CRH2牵引变流器的设计.doc

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蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈膈蒄薈袀羁蒀薇肃芇莆薆螂聿节薆袄芅膈薅羇肈蒆薄蚆芃莂蚃蝿肆芈蚂袁芁膄蚁羃肄薃蚀螃袇葿蚀袅膃莅虿羈羅芁蚈蚇膁膇蚇螀羄蒆螆袂腿莂螅羄羂芇螄蚄膇芃螄袆羀薂螃罿芆蒈螂肁聿莄螁螀芄芀莈袃肇膆蒇羅节蒅蒆蚅肅莁蒅螇芁莇蒄罿膃芃蒃肂羆薁蒂螁膂蒇蒂袄羅莃蒁羆膀艿薀蚆羃膅蕿螈 课程名称：牵引电机课程设计设计题目： CRH2牵引变流器的设计 目 录第1章 绪论 1.1简介.1 1.2本课程设计的任务及基本要求.1第2章 2.1CRH2 型动车组牵引变流器概述.2 2.2牵引变流器中支撑电容器研究.4 2.2.1 支撑电容器的主要技术参数.5 2.2.2 脉冲整流器中支撑电容器的选型设计.5 2.2.3支撑电容器电容值的计算.8 2.2.4牵引变流器中支撑电容器常用参数选择方法.8 2.3牵引变流器组设计中的几个问题.10 2.4牵引变流器控制系统研制.11 2.4.1传动控制单元的基本功能.12 2.4.2 四象限变流器的控制原理.12 2.5 CRH2 型牵引变流器故障分析及处理.14 2.5.1牵引变流器智能故障诊断系统的功能结构.14 2.5.2基于故障树的专家系统实现17 2.5.3CRH2 型牵引变流器故障的分类18 2.5.4保护措施及应急措施19 2.6结语.21 2.7 参考文献.22 22- 西南交通大学课程设计 第10页第一章 绪论1.1简介随着中国铁路的大提速，中国向日本引进了CRH2动车组，CRH2 型200 km/ h 动车组编组形式为8 辆编组,动力配置为4 动4 拖, 编组为T1c- M2- M1- T2- T1k-M2- M1s- T2c, 其中相邻两动车为1 个基本动力单元。每个动力单元具有独立的牵引传动系统。每个动力单元由1 台牵引变压器、2 台牵引变流器、8 台牵引电机及其相关设备构成。采用车控方式, 即每台牵引变流器给1 辆动车的4 台牵引电机供电。CRH2 型动车组主变流器( CI) 由单相3 点式脉冲整流器、中间直流环节、3 点式逆变器、真空交流接触器K 等主电路设备以及牵引控制装置、控制电源等控制设备组成。 为了牵引变流器中支撑电容器的参数选择提供理论依据,首先以脉冲整流器为例对支撑电容器参数计算原理进行了详细推导, 并采用仿真方法进行了验证, 对5 种常用支撑电容器选型方法进行了归纳。在牵引变流器的设计中，针对一些关键的问题，比如变流器的散热问题等做了详细的探究。在牵引变流器的控制上，本文也对其控制单元，及其基本功能做了一一介绍，并分析了其控制原理。 动车组牵引变流器作为牵引传动系统的关键部件，其性能质量直接关系到动车组的安全正点运行。在动车组运用检修时，必须对牵引变流器发生的故障进行全面的故障分析，记录故障现象，找到排除方法，深入分析原因，制订预防措施，从而减少动车组牵引变流器故障率，提高故障判断处理效率，最终达到提高动车组运用质量的目的。1.2本课程设计的任务及要求设计任务通过该设计，使学生初步掌握CRH2牵引变流器的结构，工作原理并对运行中牵引变流器的各种故障进行分析并采取相应的保护措施和应急处理措施。设计要求1. 画出牵引变流器的系统结构图。（对每部分参数提出设计意见）2. 分析其工作原理及特性。3. 对牵引变流器的各种故障进行分析。4. 提出保护及应急措施。 第二章2.1 CRH2 型动车组牵引变流器概述 CRH2 型200 km/ h 动车组编组形式为8 辆编组,动力配置为4 动4 拖, 编组为T1c- M2- M1- T2- T1k-M2- M1s- T2c, 其中相邻两动车为1 个基本动力单元。每个动力单元具有独立的牵引传动系统。每个动力单元由1 台牵引变压器、2 台牵引变流器、8 台牵引电机及其相关设备构成。采用车控方式, 即每台牵引变流器给1 辆动车的4 台牵引电机供电。CRH2 型动车组主变流器( CI) 由单相3 点式脉冲整流器、中间直流环节、3 点式逆变器、真空交流接触器K 等主电路设备以及牵引控制装置、控制电源等控制设备组成。上述设备安装在CI 箱体内。图1 主变流器系统图脉冲整流器部分:牵引变压器牵引绕组输出的AC1 500 V、50Hz 交流电输入脉冲整流器。脉冲整流器由单相3 点式PWM 变频器、交流接触器K 组成,采用无接点控制装置( IGBT 元件) , 从而实现了输出直流电压2 600 3 000 V 定压控制、牵引变压器原边电压、电流、功率因数的控制, 以及无接点控制装置保护。再生制动时, 脉冲整流器接收滤波电容器输出的直流3 000 V 电压, 向牵引变压器供应AC1 500 V、50Hz 交流电。另外, 主电路的输入通过交流接触器K实施。四象限变流器四象限变流器的基本功能是实现牵引电网与中间直流环节之间的能量传递(牵引工况下从电网吸收能量，制动工况下向电网反馈能量)。与传统的整流器不同，四象限变流器通过采用PWM控制方法具有下述 功能： 无论是网压发生波动还是逆变器的负载发生变化，四象限变流器均可以使中间直流环节电压保持 在给定值上，从而保证电机侧变流器一VVVF电压型逆变器正常工作。 四象限变流器可以做到牵引与再生工况之间快速且平滑的转换，充分满足动车的牵引/制动要求。 四象限变流器可以明显改善对牵引电网的影响。通过四象限变器的控制,牵引电网电流基波的相位可以与网压的相位相同(牵引工况时)或相反(制动工况时），使电网功率因数接近1或-1;同时牵引电网电流波形接近于正弦，有效降低电网的高次谐波含量。 为了实现上述功能，四象限变流器将采用PWM方式进行电压矢量控制，对中间直流环节电压和电网功 率因数进行调节。为使牵引电网电流波形接近于正弦，每节动车的四象限变流器采用两相两重控制方法，每个四象限变流器采用5分频PWM控制(GTO开关频率为250 Hz)l0逆变器部分: 输入为滤波电容器电压, 逆变器根据无接点控制装置( IGBT 元件) 控制信号, 输出变频变压的三相交流电, 对4 台并联的牵引电机进行转速、扭矩控制。在再生制动时, 逆变器工作在整流状态, 将牵引电机发出的3 相交流电进行整流, 向滤波电容器输出直流电压。由于采用了3 点式拓扑结构,减小了输出电压和电流的波动, 从而有利于降低损耗,提高电机和系统效率, 减少转矩脉动。电机侧VVVF逆变器采用直接力矩控制，通过检测定子电压和电流,借助异步电机的瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和力矩，实现磁链和力矩的直接控制，使定子的磁链轨迹近似为圆形，并可得到良好的速度和力矩控制的动态性能。 在系统电路图中,速度调节器根据速度偏差信号产生力矩给定值，函数发生器根据转速信 号给出定子磁链给定值，电机模型将依据电机电流，中间电压和PWM触发模式进行运算，求 得定子磁链和电机转矩的实际值。 磁链调节器和力矩调节器均为两点式调节器，根据磁链和力矩的实际偏差，通过开关状态控制发出逆变器触发信号，输出相应的电压空间矢量，从而控制电机的定子磁链轨迹近似为圆形，并实现电机转矩的直接控制。 中间直流电路(滤波电容器)滤波电容器分割搭载，脉冲整流器电源设备2 台，逆变器电源设备3 台，合计容量8 000 F。滤波电容器与预备充电电路相连，起动时通过内置充电电阻的充电变压器从辅助电路进行初期充电，以防止K 接通时产生过大的冲击电流。在牵引工况下发生空转，或在再生制动时发生跳弓，均会引起中间电压的急剧上升，四象限变流器动态响应没有这么快，这就有可能损坏开关元件，因此在中间回路设有中间电压限制器，起到辅助稳压和保护作用。Ud1是设定的中间电压保护值，当Ud大于该值，将发出故障封锁信号，封锁四象限变流器及逆变器 的触发脉冲。无触点控制电路（DCU） 在交流电传动技术中，传动控制是其核心技术之一。交流传动控制系统（或称传动控制单元，简称DCU（DriveControl Unit）的核心任务是，根据司机指令完成对四象限整流器的实时控制、逆变器暨交流异步牵引电动机的实时控制和粘着控制，同时具备完整的故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和轻微故障的自复位功能。 图2 系统主电路图脉冲整流器的主要技术参数：输入 1 285 kVA ( 单相交流1 500 V, 857 A,50Hz) ;输出 1 296 kW ( 直流3 000 V, 432 A) ;效率 9715%以上( 牵引电机额定条件下) ;功率因数 ：97%以上( 在额定负载条件下, 除辅助电路和控制电路外) ;载波频率 1 250Hz。逆变器的主要参数：输入 1 296 kW ( 直流3 000 V, 432 A) ;输出 1 475 kVA ( 三相交流2 300 V, 424 A,0 220Hz) ;效率 9715% 以上( 牵引电机额定条件下) ;功率因数 97%以上( 在额定载荷条件下, 除辅助电路和控制电路外) ;载波频率 1 000Hz。 2.2牵引变流器中支撑电容器研究 支撑电容器是直交牵引逆变器、交直交牵引变流器( 以下简称牵引变流器) 中不可或缺的重要部件之一, 其主要作用是稳定中间直流电压, 提供瞬时能量交换, 与电源及负载交换无功, 对于IGBT( IPM) 牵引变流器, 支撑电容器通过低感母排与IGBT ( IPM) 并联, 还可省掉元件两端的过电压吸收电路, 使电路更加简洁。从储能效果出发, 即稳定中间直流电压的能力方面来看, 支撑电容器电容值取得越大越好, 然而从成本与体积方面考虑, 则希望电容值能取得尽可能小些, 此外,支撑电容器盲目增大, 将引起直流回路短路时能量释放巨大, 增加了故障时的破坏力, 降低了设备的安全性。因此, 为使系统达到最优的性价比, 支撑电容器电容值的选择成了变流器设计中一个重要环节。 2.2.1 支撑电容器的主要技术参数 支撑电容器的选型首先应确定电容器的种类, 牵引变流器一般选择金属化薄膜电容器, 因此仅按该方案进行考虑; 然后根据具体的应用条件计算、仿真或凭经验确定电容器的各项主要技术参数; 再根据技术参数去选购或定制合适的产品。支撑电容器主要技术参数包括直流额定电压UN DC 、额定电流I N ( 有效值, 连续) 、电容值、等效串联电感值、耐压、损耗角、工作温度, 其定义与解释参见机车车辆设备电力电容器标准 。支撑电容器的工作电压为变流器直流电路的工作电压, 因此设计选型时额定工作电压一般选直流回路的最高工作电压即可; 耐压与工作温度可由牵引变流器系统应用条件确定; 电感值与损耗角由电容器本身的结构决定, 设计选型时只需确定该两项参数能满足使用要求即可。因此, 对支撑电容器的选型而言, 重点是确定支撑电容器的额定工作电流与电容值。 2.2.2 脉冲整流器中支撑电容器的选型设计 为了将支撑电容器的参数选择原理描述清楚, 首先以交直交牵引变流器中的单相四象限脉冲整流器( 以下简称脉冲整流器) 为例进行详细说明。支撑电容器工作电流的计算 脉冲整流器主电路如下图所示, UN 为输入电源电压; 电感L N 为等值电感, 起传递和储存能量、抑制高次谐波的作用; RN 为电路的杂散等效电阻, 通常情况下很小, 下面分析中将其忽略; 牵引变流器的输入电源一般为牵引变压器输出, 电感LN 为牵引变压器的短路阻抗。V1 V4 为全控型开关器件, 图1 中为IGBT , 也可采用GT O等器件, D1 D4 为续流二极管( 集成在IGBT 内部) 。Cd 为支撑电容器; 电感L 2 和电容C2 构成2 次串联谐振电路, 用于滤除变流器输出的二次谐波电流。如引言所述, 2 次谐振电路也可不加, 但支撑电容器的参数选择方法有所不同, 将分别进行介绍。 图3 脉冲整流器主电路图脉冲整流器输出电流计算脉冲整流器的工作原理见参考文献 2, 3 , 假设uN ( t) = 2UN sinXN t , 因iN 与uN 同相, 则有: i n( t) =2Insin Xnt 。因直流侧电压变化不大, 可将其看作恒定值, udc( t ) = Ud 。 根据变流器交流侧与直流侧瞬时功率相等的原理,可得式( 1) :idc ( t) =Uab I N/Ud =P/Ud = (1)式中 , 为脉冲整流器的输入电压; A=tan, 为电感归算后的短路阻抗; P = UN IN , 为电源输入的有功功率; M =2Uab/Ud, 为脉冲整流器的调制比。可见, 脉冲整流器输出电流i dc( t ) 包含了两个重要的分量, 一个直流分量I dc 与一个2 倍于供电频率的交流分量idc2 , 简称二次谐波电流, 分别为:I dc =.co s（2）i dc2 = -MI N2cos( 2WN t - )(3)式( 1) 表示的idc ( t ) 的计算是将uab ( t) 简单看成纯正弦波得出的结论, 实际工作中uab ( t ) 是幅值为? Udc 的SPWM波, 因此i dc( t ) 除了包含直流分量与2 次分量外,还包含许多其他谐波分量, 现进一步对其波形进行分析。图2 是图1 的简化图, 其仿真结果如图3 所示, 为了与式( 1) 中的idc ( t ) ( 未包含高次谐波) 进行区别, 这里将整流器的输出电流定义为i Z( t ) 。图4 整流器简化图图5 仿真波形图假设整流器每个开关管的开关频率为f S , 则uab 的脉冲频率为2f S , 即uab 在T U =TS2内输出一个uab= udc或uab= - udc脉冲。因此, 在第i 个uab的脉冲周期内, i Z的表达式可写成:i Z = iN ( ti ) ( uab = udc) ,或i Z = - iN ( ti ) ( uab = - udc)i Z = 0( uab = 0) ( 4)式中tONi 区段表示整流器的交流侧与直流侧存在能量交换; t OFFi 区段表示整流器的交流侧与直流侧不存在能量交换。包含2 次谐振电路时支撑电容器工作电流的计算假设直流回路包含图2 中的2 次谐振电路, 则根据基尔霍夫电流定律有:iCd = iZ - i fL - i RL式中i Cd 为支撑电容器上的电流; ifL 为2 次谐振回路上的电流; iRL 为负载电流, 波形参见图3。假设2 次谐振电路的滤波参数精确, 则所有的2 次谐波电流全部流经该支路, 且电感L 2 较大, 该支路中其他高次谐波电流很小, 因此ifL = idc2 ; 假设直流电压比较平稳, 则负载电流iRL 可看作纯直流, 即iRL = I dc, 因此i Z 除直流分量与2次分量外的谐波电流全部由支撑电容器承担, 且3 支路上的电流分量次数不重叠, 根据电流有效值公式可得:式中I Cd为支撑电容器上的电流有效值, I dc2 为整流器输出iCd的谐波成分主要为2f S 次谐波, 选择电容器时可按此频率为参考。不包含2 次谐振电路时支撑电容器工作电流的计算图2 中不接2 次谐振电路时的系统仿真波形如图所示。因支撑电容器对2 次谐波电流的阻抗比负载小很多, 可近似看为所有谐波电流( 包括2 次谐波电流)都流经支撑电容器, 负载上的电流仍近似为纯直流I dc ,根据电流有效值公式可得:（12）iCd的谐波成分主要为2 次及2f S 次谐波电流2.2.3支撑电容器电容值的计算包含2 次谐振电路时支撑电容器电容值的计算如引言所述, 支撑电容器电容值越大对直流回路的纹波电压抑制能力越强, 但过大将增加系统的体积与成本, 同时还会带来一些负面影响, 如变流器开关桥臂短路时故障的危险程度也增大, 因此支撑电容器的取值需控制在合适的范围之内。对脉冲整流器而言, 如果直流侧包含2 次谐振电路, 则支撑电容器主要由网侧漏感储能的变化决定。由能量守恒定律可知, 交流侧开关周期内电流脉动能量最大值等于支撑电容器上的脉动能量最大值, 假设$i Nm 为网侧最大输入电流波动峰峰值,$Udcm为直流电压udc 纹波电压的最大峰峰值, 则有:2.2.4牵引变流器中支撑电容器常用参数选择方法从脉冲整流器工作原理的分析出发, 详细推导了支撑电容器的参数选取原理, 因脉冲整流器还只是其交直交牵引变流器中交直整流部分的一种, 实际设计中尤其对拓扑比较复杂的牵引变流器, 几乎无法再用上述介绍的方法来进行选型( 为了与后述方法进行区别,将该方法定义为电路分析计算法) , 往往采用的是其他简便方法, 目前主要有仿真法、估算法、能量计算法、试验验证法。电路分析计算法实际的牵引变流器往往比较复杂, 由多个整流器与多个逆变器通过直流回路连接在一起, 如图所示图6 整流逆变系统图( 1) 工作电流的计算此时再采用计算的方法分析电容器Cd 上的工作电流将比较复杂, 但如果需要计算, 则可用同样的方法: 先根据整流器原边波形与逆变器输出侧波形及其调制方式计算出直流侧输入与输出的电流i CN1 , i CN 2 , , i CN n ,i IN 1 , i IN2 , , i INn , 如果有2 次谐振电路, 则按照式( 3) 计算2 次谐波电流i dc2 , ifL = id c2。因iCN1 , iCN2 , , i CN n ,i IN 1 , i IN2 , , i INn中的谐波次数存在相同的情形, 故不能再采用式( 10) 类似方法来计算I cd , 只能根据基尔霍夫电流定律得出下式:iCd = iCN1 + iCN2 + ,+ i CN n - i IN 1 - i IN2 - ,- i INn - i fL( 2) 电容器电容值的确定电容器电容值的确定因支撑电容器的谐波阻抗为其谐波角频率Wn 越大, 谐波阻抗越小, 滤波效果越好, 故计算电容器电容值时可主要考虑直流回路中低次谐波的影响。先根据公式( 21) 确定支撑电容器的电流, 假设其主要的低次纹波为iCdi , 则可用下列公式估算支撑电容器的电容值:（15） 如果变流器的整流器为不可控整流器( 二极管整流) 或相控整流器, 因逆变器侧的谐波次数较高, 则直流回路的纹波电压主要由整流器的输出纹波决定, 是三相不控整流器输出的直流电压波形 , 此时可根据电容器在t4 时刻电压不超过直流电压的波动范围来计算电容器Cd 的值。能量计算法 以上所有支撑电容器的设计方法都是基于滤除实际工作中的谐波电流, 使其直流纹波电压控制在? Udc之内, 但有的系统中除直流电压的纹波系数外, 还有一些特殊的要求, 如要求系统的供电电源掉电多长时间以内还能正常工作, 如果系统有如此或类似要求, 则支撑电容器的主要设计目标应满足系统的储能要求, 使之在发生掉电等非正常工作状态下变流器还能维持一定时间的正常输出或运行。试验验证法 因支撑电容器的电路分析计算非常难, 实际设计中往往采用仿真法、估算法等其他方法进行参数选择, 即使是仿真法, 因其模型不一定完全准确, 且模拟工况也未必与实际工况完全符合, 故选型的结果很可能不是最优, 甚至未必能满足系统要求, 因此对设计结果可采取试验的方法进一步验证, 试验时可检测电容器上的实际工作电流、工作电压与电容器上的温升来衡量电容器的选取设计效果。2.3牵引变流机组设计中的几个问题GTO作为牵引变流器主电路的开关元件，与其他功率半导体器件相比，具有工作电压高、电流大，我们选 用的GTO元件为东芝公司生产的4 500 V/3 000 A。GTO元件应用的关键是:吸收电路及散热;吸收电路分为 开通吸收及关断吸收电路，以限制GTO元件的di/dt及dv/dt，过大的di/dt及dv/dt将造成CTO元件的烧损3，吸收电路的选择直接影响到GTO元件性能的发挥，开关损耗的大小及变流机组的效率等。由于GTO 元件工作于高压、大电流的开关状态，开关损耗很大，散热也是GTO元件应用需要注意的问题。西南交通大学课程设计 第22页图7 型吸收电路GTO元件的吸收电路根据我们多年的应用经验，我们选用A型吸收电路(见图2)，图3为A型吸收电路在GTO关断时阳极电 压波形，关断电流/WZ2000A。这种电路的优点是采用元件较少，结构简单，吸收效果优越,开关损耗小。GTO元件吸收电路的结构设计GTO相构件是牵引变流器的核心部件，每个相构件包括正负组两只GTO元件，因为GTO元件 工作时,电压、电流、di/dt及dv/dt都很大，电路中杂散电感4的影响对电路 的影响不能忽略，为了减小杂 散电感对电路的影响，应尽量缩短元件之间的相互连结。在GTO相构件结构设计中，以GTO元件为中心，吸 取了以往相构件设计的经验，将GTO元件、反并联二极管、开通及关断二极管作为一个整体，设计了新的 GTO相构件的压装结构，经试验验证，满足电气性能的要求。 因为GTO元件的开关损耗很大，元件的散热是一个很重要的问题，在“200 km/h电动车组牵引变流器的 研制”课题中，我们研制了专用的油冷散热器该散热器有两个作用:一是散热，二是导电。冷 却油先通过散热器，然后冲刷GTO元件的表面，将GTO元件的热量带走，冷却油进人油箱后,再冷却其他元件。应用这种散热器结构，我们成功地完成了1000 kW地面机组的试验。牵引变流器机柜的设计 牵引变器机柜的设计为框架式结构，在整 体结构布置上，以GTO模块和支撑电容器为中 心，尽量满足GTO模块的引线要求:从方便维护 的角度出发，