1、 项目项目1 1 城市轨道交通车辆电气控制技术及构成城市轨道交通车辆电气控制技术及构成 项目项目2 2 城市轨道交通车辆牵引电传动系统城市轨道交通车辆牵引电传动系统 项目项目 城市轨道交通车辆辅助供电系统城市轨道交通车辆辅助供电系统 项目项目 列车控制及监控系统列车控制及监控系统1【项目描述】本项目主要介绍牵引电传动系统控制技术及发展方向，城市轨道交通车辆电气控制技术特点，系统组成及功能，系统主要电气部件的结构原理、技术参数、性能等。2【学习目标】通过本项目的学习，要求掌握以下基本知识：1 了解牵引电传动系统控制技术及发展方向。2 掌握城市轨道交通车辆电气控制原理。熟悉城市轨道交通车辆系统组成
2、及功能。掌握牵引系统矢量控制方式。掌握 控制原理。掌握城市轨道交通车辆主要电气产品的结构原理。【技能目标】能够熟练掌握城市轨道交通车辆的一般组成及各系统的功能。3任务.城市轨道交通车辆电力牵引控制系统的发展方向【活动场景】举例讲解轨道交通车辆牵引电传动系统的发展历程及发展方向。【任务要求】了解轨道交通车辆牵引电传动系统的发展历程，了解电力传动形式的转变过程以及牵引电传动系统控制技术与发展方向。4【知识准备】在早期采用直流牵引电动机的直流传动系统中，均采用模拟电路来实现开环或闭环的调压调速控制，其控制简单且容易实现，如北京地铁的部分国产直流传动车辆采用调阻的调速控制方案。目前，随着科学技术的进步
3、，尤其是微电子技术的发展，即使直流传动车辆上也采用了计算机控制来实现斩波调压调速，如上海地铁一号线是采用.微机控制 斩波调速的直流传动车辆。而现在采用异步牵引电动机的交流牵引电传动系统更离不开计算机控制技术。随着交流异步电动机控制理论的进一步发展，以及计算机芯片及数字信号处理系统的开发与应用，交流传动系统的控制方法从简单的稳态标量控制发展到复杂的瞬态矢量控制。传动控制技术是牵引传动的核心技术，主要有转差率控制、矢量控制和直接转矩控制种方式。目前，转差评率控制已逐渐被淘。5（1）转差频率控制转差频率控制技术是一种早期的用于控制交流异步电动机的方法，基于异步电动机的稳态数学模型，控制性能远不能与直
4、流调速系统相媲美，系统的动态性能差，已不能适应现代传动控制要求，故逐步被矢量控制与直接转矩控制等方式取。6（2）矢量控制矢量控制又称磁场定向控制（），在2世纪 年代由西门子工程师 首先提出。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，故称这种控制方式为矢量控制方式。矢量控制策略存在一些固有缺点，如转子磁链难以准确观测，对电机参
5、数比较敏感，实际工程应用时矢量控制必须具备异步电动机参数自动辨识功。7矢量控制与直接转矩控制在应用领域各有侧重，矢量控制适用于宽范围调速系统和伺服系统，而直接转矩控制适用于需要快速转矩响应的大惯量运动控制系统。矢量控制具有直接的电流闭环控制特点，电流控制的稳定性高，有独立的 调制单元，决定其转矩控制结果是一个开关周期内的平均值。如果在大功率低开关频率应用时，高速区必须采用同步调制技术。同步调制技术与直接转矩控制相比，在一些重要指标上不如直接转矩控制，如开关频率利用、逆变器峰值电流、电机谐波损耗等。因此，通常在小功率高开关频率场合应用矢量控制，在大功率低开关频率场合应用直接转矩控8（）直接转矩控
6、制直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能异步电动机变频调速技术。这种“直接自控型”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在点击定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现 脉宽调制和系统的高动态性能。直接转矩控制可充分利用逆变器的开关频率，从而特别适用于大功率牵引传动领域。目前，该技术已大
7、量应用于干线电力机车（“和谐”型 2 交流电力机车）、城市轨道交通领域（上海地铁一号线、深圳五号线、北京房山线、沈阳二号线等）。9（）其他控制技术“受流器异步电机”的模式已成为现代轨道交通牵引的主流模式。但是，此牵引系统产生的谐波及无功分量会增加电网的电流容量，同时造成资源的浪费。为了满足绿色节能的可持续发展理念，须采用高性能的网侧控制技术及高效的主电路形。101）四象限脉冲整流技术四象限脉冲控制策略是基于瞬态电流的控制算法，通过精确的网压锁相检测，实现电网电压与电网电流同相位、低谐波电流、高稳定的直流电压的目标，采用功率因数闭环根据控制技术，可在-的额定负载时，使网侧功率因数仍保持在以上，同
8、时有效地控制电网电流中的谐波分量。牵引变流器的输入端与电网密切相连的整流器，它一方面将电能从电网输送到变流器和负载，另一方面将负载和变流器运转产生的谐波、无功分量反馈给电网。为了提高电能品质，只有在牵引传动系统采用四象限脉冲整流技术，以达到对电网侧的高功率因数控制的目的。该技术已成功批量应用于和谐号大功率电力机车112）软开关技术软开关技术是使变流器得以高频化的重要技术之一。它应用谐振的原理，使开关器件中的电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时，使开关器件关断（或电压为零时，使器件开关开通），从而减少开关损耗。它不仅解决了硬开关变换器中开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及
9、二极管反向恢复问题，而且解决了由硬开关引起的 问题。但在电路中并联或串联谐振网络，势必产生谐振损耗，并使电路受到固有问题的影响。组合软开关技术结合了无损耗吸收技术与谐振式零电压技术、零电流技术的优点。其基本原理是通过辅助管实现部分主管的零电流关断或零电压开通，使电路中既可存在零电压开通，也可存在零电流关断，同时既可包含零电流开通，也可包含零电压关断，种状态可任意组合，是新的发展趋势。此项技术已广泛应用于城轨车辆、铁路客车、动车组、电力机车12【任务实施】简述轨道交通车辆牵引电传动系统的发展历程，电力传动形式的转变过程及牵引电传动系统控制技术及发展方向，简述当前轨道交通车辆牵引电传动系统技术特点
10、。1314任务-城市轨道交通车辆电气控制系统概述【活动场景】使用多媒体展示及现场讲解城市轨道交通车辆控制技术特点。【任务要求】了解城市轨道交通车辆电气控制系统的供电方式、组成及控制方式。15【知识准备】城市轨道交通车辆是确保城市轨道交通安全、正点、高效运行的关键，其投资大、技术复杂，在一定程度上标志着城市轨道交通技术发展的水平。其总体设计是根据线路条件、用户需求来确定城市轨道交通车辆合理的技术参数、结构和机电装备的配置以及各系统、设备之间的接口关系。城市轨道交通车辆的各个设备，通过机械、电气、电磁、网络等联系，形成一个统一的机电一体化设备，通过驾驶员操纵实现列车运行的控制，而对于装置有列车自动
11、控制（）系统的列车，可实现列车的自动驾驶（）、列车自动保护（）等功能。城市轨道交通车辆电气控制系统主要由牵引传动系统（）、辅助供电系统（）、列车控制及监控系统（）等组。16（1）城市轨道交通车辆供电方式城市轨道交通车辆供电方式是由主变电站来的高压电流通过牵引变电所，经由馈电线输送给接触网，城市轨道交通车辆通过受电弓（三轨）从接触网的.（）受电，然后经地铁车辆逆变器逆变（，）成交流电（分别给牵引电机和辅助照明系统供电），再经由车辆的接地回流装置通过钢轨反馈到回流线，最终再由回流线将电流反馈回牵引变电所。其原理图如图1.1所示。1718（2）城市轨道交通车辆电气与设备城市轨道交通车辆电气控制系统包
12、括车辆上的各种电气部件、设备及其控制电路。如图1.-所示为城市轨道交通车辆单元车的总体控制。城市轨道交通车辆的主牵引传动系统是列车牵引动力和电制动力得以实现的载体，它为单节车辆的两个转向架上的台牵引电机提供电能，通过控制系统对电动机和牵引力进行调节，驱动车轮从而牵引列车，以满足车辆牵引和制动性能的要求。当在电制动工况时，牵引电机当作发电机运行，通过牵引电机将列车的动能转化为电能，并经牵引逆变器（）、高速断路器（）、受电弓（）将电能反馈给电网。如果不能反馈到电网，则通过牵引逆变器调节制动电阻以热量的形式散发出去。1920地铁车辆的辅助电源系统（），它用作车辆空调、电热采暖、照明、列车广播及乘客信
13、息显示、空气压缩机、各系统控制电路及列车监控系统、车载信号和通信设备等的电源。辅助电源逆变器回路应配置辅助隔离开关和接地开关。辅助电源逆变器经辅助隔离开关与辅助系统高压母线车间电源装置相连。图1.给出了长春客车股份有限公司给西安地铁二号线生产的城市轨道交通车辆主要配置。该车采用-型地铁车辆，动 拖 辆编组，编组方式为：，为有司机室的拖车，为无司机室带受电弓的动车，车为无司机室的动车，车为无司机室的拖车。车辆采用受电弓供电方式，供电制式为.。21【任务实施】简述城市轨道交通车辆电气控制系统的供电方式、组成及控制方式以及车辆电气与设备特点，以西安地铁二号线轨道交通车辆为例简述电气控制系统组成。22
14、2324任务城市轨道交通车辆 控制技术【活动场景】使用多媒体展示及现场讲解城市轨道交通车辆 控制技术特点。【任务要求】掌握城市轨道交通车辆 控制系统的基本原理、控制方式与 波形的生成方法，了解 逆变电路的谐波分析，了解跟踪型 逆变电路，了解 整流电路。25【知识准备】20世纪 年代末上海地铁一号线车辆上采用当时先进的电流驱动型可关断晶闸管 来构成，由于其开关频率低而功率大，但耐压值高，为可靠安全工作，采用 脉冲控制方式，由 变压器降压隔离、给用电设备供电。20世纪 年代新一代电压驱动型绝缘栅双极型晶体管 迅速发展，其性能优良，很快取代了在该领域内的。1995年以后国外生产的地铁或轻轨车辆辅助系
15、统几乎都采用 器件，而且方案也多种多样。是单一模块化嵌入二极管式结构，模块内部电介质强度高，轨道交通车辆交流传动系统（）及辅助供电系统（）采用 器件替代 器件是电力电子技术进步的必然趋势。表1.1 为 与 的性能比较2627轨道交通车辆静止逆变器逆变功能实现主要采用大功率电力电子元件，其中采用 高级矢量控制，通过输出电压的流量对输出电压进行控制，以至于实现控制的灵活性，并具有自诊断功能。本文着重介绍车辆用 控制技术28（1）控制基础冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量是指窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差
16、异。面积等效原理是，分别将如图1.所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（电路）上，如图1.（）所示。其输出电流（）对不同窄脉冲时的响应波形如图1.（）所示。从波形可知，在（）的上升段，（）的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各（）响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应（）也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可知，各（）在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。2930用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波（见图1.），正弦半波 等分，看成个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。31
17、 波形是指脉冲宽度按正弦规律变化而与正弦波等效的 波形32要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。电流波：电流型逆变电路进行 控制，得到的就是 电流波。波形可等效的各种波形：直流斩波电路：等效直流波形。波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和 控制相同，也基于等效面积原理。逆变电路及其控制方法：目前逆变电路几乎都采用 技术。逆变电路是控制技术最为重要的应用场合。逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是电压型。331）计算法和调制法计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算 波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关
18、器件的通断，就可得到所需 波形。其缺点：烦琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。34调制法输出波形作调制信号，进行调制得到期望的 波；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度呈线性关系且左右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合 的要求。调制信号波为正弦波时，得到的就是 波；调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的 波。结合 单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：设负载为阻感负载，工作时1和2通断互补，和 通断也互补。35控制规律：正半周，1通，2断，和 交替通断，负
19、载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间。1和 导通时，等于；关断时，负载电流通过1和 续流，负载电流为负区间，为负，实际上从.和 流过，仍有，断，通后，从 和.续流，总可得到 和零两种电平。负半周，让2保持通，1保持断，和 交替通断，可得 和零两种电平。单相桥式 逆变电路如图1.所示3637单极性 控制方式（单相桥逆变）：在 和 的交点时刻控制 的通断。正半周，1保持通，2保持断，当 时，使 通，断，；当 时，使 断，通，。负半周，1保持断，2保持通。当 时，使 通，断，；当 时，使 断，通，虚线 表示 的基波分量。其波形如图1.所示3839双极性 控制方式
20、（单相桥逆变）：在 半个周期内，三角波载波有正有负，所得 波也有正有负。在 一个周期内，输出 波只有 两种电平，仍在调制信号 和载波信号 的交点控制器件通断。正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当 时，给1和 导通信号，给2和关断信号，如，1和 通，如，.和 通，；当 时，给2和 导通信号，给1和 关断信号，如，2和 通，如，-和 通，。其波形如图1.所示。40单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制。41双极性 控制方式（三相桥逆变）如图1.1 所示。4243三相 控制公用，三相的调制信号，和 依次相差.-。相的控制规律：当 时，给1导通信号，给 关断信号，-，当 时，给 导通信
21、号，给.关断信号，-；当给.（）加导通信号时，可能是.（）导通，也可能是.（）导通。，和的 波形只有-两种电平，波形可由 得出，当1和 通时，当 和 通时，当1和 或 和 通时，。其波形如图1.11所示。输出线电压 波由 和 这 种电平构成，负载相电压 波由（-），（1/）和 共 种电平组成。44防直通死区时间：同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由器件关断时间决定。死区时间会给输出 波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。特定谐波消去法（，）：计算法中一种较有代表性的方法如图1.1-所示。输出电压半周期内，器件通、断各次（
22、不包括 和），共 个开关时刻可控。为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称4546474849一般在输出电压半周期内器件通、断各 次，考虑 波1/周期对称，个开关时刻可控，除用一个控制基波幅值，可消去21个频率的特定谐波，越大，开关时刻的计算越复杂。502）异步调制和同步调制载波比是指载波频率 与调制信号频率 之比，。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，调制方式分为异步调制和同步调制：异步调制异步调制是指载波信号和调制信号不同步的调制方式。通常保持 固定不变，当 变化时，载波比 是变化的。在信号波的半周期内，波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/周期的
23、脉冲也不对称。当 较低时，较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称的不利影响都较小，当 增高时，减小，一周期内的脉冲数减少，脉冲不对称的影响就变大。因此，在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。51同步调制同步调制是指 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。基本同步调制方式，变化时 不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。三相，共用一个三角波载波，且取为的整数倍，使三相输出对称。为使一相的 波正负半周镜对称，应取奇数。当 时，同步调制三相 波形如图1.1 所示。5253 很低时，也很低，由调制带来的谐波不易滤除，很高时，会过高，使开关器件难以承受
24、。为了克服上述缺点，可采用分段同步调制的方法。分段同步调制把 范围划分成若干个频段，每个频段内保持 恒定，不同频段 不同。在 高的频段采用较低的，使载波频率不致过高，在 低的频段采用较高的，使载波频率不致过低。54）规则采样法按 基本原理，自然采样法中要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。规则采样法特点工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。55规则采样法原理如图1.1 所示，三角波两个正峰值之间为一个采样周期。自然采样法中，脉冲中点不与三角波一周期中点（即负峰点）重合。规则采样法使两者重合，每个脉冲中点为相应三角波中点，计算大为简化。三角波负峰时刻 对信号波采
25、样得 点，过 作水平线和三角波交于，点，在 点时刻 和 点时刻 控制器件的通断，脉冲宽度 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。565758三相桥逆变电路的情况通常三相的三角波载波公用，三相调制波相位依次差.-，同一三角波周期内三相的脉宽分别为，和，脉冲两边的间隙宽度分别为，和，同一时刻三相正弦调制波电压之和为零，由式（1.6）得59使用载波对正弦信号波调制，产生了和载波有关的谐波分量。谐波频率和幅值是衡量 逆变电路性能的重要指标之一。分析双极性 波形：同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调制方式。分析方法：不同信号波周期的 波不同，无法直接以信号波周期为基准分析，以载波周期为基础，再
26、利用贝塞尔函数推导出 波的傅里叶级数表达式，分析过程相当复杂，结论却简单而直观。60单相的分析结果不同调制度 时的单相桥式 逆变电路在双极性调制方式下输出电压的频谱图如图1.1 所示。其中，所包含的谐波角频率为61由此可知，波中不含低次谐波，只含有角频率为 及其附近的谐波，以及-，等及其附近的谐波。在上述谐波中，幅值最高影响最大的是角频率为 的谐波分量。三相的分析结果三相桥式 逆变电路采用公用载波信号时不同调制度时的三相桥式 逆变电路输出线电压的频谱图如图1.1 所示。在输出线电压中，所包含的谐波角频率为6263 与单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率 整数倍的谐波被
27、消去了，谐波中幅值较高的是-和-。波中谐波主要是角频率为，-及其附近的谐波，很容易滤除。当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。后者的谐波分布情况和 波的谐波分析一致。64）提高直流电压利用率和减少开关次数直流电压利用率是指逆变电路输出交流电压基波最大幅值.和直流电压 之比。提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力；减少器件的开关次数可以降低开关损耗；正弦波调制的三相 逆变电路，调制度 为.时，输出相电压的基波幅值为 2，输出线电压的基波幅值为 ，即直流电压利用率仅为.。这个值是比较低的，其原因是正弦
28、调制信号的幅值不能超过三角波幅值，实际电路工作时，考虑到功率器件的开通和关断都需要时间，如不采取其他措施，调制度不可能达到1。采用这种调制方法实际能得到的直流电压利用率比.还要低65梯形波调制方法的思路采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流电压利用率。当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅值更大。梯形波调制方法的原理及波形，如图1.1 所示。梯形波的形状用三角化率 描述，为以横轴为底时梯形波的高，为以横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高。时，梯形波变为矩形波；1 时，梯形波变为三角波。梯形波含低次谐波，波含同样的低次谐波，低次谐波（不包括由载波引起的谐波）产生的波形
29、畸变率为。6667如图1.1 所示，和.随 变化的情况。如图1.1 所示，变化时各次谐波分量幅值 和基波幅值.之比。.时，谐波含量也较少，约为.，直流电压利用率为1.，综合效果较好。6869梯形波调制的缺点：输出波形中含次、次等低次谐波。实际使用时，可考虑当输出电压较低时用正弦波作为调制信号，使输出电压不含低次谐波；当正弦波调制不能满足输出电压的要求时，改用梯形波调制，以提高直流电压利用率。线电压控制方式（叠加3次谐波）对两个线电压进行控制，适当地利用多余的一个自由度来改善控制性能。控制目标是使输出线电压不含低次谐波的同时尽可能提高直流电压利用率，并尽量减少器件开关次数。70直接控制手段仍是对
30、相电压进行控制，但控制目标却是线电压。相对线电压控制方式，控制目标为相电压时称为相电压控制方式。在相电压调制信号中叠加3次谐波，使之成为鞍形波，输出相电压中也含3次谐波，且三相的3次谐波相位相同。合成线电压时，3次谐波相互抵消，线电压为正弦波，如图1.2所示。鞍形波的基波分量幅值大。71除叠加3次谐波外，还可叠加其他倍频的信号，也可叠加直流分量，都不会影响线电压。72线电压控制方式(叠加3倍次谐波和直流分量)73 叠加up,既包含3倍次谐波,也包含直流分量,up大小随正弦信号的大小而变化。设三角波载波幅值为1,三相调制信号的正弦分别为urU1,urV1和urW1,并令则三相的调制信号分别为74
31、b.最大输出线电压基波幅值为Ud,直流电压利用率提高。c.输出线电压不含低次谐波,优于梯形波调制方式。不论urU1,urV1和urW1幅值的大小,urU,urV,urW总有1/3周期的值和三角波负峰值相等。在这1/3周期中,不对调制信号值为21的相进行控制,只对其他两相进行控制,因此,这种控制方式也称为两相控制方式,如图1.21所示。其优点如下:a.在1/3周期内器件不动作,开关损耗减少1/3。75号相互错开180,所得到的输出电压波形如图1.23所示。6)PWM逆变电路的多重化与一般逆变电路一样,大容量PWM逆变电路也可采用多重化技术。采用SPWM技术理论上可不产生低次谐波,因此,在构成PW
32、M多重化逆变电路时,一般不再以减少低次谐波为目的,而是为了提高等效开关频率,减少开关损耗,减少和载波有关的谐波分量。PWM逆变电路多重化连接方式有变压器方式和电抗器方式,利用电抗器连接实现二重PWM逆变电路的例子如图1.22所示。电路的输出从电抗器中心抽头处引出,图中两个逆变电路单元的载波信 图1.23中,输出端相对于直流电源中点N的电压uUN=(uU1N+uU2N)/2,已变为单极性PWM波了。输出线电压共有0,(1/2)Ud,Ud这5个电平,比非多重化时谐波有所减少。76 一般多重化逆变电路中电抗器所加电压频率为输出频率,因而需要的电抗器较大。而在多重PWM型逆变电路中,电抗器上所加电压的
33、频率为载波频率,比输出频率高得多,因此只要很小的电抗器即可。二重化后,输出电压中所含谐波的角频率仍可表示为nc+kr,但其中当n奇数时的谐波已全部被除去,谐波的最低频率在2c附近,相当于电路的等效载波频率提高了1倍。电抗器上所加电压频率为载波频率,比输出频率高得多,并且很小。输出电压所含谐波角频率仍可表示为nwc+kwr,但其中n为奇数时的谐波已全被除去,谐波最低频率在2wc附近,相当于电路的等效载波频率提高1倍。77(2)PWM跟踪控制技术PWM波形生成的第三种方法是跟踪控制方法。把希望输出的波形作为指令信号,把实际波形作为反馈信号,通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各器件的通断,使实际的输
34、出跟踪指令信号变化,常用的有滞环比较方式和三角波比较方式。781)滞环比较方式电流跟踪控制滞环环宽对跟踪性能的影响是,环宽过宽时,开关频率低,跟踪误差大;环宽过窄时,跟踪误差小,但开关频率过高。电抗器L的作用是,L大时,i的变化率小,跟踪慢;L小时,i的变化率大,开关频率过高(见图1.24、图1.25)。7980三相的情况如图1.26、图1.27所示。81采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路有以下特点:a.硬件电路简单。b.实时控制,电流响应快。c.不用载波,输出电压波形中不含特定频率的谐波。d.与计算法及调制法相比,相同开关频率时输出电流中高次谐波含量多。e.闭环控制,是各种跟踪型PW
35、M变流电路的共同特点。电压跟踪控制采用滞环比较方式实现电压跟踪控制,如图1.28所示。把指令电压u和输出电压u进行比较,滤除偏差信号中的谐波,滤波器的输出送入滞环比较器,由比较器输出控制开关通断,从而实现电压跟踪控制。与电流跟踪控制电路相比,只是把指令和反馈从电流变为电压。输出电压PWM波形中含大量高次谐波,必须用适当的滤波器滤除。82*时，输出 为频率较高的矩形波，相当于一个自励振荡电路。*为直流时，产生直流偏移，变为正负脉冲宽度不等，正宽负窄或正窄负宽的矩形波。*为交流信号时，只要其频率远低于上述自励振荡频率，从*中滤除由器件通断产生的高次谐波后，所得的波形就几乎和*相同，从而实现电压跟踪
36、控制。83令电流 和实际输出电流 进行比较,求出偏差,2)三角波比较方式基本原理不是把指令信号与三角波直接进行比较,而是闭环控制。把指放大器A放大后,再与三角波进行比较,产生PWM波形。放大器A通常具有比例积分特性或比例特性,其系数直接影响电流跟踪特性,如图1.29所示。84特点开关频率固定,等于载波频率,高频滤波器设计方便;为改善输出电压波形,三角波载波常用三相;与滞环比较控制方式相比,这种控制方式输出电流谐波少。85时钟信号到来时刻,如 断,使i增大;如 ,令定时比较方式不用滞环比较器,而是设置一个固定的时钟。以固定采样周期对指令信号和被控量采样,按偏差的极性来控制开关器件通断。在V1断,
37、V2通,使i减小。每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指令电流的误差减小。采用定时比较方式时,器件最高开关频率为时钟频率的1/2,与滞环比较方式相比,电流误差没有一定的环宽,控制的精度低一些。(3)PWM整流电路及其控制方法实用的整流电路几乎都是晶闸管整流或二极管整流。晶闸管相控整流电路:输入电流滞后于电压,且谐波分量大,因此功率因数很低。86功率因数也很低。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路,就形成了PWM整流电路。可使其输入电流非常接近正弦波,且和输入电压同相位,功率因数近似为1,也称单位功率因数变流器(或称高功率因数整流器)。PWM整流电路也可分为电压型和电流型两大类。目前,电压
38、型的较多。单相PWM整流电路如图1.30(a)和(b)所示分别为单相半桥和全桥PWM整流电路。半桥电路直流侧电容必须由两个电容串联,其中点和交流电源连接。全桥电路直流侧电容只要一个即可。交流侧电感Ls包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感,是电路正常工作所必需的。二极管整流电路:虽位移因数接近1,但输入电流谐波很大,因此87 单相全桥PWM整流电路的工作原理:正弦信号波和三角波相比较的方法对V1-V4进行SPWM控制,就可在交流输入端AB产生SPWM波uAB。uAB中含有和信号波同频率且幅值成比例的基波和载波有关的高频谐波,不含低次谐波。由于Ls的滤波作用,谐波电压只使is产生很小的脉动。当信
39、号波频率和电源频率相同时,is也为与电源频率相同的正弦波。us一定时,is幅值和相位仅由uAB中基波uABf的幅值及其与us的相位差决定。改变uABf的幅值和相位,可使is和us同相或反相,is比us超前90,或is与us相位差为所需角度。88相量图如图1.31所示。89a.滞后相角,Is和Us同相,整流状态,功率因数为1,PWM整流电路最基本的工作状态。b.超前相角,Is和Us反相,逆变状态,说明PWM整流电路可实现能量正反两方向流动,这一特点对于需再生制动的交流电动机调速系统很重要。c.滞后相角,Is超前Us90,电路向交流电源送出无功功率,这时称为静止无功功率发送器(Static Var
40、 Generator,SVG)。d.通过对幅值和相位的控制,可使Is比Us超前或滞后任一角度。90电路工作,如控制不当,直流侧电容电压可能比交流电压峰值高出许多倍,对器件形成威胁。另一方面,如直流侧电压过低,如低于us的峰值,则uAB中就得不到图1.29(a)中所需的足够高的基波电压幅值,或uAB中含有较大的低次谐波,这样就不能按需要控制is,is波形会畸变。可知,电压型PWM整流电路是升压型整流电路,其输出直流电压可从交流电源电压峰值附近向高调节,如要向低调节就会使性能恶化,以致不能工作。对单相全桥PWM整流电路工作原理的进一步说明是,整流状态下,us0时,V2,VD4,VD1,Ls和V3,
41、VD1,VD4,Ls分别组成两个升压斩波电路,以V2,VD4,VD1,Ls为例。V2通时,us通过V2,VD4向Ls储能。V2关断时,Ls中的储能通过VD1,VD4向C充电。us8s时,可通过调整如图2.17所示控制阀板上的节流阀3进行调整。当降弓时间大于8s时,可通过节流阀9进行调整。185(3)集电靴的组成的工作原理如图2.19所示,集电靴安装在转向架上,集电靴主要由底座、摆臂、锁定机构及电缆线4部分组成。186图2.19 集电靴的安装位置1871)底座如图2.20所示,底座负责承载集电靴的全部其他元件。底座为螺栓连接型板状结构。采用这种结构可避免元件发生焊接变形和焊缝边缘区域的稳定性降低
42、。采用赤条结构在确保集电靴与转向架安全连接的同时,还便于竖直方向的调整和集电靴的水平对准。滑动轴承可确保摆臂的水平运行,另外,此轴承采用的橡胶件可确保转向架免受第三轨振动的影响。为了便于摆臂下摆范围的调整,通过螺栓将橡胶缓冲垫固定到底座内。这些缓冲垫在作为摆臂机械终点挡板的同时,还用来限制摆臂的上下摆动范围。底座的全部金属件均经过高温热蘸镀锌。188图2.20集电靴底座1-底座;2-摆臂LH/RH;3-锁定装置;4-电缆线1892)摆臂摆臂通过杻轴运行转动,从而确保集电靴与第三轨间保持接触。摆臂的全部金属件经过高温热蘸镀锌。摆臂上配有安全分离接头,从而在意外撞到障碍物时可防止集电靴彻底损坏。1
43、90图2.21摆臂底座支撑凸缘;2-连接板;3-安全分离接头;4-集电靴支架;5-集电靴191全部紧固件均采用不锈钢或镀锌钢制成。3)锁定机构锁定结构的用途是将集电靴的摆臂永久、牢固的固定到第三轨上。必须通过手动机械操作才能达到此目的。192图2.22 锁定机构193 同时,按照集电靴与第三轨的配合关系,第三轨又可分为上接触式第三轨、下接触式第三轨和侧接触式第三轨,如图2.23所示。图2.23集电靴与第三轨的配合形式194【任务实施】1.现场让学员指出受电弓各部件的名称、作用及工作原理。2.现场模拟受电弓机械故障,让学员找出故障点,并说明如何处理。3.现场让学员口述受电弓升降弓时间如何调整、接
44、触压力如何调整以及两碳滑板的水平度如何调整。4.让员工指出集电靴各部件的名称、作用。195【效果评价】196牵引逆变器的基本组成及控制策略任务3【活动场景】如图为西安地铁二号线车辆牵引逆变器的外部组成。197【任务要求】1.了解牵引逆变器的基本构成。2.了解电压型逆变器与电流型逆变器的区别。3.了解逆变器在进行调速时,电机电流、电压、频率、转差等的参数变化。4.了解逆变器的控制策略以及常用几种控制方法。198【知识准备】逆变器是交流牵引系统中最重要的组成部分,是能量转换中的一个重要环节,可以说交流牵引系统是随着逆变器的发展而发展起来的。在交流牵引系统中,逆变器不但实现直流到交流的变换,而且还需
45、要实现牵引特性曲线上的牵引力要求,直流到交流的变换由逆变器主回路实现;给定牵引力即电机转矩的实现则依靠控制的策略和方法。199牵引逆变器的发展过程中根据中间环节电源性质的不同有两种类型的逆变器,即电压型逆变器和电流型逆变器。直流环节表现为理想电流源的是电流型逆变器;直流环节表现为理想电压源的为电压源逆变器。两种逆变器有各自的特点,但随着电力电子器件的发展,电压型逆变器获得了广泛的应用。目前,在牵引系统中均采用电压型逆变器。200断,在输出端把直流电源的正极和负极电压分别引出,从而将直流电能变换成为交流电能,即在直流侧,电压只有Ud和0两种电位,如图2.24所示。(1)牵引逆变器的种类1)两电平
46、逆变器的结构及工作原理所谓的两电平逆变器,就是通过控制IGBT等开关的导通和关201图2.24 两电平逆变器202图2.25两电平矢量图203图2.26 三电平逆变器204由图2.26可知,每相桥臂有4个开关元件3种不同的组合,对应3种不同的输出电位,以U相为例,T11与T12导通为模式1,接通正端,输出电压为Ud/2;T12与T13导通为模式2,接通中点N,输出电压为0;T13与T14导通为模式3,接通负端,输出电压为-Ud/2;此外,为了防止同一相上下两桥臂的开关元件同时导通而引起臂状态为“1”,下臂导通时此臂状态为“0”,故电压矢量组合为2=8,两电平逆变器每个桥臂有两个开关器件,同时同
47、一个桥臂上的两个开关不能同时导通(相差180)。规定某个桥臂上臂开关导通时,此但同时不同桥臂上的同一位置的开关不能同时闭合(相差120),故有效电压矢量为6种(000,111为无效电压),这样电压矢量图如图2.25所示。205直流侧电源短路,电压型逆变器中上述开关元件通断转换必须遵守先断后开的原则,即先给应关断的元件关断信号,待其关断后留一定的时间裕量,然后再给应导通的元件发出导通信号,在两者之间留有一个短暂的死区时间,死区时间的长短根据开关元件的开关速度而定。2)三电平逆变器的结构及工作原理三电平逆变器的电路原理图如图2.26所示。其主电路采用两开关元件串联与中点带钳位二极管的方案,可使开关
48、元件的耐压值降低一半。开关元件一半采用IGBT或IPM等新型全控型元件。206图-.-三电平矢量207故三相两电平逆变器合成电压矢量数为3=27,同时,三电平逆变器 三电平逆变器是多电平逆变器中对简单,又是最有实际意义的一种电路(见图2.27)。三电平逆变器每个桥臂有4个开关器件,引入开关函数Sa,Sb,Sc,则其对应的两态开关变量(分别为0,1,2),如表2.2所示,对应的输出相电压为-Ud/2,0,+Ud/2(Ud为直流回路电压)。3要求开关元件T11与T14不能同时导通,并且T11与T13,T12与T14控制是相反的,故有效电压矢量为19种,如图2.27所示。208表2.2两电平矢量图2
49、093)两电平与三电平逆变器的区别三电平逆变器与传统两电平逆变器相比,三电平逆变器能有效地降低开关频率并能减小谐波,从而使系统损耗减小,如从达到同样输出性能指标来衡量,三电平的开关频率将是两电平逆变器的1/5;而且还有一个对异步电动机工作性能极为有利的显著优点是其电压变化率du/dt比两电平逆变器降低50%,随之污染电气性能的电流变化率di/dt也减小,这样将明显降低对电机绝缘性能的损害而延长其工作寿命;随着电平数的增加,电压变化减小,主电路电流含有的脉动成分小,转矩脉动和电磁噪声降低;因为与吸收电路有关的电路电压只有一半,流入吸收电路的能量小,即发热量减少,可使电路体积减小。若三电平逆变器接
50、上中点悬空的三相对称的星形负载,则负载中将不会有3次谐波电流流过。210211三电平逆变器的主要问题在于电路所需器件数量大大增加,成本增加;主电路结构复杂,降低了可靠性及平均无故障的工作时间;控制上比较复杂,技术上比较难以掌握。212(2)牵引逆变器基本控制原理牵引逆变器是通过改变VVVF逆变器各开关元件(如IGBT,GTO等)的开通时间来改变负载的电压,通过改变VVVF逆变器各开关元件开通的周期来改变输出的频率。异步电动机的转矩公式为213由上式可知,转矩T与电机电压和电源频率之比(U/fi)的平方成正比,与转差频率fs成正比。同时还说明,当转差频率fs为负值时,转矩T为负值,产生了制动力。
