华东交通大学动车组牵引技术第6章牵引变流器

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华东交通大学动车组牵引技术第6章牵引变流器

晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
第6章牵引变流器

晶闸管的结构可以看成是三端四层半导体开关器件，共有3个PN结， J1、J2和J3，如图所示。
第6章牵引变流器

当A、K两端加正电压时（A接正，K接负），J1、 J3结为正偏置，中间结为反偏置。晶闸管未导通时，加正压时的外加电压由反偏置的J2结承担，而加反压时的外加电压则由J1、J3结承担。
500V
T4
C0-C0 T1 RM1 6× 800kW D1 500V Lp T2 D2 M1 25kV T3 RM2 Ud D3 D4 M2 M3 500V T4 6G机车一个转向架主电路
6G机车一个转向架主电路
第6章牵引变流器
第6章牵引变流器
C0-C0 6×800kW
Ud
500V
T1 RM1
第6章牵引变流器
第6章牵引变流器
第二节
整流电路
整流电路是出现最早的电力电子电路，其作用是将交流电变为直流电。
整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。
第6章牵引变流器

一、桥式不控整流电路
2U 2 sin t 2n t 2n ud 2U 2 sin t 2n t 2n 2 Ud
（a）螺栓形；
（b）平板形；
（c）晶闸管符号；

外形有螺栓型和平板型两种封装。（螺栓形一般自然冷却，平板型可
以水冷，功率较大）

有三个连接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
第6章牵引变流器

《牵引变流器》课件

采用先进的控制算法和智能化技术，提高牵引变流器的性能和稳定性。
3 新材料应用
使用新型材料提高牵引变流器的散热性能，降低体积和重量。
总结和展望
牵引变流器在轨道交通中的作用不可忽视。随着技术的不断发展，牵引变流器将变得更加高效、智能化，并为未来的城市交通发展做出重要贡献。
《牵引变流器》PPT课件
本课件将介绍牵引变流器的概念、作用及其在轨道交通领域的应用案例。同时讨论牵引变流器的主要构成部分、工作原理、优点和局限性，以及未来的发展和趋势。
概念和作用
牵引变流器是一种在轨道交通中用于控制电力传输的装置。它将高压交流电转换为适合电动机使用的电能，以提供动力。
电力传输
应用案例
牵引变流器在轨道交通领域有广泛应用，以下是一些具体案例：
高铁列车
牵引变流器用于控制高铁列车的电力传输和驱动电动机，实现高速运行。
地铁
地铁系统中的牵引变流器控制电车的动力输入和制动效果，保证安全运行。
有轨电车
有轨电车的牵引变流器将电能转换为驱动电机所需的电能，实现城市交通的便利与绿色出行。
工作原理
牵引变流器的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：
1
采集
传感器采集轨道交通工具的运行状态和电力需求。
2
控制
控制电路根据采集到的信息，控制整流器和逆变器的工作，调节输出电流和电压。
3
转换
整流器将交流电转换为直流电，逆变器电动机，提供动力给轨道交通工具。
优点和局限性
优点
• 能量高效利用 • 灵活控制 • 减少环境污染 • 提高行驶安全性
局限性
• 成本较高 • 技术要求高 • 故障难以排查 • 受环境条件影响

CRH 动车组牵引系统技术概论

动车组编组图
牵引动车组牵引传动系统由两个相对独立的基本动力单元组成，一个基本动力单元主要由主变压器、牵引变流器和牵引电机等组成。在基本动力单元中的电气设备发生故障时，可全部或部分切除该基本动力单元，但不应影响到其它动力单元。
牵引系统动力单元框图
动车组牵引是交流传动方式。驱动三相异步牵引电机的是静止变流器，变流器由四象限斩波器 (4QC)、DC 中间连接和一个脉宽调制(PWM)逆变器组成。四象限斩波器(4QC)确保稳定的供电系统并且允许再生制动能量反馈到接触网供电系统。
主断路器的关键技术参数：
主断路器技术参数额定频率额定电压列车的标称电流短路电流（峰值电流）瞬时耐电流值（有效值）短路关断电流（有效值电流）额定峰值电流（峰值）断路器的机械服务寿命断路关断能力
备注 50 Hz 25 kV 500 A 40 kA 16 kA 16 kA 40 kA 200,000 开关动作（无电流条件下） >= 400 MVA
动车组的车载电源的电能是通过牵引变流器的直流中间电压环节获得。一个静止辅助变流器系统(ACU) 把直流电转换成为列车车载电源供电的三相交流电力单元组成，高压系统部件对称分布在ＴＣ０２和ＴＣ０７车车顶。
车顶高压电器分布图
高压电缆，以下称“车顶电缆”将动车组两个牵引单元连接起来，这样通过电缆一个受电弓和一个主断路器可以同时给两个牵引单元供电。两个隔离开关（车顶电缆隔离开关）当列车发生故障时可以将车顶电缆断开。如果一个牵引单元主系统发生故障，另一个牵引单元可以继续工作。
变压器避雷器的主要技术参数：
变压器避雷器技术参数
额定电压
持续电压
标称放电电流峰值
在8/20 μs下的最大残余电压

华东交通大学车辆工程列车牵引计算第六章

基本原理都与分析法相同，即以列车运动方程式推导出来的速度、时间和距离的关系式为依据。应用较为普遍的是垂直线法。
一、速度线的绘法（1）
先将单位合力曲线图逆时针旋转90度，速度坐标轴作为纵坐标轴，单位合力曲线坐标轴作为横坐标轴，如图5-22所示，在图的右方绘上v = f(S) 曲线图的两个坐标轴，纵断面为v，横坐标为 S,并在横坐标轴下面绘出区间的线路纵断面。将两图的横坐标轴对齐。
一、速度线的绘法（3）
依同法可得到与速度间隔V1-V2、V2-V2、
V3-V4相对应的速度线段2-3、3-4、4-5，其所走的距离为S3-S2、S4-S3和S5-S4。折线O1-1-2-3-4-5就是速度线v = f(S)。线路坡度变化时，应在合力图上选定对应坡度的坐标原点。
二、时间线的绘法（1）
例6-2：
SS4型机车牵引一列4000吨的货物列车，运行在甲乙两站之间，其化简后的线路纵断面图如图6-4所示。列车换算制动率 0.28，试求由甲站起动到已站停车所需的时间。
三、时间线的绘法（3）
依同法可得到与速度间隔V1-V2、V2-V2、V3V4相对应的时间线段 2ˊ-3ˊ、3ˊ-4ˊ、4ˊ-5ˊ，其所需要的时间为t3 t2、t4 - t3和t5 - t4。折线O1-1ˊ-2ˊ-3ˊ-4ˊ-5ˊ 就是时间线t = f(s)。

(四）画图法实例分0-V1，在合力曲线上取0-V1的平均速度对应的合力为a点，从a点向坐标轴原点O 连射线，再由坐标图中的O1点做aO射线的垂线，交V1的横线于1点，得O-1线段，过1点作横坐标的垂线交于S1点，在S坐标上S1的即为速度间隔0-V1内所走的距离ΔS。

动车组牵引系统的组成原理

动车组牵引系统的组成原理
动车组牵引系统的典型组成和工作原理如下:
1. 牵引变流器- 将电网交流电转换为交流电动机所需的三相交流电。

2. 牵引电动机- 接收牵引变流器的电能,将其转换为机械能输出转矩。

常用鼠笼式异步电动机。

3. 齿轮传动装置- 将电动机输出的高速低扭矩转化为轮对所需的低速高扭矩。

4. 轮对- 将最终驱动力传给轨道,使整列动车运动。

5. 微机控制系统- 控制牵引系统的工作,优化各部件协调运转。

6. 电阻制动系统- 将电动机变为发电机使用,实现制动目的。

7. 电子供电系统- 为牵引系统各组件提供电力供应。

8. 轴挂装置- 将轮对悬挂在转向架构架上。

9. 车钩缓冲装置- 用于连接动车组车厢传递牵引力。

10. 辅助传动系统- 为轮对冷却润滑和通风等辅助工作提供动力。

综上设备和控制系统的配合,实现了动车组的牵引传动功能。

牵引变流器PPT课件

•
牵引变流器采用电压型3点式电路，由脉冲整流器、中间直流电路、逆变器构成。模块具有互换性。
•
功率半导体采用：
•
IGBT或IPM：3300V、1200A。
• 钳位半导体：3300V、1200A。
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控制方法
•
脉冲整流器部分：牵引变压器牵引绕组输出的
AC1500V、50Hz输入脉冲整流器。脉冲整流器由单相
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感谢您的观看！
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•
（四）额定参数
•
1．输入：1285kVA (单相交流1500V，857A，50Hz)。
•
2．中间直流电路：1296kW (直流3000V，432A)。
•
3．输出：1475kVA (三相交流2300V，424A，0～220Hz)。
•
4．效率：96％以上（在额定载荷条件下，除辅助电路外）。
•
5．功率因数：97%以上（在额定载荷条件下，除辅助电路和控制电
较困难，所以迟迟不能在电力机车上广泛应用。如今，随着电子技术和大功率晶闸管变流装置得到迅速的发展，采用三相交流电机的先进电力机车和动车组应运而生。交—直—交电力机车或动车组从接触网上引入的仍然是单相交流电，它首先把单相交流电整流成直流电，然后再把直流电逆变成可以使频率变化的三相交流电供三相异步电动机使用。这种传动方式具有优良的牵
•
（4）逆变器功率单元：1250μF/台 × 3台＝3750μF 。
第9页/共13页
开关元器件IGBT
•
I G BT 的开关作用是通过施加正向栅极电压形成沟道，给 P N P 晶体管提供基极电流，使 I G BT 导通。反

牵引变流器技术培训-第6章 7200W(HXD1C)电力机车牵引变流器

单相交流50Hz
25kV
%
29kV
19kV
31kV
功率
发
17.5kV
挥
网压
网压在17.5kV～31 kV范围内，机车功率发挥情况曲线图
-6-
4.基本技术条件
4.2 轮径新轮: 半磨耗:
4.3轴式 4.4轴重
轴重: 加压车铁后轴重: 4.5齿轮传动比 4.6电传动方式
1250mm 1210mm C0-C0
DCU的主要控制功能
• 四象限整流控制 • 牵引变流系统的逻辑控制 • 牵引和制动的特性计算 • 直接转矩控制 • 粘着控制 • 变流系统的保护、故障记录、诊断 • 与多功能机车车辆总线MVB接口及通讯
-35-
DCU的特点（一）
• 采用四象限整流器控制软件、异步牵引电机直接转矩控制软件、粘着控制软件实现完全微机化、数字化的实时控制。通过通讯接口板对外联接MVB 总线，与中央控制单元联系起来，形成控制与通讯系统，内部则借用单板机管理并行总线。实现网络化、信息化控制。
对外联接MVB总线，将电传动系统与微机网络控制系统联系起来，形成控制与通讯系统。
31
-31-
传动控制单元（DCU）机箱
DCU机箱插件布置图
-33-
DCU的核心任务
交流传动控制系统（或称传动控制单元，简称DCU（Drive Control Unit）的核心任务是：根据司机指令完成牵引特性控制、逆变器及交流异步牵引电动机的实时控制、高性能粘着控制等，同时具备完整的故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和轻微故障的自复位功能。
机车最大制动力： 23t轴重: 25t轴重:
≥ 370 kN ≥ 400 kN

关于动车组牵引变流器结构以及运营问题的概述

关于动车组牵引变流器结构以及运营问题的概述发布时间：2023-07-10T07:10:00.670Z 来源：《科技新时代》2023年6期作者：刘玉伟[导读] 牵引变流器主要用于控制4台牵引电机的电源。

中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛 226000摘要：本文对动车组牵引变流器系统组成部件、工作原理进行了概述，并对牵引变流器实际运营过程中出现的典型问题进行了详细的分析研究，根据研究结论，制定了相对应的优化解决措施。

关键词：牵引变流器；接触器；辅助逆变模块；失效1 关于动车组牵引变流器结构介绍牵引变流器主要用于控制4台牵引电机的电源。

其结构简洁，包括整流器、逆变器、电阻单元、真空交流接触器等主电路元件，传动控制单元均安置在一个箱体，缩小了安装空间，采用铝制框架，实现了轻量化。

虽然一部分内部装置使用了独特的形式，但每个牵引单元均在结构和控制方面确保互换性【1】。

牵引变流装置由单相交流变为直流电力的整流器部分和直流电流变为3相交流的逆变器部分、吸收电压波动获得直流定压的直流电压电路（滤波电容器）部分构成。

由于整流器、逆变器部分均采用了3电平式结构，可进行精密的电压控制【2】。

作为主电路的半导体元器件由于采用了能高速开闭的IGBT，能减小交流电压波形的失真，降低牵引电机、牵引变压器的电磁噪声,从而减少了转矩波动。

当牵引变流器启动时，预充电接触器先闭合，给牵引变流器中间直流回路充电，当中间直流回路电压达到一定数值时，充电接触器断开，牵引K接触器闭合，牵引变流器中间直流回路进一步充电至更高数值电压，充电完成后，牵引变流器开始正常工作。

牵引变流器正常工作时，K接触器处于闭合状态，当动车组过分相时，K接触器先断开，过分相结束后K接触器闭合。

1.2 动车组牵引变流器运营问题1.2.1牵引变流器V相整流模块某动车组在运行中报出牵引变流器故障，复位空开后故障消除，运行一段时间后故障再次报出。

入库查看显示屏检修模式【故障记录信息】页面，故障记录为“牵引变流器 IGTFD”。

《牵引变流器》PPT课件

精选ppt
11
电压型交直交变流器中间环节的作用
中间环节的作用
消除二次谐波
保持电压恒定
精选ppt
保持电压稳定
放掉过高电压 12
三相VVVF逆变器工作原理（两点式）
三相VVVF逆变器由三个桥臂组成，由于钳位电容的作用当上桥臂开通时，就输出中间电压的正1/2；当下桥臂开通时，就精选输ppt出中间电压的负1/2。 13
制交流电动机转矩、转速和牵引、制动状
态的目的。
精选ppt
14
三相VVVF逆变器工作原理(三点式)
精选ppt
15
三相VVVF逆变器工作原理(三点式)
三点式交直交逆变器与两点式逆变器相比，每个桥臂上都多了一倍的开关元器件，还多了两钳位二极管，各桥臂间多了一根中间零电位线。
精选ppt
16
三相VVVF逆变器工作原理(三点式)
精选ppt
17
三电平逆变器的优点
与二点式变流器相比,三点式逆变器有两个突出优
点,即主管耐压降低一半和输出波形好。
精选ppt
18
三相VVVF逆变器工作原理
当机车要进而制动状态时，电动机就成了发电机，逆变器就成了整流器，其整流的工作原理和上面讲的相同；同时，原来的四象限整流器就成了逆变器，相工网回馈 50Hz的电能。
4.真空交流接触器
5.电阻单元过载电压抑制电阻･放电电阻

6.交流电压传感器
霍尔型CT
7.交流电流传感器
ACPT
8.无触点控制装置
9.控制电源单元
10.电动送风机
主电动通风机･辅助电动通风机(密闭室冷却用)
精选ppt
22
IGBT
• 简介 • 原理 • 导通 • 关断 • 反向阻断 • 正向阻断 • 闩锁 • 正向导通特性 • 动态特性

牵引变流器技术培训-第6章 7200W(HXD1C)电力机车牵引变流器

5.4冷却系统
变流器模块采用水冷散热，冷却液由纯水和乙二醇按比例混合而成。
水冷管路全部采用快速接头连接，方便快捷插拔，不需要排放冷却系统中的冷却液
变流器安装有一个水-气热交换器，用于变流器柜
体内部的空气循环与降温，防止出现局部过热点。
30
斩波电阻冷却由底部两个小风机风冷。
-30-
7.总体设计
7.5传动控制单元
三重四象限互相错开一定的相位角度，减小对电网的谐波污染，降低直流回路的纹波。
20
-20-
6.技术说明
6.3电路组成
6.3.1充电回路牵引变压器牵引绕组输入电压经由充点接触器、充
电电阻组成的充电回路对直流回路的支撑电容充电，充电完成后闭合短接接触器。
21
-21-
6.技术说明 6.3电路组成
6.3.2滤波二次谐振电抗器、滤波电容组成二次谐振回
23 t 25 t 106/17=6.2353 交-直-交传动
7
-7-
4.基本技术条件
4.7 电力牵引性能
机车轮周牵引功率（持续制）
7200 kW
机车起动时粘着牵引力（0～5 km/h速度范围内半磨耗的轮周平均牵引
力）
23t轴重时:
≥520 kN
25t轴重时:
≥570 kN
机车持续制牵引力：
23t轴重时:
13
-13-
5.技术参数
5.2中间直流环节标称直流电压：二次谐振电感：二次谐振电容：
DC1800V 0.27mH 9.39mF
14
-14-
5.技术参数
5.3 VVVF逆变器标称输入电压：输出电压：额定输出电流：最大输出电流：开关频率：控制方式：

电力机车控制-牵引变流器组成及原理

《@@@》教学资源库
牵引变@流@器@组@成@及@原理
牵引变流器组成及原理
1 牵引变流器的功能及特点 2 牵引变流器组成 3 电压型四象限脉冲整流器 4 中间直流电路 5 电压型逆变器
1 牵引变流器的功能及特点 1.基本功能
牵引变流器是交流传动电力机车的核心部件之一，用于直流和交流之间进行电能的变换。为了满足机车启动、调速和制动的需求，要求牵引变流器能够四象限运行。牵引变流器的基本功能是将来自接触网的交（直）流电压，变换为频率、幅值可调的三相交流电压，供给交流牵引电动机，将电能转换为机械能，在轮轨间产生牵引力，驱动列车前进。
电流路径：Uf -Rf -Lf -VD1 -直流环节-VD4 - Uf 此时，Ud =Uf + ULf来自2）当Uf<0时(自行分析）
3 电压型四象限脉冲整流器
3、逆变状态两电平电路工作在全控桥电路，即由VT1 VT2 VT3 VT4
组成。正半周：直流环节-VT3-Uf -Rf-Lf-VT2-直流环节负半周：直流环节-VT1-Lf-Rf-Uf -VT4-直流环节
2 牵引变流器组成在交-直-交传动系统中，牵引变流器主要由四象限脉冲整流器（4qc）、直流中间环节（DC-Link）和逆变器（PWMI）组成。典型的两电平牵引变流器电路如下图所示。
2 牵引变流器组成
1．整流器单元电源侧变流器采用四象限脉冲整流器（4qc），构成
交-直变换部分，通过PWM斩波控制方式，可以调节从接触网输入的电流相位，使机车所取的电流波形接近于正弦波形，并能在宽广的负载范围内使机车功率因数接近于1，等效谐波电流减小，有利于提高机车功率因数，降低谐波干扰。此外，四象限脉冲整流器能方便的实现牵引和再生制动的能量转换，可取得显著地节能效果。

华东交通大学车辆工程导论 (赵怀瑞)华东交通大学车辆工程导论 (赵怀瑞)第六章高速与重载

验记录。
二、重载运输
2、世界重载运输发展状况
巴西：维多利亚-米纳斯铁路
标准编组列车为320辆编组，列车牵引重量31000吨
二、重载运输
2、世界重载运输发展状况
中国：大秦铁路2万吨，塑黄(陕西神池至河北黄骅)
二、重载运输
2、世界重载运输发展状况
目前，世界各国重载铁路年运量普遍在１亿吨以下，超过１亿吨的重载铁路仅有几条，主要是：巴西，维多利亚—米纳斯铁路(898km)，为1.3亿吨
that means there's considerable convergence of design elements
between all of the manufacturers. They're all basically chasing the same thing. Distributed power, regenerative braking, greater modularity, noise reduction – it's all standard for the next generation."
一、高速铁路
2、高速铁路技术经济特征最大坡度(Fr 3.5，Ja东海道1.5，Ge客货1.25，C2.5)
最小曲线半径(Fr+Ja 4k，Ge7k，I3k，C7k)
线间距(0.82～1.7m，C5m)
一、高速铁路
3、世界高速铁路发展状况
1964年，世界第一条高速铁路在日本建成；
1981年、1991年，法国、德国高速铁路相继开通；
HXN3 重载内燃机车的最大功率可达大机美国EMD 6000hp6000 （4476kW) HXN5 戚输

牵引变流器

牵引系统示意图
采用直流串励电动机的最大优点是调速简
单，只要改变电动机的端电压，就能很方便地在较大范围内实现对机车的调速。但是这种电机由于带有整流子，使制造和维修很复杂，体积也较大。而交流牵引电动机（即三相异步电动机）在制造、性能、功能、体积、重量、成本、及可靠性等方面远比整流子电机优越得多。但由于调速比较困难，所以迟迟不能在电力
机车上广泛应用。
如今，随着电子技术和大功率晶闸管变流
装置得到迅速的发展，采用三相交流电机的先进电力机车和动车组应运而生。交—直—交电力机车或动车组从接触网上引入的仍然是单相交流电，它首先把单相交流电整流成直流电，
牵引变流器的基本构造
• 动车组设有四个牵引变流器，分别在2 号、3号、6号和7号车下。两个牵引变流器为一组，由一个牵引变压器提供电源。牵引变流器与牵引变压器一样，用螺栓悬挂于车下。
• 5．功率因数：97%以上。
• 6．控制功能：（1）发生直流电压模式；（2）电源相位同步控制；（3）PWM控制
为无接点控制装置（控制逻辑部）、继电器单元、电源单
元等。
电路及功率半导体
• 牵引变流器采用电压型3点式电路，由脉冲整流器、中间直流电路、逆变器构成。模块具有互换性。
• 功率半导体采用： • IGBT或IPM：3300V、1200A。 • 钳位半导体：3300V、1200A。
控制方法
•
脉冲整流器部分：牵引变压器牵引绕组输出的
另外，主电路的输入通过交流接触器K实施。
• 逆变器部分：输入滤波电容器电压，依据无接点控制装置（IGBT元件）控制信号，输出变频变压的三相交流电对4 台并联的电机进行速度、扭矩控制。再生制动时牵引电机发出三相交流电，向滤波电容器输出直流电压。牵引电机控制采用矢量控制方式，独立控制扭矩电流和励磁电流，以使扭矩控制高精度化、反应高速化，提高电流控制性能。

第六章CRH型动车组牵引传动系统

第六章CRH型动车组牵引传动系统第六章 CRH2 型动车组牵引传动系统第一节概述一、CRH2 牵引传动系统基本组成CRH2 动车组牵引传动系统主要由受电弓（包括高压电器设备）、牵引变压器、四象限变流器、牵引逆变器和牵引电机组成。

1．高压电器设备高压电器主要作用是完成从接触网到牵引变压器的供电。

主要包括：受电弓、主断路器、避雷器、电流互感器、接地保护开关等。

CRH2 动车组采用DSA250 型受电弓。

该受电弓为单臂型结构，额定电压/电流为25kV/1000A，接触压力70±5N,弓头宽度约1950mm，具有自动降弓功能，适应接触网高度为5300～6500mm，列车运行速度250km/h。

CRH2 动车组采用CB201C-G3 型主断路器。

主断路器为真空型，额定开断容量为100MVA，额定电流AC200A，额定断路电流3400A，额定开断时间小于0.06s，采用电磁控制空气操作。

CRH2 动车组采用LA204 或LA205 型避雷器。

额定电压为AC42kV（RMS），动作电压为AC57kV 以下（V1mA，DC），限制电压为107kV。

由氧化锌（ZnO）为主的金属氧化物组成,是非线性高电阻体的无间隙避雷器。

CRH2 动车组采用TH-2 型高压电流互感器。

变流比为200/5A，用于检测牵引变压器原边电流值。

CRH2 动车组SH2052C 型接地保护开关。

额定瞬时电流为6000A（15 周），电磁控制空气操作，具有安全连锁。

2．牵引变压器CRH2 动车组采用的是TM210 型牵引变压器，一个基本动力单元1 个，全列共计2 个。

采用壳式结构、车体下吊挂、油循环强迫风冷方式。

具有1 个原边绕组（25kV,3060kVA）、2 个牵引绕组（1500V，2×1285kVA），一个辅助绕组（400V，490kVA）。

3．牵引变流器CRH2 动车组采用的是CI11 型牵引变流器，一个基本动力单元2 个，全列共计4 个。

牵引变流器

牵引变流器
列车关键部件
01 产品介绍
03 分类
目录
02 发展过程 04 控制系统
05 测量
07 技术参数
目录
06 器件 08装在列车动车底部，其主要功能是转换直流制和交流制间的电能量，把来自接触上的1500 V直流电转换为0～1150 V的三相交流电，通过调压调频控制实现对交流牵引电动机起动、制动、调速控制。
产品介绍
变流器模块电路牵引变流器是列车关键部件之一，安装在列车动车底部，其主要功能是转换直流制和交流制间的电能量，把来自接触上的1500 V直流电转换为0～1150 V的三相交流电，通过调压调频控制实现对交流牵引电动机起动、制动、调速控制。随着电力电子技术发展，牵引变流器在轨道车辆中的应用也在不断地进步与发展。其中IGBT、GTO、IPM器件属电压驱动的全控型开关器件，脉冲开关频率高、性能好、损耗小，且自保护能力也强。为此，世界上无论是干线铁路还是城市轨道的电动车辆的电气系统中均采用IGB7F、GTO、IPM模块来构成。
异步牵引电动机起动时要求逆变器供出幅值可变的、接近正弦的低频电压,这可用分谐波调制法控制F1、F2 的通断顺序来达到。电压型逆变器在控制电路作用下能顺利地转入再生制动。利用这一可逆性又可制成交-直-交电力机车电源侧变流器，它能提供恒定的中间环节直流电压，又可调节交流电侧的功率因数和改善电流波形，这就是电压型四象限变流器。
分类
直流-直流变流器
交流-直流整流器
直流-交流变流器
图1将交流电整成直流电,主要有两种形式：采用桥式整流线路的桥式整流器和采用中抽整流线路的中抽整流器。图1中a为应用在电力机车上的单相桥式线路，交流电压u正半周经二级管1和二极管3、负半周经二极管2和二极管4接到直流侧，从而在直流侧得到不变方向的脉动电压Ud,经过平波电抗器Ld滤去脉动成分后用于驱动直流牵引电动机，其电压波形图如图1中a上部所示。图1中b为单相中抽整流线路图和电压波形图。图1中c为柴油机车采用的三相桥式整流线路图和电压波形图。若用适当数量的二极管串联（以增加电压）和并联（以增加电流）代替原理图中的一个元件，则可构成所需功率的交-直整流器。

牵引变流器

牵引变流器
要了解牵引变流器,要从以下几个方面入手: 1.为什么要使用牵引变流器; 2.牵引变流器基本构造与基本模块; 3.工作原理;
为什么要使用牵引变流器
目前世界大部分国家的动车组都是用交—— 直——交电力传动系统.即受电弓通过电网接入25kV的高压交流电,输送给牵引变压器,降压成1500V的交流电.降压后的交流电再输入牵引变流器,通过一系列的处理,变成电压和频率均可控制的三相交流电,输送给牵引电机,通过电机的转动而牵引整个列车.
牵引变流器的基本构造
动车组设有四个牵引变流器,分别在2 号,3号,6号和7号车下.两个牵引变流器为一组,由一个牵引变压器提供电源.牵引变流器与牵引变压器一样,用螺栓悬挂于车下. 牵引变流器在M1车,M2车上分别装载脉冲整流器,逆变器各1台,运行时除实施牵引电机电力供应和制动时的再生制动外,还具备保护功能
开关元器件IGBT 开关元器件IGBT
IGBT的开关作用是通过施加正向栅极电压形成沟道,给PNP晶体管提供基极电流, 使IGBT导通.反之,加反向门极电压消除沟道,流过反向基极电流,使IGBT关断. IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同,只需控制输入极 N沟道 MOSFET ,所以具有高输入阻抗特性. 当MOSFET的沟道形成后,从 P+ 基极注入到 N 一层的空穴(少子),对N一层进行电导调制,减小N一层的电阻,使IGBT在高电压时,也具有低的通态电压.
(八)接点控制装置 (九)脉冲整流器控制功能 1.主电路控制方式: 3点式PWM方式. 2.脉冲整流器输出频率:50Hz. 2 50Hz 3.直流电压:DC2600V～DC3000V(按速度范围变化可调). 4.载波频率:1250Hz. 5.功率因数:97%以上. 6.控制功能:(1)发生直流电压模式;(2)电源相位同步控制;(3)PWM控制

第六章动车组牵引传动系统

一、交直型电力机车牵引特性
❖3、牵引电动机允许的最高电压限制（曲线3）
❖受牵引电机换向片间电压和电位条件限制的最高工作电压，曲线3 即为满磁场(固定分路)时的最高端电压下，由牵引电动机特性计算所得的牵引特性。
一、交直型电力机车牵引特性
❖4、整流器输出特性确定的最大电压限制（曲线4）
❖ （GB 3317-1982）中规定：机车受电弓电压额定值为25 kV，并在 20 kV~ 29 kV能正常工作。所以整流器输出的最高电压也随受电弓处的电压变化而变化，当网压升高时，曲线4将如箭头方向向右移动，反之则向左移。
二、动车组牵引特性
❖ （三）CRH2牵引特性曲线 ❖ 2．CRH2型动车组的牵引性能曲线
(1)牵引力曲线。牵引力为动车组所要求的全功率对应的最大牵引力。 (2)牵引力与速度的关系。 (3)运行阻力。 (4)电动机电压、电流曲线。
动车组牵引传动系统
1 动车组牵引传动方式 2 动车组牵引特性 3 动车组牵引传动系统的组成 4 动车组牵引传动控制功能
交流电传动包括：交—直—交电传动交—交电传动
➢列车牵引运行时，受电弓将接触网AC25kV单相工频交流电，经过相关的高压电气设备传输给牵引变压器；
➢牵引变压器降压输出单相交流电供给牵引变流器，脉冲整流器将单相交流电变换成直流电
➢经中间直流电路将直流电输出给牵引逆变器，牵引逆变器输出电压/频率可调的三相交流电源驱动牵引电机
动机进入磁场削弱工作。曲线 5是牵引电动机额定电压和额定电流计算所得的恒功率的限制曲线。则机车轮周功率限制为常数： ❖ P=Fv/3.6=NUNINηdηc=常数机车的运行速度应小于由机车构造所决定的最大安全速度。

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第6章牵引变流器
第一节电力电子元件
第6章牵引变流器
第6章牵引变流器
一、电力电子器件的分类
按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：
半控型器件（Thyristor）
——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET)
——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。不可控器件(Power Diode)
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第6章牵引变流器
（a）螺栓形；（b）平板形；
（c）晶闸管符号；
外形有螺栓型和平板型两种封装。（螺栓形一般自然冷却，平板型可以水冷，功率较大）
有三个连接端。
螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
第6章牵引变流器
第6章牵引变流器
电力MOSFET特点： 1、开关时间在10~100ns之间，工作频率可
达100KHZ，是主要电力电子器件中最高的。 2、场控器件，静态时几乎不需要输入电流，
只是开关过程中需要一定的功率，开关频率越高，驱动功率越大。
第6章牵引变流器
四、绝缘栅双极晶体管
GTR（巨型晶体管，工作原理与三极管类似）的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。
注：此处电流分配系数α是指集电极电流与发射极电流的比值。（此值在管子处于放大区时基本固定，不在放大区则会变化）
第6章牵引变流器
2 晶闸管的基本特性
晶闸管正常工作时的特性总结如下：承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。
第6章牵引变流器
若把晶闸管看成由两个三极管T1 （P1N1P2）和T2 （N1P2N2）构成，
则其等值电路可表
示成两个三极管。对三极管来T1说， P1N1为发射结J1， N1P2为集电结J2；对于三极管T2， P2N2为发射结J3， N1P2仍为集电结 J2；因此J2 （N1P2）为公共的集电结。
——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。
第6章牵引变流器
按照驱动电路信号的性质，分为两类：
电流驱动型

——通过从器件的控制端注入或者抽出电流来实

现导通或者关断的控制。
电压驱动型

——仅通过在器件的控制端和公共端之间施加一
定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。
第6章牵引变流器
第6章牵引变流器
电力MOSFET的驱动电路:
电力MOSFET是电压驱动型器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使IGBT开
通的驱动电压一般15 ~ 20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 ~ -15V）
有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。
第6章牵引变流器
电力MOSFET的工作原理（N沟道增强型VDMOS）
截止：漏源极间加正电源（D高S低），栅源极间电压为零。
– P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。
第6章牵引变流器
导电：在栅源极间加正电压UGS
栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子——电子吸引到栅栅极极下下面P区的表P区面表的面电。子当浓度UG将S大超于过U空T（穴开浓启度电，压使或P型阈半值导电体压反）型时，成极N和型源而极成导为电反。型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
第6章牵引变流器
晶闸管的结构可以看成是三端四层半导体开关器件，共有3个PN结， J1、J2和J3，如图所示。
第6章牵引变流器
当A、K两端加正电压时（A接正，K接负），J1、 J3结为正偏置，中间结为反偏置。晶闸管未导通时，加正压时的外加电压由反偏置的J2结承担，而加反压时的外加电压则由J1、J3结承担。
第6章牵引变流器
三、电力MOSFET的结构和工作原理
电力MOSFET的种类
按导电沟道可分为P沟道和N沟道。耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。电力MOSFET主要是N沟道增强型。
第6章牵引变流器
G：栅极 D：漏极 S：源极
第6章牵引变流器
S
电力MOSFET的结构
D
D
G
N+ P N+
N+ P N+
沟道
N-
G
G
N+
S
S
D
N沟道
P沟道
图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号
a)
b)
是单极型晶体管。
导电机理与小功率MOS管相图同1-1，9 但结构上有较大区别。
采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。
第6章牵引变流器
如果晶闸管接入如图（b）所示外电路，外电源EA正端经负载电阻R引至晶闸管阳极A，电源的负端接晶闸管阴极K，一个正值触发控制电压EG经电阻Rs后接至晶闸管的门极 G，如果T1（P1N1P2）的集电极电流分配系数为α1，T2 （N1P2N2）的集电极电流分配系数为α2，
二、晶闸管(thyristor)
晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。
MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。
绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor—— IGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。 1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。

华东交通大学动车组牵引技术第6章牵引变流器

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