1、 早期因为交流变频调速技术的不成熟，机车牵引传动系统大都采用直流牵引传动系统。随着电力电子器件的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等迅速发展，使得交流变频调速的性能获得极大的提高。现在机车交流传动系统已逐步取代直流牵引传动系统，成为机车牵引传动的主流。直流牵引电动机结构上固有的缺点与不足，以及交流变频调速传动系统诸多的优点注定了交传机车取代直流机车会成为必然的趋势。本项目以大功率交流传动HXD1C型六轴7200kW交流传动电力
2、机车为例，介绍交传机车主牵引传动系统的结构与工作原理。【项目描述【项目描述】n1、掌握交传机车牵引传动系统的结构及主电路工作原理与基本控制原理；n2、了解交传电力机车直流牵引传动系统的主要设备；n3、掌握交流牵引传动系统常用电力电子器件的结构与工作原理及特性；n4、掌握交流牵引电机的结构、工作原理与技术参数；n5、掌握交传机车调速与制动的工作原理；n6、培养学生利用相关仪器、设备对交传机车牵引传动系统维护、调试及常见故障分析与检修的能力；n7、掌握牵引变流器检查维护的安全操作规范。【学习目标学习目标】n图4-1是交传机车牵引传动系统示意图，交流接触网提供25KV工频电压，经过牵引变压器降压后，
3、再经整流器将交流整流变为脉动的直流。中间环节起能量支撑作用，主要由滤波电容组成，将脉动的直流变成平稳的直流。最后逆变器输出三相变压变频的交流电，提供给三相交流牵引异步电动机。【项目导入【项目导入】图4-1 交传机车牵引传动系统示意图图4-2 交直型直流牵引传动系统的示意图【学习任务【学习任务】4.1 二电平二电平PWM整流器整流器 脉冲变流器是列车是列车牵引传动系统电源侧逆变器，在牵引时作为整流器，将单相交流电转变成直流电，再生制动时作为逆变器，将直流电转变成单相交流电，它可方便运行于电压电流平面四个象限，所以也称了四象限脉冲整流四象限脉冲整流器器。两电平整流器也叫两点式四象限脉冲整流器两点式
4、四象限脉冲整流器。在交流传动领域，网侧变流器现大多采用四象限脉冲整流器，它具有以下优点:能量可以双向流动能量可以双向流动;从电网侧吸收的电流为正弦波从电网侧吸收的电流为正弦波;功率因数可到达功率因数可到达1;减低了接触网的等效干扰电流，减少对通讯的干扰减低了接触网的等效干扰电流，减少对通讯的干扰;可以保证中间回路直流电压在允许偏差内。可以保证中间回路直流电压在允许偏差内。4.1.1 电压型桥式电压型桥式PWM整流电路的结构整流电路的结构单相电压型桥式PWM整流电路最初出现在交流机车传动系统中，为间接式变频电源提供直流中间环节，电路结构如图4-3所示。图4-3 单相PWM整流器结构 由图4-3所
5、示，能量可以通过构成桥式整流的整流二极管D1D4完成从交流侧向直流侧的传递，也可以经全控器件T1T2从直流侧逆变为交流，反馈给电网。所以PWM整流器的能量变换是可逆能量变换是可逆的，而能量的传递趋势是整流还是逆变，主要视T1T4的脉宽调制方式而定。4.1.2 单相电压型桥式整流电路的工作原理单相电压型桥式整流电路的工作原理 （a）整流工况 （b）逆变工况图4-4单相电压型PWM整流电路运行方式相量图us1(t)设为交流侧电压US(t)的基波分量，iN1(t)为电流iN(t)的基波分量，忽略电网电阻的条件下，对于基波分量，有下面的相量方程成立，即:11NNSNUUj L I4.1.2 单相电压型
6、桥式整流电路的工作原理单相电压型桥式整流电路的工作原理假设整流时有：调制波为：设为三角载波幅值；为单极性SPWM波，在一个开关周期内的平均值表示为：定义正弦脉宽调制比：并取：则根据相量图，相角表达式为：sinNNmUUt()sin()ggmutUtsin()sin()dsgmdcmUuUtmUtUgmcmUmU1s mdUmU4.1.3 单相电压型单相电压型PWM整流电路工作过程分析整流电路工作过程分析 与PWM逆变器的控制类似，整流器的每个桥臂电路的控制方法也是由三角形载波与正弦调制波的交点来决定桥臂中的上下两个元件的换流时刻。二个桥臂的正弦调制波相位差为180。四象限整流器分别工作于四象限
7、的工作状态：(1)工作模式工作模式1：T1(D1)、T3(D3)或T2(D2)、T4(D4)导通时，即下桥臂开关或上桥开关全部导通，此时=0，负载消耗的能量由电容C提供，直流电压通过负载RL形成回路释放能量，电压下降。同时，电源两端直接加电感上，当0时，即处于正半周，电感中电流上升，T3和D1导通或者T2和D4导通，只要T2、T3中的一个导通即。当0，则网侧电流iN增大，电容C1和C2通过负载电流放电。图4-8 单相三电平脉冲整流器工作模式14.2.2 三电平脉冲整流器的原理三电平脉冲整流器的原理工作模式工作模式2(SA=1，SB=0):开关管Ta1，Ta2，Tb2和Tb3导通，T a 3，T
8、 a 4，T b 1 和T b 4 关断。网侧端电压uao=u1，ubo=0，uab=u1。如果正向电源电压uN大于（或小于）直流侧电压Ud的一半，则网侧电流iN增大（或减小），网侧电流对电容C1进行充电，而电容C2通过负载电流放电。图4-9 单相三电平脉冲整流器工作模式24.2.2 三电平脉冲整流器的原理三电平脉冲整流器的原理工作模式工作模式3(SA=1，SB=-1)：开关管Ta1，Ta2，Tb3和Tb4导通，Ta3，Ta4，Tb1和Tb2关断 网侧端电压uao=u1，ubo=-u2，uab=u1+u2。由于是boost升压变换器，则有|uN|0，则正向网侧电流iN增大，电容C1和C2通过负
9、载电流放电。图4-12 单相三电平脉冲整流器工作模式54.2.2 三电平脉冲整流器的原理三电平脉冲整流器的原理工作模式工作模式6(SA=0，SB=-1)：开关管Ta2，Ta3，Tb3和Tb4导通，Ta1，Ta4，Tb1和Tb2关断。网侧端电压uao=0，ubo=-u2，uab=u2。如果正向电源电压uN大于（或小于）直流侧电压Ud的一半，则网侧电流iN增大（或减小），网侧电流对电容C2进行充电，而电容C1通过负载电流放电。图4-13 单相三电平脉冲整流器工作模式64.2.2 三电平脉冲整流器的原理三电平脉冲整流器的原理工作模式工作模式7(SA=-1，SB=1)：开关管Ta3，Ta4，Tb1和T
10、b2导通，Ta1，Ta2，Tb3和Tb4关断。网侧端电压uao=-u2，ubo=u1，uab=-u1-u2。反向网侧电流iN减小，反向网侧电流对电容C1和C2进行充电。图4-14 单相三电平脉冲整流器工作模式74.2.2 三电平脉冲整流器的原理三电平脉冲整流器的原理工作模式工作模式8(SA=-1，SB=0)：开关管Ta3，Ta4，Tb2和Tb3导通，Ta1，Ta2，Tb1和Tb4关断 网侧端电压uao=-u2，ubo=0，uab=-u2。如果反向的电源电压uN大于（或小于）直流侧电压Ud的一半，则网侧电流iN减小（或增大）；反向网侧电流对电容C2进行充电，而电容C1通过负载电流放电。图4-15
11、 单相三电平脉冲整流器工作模式84.2.2 三电平脉冲整流器的原理三电平脉冲整流器的原理工作模式工作模式9（SA=-1，SB=-1)：开关管Ta3，Ta4，Tb3和Tb4导通，Ta1，Ta2，Tb1和Tb2关断。网侧端电压uao=-u2，ubo=-u2，uab=0。如果网侧电源电压uN0，则正向网侧电流iN增大，电容C1和C2通过负载电流放电。图4-16 单相三电平脉冲整流器工作模式94.2.2 三电平脉冲整流器的原理三电平脉冲整流器的原理三电平脉冲整流器PWM调制方式为SPWM，其理想相开关函数如下式，其调制方式下图所示。当b相调制波与a相相差180相位，其与b相载波之间的关系与上述关系相同，为减少高次谐波，b相载波需要偏离a相载波180 相位。三电平四象限脉冲整流的优点：每一个功率器件所承受的关断电压仅为直流侧电压的一半这样在相同的情况下，直流电压就可以提高一倍，容量也可以提高一倍。在同样的开关频率及控制方式下，三电平四象限脉冲整流器输出电压或电流的谐波大大小于两电平四象限脉冲整流器，因此它的总谐波失真THD也要远小于两电平四象限脉冲整流器。三电平四象限脉冲整流器输入侧的电流波形即使在开关频率很低时，也能保证一定的正弦度。
