铁道机车专业教学资源库
武汉铁路职业技术学院主讲：黄秀川
《高速动车组技术》课程
武汉铁路职业技术学院黄秀川
牵引变流器构成及原理
目录
CONTENTS
03
逆变器
04
中间直流环节
牵引变流器用电力电子器件
最早的交流传动技术采用的是大功率的晶闸管，可控晶闸管整流器可以实现电压的无极调速，但使用晶闸管的电路脉动电流大，电流畸变和无功功率损耗严重，为了得到比较好的电流波形，机车上一般采用了由二极管和晶闸管组成的多个整流半控桥。但它几乎不能实现再生制动，因为这需要全控桥和防止逆变器倾覆的特殊保护装置。
随着速度提高要求，变流器需要更大功率的变流器件，日本首先开发了GTO晶闸管。GTO不需要强迫换相电路，使逆变器构成简单，结构紧凑可靠，成本低。但随着IGBT技术的日益成熟，GTO就退居次要地位了。IGBT传动首先是在辅助传动逆变器中取代了晶闸管或GTO传动。后来才用于轻型和重型近郊运输、城市高速铁路的主传动，最后用于大功率机车及高速动车组。IGBT变流器损耗小，特别是在局部负荷范围中节约了电能。其更高的开关频率可减小传动部件的负荷和尺寸。关断的保护设计有益于保护电动机和传动装置。无吸收电路的简单的变流器结构可使变流器结构紧凑和经济。但其涉及电磁兼容性、电动机绝缘和轴承电流问题，可能需要增加滤波器。大功率ICBT的采用，减轻了牵引变流器的重量，对于采用了动力分散带来的动力设备多、重量大的缺点可以很好的弥补。
脉冲整流器
脉冲整流器是列车牵引传动系统电源侧变流器。在牵引时作为整流器，将单相交流电转变成直流电；再生制动时作为逆变器，将直流电转变成单相交流电，它可方便地运行于电压电流平面的四个象限，因此亦称为四象限脉冲整流器。
图5-4-1为脉冲整流器电路原理图，由交流回路、功率开关桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括变压器牵引绕组的输出电压uN、漏电感LN和绕组电阻RN（RN很小，可以忽略不计）；直流回路包括二次滤波环节L2、C2和中间支撑电容Cd。其简化的等效电路如图5-4-2所示。
CRH2A动车组主牵引系统结构简图
1.两电平脉冲整流器
（1）两电平脉冲整流器的工作原理
单相两电平脉冲整流器主电路如图5-4-3所示，LN和RN分别为牵引绕组漏电感和电阻，开关管T1、T2、T3、T4组成一个全控桥电路，L2和C2组成一个二次滤波器，Cd为中间直流侧支撑电容。
为了便于分析，定义理想开关函数SA和SB为式（5-4-1）和（5-4-2）。采用理想开关函数并忽略牵引绕组电阻，则图5-4-3所示的两电平脉冲整流器主电路可以等效为图5-4-4所示的电路。
CRH2A动车组主牵引系统结构简图
由于上桥臂与下桥臂不允许直通，则Si（i＝A，B）与S′i（为下桥臂的开关函数）必须满足：S′i＝1－Si。于是uab的取值有Ud、0、－Ud三种电平，有效的开关组合有22＝4种，即：SASB＝00、01、10、11四种逻辑，则uab可表示为：
uab＝（SA－SB）Ud（5—4—3）
对应于四个开关的不同开闭状态，电路共有以下三种工作模式。
工作模式1：SASB＝00或11，即下桥臂开关或上桥臂开关全部导通，则此时uab＝0，电容Cd向负载供电，直流电压通过负载形成回路释放能量，直流电压下降。另方面，牵引绕组两端电压uN直接加在电感LN上，对电感LN充放电：当uN＞0，D1与T3导通或T2与D4导通，电感电流iN上升，电感LN储存能量；当uN＜0，D3与T1导通或T4和D2导通，电感电流iN下降，电感LN释放能量。在此过程中，有下式成立：
工作模式2：SASB＝01，其等效电路如图5-4-5（a）所示，此时uab＝－Ud；T1和T4同时关断，由D3和D2导通形成回路，uN＜0，电流流向与电流iN的参考方向相反，并对电感充电储能电感电流iN上升，满足如下关系式：
工作模式3：SASB＝10，其等效电路如图5-4-5（b）所示，此时uab＝Ud；T3和T2同时关断，由D1和D4导通形成回路，uN＞0，储存在电感中的能量向负载RL，和电容Cd释放，电感电流iN下降，一方面给电容充电，使得直流电压上升，保证直流电压稳定，同时高次谐波电流通过电容形成低阻抗回路；另一方面给负载提供恒定的电流；满足如下关系式：
在任意时刻，处于整流状态的脉冲整流器都只能工作在三种模式中的一种，在不同的时间段，通过对上述3种开关模式的切换，实现直流侧负载电压的稳定和负载电流的双向流动。
（2）两电平脉冲整流器的PWM控制原理
两电平脉冲整流器采用SPWM调制，其调制方式如图5-4-6所示。当ua＞uca时，SA为1，否则为0。b相与a相调制方式