（电力系统及其自动化专业论文）交流传动反馈试验台主系统的研究.pdfVIP

北方交通人学倾i 学位论文 捅费 组匝徊j 绝缘的击穿机理。根据对电机绝缘击穿原因的理论分析， 术文也给出了具体的解决方案。 p w m 逆变器带来地另一个问题就是电机轴承损坏问题。理 论分析表明，轴承损坏是由于电机的共模输入电压造成的。本文 通过数学推导求出了共模电压的大小。借助于 乜机定子绕组与转 r 绕组之间的耦合模型，详细分析了共模电压弓1 起轴承电流并导 致轴承损坏的机理。在文章最后3 丕详细地讨论了解决山于p w m 调制造成的轴承损坏的方法。y 关键词：软丌关热阻杂散电感行波反射共模电压 奉 变沲传动反馈试验台主系统的研究 ! ! 塑窒婆叁兰塑! ：兰垡堡苎 垒! 兰! ! 竺 a b s t r a c t t h i st h e s i sr e s e a r c h eso nt h ed e s i g nt h e o r i e sa n dt e c h n i q u e s 0 ft h em a i nc ir c u i t0 fac o n v e r t e rb a s e do nat e s tp l a t f o r ms y s t e m f o ra cd r i v e sw i t hah i g hp o w e rr a t i n go f3 0 0 k v a b o t ht h e t h e or e m so ft h et e s t p l a t f or ma n d t h e p r i n c i p i e s o ft h ez c s s o f t s w i t c h i n gc o n v e r t e ra s ad cp o w er s u p p l yr e c t i f i e ra r ed e e p l y a n a l y z e da n dd i s c u s s e d a l s o ，t h ew a yo fp o w e rd e v i c e ss u c ha s i g b tm o d u l e sa n do t h e rd e s i g np a r a m e t e ra r eg i v e ni nd e t a i l h e a ts i n ki sav e r yi m p o r t a n tp a r to fah i g hh ps i z ec o n v e r t e r ， w h i c hd e t e r m i n e st h ec a p a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ec o n v e r t e r b a s e do nt h ef u n d a m e n t a lh e a tt r a n s m i s s i o n p r i n c i p l e s ，ah e a t t r a n s m i s s i o nm o d e li se s t a b l i s h e d t h e w a y s t oc a l c u l a t et h e d i s s i p a t i o ne n e r g yo fac o n v e r t e ra r ea l s od i s c u s s e di nd e t a i l ，w h i c h i nc o m b i n a t i o nw i t ht h eh e a tt r a n s m i s s i o nm o d e lw ec a nf i g u r eo u t t h ep o s s i b l eh i g h e s tj u n c t i o nt e m p e r a t u r eo fas p e c i f i e ds y s t e mo r d e s i g na no p t i m i z e dh e a t s i n kf o rat a r g e ts y s t e m ac o m p l e t e d e s i g ns c h e m eo ft h eh e a ts i n k so ft h et e s tp l a t f o r mi sa l s og i v e n b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s t h es t r a yi n d u c t a n c eo fd cl i n ks h o u l db el i m i t e di no r d e rt o r e d u c et h es p i k ev o l t a g ed u et ot h et u r no f fo fi g b t s a c c o r d i n gt o t h ec o r r e l a t i v ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r i e s ，t h ev a l u e so fs t r a y i n d u c t a n c eo fc o n d u c t o r si nd i f f e r e n t s h a p e s a r ec a l c u l a t e d r e s p e c t i v e l y ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n ge m ii sa l s od i s c u s s e dd e e p l y a sar e s u l to ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a no p t i m i z e dd e s i g no ft h e d cb u s e so ft h et e s tp l a t f o r mi sa l s og i v e ni nt h i sp a p e r o v e r v o l t a g et r a n s i e n t so c c u ro na ci n d u c t i o nm o t o r sw h e n 交流传动反馈试验台圭系统的研究 ! ! 卫苎塑叁堂堡! ：堂些堕兰 垒! ! ! 曼! c o n n e c t e dt h r o u g hac a b l eo fs u f f i c i e n tl e n g t ht oav a r i a b l es p e e d a cd r i v ec o n s i s t i n go fa ni g b t b a s e di n v e r t e r t h e o r e t i c a l a n a l y s i ss h o w st h a tm a g n i t u d e so fo v er v o l t a g em a ya m o u n tt o2p u ore v e n3p ud cb u sv o l t a g e o v e r v o l t a g er e s u l t s f r o ma n i m p e d a n c em i s m a t c hb e t w e e nt h ec a b l ea n dt h em o t o r i nt h ist e x t ， ac a b l et r a n s m i s s i o nm o d e li sm a d e ，t h r o u g hw h i c ht h em a g n i t u d e s a n do s c i i l a t i o nf r e q u e n c i e so fr e f l e c t e dw a v e sc a nb ea c c u r a t e l y c a l c u l a t e d i n v e s t i g a t i o n s o ft h et r a n s m i s s i o n p r o c e d u r eo f a v o l t a g ew a v et h r o u g has t a t o rw i n d i n gs h o w st h em e c h a n i s mo f d i e l e c t r i ci n s u l a t i o nf a i l u r eo ft h em o t o r s e v e r a lw a y st os o l v et h e p r o b l e ma r ea l s od i s c u s s e d t h o u g ht h ei n d u c t i o nm o t o ri s av e r yr u g g e dd e v i c e ，t h e b e a r i n g sa r en o ws u b j e c tt oa d d i t i o n a lm o d e so ff a i l u r ed u et o l e a k a g eb e a r i n gc u r r e n t ，w h i c hi sc a u s e db yc o m m o n m o d ev o l t a g e f e db yp w mi n v e r t e r st om o t o r s i nt h i sp a p e r ，m e t h o d st oc a l c u l a t e t h ev a l u eo fc o m m o n - m o d ev o l t a g ea r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l e s t a b l i s h m e n to ft h ec o u p l i n gm o d e lf r o ms t a t o rw i n d i n g st or o t o r i r o nl a m i n a t i o n sh e l p st od i s c l o s eh o wc o m m o nm o d ev o l t a g el e a d s t o b e a r i n gc u r r e n t w h i c hr e s u l ti nf a i l u r e so fm o t o rb e a r i n g s s e v e r a ls o l u t i o n st ot h i sp r o b l e ma r ea l s oi n f r o d u c e d k e y w o r d s ：s o f t - s w i t c h i n g t h e r m o - r e s i s t a n c e s t r a yi n d u c t a n c e t r a v e l i n gw a v er e f l e c t i o n c o m m o n m o d ev o l t a g e 交流传动反馈试验台主幕统的研究 北方变通人学坝1 ：学位论文 1 1 背景介绍 第一章绪论 随着电力电子器件制造工艺的不断发展，i g b t 的容量越来越 大，可靠性也有很大的提高。在大容量i g b t 器件出现后，各国竟 相研制i g b t 牵引变流器。与g t o 、可控硅相比，i g b t 具有) l ：关 频率高、驱动电路相对简单、主电路简单( 无需s n u b b e r ) 、过流 ( 或短路) 保护方便易行、系统效率高及矩形安全工作区( s o a ) 等优点，使得i g b t 取代g t o 广泛用于交流传动电力机车和城市轻 轨列车动车组。 1 9 9 6 年，欧洲和r 本相继研制成功了1 0 0 0 k v a 容量等级的 i g b t 逆变器，现在，往返于英吉利海峡隧道的电力机车e u r o t u n n e l s h u t t l e 上的逆变器单台容量额定值为2 6 m w 。我国在交流传动技 术领域的研究起步较晚，不论在技术还是制造工艺上都落后于西方 发达国家。天津电气传动设计研究所已研制成功3 0 0 k v a 的i g b t 逆变器样机，在电力机车方面，1 9 9 6 年6 月1 9 同中国第一台交流 传动a c 4 0 0 0 型电力机车在株机厂问世，但是该车严重超重，只能 作试验用而无法上线运行，一个重要原因是其电气部分设计不合理 造成的。而北京地铁复八线和广州地铁一号线的地铁列车用牵引逆 变器均进口自国外，而且这些变流器机组中所用的半导体开关器件 都是g t o 。 另一方面，随着交流调速理论的日益成熟，交流异步牵引电动 机在传动领域的应用也越来越广泛。与直流电机相比，交流异步电 机具有结构简单、体积功率比小，成本低、适合高速等明显的优 势，因此在大功率和高速场合如电力机车等得到了广泛的应用，电 交流传动反馈试验台主系统的研究1 北方交通人学硕i - 学位论文 鹕一章绪论 力机车、城市轨道交通用动车组采用交流传动已经成为趋势。西方 发达国家近年生产的高性能电力机车几乎全部采剐交流传动。我国 在大功率异步牵引电机的设计和制造方面取得了一定的进展。山我 校主持设计的2 0 0 k m 动车组交流牵引电机( 3 0 0 k w ) 已经通过了 铁道部的鉴定，性能达到了设计要求。而在人功率交流异步牵引电 机的试验手段上，一直没有有效的办法。日 ；i 已有的交流电机试验 台主要有两类，第一类是由交流异步电动机带动n 日步发电机，发电 机发出三相交流电并直接回馈给电网，显然，这种试验系统节约丁 电能，但是由于同步发电机的转速与电网频率之州存在比例关系， 而电网频率是固定的，因此电机的转速无法灵活调节，这极大地限 制了其应用范围。另一类是由异步电动机带动直流发电机，采用该 方案虽能较为方便地调节转速与转矩，但是直流发电机所发出的直 流电难以有效利用，多通过电阻性负载白白消耗掉，造成了极大的 能源浪费，在大功率场合尤其如此。因此，研制一套操作简便、功 能完备、性能良好、效率较高的交流牵引电机试验平台成为当务 之急。 1 2 本论文的提出及研究内容 北方交通大学在中小功率逆变器的研制方面以及交流异步牵 引电机调速方面的研究起步较早，设计容量为5 0 k v a 的8 k 电力机 车辅助逆变器已在大同西电力机务段广泛应用，取得了良好的经济 效益和社会效益。“2 1 1 ”建设项目“交流传动异步牵引电机温升试 验台”针对前述大功率牵引逆变器的研制和大功率交流异步牵引电 机试验手段两个关键点开展研究和试验，以期在大功率牵引逆变器 的国产化方面探索道路，积累经验，并在此基础上研制出一种节能 高效的大功率交流电机试验平台。 交流传动反馈试验台主系统的研究i ! ! 塑奎望叁兰堡! ：兰竺堡兰 垫二：翌! ! 堡 经过详细论证，我们选择了一种新型大功率能量反馈型温升试验台 方案。浚方案既综合了前述两种方案的优点，又克服了它们的缺点， 只要控制方法得当，将有较为理想的性能。 本文从理论分析入手，着重探讨犬功率i g b t 逆变器主电路设 计中的一些关键问题，并根据理论分析的结论给1 b 了该系统的具体 参数，尽管设计目标是针对3 0 0 k v a 交流传动试验台的，但理论分 析所得到的结论却具有一般性。 该试验台为能量反馈型试验台，是一种节能高效的新型异步牵 引电机试验台，在本文的第二章中，对该试验台的工作原理做了较 为详尽的解释。试验台的前级整流器为新型双零电流丌关四象限变 流器，其具体的工作原理文中也有详细的阐述。根据系统各部分的 具体要求，合理地选取半导体开关器件的型号，选择的依据和方法 也在这一章中做了详细的说明。 散热器是变流器系统中的关键部分之一，在本文第三章中，从 传热学的基本理论出发建立起了变流器系统的传热模型。本章还详细 讨论了变流器系统功耗的计算方法，结合变流器系统的传热模型，可以定量 地计算出给定系统i g b t 模块的最高可能结温，或者为目标系统选择热阻适 当的散热器，从而确保i g b t 的稳定可靠运行。根据理论分析的结果，在本 章最后还给出了试验台系统各散热器的具体设计方案。 为了降低i g b t 关时的电压过冲，必须尽可能减小主电路中从 支撑电容到i g b t 模块之间回路的杂散电感，因此必须合理地选择 导电母排的形状。本文第四章根据电磁场的基本理论，详细地计算 出不同形状的导电连接的杂散电感，并定量地分析了它们各自对周 围空间的电磁干扰，从而为变流器结构的优化设计提供了理论依 据。根据理论分析的结果，本章还给出了3 0 0 k v a 试验台各部分母 线的具体设计结果。 随着p w m 逆变器的广泛应用，牵引电机绝缘击穿事故日益增 交流传动反馈试验台主系统的研究 3 北方交通人学硕1 学位论文笫荦绪沧 多。i 扫于i g b t 的丌通时问短，电压l 升率快，引起的电压行波沿 电缆传播。蠢i 电缆等电撬的连接娃，分韶隘撬翡突交羚致电压行波 的反射从而引起电机端的瞬时过电压，本文籀五章的理论分析表 明，l 电枫壤滟瞬态电压峰值可麓达到纛滚母线f 色筮瓣二倍蕤至更 高。过高的电压应力引起电机绝缘的损坏。在箔矗章中还建立了逆 交器电缆电视系统静传输线模壅，觚瑾论t 详细分轿了电橇璇 过电压的产生机理，给d l 了电机端瞬念电压的峰值和振荡频率的计 算方法。现场测量酌结采验证了理论分析的正确性。依据理 仑分 厅 的结果，本章最后还给出了解决电机绝缘击穿问题的措施。 p w m 邋交器在传动镁城静广泛应粥还带来了舅一个较为严重 豹问题，就是由于共模电压导致的电机轴承损坏问题。本文嫡六蕈 通过瑾论分析表嚼，共模电压辱l 越的亳税轴承电流是造成电桃轴承 损坏的主要原因。本章通过数学推导求出了共模电压的大小，并借 助予电机定子绕组与转子之闯的藕合模型，详细魄分耩了辘承电流 的形成原因，并在理论分析的基础上给出了解决问题的方法。 ：生坚窭些叁兰堡：! ：竺竺堡竺 塑：里墨竺塑! 堑坚些丝垒塾些塑| _ 一 第二章系统的工作原理及参数选择 2 1 实验平台的工作原理 如图2 一l 所示，交流传动异步牵引电机温升试验台系 统由整流器、主逆变器l 、异步电机m l 、异步电机m 2 、 主逆变器2 等及控制系统等构成。整流器为单位功率因数 的四象限变流器，为了提高系统效率，减小丌关动作造成 的电磁干扰，整流器采用软丌关技术。单台整流器的容量 为5 0 k v a ，输出电压额定值为直流75 0 v ，两个相同的整 流器输出侧串联，因此系统直流环节的直流电压为15 0 0 v 。 直流电经逆变器1 后被变换成有效值和频率都可变的三相 交流电供给三相异步牵引电机m l ，m l 带动同轴相连的同 型电机m2 ，m2 由逆变器2 供电，采用适当的控制方式如 矢量控制，可使电机m l 工作于电动状态而m2 工作于发电 状态，并可方便地调节转速和转矩，从而可以测试异步牵 图2 1系统框图 交流传动反馈试验台主系统的研究 北方受通人学倾i 。学位论义第一亭系统的1 作原理肢参数选择 引电动机在各种条件( 例如启动、稳念、堵转制动等) 下的特性。 显然，稳态运行时能量主要从逆变器1 、电机ml 、电 机m2 和逆变器2 再回到逆变器1 的闭环中流动。但足考 虑系统总是有能量损耗的，这部分损耗由整流器的输出米 补偿。因此，稳态运行时整个系统的功耗不会太大，从而 大大节约了能源。 下面简要介绍一下系统主要部分的： 作原理。 2 2 整流器的工作原理 该试验台的前级整流器采用双零电流开关四象限变流 器，单位功率因数的四象限变流器的控制方法有很多种， 如电流滞环控制、空间矢量p w m ( s v p w m ) 控制等，综 合考虑辅管的控制，空间矢量p w m 由于主管的最高开关 频率固定，因而更有优势。本文不详细介绍整流器的控制 方案，只简要介绍一下软开关的实现方法。 图2 - 2 为双零电流开关四象限变流器的拓扑结构，以 逆变电路为例，考虑到三相对称。画出其中一相的拓扑结 图2 - 2整流器的拓扑结构 交漉传动反馈试验台主系统的研究 6 ! ! 变窒塑叁竺塑! ：兰丝堡墨 笙二：翌叠竺塑! ：堕些丝垒塾垄堂 构如图2 3 所示。d f 于p w m 变流器可以看作是两个直流 斩波器的组合，因此该四象限变流器中软开关的原理可以 由圈2 3 中粗线部分 构成的双零电流丌关 直流斩波器的工作原 理来说明。在一个j r 关 周期内负载电流i 变 化不大，为便于分析设 其为恒值，。按照图 2 3 所示参考方向，当 | 璺l2 - 3 逆变器一相的拓扑 鲁坛l 负载电流大于零时，不考虑s 。2 和s ：，则该软丌关直流斩 波器一个丌关周期内的工作波形如图2 4 所示，图中波形 从上而下依次为主管s l 的丌关信号、辅管s 。l 的开关信号 主管s l 及其续流二极管中流过的电流i 。，、谐振回路的电 流f 。、及电容器上的电压v ，。一个完整的开关周期可分 为九个阶段： 1 ) 开通阶段i ，o ，t 2 ：fo 时刻，开通辅管s 。i ，软 开通过程开始。由于上一次关断结束后谐振回路中电容上 的电压方向为正，s 。l 开通，l ，和c ，通过s 。i 和d2 形成振 荡回路，振荡电流j ，按正弦规律变化，经过四分之三个谐 振周期，在时刻f 2 达到正最大值。该最大值近似等于负载 电流值。因此f ? 时二极管内的续流电流刚好为零。 2 ) 开通阶段i i 2 ，f ， ：f 2 时刻开通s l ，此后s 】 中的电流将随着振荡电流f ，的减小从零逐渐增加，从而实 现了s 1 的软开通，二极管d2 的反向恢复过程也基本上被 消除，开通损耗显著降低，主管s 中的电流上升率因受谐 振电感的限制而显著减小。同时在，2 时刻，由于振荡电流 交流传动反馈试验台主系统的研究一_ 亍 北力变通人学坝i j 学位论文 第二节系统的r 堡坠型丝笙塾些塑 s 1 二二二二二二二 8 口 图2 4 _ 1 ：作波形( 负载电流人丁：零) 流过d 。l ，辅管s 。2 处于反偏置状态，因此辅管s 。2 在，2 时 刻的关断为零电流关断。在f2 t3 阶段由于振荡回路中串入 了电压源，因此振荡电流迅速减小。 3 ) 开通阶段i i i ，3 ，1 ：在时刻，j ，振荡电流i 。减 小到零，二极管d 。l 自然关断。由于t j 时刻谐振电容上的 电压以为正，因而辅助回路会继续振荡，负的振荡电流 f 。将流过d 2 。 4 ) 导通阶段f7 4 ，t j 】：当f ，在4 再次回零时，二极管 d2 自然关断。辅助回路停振并与主回路完全断开。该阶段 的持续时间取决于p w m 控制的情况。 5 ) 关断阶段i 【f j ，t7 】：主管s l 关断之前，辅管s 。l 在时刻t 5 首先开通。辅助回路又开始振荡，振荡回路包括 交流传动反馈试验台主系统的研究8 j ! 塑窒望叁堂堡! ：兰些堡兰 墨= ：皇墨竺塑! 堡坚些丝茎塑些堡 直流电源、主管s i c ，、l ，及辅管s 。f 。经过半个振荡周 期，在时刻，6 振荡电流由负瑷大回到零，辅管s 。i 零电流 关断，。时刻后，电流证向增大，萨向电流流过二极管d 。i ， 主管电流逐渐转移到辅助隧路中。 6 ) 关断阶段i l 【77 ，8 】：，7 时刻，达到，主管s 电流降为零，于是s l 在零电流条件f 关断，时刻，之后， f ，继续增大，超过负载电流，的部分振荡电流将流过d 1 ， 从而把s l 上的电压钳位为零，显然此时( 或稍后) 关断 s 一关断损耗将会很小。 7 ) 关断阶段i i i 【8 ，9 1 ：在f 8 时刻，f ，回到，二极管 d l 自然关断，由于d2 仍然被反偏置，所以感性负载电流 只能流过l ，和c ，电容c ，被线性充电。 8 ) 关断阶段【f9 ，f ，o 】：f9 时刻，电容上的电压n 由于电容放电而回到零，此后二极管d 2 由于丌始承受证 向偏置电压而开始导通，辅助回路开始继续振荡，随着振 荡电流逐渐减小，d2 中的电流也相应地逐渐增大至负载电 流值。 9 ) 二极管续流阶段【，o ， f 加时刻，f 。回到零，辅 助回路停振，感性的负载电流经d2 续流。这一阶段持续 时间也由p w m 控制情况决定。 由上述分析可知，如果系统无损耗，负载电感无穷大， 负载电流的大小为恒值，则在，? 时刻振荡电流的峰值应与 负载电流值相等，但若考虑振荡回路的损耗，f 2 时刻振荡 电流的最大值将小于负载电流的值，而实际上负载电感总 是有限大的，因此负载电流在本次关断时的值总比在下次 开通时的大，尤其是在四象限变流器的负载电流基波绝对 值减小时，这种效应更加明显。这种补偿作用使软开通在 交流传动反馈试验台主系统的研究i 此，j 交i 匝人学坝i 学位论义 实际应用中得以实现。 另一对管子s2 和 此不再赘述。 笫一节系统的t 作原理及参数选择 s a 2 的软j 1 关亡作过程与上相仿，在 实际运行中，主管与辅管必须联合控制，以保证系统 的安全运行和软丌关的可靠实现。l 乜流较小时，为提高系 统效率，软开关应停止运行，系统 ：作于硬开关工况。而 当电流较大时，系统工作于软厂 关一 况，同时还必须限制 主管的丌关信号，以图2 3 所示拓扑结构为例，当电流i 火于零时，主管s l 及其对应的辅管s 。i 协同工作，系统工 作于软开关工况，而主管s 2 的丌关信号应为无效信号， 进一步分析表明，如果在这种情况下将驱动信号加在主管 s2 的门极上，s2 有可能在大电流情况下硬丌通，且使主管 sl 的软开关无法实现。因此，电流f 大于零时，主管s 2 及其对应辅管s 。2 的开关脉冲都应被封锁，同理，当电流 f 小于零时，则封锁主管s l 及其对应辅管s 。i 的开关脉冲。 理论分析和仿真结果都表明，上述要点对于保证整流器的 可靠高效运行是至关重要的。软丌关的应用，使得系统的 效率得以显著提高，而且半导体器件大电流高速开关所引 起的e m i 问题也得到有效缓解，器件的开关损耗显著减 少，器件的散热问题得到缓解，从而使设备的体积可以更 小，结构更紧凑。 2 3主逆变器的工作原理 根据逆变器直流侧的储能元件是电感还是电容，逆变 器可分为电流型和电压型两种。 电流型逆变器结构较为简单，装置的可靠性更高，也 交流传动反馈试验台生系统的研究而 北方交通入学碗 学位论史 第一章 琢统的11 份啄鲤技参数选群 1 i 存在直流贯通短路等问题，控制相对简单，因而在交流 传动发震翁旱鬻在一黧动车上褥窝了随瓣。8 0 年代祷麓， 德围还曾研制出一台采用电流型逆变器的电力机车。但是 电滚壁遵变器豹魂态斌应速澄橙，在轻载帮高频情凝下稳 定性差，并联困难，而且储能电感体积大、重量大、效率低， 这毡缺点帮不符合交浚传动技术发袋豹大趋势，困鼗箕应 h 受至0 了很大限带0 。 尽警彀压型遂交嚣存在蘩壹浚黄遂怒鼹、控制复杂等 缺点，但鼹电压型逆变器具有动态响应快、一台逆变器可 驱动多台薛联瓣邀辍负载等甓点。鹱着纛力半簿俸开荚器 件的发展电压型逆变器逐渐在轨道动车牵引领域占据了 至蛰趣建。 电压型逆变器的拓 羚缀擒又霹分兔三恕 平电路和两电平电路 嚣魏。鬏撼强2 5 耩示 为三电平电压烈逆变 器豹拓扑绦搀。烫2 6 所示为两电平电压型 逆交器豹掭羚绫构。与 两电平电眶型逆变器 穗比，三壤乎逆交爨优 势在于同样的开关元 器件条传下奄聪豹应 用等级提商一倍，开关 工作对戆逛匿交位率 降低半，输出电压的 圈2 - 5 三电平电压型逆变器拓扑结构 图2 - 6 两电平电压型逆变器拓扑结构 ：些垄窒塑叁堂堡! ：堂竺堡墨 笙：里墨竺塑! 堡堡竺丝兰墼堡堂 调制频率也可提高一倍。由于有这些优点，所以三电平电 压型逆变器具有减少谐波、减低燥声等优点，对于降低牵 引乜机端的过电压、减少电机轴承的电晕腐蚀从而提高整 个逆变器一交流电机牵引系统的可聚性和延长无故障 ： 作时削都有好处。但是三电平电压型逆变器结构复杂，所 _ = l j 丌关器件多，控制复杂。而两电平电压型逆变器由于结 构简单，控制方便，整机体积小重量轻，运行可靠且易于 维护，因此目前牵引变流器大多采用两电平结构，只有电 力、 ，导体器件的耐压水平达不到要求时，爿会考虑应用三 电平逆变器。本系统的主逆变器也采用如图2 6 所示的两 咆平电压型逆变器。两台主逆变器的结构完全相同。直流 侧的母线电压为l5 0 0 v ，额定输出功率为3 0 0 k v a 。每台 逆变器的输出各接一额定功率为3 0 0 k v a 的异步牵引电 机，如图2 1 中m i 和m2 所示，整个系统运行时，只要使 m l 的同步转速ml 转速大于m2 的同步转速m2 ，也就是使 m 。的输入电压基波频率f l 大于m2 的输入电压基波频率 f 2 ，即可使m l 工作于电动状态而m2 工作于发电状态。两 台逆变器联合控制，调节f l 、f 2 的值即可改变电机的转 速和转矩，从而控制两台电机使它们工作于不同的状态。 在感应电机调速系统中，采用压频比恒定方式进行开 环控制的方法，由于实际上只控制了电机的磁通而没有控 制电机的转矩，故只适用于风机等负载基本稳定、而且对 调速性能要求不高的场合。转差控制推导出电机的转差频 率和稳态转矩之间的关系，可在一定的转差范围内控制电 机的电磁转矩，从而改善系统的调速性能，但是转差控制 基于电机的稳态模型，没有考虑电机的瞬态过程，其动态 性能也不理想。对于电力机车等交流牵引系统，需要对负 交流传动反馈试验台主系统的研究五 l 匕商变迤人学颤l 学位论文第一辛瘩统的i ：馆棘理及参数选择 缄突变情况具有快速反应能力，以保持机车稳定的运行速 发弗防杰税车抒淆，返就要求控制系统必须憨荧活有效建 控制电机动态转矩，这就需臻一种建立在电机动态模型基 蕊一l ：豹控翻方法，矢鬃控锈便是“一争| l 这样浆控镪方浚。经 过i 十余年的发展，矢量控制技术n 益完善并得到越来越 j “泛应蠲，本系统豹控翻方案氇采耀矢嚣控鞠。 矢量控制主要分为两大类：直接磁场定向控制和间接 磁场定蠢羟毒l 。跃瑾谂上漫，壹接滋殇怒淀控筏是最为露 取的矢量控制方案，似是在现阶段直接磁场定向控制还存 在磁遽测整稻运算哥靠经差、低速霹窭妻能交蝽鞋及现场 应用成本商等缺点。而间接磁场定向控制( 或称转麓频率 矢量控割) 出予矮有实瑗麓倭。冒箨蛙簿等优点，在整个 工业应用领域已经成为事实上的标准。因此也被本系统采 羽。 2 4 半导体舞关冠佟豹选择 垂上令篷纪8 0 年代敬来，由予牵弓 领域扶壹流传动 向交流传动快速转变，g t o 逆交器已经成为大多数应用的 标凇传动方式。警扳嚣装器 掌鑫显示窭缀裹豹霹靠瞧并在 应用中积累了丰富的缀验，尤其是引入的全压接技术，现 今豫成为橼准豹封装方式，程功率簇巧笺力上遮爨了缀裹 的水平。 与g t o 摆魄，i g b t 模块具有舞关逮凄获、开关撰耗 小、耐脉冲电流冲击、门极驱动简单、易于安装等优点， 繇以在毫挞毙、大功搴数遂变嚣中缛到广泛应愆。在本试 验台中，所有的半导体开关均选用i g b t 。 交流传端矗镶试簸台主系统躺研究面 苎查塞塑墨兰堡! 堂堡笙塞翌二量薹堡塑! 堡垡些丝茎墼堡壁 i g b t 容量的选择主要考虑如下四个方面： a 辩压要求：主簧考虑i g b t 上的滚涌电压不成超过l g b t 的集电极与发射极之间的额定电压v c e 。 b ，电流要求：集龟极魄流必矮链予l g b t 静安会工佟隧蠢 ( 即小于两倍的额定电流i c ) 。 c ) 散热条 牛：程良好豹冷帮条件下，霹选掰窬量穗小静 器件。 d ) 实际条锌：壤臻生产厂家懿产箍样本麓格，选铎合适 的器件。 | g 8 善蘸额定电嚣主要依蕹壹流铡懿额定魄压及其允 许的波动范围，结合丌h 关关断时主电路引线电感引起的过 冲奄莲，褥餐毒定爨静褡麓来确定。一般来浇，蠢流侧 的电压额定值应为i g b t 电压额定值的5 0 6 0 ，照此原 列，国于主遂交嚣懿输入电蘧额定蓬为蠹滚l5 0 0 v ，嚣筵 选择额定电压为3 3 0 0 v 的i g b t ，憋流器的输出电压为直 流7 5 0 v ，嚣蘧逸雳额定龟垂为l7 0 0 v 懿l g b 罩。 一般来说，如果流过i g b t 的电流等于或小于l g b t 豹壤滚额定篷 c ，我餐霹数议为i g b t 工佟在嵌全区肉， 且结温不会超过允许的最高结温t i 。在电力电予装置的设 诗孛，装燮豹过载能力一般郝在鬏定容爨豹l5 0 2 o ， 也就是说蜜际电机的稳态额定电流应为最大允许电流的 5 0 6 0 。慰于燕滚器来瀑，其设计容鬓隽5 0 k v a ，英辕 入电流的大小为： ，；竺= 7 6 a 4 ”4 3x 3 8 0 出于系缓稳态运行粒整浚爨的羧基功率著不银大，嚣 此计算时取过载系数为1 5 ，纹波系数取1 2 ，则有： 交漉传动反馈试赣台主系统纳研究1 4 北，了变通人学顾i 学位论文第一章系统的 作坂理发参数选择 ，= 2x1 5 1 2 7 6 = 1 9 3 a 实际应用的i g b t 的额定电流值应不小于上述结果， 取接近值，则整流器中用做主丌关管的i g b t 的额定值取 为2 0 0 a 。 由于流过整流器辅管的电流近似为一个周期的n i 弦 交流电流脉冲列，尽管其峰值很大，但是其周期很短，而 且两个脉冲之间的时间问隔也较长，考虑到i g b t 具有很 好的耐脉冲电流的性能，因此可以选用额定电流较小的器 件，在本系统中，整流器辅管的额定电流取为l0 0 a 。 主逆变器l g b t 的容量选择较为特殊。由于该逆变器 具有试验的性质，考虑以后系统升级的需要，主逆变器用 i g b t 是按照逆变器容量为5 0 0 k v a 来选择的。山于直流 侧的额定电压为l5 0 0 v ，因此输出电压的额定值为1l7 0 v ， 逆变器稳定运行在5 0 0 k v a 时，其输出电流为25 0 a ，取过 载系数为2 ，纹波系数为1 3 ，则流过i g b t 的最大电流为： i 。= 4 2x2 1 3x2 5 0 = 9 2 0a 实际应用中应选用额定电流值不小于9 2 0 a 的i g b t 。 根据以上分析，分别列出本系统所选用的i g b t 型号 如下： 整流器主管的型号为b s m2 0 0g bl7 0d l ，其额定电 压为l7 0 0 v ，额定电流为2 0 0 a ： 整流器辅管的型号为b s ml0 0g bl7 0 d l ，其额定电 压为17 0 0 v ，额定电流为l0 0 a ： 主逆变器开关管的型号为 f z l2 0 0r33k f l 其额定电压为33 0 0 v ，额定电流为l2 0 0 a 。 交流传动反馈试验台主系统的研究 j l ：q 交通人学硕i j 学位论文 摭二三章散热 殴汁 第三章散热器设计 3 1 散热器的设计方法与种类 i g b t 与其它电力半导体器件一样，在传递和处理电能的同 时，也要通过电一热转换消耗一部分电能。消耗的电能以热量的 形式散失掉。散热器的设计任务就是根据传热学的基本原理，为 器件设计一个热阻尽可能低的热流通路使器件产生的热量能通 过它尽快地散发出 去，从而使器件运行 时，其结温能保持在 允许的结温内。正常 情况下，i g b t 的主要 发热部位在半导体 芯片内部。消耗的热 量通过器件封装内 的各种材料传导转 移到散热器上，然后 经传导、对流和辐射 等多种传热形式散 发给大气或别的更图3 1i g b t 内部热场仿真 好的吸热媒质。图 3 1 是采用a n s y s 有限元分析软件对i g b t 模块工作时芯片内部 的发热分布情况的仿真结果。 交流传动反馈试验台主系统的研究 一可 兰妻塞鎏叁兰篓主兰鳖鲨塞 篓三皇墼垫登塞| 主 根据器件发热的功率损耗只和热量散发的温度差7 _ ，可以 绘出热疆豹定义 r = 等= 警c 吲w ，( 3 - 1 ) 其中一是芯片的结温，l 是周围大气的温度。 圈3 - 2 器件模块和散热器对应的热阻关系 i g b t 褥半导体器俸模块安装在散热器上能减步热阻。辫3 2 是i g b t 模块及散热器所对应的热阻关系。图中l 怒器件模块外 壳蘩援静瀑浚，卜c ，是器俘芯片缝虱终壳鏊板靛热阻，民l 町是 外壳到大气的热阻，尺口睁s ) 是模块外壳划散热器的热阻，r f 争钔是 散热嚣至l 大气翡熬隧。瑟串静憨煞隘为 凡= r ( p c ) + 心( c 。) ，( 怫( c _ s ) 十r ( s a ) ) ( 3 2 ) 众囊爱知，教熬器静熬窿( c - s + & f s _ 舯 霹校爨散热条俘、 介质而变化，且与模块外壳的热阻r 协。，相比要小得多。散热器 熬辫& ( c _ s + 。删与管崧壳斡熬隧毛( 舯并联居靛大大降低燕 阻。 交流接劫反馕谈骧台主系统豹疆究一历 北方受强大学硪j j 学位论文 第兰搴漱热瓣设i 常见的敞热器大致有以下五种类型。 是鑫冷式散热黎：瓣流羧热系数为( 6 1 3 ) x4 1 8x 1 0 - j h m 2 k ，常用于额定电流小- y 2 0 a 的器件或简单装置中的大电 流嚣俘。 = 是风冷式散热器：对流抉热系数为( 3 5 6 2 ) x4 18x 1 0 1 j h 臻2 k ，楚鸯冷式敬热嚣效率翡24 倍，鬻瑙予颧霞奄流在5 0 a 到5 0 0 a 的器件散热。 三是零冷( 或濑冷) 式教热嚣：对滚挨热系数惫( 2 0 0 0 ) x4 1 8 x10 。j h m2 k ，是自冷式散热器效率的l5 0 3 0 0 倍，常用于额 定电流在5 0 0 a 疆上懿器传中。这耪鼗热方式嚣解决好承矮帮凝露 问题。 越是游麟式数热器：j c 雩凌换热系数必( 3 0 0 0 7 0 0 0 ) x4 1 8 x10 , t h m2 k ，其等效导热率相当于同几何尺寸实心铜导热率 豹3 8 0 镥。 五是热管散热器：热管是一种新型高效的传热元件，因它利 溺了沸黪吸热秘凝缝教热薄静最强燕毂传热穰理，飘惹表鬓密优 异的传热特性。它的传热效率高和沿轴向的等温性好，其散热效 率要魄疑矮整豹镊数热器大2 3 令数量缓。 可见，从器件臀壳到大气的热阻是可以通过采取加装不同形 式的散热嚣寒减少豹。至予热装睇耱形装散热器，要缀据竣诗装 置所需散耗的热量和经济成本核算而窳。但从硅半导体芯片到管 轰之阚的热阻w 是装鼗设计蠢无法改变瓣。 般来说，器件的热阻大，其处理功率能力就低t 器件热阻 小，其处理功率能力裁裹。掰班入髓总棼望嚣髂豹燕疆尽可貔低。 i g b t 模块的基板一般都比较厚( 3 3 0 0 v 1 2 0 0 a 的i g b t 模块由8 m m 厚的微凸铜基扳组成) ，蓐基叛其骞大数熬容爨充当一个热缓洚 器，因此，w 提供低的稳态和瞬态阻抗。这一功能对处理短时功 垄查塞整盔兰垦! ! 竺壁笙塞 墨兰量璧塑! ! 兰堕 率瞬变非常有用，而且当将它安装到散热器+ i 二时，可提供一稳凼 蠢平毽豹狻融。大豹模块接糕露有稿予在模块稻数热器之瓣获得 小的接触热阻r 啪s ) 。 对稻予电力税车或较遭动车鹣互确递交嚣柬滏，l 圭 予遵变器 的容量较大，散热器上往往是六个i g b t 模块4 组成逆变器的六 个殍关器 譬，懿鬻3 3 酝示。 3 - 3 有六个i g b t 模块的变流器主电路示意圈 出图3 - 3 知，散热器的热源是六个i g b t 模块的功耗之和 只f 。鲥，。散热器的热阻与濑差关系如下 ( s _ a ) * 粤 二量 ( 3 - 3 ) r a ( t d t s o 其中& ( 8 - a ) 为散热器热隈，s ( 。，为散热器上最高温度，l 为散 热器周围的大气温度。 融于散热器的热容是个一阶惯性环节，我们可以近似认为六 个i g b t 模块与散热器接触的最高温度k f 。，的平均像是相等的。 那么，i g b t 模块的最高缩漩一。由六个i g b t 模块功耗最大的那 个器传决定，关系式如下 交流传麓反馕试验台主系统瓣研究1 孬 垄查篁堡叁兰堡，! 竺堡堡塞一堡兰兰墼i ! ! ! 兰娑 一巾“= k ( m a 畸+ 只舡( 尺酬卜g ) + 尺口( c 。s ) ) l3 - 4 ) 其中= m a x ( p d ，兄：，巧3 。露；，鬈5 ，只。 ，楚一个i g b t 模块浆功耗。 对于一个单元的 g b t 模块，凡是个i g b t 及其反并联二极管 薅憨功耗；对予双单元i g b t 蔽块，是两个i g b t 及蓑菠并联 ：极管的总功耗，或浼一一个桥臀( 捆) 模块的总功耗：对于六 荦元 g b t 模块，是六令 g b t 菠茭反并联二二强篱懿总功耗t 或说逆变器开关器件的总功耗。 3 2 系统的功耗计算 i g b t 在变流器中工作予开关形式，税开关过程和导通 过稼中餐会耗散凌率魏凿3 ，4 氍示。一个l g b t 模块酌慧 功耗p d 。是丌关损耗p ；、通杰损耗p f 、断态损耗p i 以及 v 仨二二土 耥渤天l 一一一 = _ 二_ 二= _ = 二_ = = - 圭一一 圈3 - 4i g b t 模块开通鹈关断对的电流、电压鞫功耗麴线 ! ! ：! 塞堡叁兰篓! ：兰堡篓塞篓三兰墼鎏登墼 ! 驱动器件的输入功耗p 。的总和，即： 嚷= 县+ 弓+ 卑+ ( 3 5 ) 其中i g b t 模块的断态损耗p ，以及驱动器件的输入功 耗p 。都缀小，冀占慧磅耗中袋小靛一部分，因就一般不 用考虑。