位角是完全可調(diào)節(jié)的。通過對電壓和電流間的相位角的控制，能夠獲得全部四個操作的象限。（既能整流，又能逆變）二、四象限整流器：4.四象限整流器工作原理四象限整流器工作在四個象限，交流側(cè)的電壓和電流為縱軸和橫軸，一、三象限牽引工況（P>0），整流。二、四象限制動工況（P<0）。是一個脈寬調(diào)制逆變器，逆變。整流（能量方向）逆變（能量方向）7.1HXD3型機車牽引變流器二、四象限整流器：4.四象限整流器工作原理（1）整流模式

檢修后直流環(huán)節(jié)重新上電，通常先通過橋式整流的整流二極管VD1~VD4將電網(wǎng)的交流電能變?yōu)橹绷?，供給直流環(huán)節(jié)預充電；直流環(huán)節(jié)電壓升到一定值。＋－7.1HXD3型機車牽引變流器（1450×1.2=1740V）正半周二、四象限整流器：4.四象限整流器工作原理（1）整流模式

檢修后直流環(huán)節(jié)重新上電，通常先通過橋式整流的整流二極管VD1~VD4將電網(wǎng)的交流電能變?yōu)橹绷?，供給直流環(huán)節(jié)預充電；直流環(huán)節(jié)電壓升到一定值。＋－7.1HXD3型機車牽引變流器（1450×1.2=1740V）負半周二、四象限整流器：4.四象限整流器工作原理（2）升壓模式

電壓達到一定值后，開啟VT2、VT4使其工作在升壓模式，其基本原理為控制IGBT的開關(guān)頻率即調(diào)制頻率>交流電網(wǎng)頻率（通常為20倍以上），這時四象限整流器可看成按正弦規(guī)律控制的直流升壓斬波電路。7.1HXD3型機車牽引變流器二、四象限整流器：4.四象限整流器工作原理（2）升壓模式①UN為正時，控制VT2開通：

UN+→LS→A→VT2→VD4→B→UN-＋－正半周變壓器副邊短路，充電蓄能（變壓器副邊等效為大電感LS）。7.1HXD3型機車牽引變流器二、四象限整流器：4.四象限整流器工作原理（2）升壓模式控制VT2關(guān)斷：＋－正半周②UN為負時，控制VT4開通和關(guān)斷。（自己討論）變壓器副邊電壓和大電感LS電動勢疊加給電容FC充電（升壓充電）。通過控制VT2占空比來控制輸出的直流電壓。UN+→LS→A→VD1→FC→VD4→B→UN﹣7.1HXD3型機車牽引變流器二、四象限整流器：4.四象限整流器工作原理（3）PWM逆變模式輸入端A、B輸出端能量流動方向脈寬調(diào)制逆變器輸出SPWM波7.1HXD3型機車牽引變流器四象限整流器工作在逆變狀態(tài)，采取PWM控制技術(shù)，把2800V直流電變換為1450V、50Hz交流電，波形為SPWM波。二、四象限整流器：4.四象限整流器工作原理（總結(jié)）四象限整流器是一個脈寬調(diào)制變流器，它將電源的交流電壓，通過脈沖寬度和相位控制，控制中間直流電壓的幅值和流入四象限整流器的交流電流波形和相位，使交流電流的波形盡量接近正弦外，同時使得交流側(cè)的基波電壓和基波電流的相位差接近于0，這樣，既限制了諧波電流分量，又提高了機車功率因數(shù)。7.1HXD3型機車牽引變流器二、四象限整流器：5.四象限整流器工作模式及能量關(guān)系能量流動路徑為：電網(wǎng)→變壓器→四象限整流器→中間直流環(huán)節(jié)→脈寬調(diào)制逆變器→牽引電機（電動機）（1）牽引工況（整流）

控制電流IN網(wǎng)壓UN同相位，電流接近正弦波，變壓器輸出功率。功率因數(shù)接近于+1。此時，四象限整流器從電網(wǎng)吸收功率，向中間直流環(huán)節(jié)供給電能，經(jīng)脈寬調(diào)制逆變器向牽引電機供電，電能轉(zhuǎn)換為機械能，牽引電機輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，驅(qū)動輪動轉(zhuǎn)動，牽引列車運行。（交-直-交變換）7.1HXD3型機車牽引變流器二、四象限整流器：5.四象限整流器工作模式及能量關(guān)系（2）制動工況（整流）再生工況時，控制電流IN和電網(wǎng)電壓UN反相，電流IN接近正弦波，變壓器吸收直流環(huán)節(jié)能量。功率因數(shù)接近于－1。牽引電機（發(fā)電機）→脈寬調(diào)制逆變器→中間直流環(huán)節(jié)→四象限整流器→變壓器→電網(wǎng)能量流動路徑：7.1HXD3型機車牽引變流器二、四象限整流器：6.四象限整流器優(yōu)點

能量可以雙向流動；從電網(wǎng)側(cè)吸收的電流為正弦波；功率因素可到達1；減低了接觸網(wǎng)的等效干擾電流，減少對通訊的干擾；可以保證中間回路直流電壓在允許偏差內(nèi)。7.1HXD3型機車牽引變流器三、中間直流電路1.中間直流電路作用（1）在網(wǎng)側(cè)整流器和電機側(cè)逆變器之間實現(xiàn)瞬時功率平衡。（2）儲能電容向牽引電動機提供基波無功功率和高次諧波的通路。（3）變流器換流能力直接受中間電路電壓的影響，逆變器的調(diào)制電壓質(zhì)量也取決于其平衡程度，因此對它要求較高。7.1HXD3型機車牽引變流器三、中間直流電路：2.中間直流電路組成

中間直流電路由中間電壓支撐電容、瞬時過電壓限制電路和主接地保護電路組成。7.1HXD3型機車牽引變流器四、脈寬調(diào)制逆變器：脈寬調(diào)制逆變器是由U、V、W三相逆變單元構(gòu)成的，牽引逆變器的作用是把中間直流電壓變換成三相交流電壓，為異步牽引電動機提供頻率和幅值可調(diào)的三相交流電源，同時通過調(diào)節(jié)三相輸出電壓波形控制牽引電動機的磁能和轉(zhuǎn)矩。1.組成、作用7.1HXD3型機車牽引變流器四、脈寬調(diào)制逆變器：機車的牽引電動機M1~M3分別由牽引變流器UM1的3個PWM逆變器單獨電，M4~M6分別由牽引變流器UM2的3個PWM逆變器單獨供電，實現(xiàn)牽引電動機的獨立控制。由于機車六根動軸的輪徑差、軸重轉(zhuǎn)移及空轉(zhuǎn)等可能引起負載分配不均勻，都可以通過牽引變流器的控制進行適當?shù)难a償，以實現(xiàn)最大限度地發(fā)揮機車牽引力。2.與牽引電機供電關(guān)系：7.1HXD3型機車牽引變流器四、脈寬調(diào)制逆變器：3.YJ85型異步牽引電機主要技術(shù)參數(shù)如下：持續(xù)功率1250kW額定電壓2150V額定電流390A額定頻率46Hz額定轉(zhuǎn)速1365r/min最高轉(zhuǎn)速2662r/min極數(shù)4功率因數(shù)0.91額定效率95%絕緣等級200級冷卻方式強迫風冷通風量96m3/min7.1HXD3型機車牽引變流器五、主變流器控制：司機控制器（指令）IGBTTCMS主變流器控制單元IGBT門極驅(qū)動單元牽引電機7.1HXD3型機車牽引變流器三相變壓變頻變壓器電能電能總結(jié)評價1.牽引變流器的組成、作用；2四象限整流器的作用；3.四象限整流器的優(yōu)點；4.脈寬調(diào)制逆變器的作用。遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學院鐵道機車學院謝謝大家！再見！機車教研室|鐵道機車教學團隊復習提問1.驅(qū)動電路的任務：電力電子器件的驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，主要任務有：

①將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。

②驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)。③設置必要的保護環(huán)節(jié)和緩沖處理，對電力電子器件進行過電壓、過電流、過熱保護等。1.牽引變流器組成、作用2.四象限整流器作用3.四象限整流器優(yōu)點4.脈寬調(diào)制逆變器作用復習提問1.牽引變流器組成、作用組成：（1）線路接觸器和預充電單元；（2）四象限整流器和中間直流回路（包含支撐電容和接地檢測單元）；（3）保護模塊；（4）脈寬調(diào)制逆變器；（5）控制和監(jiān)視組成。HXD3型機車每臺機車裝有兩臺變流柜，每臺變流柜內(nèi)含三組牽引變流器和一組輔助變流器。作用：牽引變流器（CI）為牽引電動機提供三相交流的變壓變頻（VVVF）電源。根據(jù)車輛的速度，通過矢量控制，精確快速地控制牽引電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。復習提問2.四象限整流器作用

四象限整流器的用途是將來自主變壓器的單相交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓以供給直流支撐回路。四象限整流器（4QC）這一術(shù)語表示的是在牽引工況以及制動工況下，電壓UST和電流IN間的相位角是完全可調(diào)節(jié)的。通過對電壓和電流間的相位角的控制，能夠獲得全部四個操作的象限。（既能整流，又能逆變）復習提問3.四象限整流器優(yōu)點能量可以雙向流動；從電網(wǎng)側(cè)吸收的電流為正弦波；功率因素可到達1；減低了接觸網(wǎng)的等效干擾電流，減少對通訊的干擾；可以保證中間回路直流電壓在允許偏差內(nèi)。復習提問4、脈寬調(diào)制逆變器作用：牽引逆變器的作用是把中間直流電壓變換成三相交流電壓，為異步牽引電動機提供頻率和幅值可調(diào)的三相交流電源，同時通過調(diào)節(jié)三相輸出電壓波形控制牽引電動機的磁能和轉(zhuǎn)矩。復習提問新課引入空氣壓縮機牽引通風機變壓器油泵通過機車總體學習，我們知道，HXD3型機車有空氣壓縮機、各種通風機、泵類負載等都由輔助電機驅(qū)動，輔助電機通常采用交流異步電動機，由輔助變流器供電。1.輔助變流器功能、參數(shù)2.輔助變流器組成、電路3.輔助變流器的控制重點難點7.2HXD3機車輔助變流器新課講授輔助電路組成：

HXD3型機車上共安裝兩套完全相同的輔助變流器，分別按照VVVF和CVCF方式工作。每套輔助變流器的容量為230kV·A，以滿足在一套輔助變流器故障的情況下，機車上的所有輔助電器全部可以切換到另一套輔助變流器上工作.（考慮到輔助變流系統(tǒng)的冗余）由輔助變流器供電電路、輔助電動機電路、輔助庫用電路、制冷及采暖電路等組成。

1.輔助變流器概述：7.2HXD3機車輔助變流器2.輔助變流器參數(shù)輔助變流器主要技術(shù)參數(shù)主回路輸入單相399V50Hz中間直流電壓直流750VCVCF變流器輸出容量230kV·A輸出電壓AC380V（三相）輸出頻率50Hz元件類型IGBT（1700V、1200A）VVVF變流器輸出容量230kV·A輸出電壓AC2~380V輸出頻率2~50Hz元件類型IGBT（1700V、1200A）冷卻方式

強制風冷卻方式控制電壓110V7.2HXD3機車輔助變流器3.輔助變流器功能：7.2HXD3機車輔助變流器

輔助變流器主要為為機車通風機電動機、復合冷卻器風機電動機、壓縮機電動機、主變壓器油泵、牽引變流器水泵等設備供電，由于負載有風機類負載和泵類負載，系統(tǒng)具有輸出可變電壓、可變頻率的VVVF控制和固定電壓、固定頻率的CVCF控制兩種功能。4.輔助變流器的電路（1）預充電電路由充電接觸器AK、工作接觸器K和限流電阻CHR組成。預充電電路的目的在于減小大的充電電流的沖擊。7.2HXD3機車輔助變流器（2）四象限整流電路

四象限整流電路是一個脈寬調(diào)制變流器，它將升壓斬波與整流電路結(jié)合起來，使輸人電流近似正弦波并與網(wǎng)壓同相。采用IGBT作為其功率器件后，調(diào)制頻率提高，當其輸入端或輸出端發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)能很快做出響應，快速調(diào)節(jié)使輸出保持穩(wěn)定。7.2HXD3機車輔助變流器4.輔助變流器的電路（3）中間直流電路

由中間電壓支撐電容、瞬時過電壓限制電路和主接地保護電路組成。

7.2HXD3機車輔助變流器4.輔助變流器的電路（4）逆變器電路PMW控制的電壓型逆變器。逆變器的任務是將直流電壓轉(zhuǎn)換成三相交流電壓向負載電機供電，其輸出方式既可以選擇變壓變頻（VVVF）方式，也可以選擇恒壓恒頻（CVCF）方式，以滿足不同負載的需要。7.2HXD3機車輔助變流器4.輔助變流器的電路（5）供電電路HXD3型交流貨運電力機車輔助變流系統(tǒng)的供電電路是由主變壓器輔助繞組、變流器、濾波電感和濾波電容、接觸器、自動開關(guān)、輔助電動機等組成，牽引通風機電動機復合冷卻器電動機7.2HXD3機車輔助變流器4.輔助變流器的電路 CVCF變流器空氣壓縮機電動機變壓器油泵司機室空調(diào) CVCF變流器7.2HXD3機車輔助變流器5.輔助變流器的控制功能：主要是將399V交流電轉(zhuǎn)換成恒定的750V直流電。中央處理器構(gòu)成：主要由IGBT模塊、模塊門極驅(qū)動板（GUU1、GUU2）、檢測基板（DET511）。（1）整流單元DET511GUU1、GUU2

IGBT運行狀況檢測發(fā)送檢測信號綜合處理反饋信號發(fā)出驅(qū)動信號傳遞驅(qū)動信號驅(qū)動控制7.2HXD3機車輔助變流器（2）逆變器單元功能：本