城轨车辆辅助电路分析及故障排除设计设计说明.doc

精选资料2014届毕业设计说明书课题名称：城轨车辆辅助电路分析及故障排除设计专 业 系 轨 道 交 通 系 班 级 学生姓名 指导老师 完成日期 2014届毕业设计任务书一、 课题名称城轨车辆辅助电路的原理分析及故障排除二、 指导教师 三、 设计内容与要求1、课题概述:随着城轨车辆牵引动力的交流化和运行速度的提高，列车上的受控部件或控制装置也越来越多，控制和被控设备之间的协调和快速响应显得越来越重要。虽然现阶段城轨车辆大都引入了网络控制，但是由于硬线电路具有极高的可靠性和可维护性，因此在城轨车辆电气设计中仍然大量采用硬线电路来实现其控制功能。 本课题主要针对城轨车辆的部分辅助电路，包括辅助逆变器（DC/AC变流器，简称SIV）和低压电源（DC/DC变流器和蓄电池）两大部分等展开分析，指出其常见的故障现象，并详细说明排除故障的方法。2、设计内容与要求：1) 设计内容a) 辅助系统概述；b) DcAc辅助逆变器供电；c) DcDc辅助变换器(蓄电池充电器)故障处理；d) 车载供电系统一380V(3相)；e) 辅助电源装置； f )风扇接触器分析及故障排除；2) 要求a) 要求学生有一定的电气线路识图基础； b) 要求学生有一定的电气控制及城轨专业基础。c) 通过检索文献或其他方式，深入了解设计内容所需要的各种信息； d) 能够灵活运用电工或电机与电气控制等课程的基础知识和城轨专业知识来分析城轨车辆的辅助电路。四、设计参考书 1郑瞳炽.张明锐.城市轨道交通牵引供电系统. 北京:中国铁道出版社，2008 2高爽主编.地铁车辆构造与维修管理. 北京:中国铁道出版社，2003 3唐春林.城市轨道交通车辆电气.校本 五、设计说明书内容1、 封面2、 目录3、 内容摘要(200-400字左右，中英文)4、 引言5、 正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、分析、论证，设计结果的说明及特点）6、 结束语7、 附录(参考文献、图纸、材料清单等)六、 设计进程安排第1周： 资料准备与借阅，了解课题思路。第2-3周: 设计要求说明及课题内容辅导。第47周：进行毕业设计，完成初稿。第7-10周： 第一次检查，了解设计完成情况。第11周： 第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。第12周： 毕业答辩与综合成绩评定。七、毕业设计答辩及论文要求 1、毕业设计答辩要求1) 答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。2) 学生答辩时，自述部分内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。3) 答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。2、毕业设计论文要求文字要求:说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。 3、图纸要求:按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。4、曲线图表要求 所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。 摘 要 近几年来，我国城市轨道交通发展迅速，为缓解城市交通压力作出巨大的贡献。城轨车辆辅助供电系统的组成功能、结构类型，系统的选用原则和负载的分配。论文详细分析了城轨车辆辅助供电系统的电路原理、主要电气部件的技术参数、功能作用。着重分析了静止逆变器及其控制、城轨车辆辅助系统的维护与保养。城轨地铁车辆的辅助电源系统是机车的重要组成部分，担负着除机车牵引系统主电路以外各种装置的供电任务，如牵引/制动控制装置的控制电源，各冷却用风机、变压器冷却用油泵、变流器冷却用水泵、制动/受电弓等各种气动机械装置提供风源的空气压缩机、空调、 通风机等辅助电动机的三相交流电源，电热器、冰箱、信息显示装置的电源等等。机车辅助电源系统由三相交流辅助电源系统和直流电源系统组成。每列车采用两台辅助逆变器，辅助逆变器将1500V接触网提供的直流电逆变处理后为车辆提供两组电源：一组为380V、50Hz的三相交流电，提供给空调、电暖器、电灯、空压机等设备。当一台辅助逆变器发生故障后，另一台辅助逆变器通过扩展供电单元向整列车供电，维持车辆的基本工作。关键词：辅助供电 直流电逆变 负载分配 静止逆变器 维护与保养ABSTRACTIn recent years, the rapid development of urban rail transit, to ease the pressure on urban transport make a significant contribution. Function,urban rai hic lea power supply system structure types ,The principle of the system and the load distribution. The paper analyses urban rail vehicle auxiliary power supply system circuit principle, technical parameters, main electric components function. Focuses on the analysis of the maintenance of auxiliary system static inverter and its control, urban rail vehicles.城轨地铁车辆的辅助电源系统是机车的重要组成部分，担负着除机车牵引系统主电路以外各种装置的供电任务，如牵引/制动控制装置的控制电源，各冷却用风机、变压器冷却用油泵、变流器冷却用水泵、制动/受电弓等各种气动机械装置提供风源的空气压缩机、空调、 通风机等辅助电动机的三相交流电源，电热器、冰箱、信息显示装置的电源等等。The auxiliary power supply system of urban rail metro vehicle is an important part of locomotive except the power supply task undertakes locomotive traction system main circuit outside various devices, such as traction / braking control device control power supply, cooling fan, pump, converter transformer cooling by cooling pump, brake / pantograph etc. pneumatic mechanical device provides a source of air compressor, air conditioning, ventilation and other auxiliary motor three-phase AC power supply, electric heater, refrigerator, information display device power etc.Locomotive auxiliary power supply system is composed of three phase AC auxiliary power system and DC power supply system. Each train with two sets of auxiliary inverter, auxiliary inverter inverting DC 1500V contact network to provide for vehicles to provide two sets of power: a set of 380V, 50Hz three-phase AC power supply, to provide air conditioning, electric heater, electric, air compressor equipment. When an auxiliary inverter fault, another auxiliary inverter by extending the supply unit to the whole train, the basic work of maintaining vehicle. Key words:The auxiliary power supply DC inverter load sharing Static inverter Maintenance and maintenance目录第1章 城市轨道交通电气线路的识图原则与简介- 1 -1.1城市轨道交通电气线路的基本知识与识图原则- 1 -1.2城市轨道交通控制电路构成与各部分电路作用简介- 3 -1.3城市轨道交通车辆控制电气线路的整体介绍- 4 -1.4城轨车辆控制电路系统故障介绍及其处理- 8 -第2章 辅助供电系统供电电路的应用- 9 -2.1背景知识- 9 -2.2 基本原理- 9 -2.3现状和发展- 12 -2.4辅助逆变器电路选型- 13 -2.5辅助逆变器电路选型- 16 -第3章 辅助电路的常见故障的分析与处理- 19 -3.1车载供电系统一380V(3相)- 19 -3.2 辅助电源装置- 20 -3.3常见的辅助逆变器电路形式- 23 -3.4 1500VDC供电原理- 24 -3.5 闸刀开关- 25 -3.6 辅助系统交流负载- 26 -3.7 辅助逆变器的控制- 27 -3.8 辅助逆变器的操作- 27 -心得体会- 28 -参考文献- 29 -引言人类的活动中心城市是社会进步的标志。随着经济的发展和科技的进步，城市的规模不断扩大。城市范围内的大量人员流动，要求配置便捷、可达性强的客运交通工具，以便人们高效率地达到出行的目的。世界上许多大城市的发展经验告诉我们，只有采用快速轨道交通系统（地下铁道、轻轨、高架独轨交通等）作为公共交通的骨干网络，才有可能有效的完成城市客运任务。在此形势下，城市轨道交通起到了骨干的作用，其中起到主要作用的是地下铁道和轻轨交通。而作为承担这一重要任务之一的地下铁道，其无论从时间方面还是从速度方面，都能在很大程度上满足人们的工作出行需求，而这种准时、准确的保证是从保证地铁正常工作的每个方面来保证的。电气控制是地铁中最为重要的部分之一，只有保证了电气控制的正常工作才能保证列车的运行，所以在列车出现电气故障的时候能够迅速准确的完成故障的查找与处理是重中之重。本文介绍了辅助供电系统是城轨车辆上一个必不可少的部分，辅助供电系统的功能是为空调、通风机、空气压缩机、蓄电池充电器及照明等辅助设备供电。传统的城轨车辆上，辅助电源通常采用旋转式电动发电机组的供电方案。电动机从受电装置获取直流电源，发电机输出三相交流电压向负载供电；对于DC110V和DC24V的用电设备，仍需通过三相变压器和整流装置向其提供电源。这种供电方式机组设备体积大、输出容量小、效率低，而且电源易受直流发电机组工况变化的影响，输出电压波动大，可靠性较差。近年来，我国引进的城轨车辆上，辅助电源均采用了静止式辅助逆变电源。静止式辅助逆变电源直接从城轨车辆受流装置受电，经过DC/DC斩波变换后向三相逆变器提供稳定的输入电压，通过VVVF变频调压控制，逆变器输出三相交流电压。对于多路输出电源，电路还采用变压器隔离形式。这种辅助逆变电源的优点是输出电压的品质因数好、电源使用效率高、工作性能安全可靠。本文第一章从总的方面介绍了电路图的识图概述以及控制电路的整体，并介绍了故障发生的几个常见部件与现象。第二章介绍了辅助供电系统供电电路的应用。第三章介绍了辅助电路的常见故障的分析与处理。可修改编辑第1章 城市轨道交通电气线路的识图原则与简介 1.1城市轨道交通电气线路的基本知识与识图原则1.1.1电气线路的基本知识电气、电子电路图是人们为了研究和工程的需要，用约定的符号绘制的一种表示结构的图形。电路图是采用相应标准统一规定的电气符号按制图规则表示电气设备连接顺序的图形，通过电路图可以知道实际电路的情况。电路图由元器件符号、连线、结点、注释四大部分组成。元器件符号表示实际电路的元器件，一般表示出了元器件的特点，而且引脚的数目都和实际元器件保持一致。连线表示的是实际电路的导线，结点表示若干个元器件引脚或者若干条导线之间相互的连接关系。所有和结点相连的元器件引脚、导线，不论数目多少，都是导通的。常见的电路图有原理图、方框图、装配图（配线图）等。（1） 原理图。是用来体现电路工作原理的一种电路图，也叫做电原理图。（2） 方框图。是一种用方框和连线来表示电路工作原理和构成概况的电路图。（3） 装配图（配线图）。是为了进行电路装配而采用的一种图纸，图上符号是电路元器件的实物外形图。1.1.2电气线路的识图原则1.划分基本单元；2.基本单元功能分析；3.系统工作过程及功能分析。电气控制电路分析的内容和要求：1.熟悉机械、电气设备；2.根据设备的动作程序，结合设备结构识读电路图；3.分析电气控制系统（1）总体浏览； （2）分析控制电路；（3）分析辅助电路；（4）连锁与保护环节；（5）总体检查。电气设备常用基本文字符号和辅助文字符号（如表1-1所示）：表1-1 电气设备常用和辅助基本文字符号文字符号字母表示文字符号字母表示文字符号字母表示具有延时动作的限流保护器件FR具有瞬时动作的限流保护器件FA具有延时和瞬时动作的限流保护器件FS晶体管放大器AD端子板XT过电压放电器件避雷器F电容器C光指示器HL交流继电器KA照明灯EL熔断器FU接触器KM空气调节器EV限压保护器件FV电感器L选择开关XK按钮开关SB整流器U隔离开关QS电阻器R控制开关SA二极管V晶体管B晶闸管KG插座XS电磁阀YV端子板XT指示灯HL蓄电池GB断路器QF1.2城市轨道交通控制电路构成与各部分电路作用简介1.2.1控制电路构成：城轨交通控制电路包括主电路、辅助电路、控制与信息监控电路及门控电路。车辆电气系统包括车辆上的各种电气设备及其控制电路。按其作用和功能可分为主电路系统，辅助电路系统和电子控制电路系统3个部分。1.2.2各部分电路作用：主电路由牵引电机及与其相关的电气设备和连接导线组成，其作用是将电网的电能转变为车辆运行所需的牵引力，当在电气制动时将车辆的动能转换为电制动力。它是车辆上的高电压、大电流、大功率动力回路。辅助电路系统为保证车辆正常运行必须设置的辅助设备(如供某些电器通风、冷却的通风机、空气压缩机、空调装置、车辆照明等)所提供的辅助用电系统。电子与控制电路分为有接点的直流电路和无接点的电子电路，控制电路的作用是控制主电路和辅助电路各电器的工作，通过司机操纵主控制器和各按钮使列车正常运行或由列车自动运行控制系统控制运行。1直流斩波控制方式主回路包括：（1）线路输入滤波部分。 （2）牵引-制动回路部分。 （3）主要设备：电机、斩波器、受电弓、高速断路器、主控制器、紧急制动开关等。车辆电气系统包括车辆上的各种电气设备及其控制电路，按其功能可分为： 1主电路：指的是供车辆牵引动力的电路。主要由受流器、牵引箱、牵引电机、电阻、电抗器及电气开关等设备组成。2控制与信息监控电路：用于对列车实施牵引、制动控制等操作，以及对设备状况进行监控、记录、预报的电路。3辅助电路：通常由逆变器或发电机输出中级电压供车辆除牵引外电动力设备使用，应急情况由蓄电池维持供电。4门控电路：对车门进行开、关控制的电路。1.3城市轨道交通车辆控制电气线路的整体介绍1.3.1主电路控制（电路图如图1-1所示） SA浪涌吸收器；IES隔离开关；HSCB高速断路器；LFL滤波电抗器；CCZ充电电阻；CCK充电接触器；LIK线路接触器；VMD电压传感器；DBZ制动电阻；CMD电流传感器；SS速度传感器；M1M4交流电动机；CBR差动电流保护器；FCZ过压保护电阻；LFC滤波电容器。 图1-1 主电路控制电路1工作原理：牵引时，电网通过受电弓P、主熔断器F、隔离开关IES、高速断路器HSCB、线路接触器LIK及逆变器给牵引电机供电。在再生制动时以相反的路径使电网吸收电机反馈的能量。LFL是线路滤波电抗器，LFC是线路滤波电容器，两者构成线路滤波器。接触器CCK与电阻CCZ构成充电限流环节。在受电弓升起、高速断路器闭合后，为防止过大的充电电流冲击使滤波电容器受损，首先闭合CCK，待电容电压达到一定值后，闭合线路接触器LIK，将限流电阻CCZ短接。 T1、D1T6、D6构成VVVF逆变器。在牵引工况将直流电能变换为电压和频率可调的交流电能供给牵引电机。在电制动工况，电机作发电机运行，逆变器以整流方式将电能反馈给电网(再生制动)或消耗在电阻上(电阻制动)。T7、D8构成斩波器，DBZ为制动电阻。斩波器的主要功能是用于电阻制动，用它来调节制动电流的大小。另一个功能是作过电压保护之用。如果在逆变器的直流回路中有短时的过电压，则斩波器工作，通过它对电阻DBZ放电，待过电压消除后斩波器截止。这种过电压的保护环节也叫“软撬杠”。TZ是晶闸管，FCZ是过电压保护电阻。当直流环节发生过电压，经斩波器放电后仍不能消除，则晶闸管TZ导通，直流回路通过FCZ放电。因为晶闸管只能触发导通，而不能用门极触发方式关断，因此TZ触发后必须立即断开高速断路器HSCB，否则会造成直流回路持续放电。这种过电压保护环节叫“硬撬杠”。显然“硬撬杠”的保护动作整定电压值比“软撬杠”的高。(有的主电路中不设此环节)。R c是固定并联在滤波电容器LFC上的放电电阻。为安全计，要求在主电路断电后LFC两端电压在5min内降到50V以下。由此可以确定放电的时间常数及放电电阻值。IES是隔离接地开关，在需要主回路接地时将它转换到接地位置。CBR为差动电流传感器，用以检测直流回路流入与流出的电流差，以检测接地等故障。CMD为电流传感器，VMD为电压传感器，SS为速度传感器。 2控制方式：一台VVVF逆变器给同一辆车四台相互并联的电动机M1M4供电，这种逆变器与电机的配置方式叫1C4M，它们的控制方式叫“车控”方式。也有一种配置是一台逆变器给同一转向架上两台相互并联的电机供电，这种配置方式叫1C2M，它们的控制方式叫“架控”方式。“车控”或“架控”取决于牵引、制动特性要求，以及逆变器与电机容量。我国多数城轨动车采用“车控”方式，但少数也采用“架控”方式，如广州地铁采用了“车控方式”，而天津滨海快速线采用了“架控”方式。如果由一台逆变器给一台电机供电，叫1C1M，也叫“轴控”。在城轨动车中由于电机功率较小，没有必要用轴控(在铁路干线大功率机车中才使用)。3主电路设有下列保护：（1）输入过流保护：封锁IGBT的门极脉冲、断开HSCB及线路接触器、显示并报警、规定次数复位。（2）输出过流保护：首先改变IGBT的门极脉冲，若在一定时间间隔内仍过流则封锁IGBT门极脉冲、断开线路接触器、显示并报警、规定次数复位。（3）输入过电压保护：牵引工况：当网压高于设定值，首先使斩波器触发，若网压继续升高，则封锁IGBT触发脉冲、断开HSCB和线路接触器、显示并报警。网压下降到规定值自动复位。若主电路中设有“硬撬杠”过压保护环节，则在用“软撬杠”放电仍不能使过压消除情况下，触发晶闸管，使强行持续放电。同时封锁IGBT脉冲，开断HSCB及线路接触器。设置“硬撬杠”对于释放过电压的能量更有效、快捷。制动工况：采用再生制动时，当网压高于某设定值(例如1800V)，则自动转入电阻制动。若网压持续高于某设定值(例如1980V)则封锁IGBT脉冲，断开HSCB和线路接触器转入空气制动。（4）输入欠压保护：低于设定值(例如1000V)逆变器停机，恢复至某设定值(例如1100V)逆变器自动恢复运行。（5）过热保护：VVVF逆变器温度超过第一温度设定值时，逆变器降功率运行。超过第二温度设定值时，逆变器停机、报警并显示。（6）逆变器相电流不平衡保护：当不平衡超过设定值则停机。（7）牵引电机过流保护：保护动作顺序与输出过流保护相同。 1.3.2辅助供电系统辅助供电系统包括辅助逆变器、低压电源装置、蓄电池和相关的电气设备和隔离开关、接触器、熔断器、故障转换装置(也称“扩展供电转换装置”)等。 1辅助逆变器辅助逆变器又称静止逆变器，是将直流输入电压变换为三相交流380V电压，给列车上的辅助设备供电的设备。它的主要负载包括空调设备(空调压缩机、冷凝器风扇、蒸发器风扇)、空气压缩机、设备通风机、客室照明以及挡风玻璃除霜器、方便插座、刮雨器等。(有的车上客室照明、雨刮器全用DC110V供电；有的车上所有设备都用自然风冷，则不需设备通风机。) 2辅助逆变器技术要求(1) 输入电压范围 (2) 输出电压波动范围：(一般要求5) (3) 输出电压波形畸变：(一般要求畸变因数10) (4) 输出电压不均衡度：(一般在相间对称平衡时，要求90) (7) 噪声：相距一定距离的分贝例如：相距1m时小于70dB(A) (8) 保护：IP等级 (9) 过载能力：在额定输出电流下连续工作时，允许施加非周期性过载，对额定容量小于或等于100kVA的装置，过载能力为 150时为1 min ；对额定容量大于100kVA的装置，过载能力为130时为30S。 3辅助逆变器对负载启动的要求(1) 负载顺序启动，以避免启动冲击电流叠加。 (2) 当负荷在一定范围内变化时，要求其输出电压瞬间变化在一定范围内，且在限定时间内恢复其额定值。(例如当负荷变化为逆变器额定负载的30时，要求其输出电压瞬间变化范围不超过15，且在300ms内恢复其额定值。)(3) 重复启动和停止一定负载的能力(例如额定负载的60)。(4) 当逆变器已带有部分负载的情况下，启动空气压缩机或空调压缩机等负载，其输出电压降在允许范围之内(例如20)。 4辅助系统主要功能部分 (1)逆变部分：辅助用电设备大都需要三相50Hz，380V220V交流电源，因而首先要将波动的直流网压逆变为恒压恒频的三相交流电。(2)变压器隔离部分：为了安全必须将电网上的高压与低压用电设备，尤其是常需人工操作的控制电源的设备，在电气电位上实现隔离。通常采用变压器进行电气隔离，同时也可通过设计不同的匝比以满足电压值的需要。(3)直流电源(兼作蓄电池充电器)：车辆上各控制电器都由直流电源DCDC供电。车辆上蓄电池为紧急用电所需，所以DC110V控制电源同时也是蓄电池的充电器。 1.3.3控制电路主要是用来控制车辆的主线路，车辆的起动、运行、调速、停车、反向等一系列的动作，还包括许多监控回路，检测列车各工况下的参数，根据所检测到的故障参数，及时发出指令，控制继电器动作，切断主回路中相关的触点，起到相关保护作用。根据司机发出的指令，控制线路中有关继电器得电或失电，使得对应的主回路接触器动作，最终控制牵引电机的运转，从而控制列车的牵引、制动等工况。1.3.4门控电路包括车门的开启与关闭，车门的监控回路、列车再开门回路。1.4城轨车辆控制电路系统故障介绍及其处理地铁车辆的故障是指维修计划之外的故障和事故，包括在检修基地内进行的故障和在地铁运营线路上的车辆突发故障。地铁车辆故障分为4种情况：1在线运营车辆发生故障不能正常运行，但经过短时间（23min）修复或换件处理可以恢复正常性能维持运行。2在线运营车辆发生故障，但不影响车辆正常运行，这类故障一般继续维持运行，待车辆回库后再对故障进行处理。3.运营中地铁车辆发生严重故障，不能维持正常运行，且短时间内无法进行有效处理，为了不致耽误车上旅客太长时间和保证地铁线路的正常运行，有必要进行清客，使用地铁车辆或工程车将其牵引出运营线路退出服务，进行维修。4地铁车辆运营中发生脱轨、颠覆、火灾或车辆走行部分发生如切轴等严重故障，影响车辆运行安全时，车辆维修部门接到报告后，应成立紧急求援队伍，迅速赶赴车辆故障发生地点，将旅客和无关人员进行疏散，将故障车进行紧急处理，如发生火灾还应将火源车辆做隔离处理。这些车辆一般也是回检修基地进行修复处理。第2章 辅助供电系统供电电路的应用2.1背景知识DC/AC逆变技术能够实现直流电能到交流电能的转换，可以从蓄电池、太阳能电池等直流电能变换得到质量较高的、能满足负载对电压和频率要求的交流电能。DC/AC逆变技术在交流电机的传动、不间断电源(UPS)、变频电源、有源滤波器、电网无功补偿器等许多场合得到了广泛的应用。DC/AC逆变技术的基本原理是通过半导体功率开关器件(例如SCR,GTO，GTR,IGBT和功率MOSFET模块等)的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。由子是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，因此转换效率比较高。但转换输出的波形却很差，是含有相当多谐波成分的方波。而多数应用场合要求逆变器输出的是理想的正弦波，因此如何利用半导体功率开关器件的开通和关断的转换，使逆变器输出正弦波和准正弦波就成了DC/AC逆变器技术发展中的一个主要问题。2.2 基本原理常用逆变器主电路的基本形式有两种分类方法：按照相数分类，可以分为单相和三相；按照直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电压型逆变器和电流型逆变器。具体如下：图2-1逆变器的分类DC/AC逆变器按拓扑结构划分，分为Buck型DC/AC逆变器，Boost型DC/AC逆变器，Buck-Boost型DC/AC逆变器。2.2.1 Buck型DC/AC逆变器Buck型DC/AC逆变器电路基本拓扑如图所示。图2-2Buck型DC/AC逆变器电路基本拓扑采用了两组对称的Buck电路，负载跨接在两个Buck变换器的输出端，并以正弦的方式调节Buck变换器的输出电压，进行DC/AC的变换。它包括直流供电电源V m，输出滤波电感L1和L2，功率开关管S1-S4 。滤波电容C1和C2，续流二极管D1-D4，以及负载电阻R。通过滑模控制，使输出电容电压V1和V2随参考电压的变化而变化，从而使两个Buck变换器各产生一个有相同直流偏置的正弦波输出电压，并且V1和V2在相位上互差180度。由于负载跨接在K和代的两端，则DC/AC变换器的输出电压玲为如下式所示的正弦波，图2-3所示即为逆变器的基本工作原理。图2-3逆变器的基本工作原理虽然有一个直流偏置电压出现在负载的任一端，但负载两端电压为正负交变的正弦波电压，并且其直流电压为零。由于DC/AC变换器的输出电流是正负交变的，因此要求电路中的Buck变换器的电流能双向流通，如图2-4所示电路由两组双向Buck变换器组成。如图2-5所示，凡与又是一对互补控制的开关管，D1和D2为反并止极管。当开关S1闭合、S2打开时，若电感电流方向为正，则电流流经S1，若为负则电感电流经D1续流。当S1打开、S2闭合时，若电感电流方向为正，则电流经D2续流，若为负则电感电流流经S2。如图2-6所示一对互补控制的开关管曲线图图2-4两组双向Buck变换器图2-5一对互补控制的开关管图2-6一对互补控制的开关管曲线图2.2.2 Boost型AC/AC逆变器Boost型DC/AC逆变器电路基本拓扑如图2-7所示。采用了两组对称的Boost电路，负载跨接在两个Boost变换器的输出端，并以正弦的方式调节Boost变换器的输出电压，进行D/AC的变换。它包括直流供电电V m，输出滤波电感L1和L2，功率开关管S1-S4，滤波电容C1和C2，续流二极管D1-D4，以及负载电阻R。通过滑模控制，使输出电容电压K和K随参考电压的变化而变化，从而使两个Boost变换器各产生一个有相同直流偏置的正弦波输出电压，并且V1和V2在相位上互差180度。获得的输出电压为V0 = V1-V2，是一个正弦电压。图2-7Boost型DC/AC逆变器电路基本拓扑2.2.3 Buck-Boost型DC/AC逆变器。基本原理为上述两种结构的中和，这里就不做太多解释了。2.3现状和发展一般认为，DC-AC逆变器的发展可以分为如下两个阶段。1，1956-1980年为传统发展阶段。这个阶段的特点是：开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加为主，体积重量较大，逆变效率低。正弦波逆变器开始出现。1960年以后，人们注意到改善逆变器波形的重要性，并开始进行研究。1963年，F.G.Turn bull提出了“消除特定谐波法”，为后来的优化PWM法奠定了基础，以实现特定的优化目标，如谐波最小、效率最优、转矩脉动最小等。2、1980年到现在为高频化新技术阶段。这个阶段的特点是：开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以PWM法为主，体积重量较小，逆变效率高。正弦波逆变器技术发展日趋完善。20世纪70年代后期，可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR及其模块相继实用化。80年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了多种高频化的全控器件，并得到了迅速发展，如功率场效应晶体管Power MOSFET，绝缘门极晶体管IGT或IGST,静电感应晶体管SIT,静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管MCT, MOS晶体管MGT、IEGT以及IGCT等。这就使电力电子技术由传统发展时代进入到高频化时代。在这个时代，具有小型化和高性能特点的新逆变技术层出不穷，特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。今后，随着工业和科学技术的发展，对电能质量的要求将越来越高，包括市电电网在内的原始电能的质量可能满足不了设备的要求，必须经过电力电子装置变换后才能使用，而DC/AC逆变技术在这种变换中将起到重要的作用。2.4辅助逆变器电路选型 2.4.1 从逆变器电路原理选型城市轨道交通列车使用的逆变器从电路原理组成有先经升/降压稳压后逆变和另一种是直接逆变两种。先升/降压稳压后逆变原理电路框图如图2-8所示。CHO为升/降压器,一般有斩波降压(如图2-8)和逆变降压(如图2-9)两种方式,其作用是使逆变器输入电压稳定,并对逆变器起保护作用。INV为逆变器,它的输出经电感电容滤波网络FIL滤波后输入到隔离变压器T0变压器的原边绕组为连接,次边绕组为Y连接。输出三相四线AC380V,50Hz电压。另有2个变压器T1、T2由AC380V供电。分别经降压、整流、滤波后输出DC110V和DC24V。图2-8先升/降压稳压后逆变原理电路框图 逆变器采用PWM调制,它的开关频率要兼顾两方面:过高则因开关损耗较大而影响逆变器的效率,还会由于正、负组换流所需的“死区”影响占空比,影响逆变器输出波形的谐波含量;若过低也会使输出电压波形谐波含量较大。一般采用SPWM调制,将开关频率控制在2.5kHz左右能兼顾这些要求。 目前由于器件水平与控制技术的提高,已很少采用升/降压环节。即使对于DC750V的供电系统来说,其网压波动范围也为-33.5%+20%,与DC1500V供电系统一致,所以对于DC1500V系统能做到的,对于DC750V系统同样能做到。 直接逆变是城市轨道车辆辅助逆变电源最简单的基本电路结构形式,原理如图2-10所示。开关元器件通常可采用大功率GTO、IGBT或IPM。辅助逆变电源采用直接从受电弓或第三供电轨受流方式,逆变器按V/F等于常数的控制方式,输出三相脉宽调制电压采用变压器隔离向负载供电。这种电路的特点是电路结构简单、元器件使用数量少、控制方便;但逆变器电源输出电压容易受电网输入电压的波动影响,功率电子器件(如IGBT)换流时承受的d u/d t较大,特别是在高电压情况下(DC1500V供电系统再生制动时,网压可达2000V)。 图2-9上海地铁二、四号线辅助逆变原理电路框图输入滤波器 INV逆变器 FIL交流滤波器图2-10直接逆变电路结构框图2.4.2 从逆变器的电路构造选型城市轨道辅助逆变器的电路构造有两种形式:双逆变器型和单逆变器型。双逆变器型又有串联型与并联型。单逆变器型有先升/降压后逆变型和直接逆变型。这些逆变器均采用二电平逆变方式。目前广州一号线采用的是双逆变器型(如图2-11),其他基本上采用单逆变器型。2.4.2.1 对双逆变器型的评价(1)优点:开关频率低,仅150Hz。因此开关损耗小,逆变器效率高;输出电压为12阶梯波,电压的最低次谐波为11次。因此,对输出滤波器要求低。可以把较低电压的电力电子器件用于较高电源电压的逆变器。(2)缺点:电路复杂,使用器件多。两台逆变器串联,动态均压要求高,故障率高。 每台逆变器输出电压为6阶梯波,因而不论是DY、DZ变压器或是T变压器,它们的原边绕组输入电压的谐波含量高,变压器中的谐波损耗大。变压器结构复杂,对于电路叠加型的DZ变压器,它的次边绕组为曲折连接,对于磁路叠加型的变压器,两个原边绕组由不同相位的电压分别输入,需作特殊设计。图2-11广州一号线辅助逆变器结构框图2.4.2.2 对单逆变器的评价