列车电力传动与控制第5次作业_列车电力传动与控制

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列车电力传动与控制（Ⅴ）

李俊

201203909 ❶.比较两电平电压型逆变器和三电平电压型逆变器的区别。解答：⑴．结构上：两电平式逆变器可以把直流中间环节的正极或负极电位接到电动机上，结构简单，需要开关元件少；三电平式逆变器除了把直流中间环节的正极或负极接到电动机上外，还可以把直流中间环节的中点电位送到电动机上去。三电平式逆变器结构复杂，需要开关元件多。

⑵．功能上：三电平式逆变器相对于两电平式逆变器，电网电流波形更接近与正弦波，谐波分量减小，具有更好的输出性能和可靠性。

⑶．应用上：两电平式逆变器在电力机车应用广泛；而三电平式逆变器应用很少，如CRH2。

❷.简述变流器中间储能环节的作用及组成。

解答：①.电压型脉冲四象限变流器中间直流环节由两个部分组成：ⅰ.相应于2倍电网频率的串联谐振电路(也可以取消)；ⅱ.是滤波电容器

支撑电容器和过电压限制电路。②.在交—直—交流变流器中,中间直流储能环节的作用：ⅰ.是连接四象限脉冲整流器和负载端逆变器之间的纽带；ⅱ.起到稳定中间环节直流电压的作用；ⅲ.承担着与前后两级变流器进行无功功率交换和谐波功率交换的作用。❸.分析两电平式电压型逆变器的工作过程及输出特征。

解答：⑴.电压型两电平式六阶波型三相逆变器： ⅰ.工作过程：六阶波型三相逆变器中各相采用纵向换流，每次换流都是在同一相上下2个桥臂之间进行，每个开关元件在一个周期中导通180°电角度，其他两相也是如此，只不过三相对应元件相差120°电角度轮流导通，使VT1~VT6各元件每隔60°电角度轮换导通。在每一时刻都有3个开关元件同时导通，可能是上面一个桥臂，下面2个桥臂；也可能是上面2个桥臂下面一个桥臂。如下图所示：

ⅱ.输出特征：对于A相，当桥臂1导通时UAN=Ud/2；当桥臂4导通时，UAN=-Ud/2，即UAN的波形是幅值为Ud/2的方波。B、C相的情况与A相类似，其波形UAN,UBN,UCN相同，只是在相位上依次相差

120°。其线电压和相电压特性见上图所示。当逆变器按照六阶波方式输出时，其相电压波形为六阶波、线电压为矩形波。六阶波的变化趋势基本上接近于正弦波。当逆变器以六阶波电压对牵引电动机供电时其电流波形在负载电感的作用下将趋于平滑，其平滑程度将于六阶波的频率有关。当电压频率较高时，将获得接近于正弦波的电流波形，当电压频率较低时电流波形将与电压波形接近；频率越低电流波形也越接近六阶波，但其中的高次谐波成分也越多。如下图所示：

⑵．电压型两电平式三相PWM逆变器：

ⅰ.工作过程：逆变器电路采用双极性调制方式，a、b、c、三相的PWM控制共用一个三角形载波UC调制信号，Ura、Urb、Urc依次相差三分之一周期。三相控制规律相同。以a相为例进行分析，当UraUrc时，给上桥臂开关元件VT1以导通信号、下桥臂开关元件VT4以关断信号，则a相相对于直流电源假想中点N的输出电压UaN=Ud/2。当UraUrc时，给VT4以导通信号，给VT1以关断信号，则有UaN=-Ud/2。VT1和VT4的驱动信号始终是互补的。当给VT1(VT4)施加导通信号时，可能是VT1(VT4)导通，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通，这要由感性负载中电流的方向来决定。

ⅱ.输出特征：相对直流电源假想中点N的各相电压波形，都只有2种电平，即Ud/2,-Ud/2。线电压

有±2Ud/

3、±Ud/3和0共5种电平组成。

❹.分析三电平式脉冲整流器的工作过程。当开关元件VT1和VT6导通时UabUd，当VT3和UabUaNUbN，线电压可有三种电平，即Ud,-Ud,0。和VT6导通时Uab0。逆变器输出相电压PWM波形VT4导通时UabUd,当开关元件VT1和VT3或VT

4解答：在整流(牵引)或逆变(再生)工况下UsUd、UsUd各对应1种导通回路。UsUd/

2、UsUd/2各对应2种导通回路。而Us0则对应着3种导通回路。根据脉冲整流器等效电路，若忽略Us与iN高次谐波，只考虑其基波Us1与iN1，则UN=iN1Z+ Us1,调整Us1的幅值和相位，可使iN1在4个象限内随意变化。在牵引工况下，iN1、UN同相位。在逆变工况下iN1、UN反相位。功率因数接近1。四象限脉冲变流器的就是按照这一基本原理工作、调节控制的。

⑴.牵引工况调节过程: 设系统原稳定运行于A点,此时iN1与UN同相位,二者夹角θ=0,功率因数为1。当负载增加时，中间直流环节电压Ud瞬时下降,同时Us1的幅值也下降,系统工作点由A点移至A’点运行,电流iN1与电压UN之间出现相位角,导致θ=θ1>0(假定顺时针方向为正,下同)；通过控制电路调整Us1的幅值及相位角φs使它们逐步增大，电流iN1与电压UN之间的相位角θ相应在减小，其工作点将由A’点调整到A’’点θ=0恢复到iN1与UN同相位。此时O A’’>O A输入电流iN1也相应地增加。系统将在A’’点建立起新的平衡状态适应负载增加。若负载减小时，Ud瞬时上升，Us1的幅值也瞬时上升，电流iN1与电压UN之间出现相位角，系统工作点由A点移至B’点运行，导致θ=θ2

通过控制电路调整Us1的幅值及相位角φs使其减小，电流iN1与电压UN之间的相位角θ相应地在逐步增大，可将Us1由B’点逐步调整到B”点。θ=0，iN1恢复到与UN同相位。此时O B”

⑵.再生制动工况调节过程: 设系统原稳定运行于A点,此时iN1与UN相位相反,即φ=θ=180°、cosφ=-1。当再生制动回馈电能增加时Ud瞬时上升使得Us1幅值也瞬时上升,系统工作点由A点移至B’点运行电流iN1与电压UN之间的相位角θ顺时针转过一角度,将导致θ=θ2

iN1与UN反相位。调整到B”，θ=180°，同时O B’’>O A,表明逆变过程输出电流增加，即回馈到电网的电流增加，以适应再生回馈能量的增加。

若再生回馈能量减小时，Ud瞬时下降，将导致Us1的幅值| Us1|也瞬时下降，系统工作点由A点移至A’点运行；将出现θ=θ”>0.通过调整Us1的幅值| Us1|及φs，可使A’调整到A’’点。此时电流iN1与电压UN之间的相位又恢复到θ=180°,同时OA”

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