动车组牵引系统维护与检修3.1 整流技术基础

教学目标【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】：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。项目三动车组主变流器维护与检修项目三动车组牵引变流器维护与检修3、1概述3.1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。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ICE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，变流器调频范围从0.4Hz到200Hz以上，而且调频要连续平稳，无冲击。项目三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。1.1什么是电力电子技术◆具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。☞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。输入输出交流（AC）直流（DC）直流（DC）整流直流斩波交流（AC）交流电力控制变频、变相逆变*/21表1-1电力变换的种类1.3电力电子技术的应用■电力电子技术的应用范围◆一般工业☞工业中大量应用各种交直流电动机，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风机等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。避免调速电机起动时的电流冲击的软起动装置。☞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☞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。*/211.3电力电子技术的应用◆交通运输☞电气化铁道：电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器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。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术。☞电动汽车：电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池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，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。☞飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。*/211.3电力电子技术的应用◆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，不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。◆其它☞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。*/211.3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。*/21☞新能源、可再生能源发电需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要和电力系统联网时，更离不开电力电子技术。☞核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常需要一些特种电源。图1-7风场*/892.1.1电力电子器件的概念和特征■电力电子器件的特征◆处理电功率的大小（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，◆为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。◆由信息电子电路来控制,而且需要驱动电路。◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。*/892.1.2应用电力电子器件的系统组成■电力电子器件实际应用：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。电气隔离图2-1电力电子器件在实际应用中的系统组成*/892.1.3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◆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决定☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。◆全控型器件☞通过控制信号既可以控制其导通、关断。☞目前最常用的是IGBT和PowerMOSFET。◆不可控器件☞电力二极管（PowerDiode）☞不能用控制信号来控制其通断。*/892.2不可控器件——电力二极管■电力二极管（PowerDiode）☞自1950s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。☞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快恢复二极管和肖特基二极管。整流二极管及模块*/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1PN结与电力二极管的工作原理■电力二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。图2-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)基本结构c)电气图形符号*/892.2.1PN结与电力二极管的工作原理■二极管的基本原理——PN结的单向导电性◆正向导通：PN结外加正向电压（正向偏置）时，形成自P区流入从N区流出的电流，称为正向电流IF。◆反向截止：当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过。◆反向击穿：PN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PN结反向偏置为截止的工作状态。☞按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。☞反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。☞否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。*/892.3半控器件—晶闸管·引言■晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被简称为可控硅。■1956年美国贝尔实验室（BellLaboratories）发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司（GeneralElectric）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。■其承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管及模块*/892.3.1晶闸管的结构与工作原理■晶闸管的结构◆从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构。◆引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。◆内部是PNPN四层半导体结构。图2-7晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号*/892.3.2晶闸管的基本特性■静态特性◆正常工作时的特性☞当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。☞当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情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以下。*/892.4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。■20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。■典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力MOSFETIGBT单管及模块*/892.4.4绝缘栅双极晶体管◆IGBT的特性和参数特点可以如下：☞开关速度高，开关损耗小。☞在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。☞通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。☞输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。☞与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。*/131整流电路基本原理■整流电路（Rectifier）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供给直流用电设备。■整流电路的分类◆按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。◆按电路结构可分为桥式电路和零式电路。◆按交流输入相数分为单相电路和多相电路。◆按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，分为单拍电路和双拍电路。*/1313.1.1单相半波可控整流电路wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00图3-1单相半波可控整流电路及波形■带电阻负载的工作情况◆变压器T起变换电压和隔离的作用，其一次侧和二次侧电压瞬时值分别用u1和u2表示，有效值分别用U1和U2表示，其中U2的大小根据需要的直流输出电压ud的平均值Ud确定。◆电阻负载的特点是电压与电流成正比，两者波形相同。◆在分析整流电路工作时，认为晶闸管（开关器件）为理想器件，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，除非特意研究晶闸管的开通、关断过程，一般认为晶闸管的开通与关断过程瞬时完成。*/131◆改变触发时刻，ud和id波形随之改变，直流输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在u2正半周内出现，故称“半波”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，故该电路称为单相半波可控整流电路。整流电压ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路。◆基本数量关系☞：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。☞：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☞随着增大，Ud减小，该电路中VT的移相范围为180。◆通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。3.1.1单相半波可控整流电路（3-1）*/1313.1.1单相半波可控整流电路uwttwwtwtw20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++图3-2带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形■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有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。◆电路分析☞晶闸管VT处于断态,id=0,ud=0,uVT=u2。☞在t1时刻，即触发角处√ud=u2。√L的存在使id不能突变，id从0开始增加。☞u2由正变负的过零点处，id已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态。☞t2时刻，电感能量释放完毕，id降至零，VT关断并立即承受反压。☞由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使ud波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值Ud下降。*/1313.1.1单相半波可控整流电路◆电力电子电路基本分析方法☞把器件理想化，将电路简化为分段线性电路。☞器件的每种状态组合对应一种线性电路拓扑，器件通断状态变化时，电路拓扑发生改变。☞以前述单相半波电路为例当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通时，相当于VT短路。两种情况的等效电路如图3-3所示。图3-3单相半波可控整流电路的分段线性等效电路a)VT处于关断状态b)VT处于导通状态项目三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！