pwm整流技术在和谐系列机车上的应用

课程名称： 设计题目： PWM 整流技术在和谐系列机车上应用 院 系： 西南交通学院峨眉校区电子工程系 专 业： 电力机车 年 级： 电力机车 5 班 姓 名： 段智文 指导教师： 李老师 西南交通大学峨眉校区 2017 年 3 月 1 日 课 程 设 计 任 务 书 专 业 电力机车 姓 名 段智文 学 号 CD20170112 开题日期： 2017 年 3 月 1 日 完成日期： 2017 年 4 月 25 日 题 目 PWM 整流技术在和谐系列机车上的应用 一、设计的目的 通过该设计使学生初步掌握PWM整流系统的组成系统，作用及其原理 以及在和谐系列机车上的使用。 二、设计的内容及要求 1 画出 PWM 整流技术的原理图 2 说明图中的各主要部件的作用丶性能。 3 掌握 PWM 调频调压技术的工作原理 4 掌握 PWM 整流技术在和谐系列机车上的应用 三、指导教师评语 四、成 绩 指导教师 (签章) 年 月 日 摘要 世界铁路正在向高速、重载方向发展,电气化铁路加速发展。目前我 国电力机车技术也在飞速发展,随着我国铁路既有线路的改造和客运专 线的建造。我国自主开发的一些具有世界水平的大功率交流电力机车已 奔驰在我国的铁路线上。 本文详细阐述了应用在大功率交流电力机车 中的 PWM 整流器原理及设计,并结合 PWM 整流器性能介绍了 PWM 脉宽调 制的基本理论、PWM 整流器工作原理、二极管整流电路、相控整流电路。 同时对大功率交流电传动机车的 PWM 整流器的设计和制造,变压器的选 配、电气传动方案设计等进行了研究,针对交流辅助传动进行了一定的 系统试验。 鉴于我国铁路发展“高速重载”的趋势和要求日显突出,铁 路运力与运输需求矛盾日益加剧,大功率的粘着利用率高、调速范围宽、 维护工作量少、全寿命周期成本低、高可靠性、节能降耗的交流货运电 力机车必能满足其要求。PWM 整流器在交流传动的电力机车的成功应用, 提高了机车网侧的功率因数，减小了谐波含量。给机车电气系统的设计 提供了新的思路。 世界铁路正在向高速、重载方向发展,电气化铁路加速发展。目前我国 电力机车技术也在飞速发展,随着我国铁路既有线路的改造和客运专线 的建造。我国自主开发的一些具有世界水平的大功率交流电力机车已奔 驰在我国的铁路线上。 本文详细阐述了应用在大功率交流电力机车中 的 PWM 整流器原理及设计,并结合 PWM 整流器性能介绍了 PWM 脉宽调制 的基本理论、PWM 整流器工作原理、二极管整流电路、相控整流电路。 同时对大功率交流电传动机车的 PWM 整流器的设计和制造,变压器的选 配、电气传动方案设计等进行了研究,针对交流辅助传动进行了一定的 系统试验。 鉴于我国铁路发展“高速重载”的趋势和要求日显突出,铁 路运力与运输需求矛盾日益加剧,大功率的粘着利用率高、调速范围宽、 维护工作量少、全寿命周期成本低、高可靠性、节能降耗的交流货运电 力机车必能满足其要求。PWM 整流器在交流传动的电力机车的成功应用, 提高了机车网侧的功率因数，减小了谐波含量。给机车电气系统的设计 提供了新的思路。 关键词：PWM 整流技术 和谐系列机车应用 目 录 第 1 章 诸论 1.1 简 介 1.2 PWM 整流技术的设计任务及其要 求 第 2 章 PWM 整流技术 2.1 整流技术的分 类 2.2 PWM 整流技术的工作原 理 第 3 章 PWM 调频调压技术 3.1 正弦脉宽调制 （SPWM） 第四章 PWM 整流技术在和谐号系列机车上的应用 4.1 PWM 整流技术在两电平整流器上的应 用 4.2 PWM 整流技术在三电平整流器上的应 用 结 论 文本参 考 绪 论 1.1 简介 随着电力电子技术的发展，电力半导体开关器件性能 不断提高，已从早期广泛使用的半控型电力半导体开 关器件，如普通晶闸管（SCR）发展到如今性能各异且 类型诸多的全控型电力半导体开关器件，如双极性晶 闸管（BJT）、门极关断（GTO）晶闸管、绝缘栅双极 性晶闸管（IGBT）、集成门极换向晶闸管（IGCT）、 电力场效应晶体管（MOSFET）以及场控晶闸管（MCT） 等。而 20 世纪 90 年代发展起来的智能功率模块 （IPM）则开创了电力半导体开关器件新的发展方向， 出现了以脉宽调制（PWM）控制为基础的各类变流装置， 如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变 流器等，这些变流装置在国民经济各个领域取的广泛 的应用。但是，目前这些变流装置很大一部分需要整 流环节，以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采 用二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而 对电网注入了大量谐波及无功功率，造成严重电网 “污染”。治理这种电网“污染”最根本的措施就是， 要求变流装置实现网侧电流正弦化，且运行由于单位 功率因数。因此，作为电网主要“污染”源的整流器， 首先受到学术界的关注，并开展大量研究工作。其主 要思路就是，将 PWM 技术引入整流器的控制中心，使 整流器网侧电路正弦化，且运行由于单位功率因数。 根据能量是否可双向流动，派生出两类不同拓扑结构 的 PWM 整流器，即可逆 PWM 整流器和不可逆 PWM 整流 器。本文只讨论能量可双向流动的可逆 PWM 整流器及 其控制策略，以下所称 PWM 整流器均指可逆 PWM 整流 器。 能量可双向流动的 PWM 整流器不仅体现出 AC/DC 变流 特性（整流），而且还可以呈现出 DC/AC 变流特性 （有源逆变），因而确切地说，这类 PWM 整流器实际 上是一种新型的可逆 PWM 整流器。 经过几十年的研究与发展，PWM 整流器技术已日趋 成熟。PWM 整流器主电路已从早期的半控型器件桥路 发展到如今的全控型期间桥路；其拓扑结构已从单相、 三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM 开 关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率 等级从千瓦级发展到兆瓦级，而在主电路类型上，既 有电压型整流器（Voltage Source Rectifier VSR），也有电流型整流器 （Current Source RectifierCSR），并且两者在 工业上均成功的投入应用。 由于 PWM 整流器视线了网侧电压正弦化，且运行于单 位功率因数，甚至能量可双向传输，因而真正实现了 “绿色电能变换”。由于 PWM 整流器网侧呈现出受控 电流源特性，因而这一特性使 PWM 整流器及其控制技 术获得进一步的发展和拓宽，并取得了更为广泛和重 要的应用。 1.2PWM 整流技术的任务设计要求、 通过对其工作原理的分析，得出此种电路怎样通过 PWM 调制实现对电路的控制。在电力机车上使用的 PWM 整流器普遍是四象限脉冲整流器，而这种整流器在哪 种控制下可实现网侧电路正弦化，且运行由于单位功 率因数，也是本文要重点叙述的。这种控制也就是 PWM 调频调压技术。在现今的和谐号系列机车上，这 种电路及控制得到了广泛的应用。本文将在 CRH1、CRH2、CRH3 和 CRH5 型机车上谈到 PWM 整流技 术的应用。 第 2 章