毕业论文-城轨车辆牵引传动系统的维护与调试.docx

2014届毕业设计论文课题名称:城轨车辆牵引传动系统的维护与调试 专 业 系 铁道牵引与动力学院 班 级 城轨车辆112班 学生姓名 指导老师 完成日期 2013年12月 课题设计任务书一、课题名称交流与直流电力牵引传动系统的维护与调试二、指导老师 三设计内容与要求1课题概述 完成本课题的设计要求学生具有电路电力电子变流技术电机及其控制技术、牵引电器等方面的基础知识。本课题分为4个子课题：交传机车主牵引传动系统维护与调试。交直型电力机车直流牵引传动系统维护与调试；城轨车辆直流牵引传动系统维护与调试；城轨车辆交流牵引传动系统维护与调试；通过本课题的设计，学生可以深入理解相控及脉冲整流、直流斩波、有源及无源逆变在城轨车辆与电力机车上的应用，培养学生对不同类型的牵引传动系统检查维护和电气调试的专业知识和专业技能，培养学生运用所学知识分析与解决实际问题的能力以及创新设计能力。2设计内容与要求城轨车辆交流牵引传动系统维护与调试1、MOSFET、IGBT电力晶体管的结构、检测方法及触发电路的原理分析2、二电平、三电平电压型逆变器工作原理及SPWM控制技术3、电流型逆变器工作原理、工作模式分析4、城轨车辆直交型牵引传动系统主电路结构、工作原理分析，牵引变流器的技术参数5、城轨车辆辅助供电系统的类型与工作原理分析6、城轨车辆交流牵引传动系统维护、调试及常见故障分析与检修；牵引变流器检查维护的安全操作规范。四、设计参考书1 周志敏等， IGBT和IPM及其应用电路，人民邮电出版社出版2 城轨车辆电气控制，华平，铁道出版社3 徐立娟、张莹，电力电子技术，高等教育出版社4 王青松，三相电流型多电平整流器的研究，浙江大学硕士学位论文5 郭佳，电力机车辅助变流器三相逆变器的控制研究，北京交通大学硕士学位论文6 林渭勋，现代电力电子电路,浙江大学出版社五、设计说明书要求 1封面2目录3内容摘要（200400字左右，中英文）4引言 5正文（设计方案比较与选择、设计方案原理、计算、分析、论证，设计结果的说明及特点）6结束语7附录（参考文献、图纸、材料清单等）六、毕业设计进程安排 1第1周熟悉毕业设计具体任务。2第2周至第5周根据毕业设计的任务，进行相关资料收集，了解设计原理，选定设计方案。3第6周至9周根据毕业设计的具体内容，对收集的资料进行整理与具体分析。4第10周完成毕业设计论文初稿的撰写，向指导教师提交毕业设计论文初稿。5第11周根据指导教师的修改意见对毕业设计论文进行修改与完善。6第12周完成设计任务书，毕业设计准备。7第13至14周：毕业设计答辩。七、毕业设计答辩及论文要求1毕业设计答辩要求答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。2毕业设计论文要求文字要求:说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。图纸要求:按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。目 录第一章：MOSFET、IGBT电力晶体管81.1MOSFET电力晶体管81.1.1 MOSFET晶体管的结构81.1.2 MOSFET晶体管的工作原理91.2 IGBT电力晶体管91.2.1 IGBT电力晶体管的结构：91.2.2 IGBT电力晶体管的工作原理101.2.3 IGBT的应用12第二章：逆变器132.1逆变器132.1.1逆变电路的基本原理132.1.2逆变器的作用152.2 SPWM控制技术162.3电流型逆变器172.3.1电流型逆变器工作原理172.3.2 电流型逆变器特点172.4 电压型逆变器的工作原理18第三章：城轨车辆直-交型牵引传动系统213.1城轨车辆直-交型牵引传动系统主电路及其工作原理分析213.1.1城轨车辆牵引传动213.1.2交流主传动控制213.1.3交流异步电动机的转速控制253.1.4交流主传动系统案例分析283.2城轨车辆交流牵引传动系统维护、调试及常见故障分析与检修303.2.1故障分析303.2.2城轨车辆检修31第四章：城轨车辆辅助供电系统374.1城轨车辆辅助供电系统的类型374.1.1 辅助供电系统的构成方案374.1.2 DC100V控制电源构成方案374.1.3辅助供电系统的供电方式374.1.4变压器隔离方案384.2城轨车辆辅助供电系统的工作原理分析384.2.1 车辆辅助供电系统组成384.2.2 辅助供电系统供电电路的应用39总结41心得体会42内容摘要随着电力电子技术的发展，电力牵引交流传动系统逐步代替了早期的直流 牵引传动系统，在城市轨道交通领域得到了广泛的应用，成为轨道交通实现高速 和重载运输的唯一选择和主要发展方向。而交流传动控制系统是城轨电力牵引传 动控制系统的核心部件，是城轨列车运行的神经中枢系统。通过分析城轨车辆牵 引传动控制系统的构造和原理，以及常见故障。有着非常重要的现实意义。本课题主要分析城轨车辆电力牵引交流传动控制系统，主要包括交流主传动系统，城市轨道交通辅助系统，城市轨道交通牵引电机交流传动的案例分析，城市轨道交通故障分析、排除。关键词：城轨车辆 电力牵引 交流传动 控制系统 故障排除ABSTRACT With the development of power electronic technology, electric traction drive system gradually took the place of early DC traction drive system, in the city rail transportation has been applied extensively, become the orbit traffic to achieve high speed and heavy haul transportation only option and the main direction of development. The AC drive control system of city rail electric traction drive control is a core component of the system, is the city rail train in the central nervous system. Through the analysis of urban rail vehicle traction control system structure and principle, to grasp the common breakdown processing method has a very important practical significance.The main topic of city railway vehicle AC drive control system in electric traction components and each component is the main function principle, train network control system is introduced as well as the common AC drive control technology, analyzes the common faults and emergency treatment method. And look forward to direction of AC drive technology of Chinas urban rail vehicle equipment manufacturing industry development prospect.Key words: Urban rail vehicle Electric traction AC drive Control systemTroubleshooting第一章：MOSFET、IGBT电力晶体管电力晶体管：电力晶体管按英文Giant Transistor直译为巨型晶体管Giant TransistorGTR，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），所以有时也称为Power BJT；其特性有：耐压高，电流大，开关特性好，但驱动电路复杂，驱动功率大；GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。电力晶体管的工作原理：截止：漏源极间加正电源，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。 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极下面的P区表面当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。1.1 MOSFET电力晶体管 1.1.1 MOSFET晶体管的结构（1）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。（2）电力MOSFET的结构 图1-1 电力MOSFET的结构和电气图形符号导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大的区别，采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同的设计。小功率MOS管是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET(Vertical MOSFET)。电力MOSFET的特点是单极型晶体管（只有一种载流子参与导电）。优点用栅极电压来控制漏极电流：驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。缺点电流容量小，耐性低，一般只适用于功率不超过10KW的电力电子装置。1.1.2 MOSFET晶体管的工作原理MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称功率MOSFET（Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。1.2 IGBT电力晶体管1.2.1 IGBT电力晶体管的结构：栅极G、集电极C和发射极E 图1-2 为内部结构断面示意图IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号IGBT的结构：简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管，RN为晶体管基本区内的调制电阻。1.2.2 IGBT电力晶体管的工作原理采用IGBT逆变电源技术交流直流交流直流，50Hz交流电经全桥整流变成直流，由IGBT组成的PWM高频交换部分将直流电逆变成20Hz的高频矩形波，经非晶高频变压器耦合、整流滤波后形成稳定的直流电源。数字微处理器作为脉冲宽度调制（PWM）的相关控制器通过对功率自动补偿跟踪控制，对输出电流、电压做多参数、多信息提取与分析，达到提前对输出补偿和调整，使输出的电流、电压始终处于饱和状态，解决了以往线绕变压器，因电流、电压不稳定，输出功率不足的难题。N沟型的IGBT工作是通过栅极发射极间加阀值电压VTH以上的（正）电压，在栅极电极正下方的p层上形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的n-层注入电子。该电子为p+n-p晶体管的少数载流子，从集电极衬底p+层开始流入空穴，进行电导率调制（双极工作），所以可以降低集电极发射极间饱和电压。工作时的等效电路如图1（b）所示，IGBT的符号如图1（c）所示。在发射极电极侧形成n+pn寄生晶体管。若n+pn寄生晶体管工作，又变成p+npn+晶闸管。电流继续流动，直到输出侧停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制。一般将这种状态称为闭锁状态。为了抑制n+pn-寄生晶体管的工作IGBT采用尽量缩小p+n-p晶体管的电流放大系数作为解决闭锁的措施。具体地来说，p+n-p的电流放大系数设计为0.5以下。IGBT的闭锁电流IL为额定电流（直流）的3倍以上。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uGE决定。(1)导通IGBT硅片的结构与功率MOSFET的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+基片和一个N+缓冲层（NP -非穿通-IGBT技术没有增加这个部分），其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET电流)；空穴电流（双极）。uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。(2)导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。(3)关断当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少子）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的，尾流特性与VCE、IC和TC有关。栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。(4)反向阻断当集电极被施加一个反向电压时，J1就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。(5)正向阻断当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/NJ3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。(6)闩锁IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系。通常情况下，静态和动态闩锁有如下主要区别：当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现。只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施：一是防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别。二是降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响，因此，它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的情况下，P基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例，通常比例为1：5。1.2.3 IGBT的应用IGBT在以变频器及各类电源为代表的电力电子装置中得到了广泛应用。IGBT集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点。但是，IGBT和其它电力电子器件一样，其应用还依赖于电路条件和开关环境。因此，IGBT的驱动和保护电路是电路设计的难点和重点，是整个装置的关键环节。为解决IGBT的可靠驱动问题，国外各IGBT生产厂家或从事IGBT应用的企业开发出了众多的IGBT驱动集成电路或模块，如国内常用的日本富士公司生产的EXB8系列，三菱电机公司生产的M579系列，美国IR公司生产的IR21系列等。但是，EXB8系列、M579系列和IR21系列没有软件关断和电源电压欠电压保护功能，而惠普生产的HCLP-316J有过流保护、欠压保护和IGBT软关断的功能，且价格相对便宜。第二章：逆变器2.1逆变器2.1.1逆变电路的基本原理(1)逆变概念：将直流电路转换为交流电的过程。 无源逆变把直流电逆变为某一频率的交流电供给负载；有源逆变把直流电逆变为交流电反送到电网（或交流源）。(2)主要应用：各种直流电源的能源使用，如蓄电池、干电池、太阳能电池等；交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的部分。(3)典型逆变电路：由S1-S4构成一个桥式电路；S1、S2构成一个桥臂，S3、S4构成另一个桥臂，形成两桥臂结构；具有降压特性。 图2-1典型逆变电路图(4)两桥臂结构逆变电路工作原理图2-2两桥臂逆变工作原理图同一桥臂的两个开关管不能同时导通；改变开关切换周期，可改变输出交流点频率；电阻负载时，负载电流i0和u0的波形相同，相位也相同；阻感负载时，i0相位滞后于u0，波形也不同。图2-3逆变原理图(5)逆变电路的分类 直流侧是 电压源：电压型逆变电路又称为电压源型逆变电路。 直流侧是电流源：电流型逆变电路又称为电流源型逆变电路。(6)电压型逆变电路的特点直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。图2-4 电压型逆变电路图2.1.2逆变器的作用原理： 将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电. 工作过程一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路四大过程。1）整流电路 整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块。2）平波电路平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源 6 倍频率脉动电压，此外 逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸 收脉动电压(电流)，一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省 去电感而采用简单电容滤波平波电路。3）控制电路 现在变频调速器基本系用 16 位、32 位单片机或 DSP 为控制核心，从而实现全数字化控制。 变频器是输出电压和频率可调的调速装置。提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电 流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。运算电路的控制信号送至“驱动电路”以 及逆变器和电动机的“保护电路变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID 或其它方式。 4）逆变电路 逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出 端 U、V、W 三相上得到相位互差 120电角度的三相交流电压。2.2 SPWM控制技术 SPWM逆变器的工作原理：其期望输出电压波形为正弦波的逆变器.就目前的技术而言,还不能制造出功率大、体积小、输出波形如同正弦波发生器那样标准的可变频变压的逆变器目前所采用的一种基于等效原理的易实现的方法:就是使逆变器的输出波形为一系列与正弦波等效的等幅不等宽的矩形脉冲波形.等效的原则:每一等分区间内正弦波的面积与矩形波的面积相等,具体等效方法如图所示。 图2-5SPWM等效波形图根据采样控制理论的重要原理冲量等效原理（大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同）知道，大小、波形不同的两个窄脉冲电压（如图2-6所示，在某一时间段的正弦电压与同一时间段的等幅脉冲电压）作用于L、R电路时，只要两个窄脉冲电压的冲量相等，则它们所形成的电流响应就相同。 图2-6SPWM脉冲电压图因此，要使PWM电压波在每一时段都与该时段中正弦电压等效，除每一时间段的面积相等外，每个时间段的电压脉冲还必须很窄，这就要求脉冲数量很多。脉冲数越多，不连续的按正弦规律改变宽度的多脉冲电压就越等效于正弦电压。从另一方面分析对开关器件的通、断状态进行适时适当的控制，使多脉冲的矩形脉冲电压宽度按正弦规律变化时，通过傅里叶分析可以得知，输出电压中除基波外仅含某些高次谐波而消除了许多低次谐波，开关频率越高，脉冲波数越多，就能消除更多的低次谐波。2.3电流型逆变器2.3.1电流型逆变器工作原理逆变器是一种DC to AC的变压器，它其实与转化器是一种电压逆变的过程。转换器是将电网的交流电压转变为稳定的12V直流输出，而逆变器是将Adapter输出的12V直流电压转变为高频的高压交流电；两个部分同样都采用了用得比较多的脉宽调制（PWM）技术。其核心部分都是一个PWM集成控制器，Adapter用的是UC3842，逆变器则采用TL5001芯片。TL5001的工作电压范围3.640V，其内部设有一个误差放大器，一个调节器、振荡器、有死区控制的PWM发生器、低压保护回路及短路保护回路等。输入接口部分：输入部分有3个信号，12V直流输入VIN、工作使能电压ENB及Panel电流控制信号DIM。VIN由Adapter提供，ENB电压由主板上的MCU提供，其值为0或3V，当ENB=0时，逆变器不工作，而ENB=3V时，逆变器处于正常工作状态；而DIM电压由主板提供，其变化范围在05V之间，将不同的DIM值反馈给PWM控制器反馈端，逆变器向负载提供的电流也将不同，DIM值越小，逆变器输出的电流就越大。PWM控制器：有以下几个功能组成：内部参考电压、误差放大器、振荡器和PWM、过压保护、欠压保护、短路保护、输出晶体管。直流变换：由MOS开关管和储能电感组成电压变换电路，输入的脉冲经过推挽放大器放大后驱动MOS管做开关动作，使得直流电压对电感进行充放电，这样电感的另一端就能得到交流电压。LC振荡及输出回路：保证灯管启动需要的1600V电压，并在灯管启动以后将电压降至800V。输出电压反馈：当负载工作时，反馈采样电压，起到稳定I逆变器电压输出的作用。2.3.2 电流型逆变器特点电流型逆变电路有以下主要特点：1)直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。2) 电路中开关器件的作用仅是改变直流甩流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。3) 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多，就其换流方式而言，有的采用负载换流，有的采用强迫换流。2.4 电压型逆变器的工作原理逆变电路直流侧电源是电压源的称为电压型逆变电路（Voltage Source Type InverterVSTI)。 图2-7是一个三相电压型逆变电路的主电路。直流电源采用相控整流电路，由普通晶闸管组成。逆变电路由6个导电臂组成,每个导电臂均由具有自关断能力的全控型器件及反并联二极管组成，所以实际上也是一种全控型逆变电路。负载为感性，星形接法，在整流电路和逆变电路之间并联大电容Cd。由于Cd的作用，逆变入端电压平滑连续，直流电源具有电压源性质。 图2-7三相电压型逆变电路，输出电压波形逆变电路中各全控器件控制极电压信号的时序如图2b所示。信号脉宽为180，每隔60有一次脉冲电平的变化，任何时刻有3个脉冲处于高电平。相应地在主电路中也有 3个导电臂处于导通状态。例如有K1K2 K3导通（K1为导电臂代号,含全控元件T1和反并联二极管D1，余类推），则各相对负载中点O间的电位各为依此类推，可得 uAO波形如图2c所示。其他两相uBO和uCO波形分别滞后于uAO120和240。根据uAB=uAOuBO，可得uAB波形如图2e所示。由图可见，逆变电路输出电压uAB、uBC和uCA是分别互差120的交变四阶梯波。该波形不随负载而异，其重复频率f 取决于控制极信号的重复频率，方波幅值Ud则取决于直流电源电压，从而实现逆变目的。特点：由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。由图1a可见,A相电流i可视为六阶梯波相电压uAO对负载Z作用的成果。i的变更规律取决于Z的性质。例如在纯阻负载时，i也为六阶梯波；在感性负载时则分段按指数曲线升降等。 只有单方向传递功率的功效。 在图1中由于直流电源是由晶闸管组成的相控整流电路，其输出电流id方向不能转变；直流侧又并联大电解电容Cd，因此输出电压平均值Ud极性也不能转变，因此逆变入端功率平均值PB恒大于零，即电能只能由直流侧经逆变电路输向负载而不能沿相反方向由负载反馈回电网。 故障电流较难克制。由于逆变入端并联大电容Cd，当逆变侧短路时，Cd中电能将释放出来，形成浪涌短路电流。应用领域：电压型逆变电路主要用于两方面：笼式交流电动机变频调速系统。由于逆变电路只具有单方向传递电能的功能，故比较适用于稳态运行、无需频繁起制动和加、减速的场合。不停电电源。该电源在逆变输入端并接蓄电池，类似于电压源。第三章：城轨车辆直-交型牵引传动系统3.1城轨车辆直-交型牵引传动系统主电路及其工作原理分析3.1.1城轨车辆牵引传动（1）城市轨道交通车辆主传动可分为直流传动和交流传动两种：直流传动直流牵引电动机的调速，有两种基本形式；变阻控制和斩波调压控制。交流传动交流牵引电动机变频调速，多采用转差频率控制或磁场定向式矢量控制，近年来也已开始采取直接力矩控制。（2）电力牵引控制定义：在轨道交通车辆中，用电动机驱动实现车辆牵引的传动控制方式（电传动系统）作用：它是以牵引电机作为控制对象，通过控制系统对电动机的速度和牵引力进行调节，满足车辆前因特征的要求。类型：直流传动系统，采用直流（脉流）牵引电动机。交流传动系统，采用交流（同步、异步）牵引电动机。（3）电传动系统主电路定义：一般指一个车辆单元的牵引动力电路。组成：受流器、牵引箱（PA）、牵引电机、制动电阻箱、电抗器、电气开关等。3.1.2交流主传动控制(1) 交直流牵引电机的原理分析交流电动机的优点：没有换向器、结构简单、成本低、工作可靠、寿命长、维修与运行费用低、防控转性能好等。目前城市轨道交通车辆普遍采用的是交流异步牵引电动机。1)三相异步电动机的转差率和转速 三相异步电动机最基本的工作原理之一是在气隙中建立旋转和正弦分布的磁场。 旋转磁场的同步转速与电动机转子转速n之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率s：s=（n）100%异步电动机的转速为：n=（1-s）=（）（1-s）式中：-定子频率，； P-电动机极对数； S-转差率。2)等效电路：异步电动机的本质：可看成一个具有旋转和短路的次级绕组的三相变压器。 图3-1交流异步电动机等效回路特性：根据图3-1（c）所示每相等效电路，可以求出感应电动机的各项特性。电流：一次负载电流：= 一次电流：=+；（-励磁电流，A。）（2）功率 由定子向转子输入的电磁功率,消耗在负载（r/s-）上的功率为=，转子铜损为：，转子输出的机械功率=-=3）转矩一般电动机的输出机械功率可表示为：=T转差率为s的异步电动机输出转矩T为：T= 当频率和电源电压恒定时，上式是转差率s的函数。4）转矩-转速曲线：转差率由1到0时异步电动机的力矩、负载电流和一次电流变化曲线图3-2 异步电动机的力矩、电流和转差率关系曲线： 图3-2 异步电动机的力矩、电流和转差率关系曲线电源的频率、电压变化时，电动机的电流和力矩相应变化曲线： 图3-3 异步电动机基本特性曲线的变化图3-3（c）：不同定子电压下的转矩-转速曲线。图3-3（b）：若增加定子频率而电压保持恒定，转矩-转速曲线。图3-3(d):电压/频率=常数时转矩-转速曲线。转矩对定子电流的灵敏度很高，控制定子电流可具有快速的瞬态响应。电源电压与频率之比保持恒定改变频率，电动机的电流和力矩相应变化曲线： 图3-4 V/f恒定时异步电动机基本特性曲线的变化结论：稳定状态下的转速要比最大力矩转速稍大。3.1.3交流异步电动机的转速控制交流调速理论的重大突破：矢量控制理论的提出。矢量控制的定义：交流电机模拟成直流电机来控制，通过坐标边换来实现电机定子电流的励磁分量和转矩分量的解藕，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩和转速响应特性。矢量控制方式：磁场定向矢量控制；转差频率矢量控制。矢量控制的关键是转子磁链的准确检测，直接关系到矢量控制系统性能的好坏。最简单经济的控制异步笼型电动机转速的方法是在保持电源频率恒定下改变子电压的大小。在供电频率下三相定子电压通过与每相连接的晶闸管的触发来控制，输出的电压或电流波形中含有较多的谐波，造成电动机转矩脉动大，功率因数较差。只能用于一些调速要求不高的场合，入风机，泵类等负载的拖动。随后发展的转差频率速度闭环控制系统基本上解决了异步电动机平滑调速的问题，同时也基本上具备了直流电动机双闭环控制系统的优点，结构也不算太复杂，已能满足许多工业应用的要求，具有较广泛的应用价值。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略差一些。原因在于，其控制规律是从异步电动机稳态等效电路和稳态转矩公式触发推导出的平均值控制，完全不考虑过渡过程。就变频调速而言，其形式也有很多，传统的变频调速方式是采用U/f控制。这种控制方式结构简单，但由于它是基于那个电动机的稳态方程实现的，系统的动态响应指标较差，还无法取代直流调速系统。（ 1）异步电动机的转速控制方法为了得到与直流串励电动机类似的牵引特性，异步电动机的转速控制有以下几种方法：u/f、恒专差频率控制、恒功率控制盒恒电压控制。1.u/f恒定控制 可以在较大的速度范围内输出恒定转矩。特性与直流串励电动机保持电枢励磁电流恒定、调节电压改变速度的控制方法。由异步电动机的转矩公式可知，保持电源的电压与频率之比u/f及转差率恒定可以得到这一特性：另外，从车辆的速度与电源频率基本成正比，而车辆的速度与电动机的反电势也是正比关系来看，电源电压应当与车辆的的速度即电源频率成正比，也就是保持u/f恒定。但是，逆变电路输出电压的最大值受电网电压限制，采用这种控制方法得到速度范围内不是无限的。它相当于应用直流串励电动机的车辆用调节电阻来控制主电动机 端电压得到速度范围。 U/f保持恒定时，如果忽略定子的漏阻抗，则气隙磁通和转矩也不变。但是，当定子频率f降低至一定数值以下时，虽然定子漏抗数值也相应减小，但定子电阻却与频率无关，此时定子电阻压降影响大大增加，因而造成气隙磁通迅速减小，所以用恒u/f运行时，低频特性不够满意。为此，在低频时要适当加大电压，即增大u/f值以保持气隙磁通不变。2恒转差频率控制 这是逆变电路的输出电压达到最大值后仅仅改变逆变电路搞出频率的控制方法。在式中，保持U和恒定，则转矩T与电源频率的平方（即车辆速度的平方）基本成反比。这相当于直流串励电动机的自然特性。3恒功率控制 恒转差频率控制时，随着速度增加，转矩急剧下降：如果设计时转差频率对于最大值留有余地，则在速度增加的同时增加转差频率，可以防止转矩下降过多。根据式，使转差频率与电源频率f成正比地增加，则转矩T与电源频率，即车辆速度基本成反比，转矩的下降比恒转差频率控制方式笑。这种控制方法使转差频率（)/f为恒定，由图3-5可知，随着电源频率增加，对应于转矩最大值的转差频率变小，所以不能取得过大。此时，电源电压恒定、转差频率与电源频率成正比，输入电流基本恒定，称为恒功率控制。这种方式等效于直流串励电动机的削弱磁场控制。电流转矩电流频率增加图3-5异步电动机基本特性曲线的变化（f-转差率）4恒电压控制 U/f恒定控制时，即使逆变电路输出电压为最大，如果输出电流、转差频率到最大转矩对应点还有裕量，可以用恒转矩控制扩大速度范围。根据式，U恒定而增加f,则使与f的平方成正比地增加，但如前所述，增加的范围十分有限，与f的平方成正比地增加的速度范围比较窄。 以上的方法只是用于开环控制系统。如果采用闭环系统内，则可使U/f为常数，这样在包括低频在内的整个频率范围内都可得到恒磁通运行。目前，用于城市轨道交通车辆的闭环控制系统有转差-电流控制（如上海地铁2号线地铁车辆牵引电动机控制）、矢量控制（如广州地铁1号线地铁车辆牵引电动机控制）及直接转矩控制（如深圳地铁1号线地铁增购车辆牵引电动机控制）等。异步电动机矢量控制调速为了改善异步电动机的动态性能，产生了矢量控制理论，矢量控制主要以产生同样的旋转磁势为准则，把三相定子电流变换为等效的二相定子电流，也就是把三相异步电动机等效为二相异步电动机。若将互相垂直的两绕组分别通以直流电流，产生合成磁势F，并让包含两绕组在内的整个铁心旋转，这样合成磁势F也旋转，若此旋转磁势大小和转速与二相固定交流绕组产生的磁势相同，则交流两相异步电动机等效为直流电动机，这个等效变换为旋转变换。矢量控制调速系统主要是对转矩与转子磁通的控制，转矩给定值由转差决定，磁通给定值根据速度给定，在基速以下磁通恒定，超过基速，则进行磁场削弱。矢量控制逆变器分为电流型和电压型，电流型逆变器通过转矩调节器输出给定旋转坐标系中电枢绕组电流给定值，通过磁通调节器输出给定旋转坐标系中励磁组电流给定值，对上述两变量进行旋转逆变变换，得到在静止坐标系中对应的给定值，再经过坐标变换，等效为三相异步电动机定子电流的给定值，把给定电流作为可控电流逆变器的三相电流控制信号，由逆变器驱动电动机。在城市轨道交通车辆传动控制中，多采用电压型逆变器。1矢量控制的优势 传统的U/f控制属于标量控制，其与矢量控制的比较见表3-6.矢量控制的特点是，除了电压控制所进行的大小和频率控制外，还同时对相位进行控制，因此他与U/f控制相比，转矩反应速度高达10倍以上。它的电动机电流可以按励磁电流和转矩电流独立控制，可以高速高精度地控制转矩电流。为此需要准确地设定电动机的参数，并要求控制装置具有强大的演算处理能力。 表3-6 传统V/f控制矢量控制比较项目传统V/f控制矢量控制电压控制信息大小，频率大小，频率，位相电流控制实效值控制励磁电流，转矩电流独立控制转矩反应数百ms数十msCPU演算量小大矢量控制的有点：优化空转再粘着的控制性能；提高轻负荷再生时的再生效率；提高乘坐舒适性（无转矩冲击）；提高均速驾驶和ATO驾驶的精度。3.1.4交流主传动系统案例分析1.城市轨道交通交流动车1C4M主电路工作原理如图3-7所示为一城市轨道交通交流车1C4M单元车交流主传动系统原理电路图。 图3-7 1C4M单元交流传动系统原理电路图SA浪涌吸收器 IES隔离开关 HSCB高速断路器 LFL滤波电抗器 LFC滤波电容器构成线路滤波器 CCZ充电电阻 CCK充电接触器 LIK线路接触器 VMD电压传感器 CMD电流传感器 SS速度传感器 DBZ-制动电阻M1M4交流电动机 CBR差动电流保护器 FCZ过压保护电阻牵引时，电能传递路径为：电网DC1500V电压通过受电弓、主熔断器F、隔离开关IES、高速断路器HSCB、线路率滤波器LFC、线路接触器LIK及动车牵引逆变器给牵引电动机M1M4供电。在再生制动时以相反的路径使电网吸收电动机反馈的能量。个环节电路及作用如下。（1）充电限流环节由接触器CCK与电阻CCZ构成。在受电弓升起、高速断路器闭合后，为防止过大电流冲击使滤波器电容器受损，首先闭合CCK，待电容电压达到一定值后，闭合线路接触器LIK，将充电电阻CCZ短接。（2）VVVF逆变器由V1V15构成。其作用是在牵引工况将直流电能变换为电压和频率课调的交流电能供给牵引电机。在电制动工况时，逆变器以整流方式将电能反馈给电网（再生制动）或消耗在电阻上（电阻制动）。（3）“软撬杠”保护环节V7、DBZ构成的斩波器。斩波器的主要功能是用于电阻制动，用它来调节制动电流的大小，另一个功能是作过电压保护之用。如果在逆变器的直流电路中有短时的过电压，则斩波器工作，通过它对电阻DBZ放点，待过电压消除后斩波器截止。这种过电压的保护环节叫“软撬杠”。（4）“硬撬杠”保护环节TZ晶闸管，FCZ是过电压保护电阻。当直流环节发生过电压，经斩波器放电后仍不能消除，则晶闸管TZ通，直流电路通过FCZ放点。因为晶闸管只能触发导通，而不能用门极触发方式管段，因此V17出发后必须立即断开高速断路器HSCB，否则会造成直流电路持续放点。这种过电压保护环节叫“硬撬杠”。显然“硬撬杠”的保护动作整定电压值比“软撬杠”的高（有的主电路中不设“硬撬杠”保护环节）。（5）其他保护环节 是固定并联在滤波电容器LFC上的放点电阻。为安全考虑，要求在主电路断电后LFC两端电压在5min内降到50V以下。由此可以确定放点的时间常数及放电电阻值。IES是隔离接地开关，在需要主电路接地时将它转换到接地位置。CBR为差动电流传感器，用以检测直流电路流入与流出的电流差，以检测接地等故障。SA为浪涌吸收器（避雷器），保护因雷击或因变电所的开关动作引起过电压对主电路器件的损害。在图4-1中，一台-VVVF逆变器给同一辆车四台并联的牵引电动M1M4供电，这种逆变器与电机的配置方式称为i“车控”方式，即“1C4M”，如广州地铁采用的就是车控供电方式。也有一种配置是一台逆变器给同一转向架上两台并联的牵引电机供电，成为“架控”方式，即“1C2M”，如天津滨海地铁就采用了架控方式。供电方式的选择取决于牵引、制动特性要求，以及逆变器与电机的容量。如果一台逆变器仅给一台牵引电机供电，称为“轴控”方式，即“1C1M”。在城轨动车中由于牵引电动机功率较小，没有必要采用轴控方式。3.2城轨车辆交流牵引传动系统维护、调试及常见故障分析与检修3.2.1故障分析 故障： 1）设备故障，一般是指设备或系统在使用过程中丧失或降低其规定功能的事件 或现象。设备故障是多种多样的可以从不同角度进行分类。 按发生状态，设备故障可分为： 渐发性故障，是由于设备初始参数逐渐劣化而产生的，大部分机器的故障都属于这类故障，这类故障与材料的磨损、腐蚀、疲劳及蠕变过程有密切的关系。 突发性故障，是各种不利因素以及偶然的外界影响共同作用而产生的，这种 作用超出了设备所能承受的现度。例如：因机器使用不当或出现超负荷而引起的 零件折断；因设备各项参数大搞极值而引起的零件变形或断裂，事先无任何征兆。突发故障多发生在设备初始试用阶段，往往是由于设计、制造、装配以及材 料缺陷，或者操作失误、违章作用而造成的。 2）外部环境引起的设备故障：温度、湿度、粉尘、人为及物触及