动车组牵引系统维护与检修31-整流技术基础课件.ppt

1、教学目标【知识目标】：【知识目标】：1掌握动车组牵引变流器的基本工作原理。2掌握动车组牵引变流器的结构及性能参数。3掌握动车组牵引变流器冷却系统的结构及基 本工作原理。【技能目标】：【技能目标】：1掌握动车组牵引变流装置的拆卸、移动及安装方法。2掌握动车组牵引变流装置常规维护及检修项目的处理方法。3掌握动车组牵引变流器应急故障处理方法。项目三项目三 动车组主变流器维护与检修动车组主变流器维护与检修 项目三项目三 动车组牵引变流器维护与检修动车组牵引变流器维护与检修3、1概述3.1 3.1 概述概述 变流器就是将一种直流或交流电变为另一种直流或交流电的供电设备。可以说变流器是各种变流装置的总称。

2、对一个交一直一交电力传动系统，变流器将包括从整流器，中间直流环节，到逆变器及其控制系统。值得特别说明的是，在许多场合下，同一个电力变换电路既可以作整流电路，又能作逆变电路，所以我们也称这样的电力变换装置为变流器。换言之，整流和逆变，交流和直流在变流器中是互相联系的，并在一定条件下可互相转化。项目三项目三 动车组牵引变流器维护与检修动车组牵引变流器维护与检修3、1概述 半导体器件的冷却方式多种多样，应根据实际需要来选用。1.风冷 风冷散热方式结构简单，成本低，维护方便，主要用于电流额定值为50至500A的器件。2.沸腾冷却 电力半导体器件浸放在沸腾液（R113）中，冷却器中上半部为沸腾，在德国I

3、CE高速动车上采用这一冷却方式。3.油浸冷却方式 半导体器件浸泡在冷却油中，冷却油循环，将热量带到油空气热交换器中散掉，Adtranz公司的大多数干线机车、动车均采用这种冷却方式。项目三项目三 动车组牵引变流器维护与检修动车组牵引变流器维护与检修3、1概述 4.热管冷却 热管冷却是一种高效冷却方式，尤其是采用水作为冷却介质的热管，又具有不污染环境的优点，日本新干线高速动车牵引变流器均采用热管冷却方式。交流传动系统的变流装置是将交流电转变为调频调压的三相交流电，这种大功率的牵引变流器不同于应用在一般工业领域中的变流器，它的技术特点可以归纳为如下三点：1调速范围宽 根据列车速度的要求，变流器调频范

4、围从0.4Hz到200Hz以上，而且调频要连续平稳，无冲击。项目三项目三 动车组牵引变流器维护与检修动车组牵引变流器维护与检修3、1概述 2控制特性复杂 一般高速列车的牵引性能由恒转矩区、恒功率区及自然特性区组成，并且要求启动转矩大，恒功区宽。3有良好的稳态控制特性和快速动态响应特性 电力机车或者动车由弓网获得能量，通过轮轨传递牵引力。空转、打滑、跳弓离线及网压波动等均能引起功率的急剧变化，牵引变流器应该能够适应这种负载及外界环境的急剧变化。项目三项目三 动车组牵引变流器维护与检修动车组牵引变流器维护与检修3、1概述 4输出电压波形质量好 为了减少谐波分量对牵引电机谐波热损耗和转矩脉动影响，输

5、出波形应尽量接近正弦波。由交流电网供电时，应使功率因数尽可能的接近1，电网电流波形接近正弦波，从而降低对供电系统的影响和对外界的干扰。5牵引与再生制动频繁，能量双向流动。6效率高，利用率高，可靠性高。7由于安装在车上，对重量、体积和耐振动性能要求严格。8有利于安装，调速及维修。项目三项目三 动车组牵引变流器维护与检修动车组牵引变流器维护与检修3、2电力电子器件基础 实现对电能的高效变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形方面的变换，是电力、电子及控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科，与现代控制理论、材料科学、电机工程及微电子技术等诸多领域密切相关。电力电子器件是列车牵引变流器的基础

6、与核心，电力电子器件的性能直接决定了牵引变流器的性能指。其发展经历了两个重要阶段，即以SCR为代表的传统半控型电力电子时代，和以IGBT为代表的全控型自关断现代电力电子器件时代。1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术具体地说，电力电子技术就是使用具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件电力电子器件 对对电能电能进行进行变换变换和和控制控制的技术。的技术。电力电子器件是电力电子技术的基础。电力电子器件是电力电子技术的基础。变流技术则是电力电子技术的核心变流技术则是电力电子技术的核心。输入输入 输出输出 交流交流（AC）直流直流（DC）直流直流（DC）整流整流 直流斩波直流斩波 交

7、流交流（AC）交流电力控制交流电力控制变频、变相变频、变相逆变逆变 8/21表表1-1 电力变换的种类电力变换的种类1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力电子技术的应用范围电力电子技术的应用范围 一般工业一般工业 工业中大量应用各种工业中大量应用各种交直流电动机交直流电动机，都是用电力，都是用电力电子装置进行调速的。一些对调速性能要求不高的大型鼓电子装置进行调速的。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了风机等近年来也采用了变频装置变频装置，以达到节能的目的。，以达到节能的目的。避避免调速电机起动时的电流冲击的软起动装置。免调速电机起动时的电流冲击的软起动装置。电化

8、学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源 电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源淬火电源及直流电弧炉电源等场合。频感应加热电源淬火电源及直流电弧炉电源等场合。9/211.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用交通运输交通运输 电气化铁道：电气机车中的直流机车中采用电气化铁道：电气机车中的直流机车中采用整流装置整流装置，交流机车采用交流机车采用变频装置变频装置。直流斩波器直流斩波器也广泛用

9、于铁道车辆。也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源辅助电源也都离不开电也都离不开电力电子技术。力电子技术。电动汽车：电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱电动汽车：电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其动控制，其蓄电池蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器变频器和和斩波器斩波器驱动并控制。驱动并控制。飞机、船舶和电梯都离不开

10、电力电子技术。飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。10/211.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用家用电器家用电器 电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。空调、电视机、音响设备、家用计算机，空调、电视机、音响设备、家用计算机，不少洗衣不少洗衣机、机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。其它其它 航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器也离不开各种电

11、源，这些都必需采用电力电子技术。也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。11/211.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。12/21新能源、可再生能源发电需新能源、可再生能源发电需要用电力电子技术来

12、缓冲能要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要量和改善电能质量。当需要和电力系统联网和电力系统联网 时，更离不时，更离不开电力电子技术。开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常需要一或某些特殊场合，常需要一些特种电源。些特种电源。图图1-7 风场风场13/892.1.1 2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子器件的特征电力电子器件的特征 处理处理电功率电功率的大小（承受电压

13、和电流的能力）一般都的大小（承受电压和电流的能力）一般都远大于处理信息的电子器件，是其最重要的参数，远大于处理信息的电子器件，是其最重要的参数，为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关开关状态状态。由信息电子电路来控制由信息电子电路来控制,而且需要而且需要驱动电路驱动电路。自身的自身的功率损耗功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装工作时一般都需要安装散热器散热器。14/892.1.2 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成电力电子器件实际应用：由电力电子器件实际应用：由控

14、制电路控制电路、驱动电路驱动电路和以电力和以电力电子器件为核心的电子器件为核心的主电路主电路组成一个系统。组成一个系统。电气隔离电气隔离图图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成15/892.1.3 2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照能够被控制电路信号所控制的程度按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件半控型器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定决定 主要是指主要是指晶闸管（晶闸管（ThyristorThyristor）及其大部分派生及其大部分派生器件。器件。全控型器件全控型器件

15、通过控制信号既可以控制其导通、关断。通过控制信号既可以控制其导通、关断。目前最常用的是目前最常用的是 IGBTIGBT和和Power MOSFETPower MOSFET。不可控器件不可控器件 电力二极管（电力二极管（Power DiodePower Diode）不能用控制信号来控制其通断。不能用控制信号来控制其通断。16/892.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管电力二极管（电力二极管（Power DiodePower Diode）自自1950s1950s初期就获得应用，其结构和原理简单，工作初期就获得应用，其结构和原理简单，工作可靠，直到现在仍然大量应用于许多电气设备当中

16、。可靠，直到现在仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管快恢复二极管和和肖肖特基二极管特基二极管。整流二极管及模块整流二极管及模块17/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理电力二极管是以半电力二极管是以半导体导体PN结结为基础的为基础的,实际上是由一个面积实际上是由一个面积较大的较大的PN结结和和两端引两端引线线以及以及封装封装组成的。组成的。从外形上看，可以有从外形上

17、看，可以有螺栓型螺栓型、平板型平板型等多等多种封装。种封装。图图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a)外形外形 b)基本结构基本结构 c)电气图形符号电气图形符号18/892.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理二极管的基本原理二极管的基本原理PN结的结的单向导电单向导电性性 正向导通：正向导通：PN结外加正向电压（正向偏置）时，形成结外加正向电压（正向偏置）时，形成自自P区流入从区流入从N区流出的电流，称为区流出的电流，称为正向电流正向电流IF。反向截止：反向截止：当当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，结外加反向电压时

18、（反向偏置）时，PN结表现为结表现为高阻态高阻态，几乎没有电流流过。，几乎没有电流流过。反向击穿：反向击穿：PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反结反向偏置为截止的工作状态。向偏置为截止的工作状态。按照机理不同有按照机理不同有雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿齐纳击穿两种形式两种形式。反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。结仍可恢复原来的状态。否则否则PN结因过热而烧毁，这就是结因

19、过热而烧毁，这就是热击穿热击穿。19/892.3 2.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言晶闸管（晶闸管（Thyristor）是）是晶体闸流管晶体闸流管的简称，又称作的简称，又称作可控硅整流器可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被简称为可控硅。，以前被简称为可控硅。1956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管，）发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司（年美国通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于一只晶闸管产品，并于1958年使其商

20、业化。年使其商业化。其承受的其承受的电压和电流容量电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高，而且工仍然是目前电力电子器件中最高，而且工作可靠，因此在作可靠，因此在大容量大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。的应用场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管及模块晶闸管及模块20/892.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构晶闸管的结构 从外形上来看，晶闸管从外形上来看，晶闸管也主要有也主要有螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种封装结构两种封装结构。引出引出阳极阳极A、阴极阴极K和和门门极（控制端）极（控制端）G三个联接三个联接端。端。内部是内部是PNPN四层半导四层半导体结构

21、。体结构。图图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a)外形外形 b)结构结构 c)电气图形符号电气图形符号 21/892.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性静态特性静态特性 正常工作时的特性正常工作时的特性 当晶闸管承受当晶闸管承受反向电压反向电压时，不论门极是否有触发电流，时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通晶闸管都不会导通。当晶闸管承受当晶闸管承受正向电压正向电压时，仅在时，仅在门极门极有有触发电流触发电流的情的情况下晶闸管才能开通况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门

22、极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值电流降到接近于零的某一数值以下以下。22/892.4 典型全控型器件典型全控型器件门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。崭新时代。典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘

23、栅双极晶体管。电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力电力MOSFETIGBT单管及模块单管及模块23/892.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点可以总结如下：的特性和参数特点可以总结如下：开关速度开关速度高，高，开关损耗开关损耗小。小。在相同电压和电流定额的情况下，在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的的安全工作区安全工作区比比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。通态压降通态压降比比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。低，特别是在电流较大的区域。输入阻抗输入阻抗高，其输入特性与电力高，其输入特性与电力MOSFET类

24、似。类似。与电力与电力MOSFET和和GTR相比，相比，IGBT的的耐压耐压和和通流能力通流能力还可以进一步提高，同时保持还可以进一步提高，同时保持开关频率开关频率高的特点。高的特点。24/131整流电路基本原理整流电路基本原理整流电路（整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。供给直流用电设备。整流电路的分类整流电路的分类 按组成的器件可分为按组成的器件可分为不可控不可控、半控半控、全控全控三种。三种。按电路结构可分为按电路结构可分为桥式桥式电路和电路和零式

25、零式电路。电路。按交流输入相数分为按交流输入相数分为单相单相电路和电路和多相多相电路电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，分按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，分为为单拍单拍电路和电路和双拍双拍电路。电路。25/1313.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2 ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00图图3-1 单相半波可控整流电路及波形单相半波可控整流电路及波形带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况 变压器变压器T起变换电压和隔离的起变换电压和隔离的作用，其一次侧和二次侧电压瞬时作用，其一次侧和二次侧电压

26、瞬时值分别用值分别用u1和和u2表示，有效值分别表示，有效值分别用用U1和和U2表示，其中表示，其中U2的大小根据的大小根据需要的直流输出电压需要的直流输出电压ud的平均值的平均值Ud确定。确定。电阻负载的特点是电阻负载的特点是电压与电流电压与电流成正比，两者波形相同成正比，两者波形相同。在分析整流电路工作时，认为在分析整流电路工作时，认为晶闸管（开关器件）为晶闸管（开关器件）为理想器件理想器件，即晶闸管导通时其管压降等于零，即晶闸管导通时其管压降等于零，晶闸管阻断时其漏电流等于零，除晶闸管阻断时其漏电流等于零，除非特意研究晶闸管的开通、关断过非特意研究晶闸管的开通、关断过程，一般认为晶闸管的

27、开通与关断程，一般认为晶闸管的开通与关断过程瞬时完成。过程瞬时完成。26/131改变触发时刻，改变触发时刻，ud和和id波形随之改变，直流输出电压波形随之改变，直流输出电压ud为极性不变为极性不变 但瞬时值变化的但瞬时值变化的脉动直流脉动直流，其波形只在，其波形只在u2正半周内出现，故称正半周内出现，故称“半半波波”整流。加之电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为整流。加之电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相单相，故该电路称为故该电路称为单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路。整流电压。整流电压ud波形在一个电源波形在一个电源周期中只脉动周期中只脉动1次次，故该电路为，故该电路为单

28、脉波整流电路单脉波整流电路。基本数量关系基本数量关系 a a：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度称为触发延迟角，也称触发角或控制角。度称为触发延迟角，也称触发角或控制角。q q：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。直流输出电压平均值直流输出电压平均值 随着随着a a增大，增大，Ud减小，该电路中减小，该电路中VT的的a a移相范围移相范围为为180。通过控制触发脉冲的通过控制触发脉冲的相位相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位来控制直流输出电压大小的方式称

29、为相位控制方式，简称相控方式。控制方式，简称相控方式。3.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路paaapwwp2cos145.0)cos1(22)(sin221222UUttdUUd（3-1）27/1313.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路uwttwwtwtw20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+图图3-2 带阻感负载的单相半带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形波可控整流电路及其波形带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况 阻感负载的特点是电感对电流变化阻感负载的特点是电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能有抗拒作用，使

30、得流过电感的电流不能发生突变。发生突变。电路分析电路分析 晶闸管晶闸管VT处于断处于断态态,id=0,ud=0,uVT=u2。在在w wt1时刻，即触发角时刻，即触发角a a处处 ud=u2。L的存在使的存在使id不能突变不能突变，id从从0开开始增加。始增加。u2由正变负的过零点处，由正变负的过零点处，id已经处已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态仍处于通态。w wt2时刻，电感能量释放完毕，时刻，电感能量释放完毕，id降至零，降至零，VT关断并立即承受反压关断并立即承受反压。由于电感的存在延迟了由于电感的存在延迟了VT的关断的关断时刻，使

31、时刻，使ud波形出现负的部分，与带电波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值阻负载时相比其平均值Ud下降。下降。28/1313.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路电力电子电路基本分析方电力电子电路基本分析方法法 把器件理想化，将电路简化为把器件理想化，将电路简化为分段线性电路分段线性电路。器件的每种状态组合对应一种器件的每种状态组合对应一种线性电路拓扑线性电路拓扑，器件通断状态变，器件通断状态变化时，电路拓扑发生改变。化时，电路拓扑发生改变。以前述单相半波电路为例以前述单相半波电路为例 当当VT处于断态时，相当于电处于断态时，相当于电路在路在VT处断开，处断开，id=0。当。当VT处处于通时，于通时，相当于相当于VT短路。短路。两种情况的等效电路如图两种情况的等效电路如图3-3所所 示。示。a)b)VTRLVTRLu2u2图图3-3 单相半波可控整流电单相半波可控整流电路的分段线性等效电路路的分段线性等效电路 a)VT处于关断状态处于关断状态 b)VT处于导通状态处于导通状态 项目三项目三 动车组牵引变流器维护与检修动车组牵引变流器维护与检修3、3、1脉冲整流技术基础谢谢！