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1、12.1 SS4型电力机车牵引变流器,12.2 交流传动互馈试验台,12.3 光伏发电并网装置,12.4 不停电电源,12.5 脱硫电源,12.6 机车空调电源,第十二章 电力电子技术应用实例,12.7 交流传动地铁动车牵引变流器,参考书：电力电子应用技术叶斌主编清华大学出版社2006,12.1 SS4型电力机车牵引变流器供电系统,一、SS4型电力机车牵引变流器,1、牵引供电方式：转向架独立供电方式。,2、牵引电路,3、整流调压电路：四段经济半控桥整流电路。,一、SS4型电力机车牵引变流器,输出电压波形,用三段桥整流电路实现四段桥的整流效果，可以提高功率因数，但由于整流器的负载为感性负载，在I
2、IIII段的开关式转换过程中必然会引起操作过电压，加之逻辑转换控制所带来的系统的复杂性，使系统的可靠性降低。,一、SS4型电力机车牵引变流器,4、电阻制动电路：能耗制动（两级电阻制动），4台牵引电机的励磁绕组串联，由一台励磁半控电路供电。,二、SS4改进型电力机车主电路,1、与SS4的主要不同点：采用三段不等分半控桥整流电路；采用有级分路磁场削弱；采用加馈电阻制动以提高制动性能。,2、加馈电阻制动电路,所谓加馈电阻制动是指在电阻制动到低速以后，为了增大制动力，由主整流器提供合适的整流电压与电枢电势一起共同产生制动电流和制动力矩。,加馈电阻制动的主要优点是可以扩大制动范围，在理论上可将最大制动力
3、延伸至速度为零。,12.2 交流传动互馈试验台,随着对大功率交流传动系统的研究、开发和生产，对交流传动系统的变流器、交流牵引电机、变流器控制系统、以至机车的全车控制均需有功率相当的试验检测设备，也就是说，需要功能齐全、控制灵活的交流传动试验台。,交流传动试验台的主要功能：按照机车牵引特性进行不同级位的牵引运行试验 按照机车制动特性要求进行再生制动试验；按照机车恒转矩起动的要求进行机车起动加速试验；逆变器容量足够大时，能完成牵引电机的各种特性试验和有关参数测定；电机容量许可时，能完成逆变器装置的考核运行试验。,一、现有试验台系统,能量消耗式（铁道科学研究院）,特点：耗能大；不能进行恒转矩起动试验
4、；转速受限制；配电容量较大。,能量反馈式（株洲电力机车研究所）,特点：结构复杂；不能进行恒转矩起动试验；转速受限制；配电容量较大。,二、互馈试验台结构,、系统结构 由脉冲(PWM)整流器，变流器电机组，变流器电机组及控制系统四部分组成。,2、互馈试验台结构,DC/AC,DC/AC,AC/DC,Filter,Tr,3、试验台主电路,4、PWM整流器,5、双逆变器电机系统互馈技术原理,6、互馈系统能量流转关系,7、电牵引轨道动车特性曲线,(a)牵引运行时系统各参量的变化,(b)再生制动时系统各参量的变化,整流机组100kVA PWM整流器两组二重化运行输入电压：380V输出电压：750V/1500
5、V,8、试验机组,变流器两组容量：500kVA,8、试验机组,牵引电机JD106S型异步牵引电机(200km/h动车组)额定功率：300kW,8、试验机组,整流器实验波形,变压器原边电压、电流功率因数近似为1谐波含量小,突加负载时直流电压、原边电流,8、试验机组,电机电压、电流波形,直流电压：1500V电机输出功率：122kW电网输入功率：14kW,(a)牵引电机,(b)负载电机,8、试验机组,12.3 光伏发电并网装置,太阳能光伏发电系统可以分为独立运行和并网型两种基本类型。,图8-15 独立运行光伏发电系统的结构框图,用蓄电池作为储能单元,图8-16 并网型光伏发电系统的结构框图,用电网作
6、为储能单元,一个小功率的并网型光伏发电装置实例（额定功率为200W）,图8-17 光伏发电并网装置的主电路,一、主电路,二、控制电路框图,图8-19 光伏发电并网装置的控制框图,SG3525PWM控制器；TMS320F240数字信号处理器作用：对光伏板最大功率点的跟踪(MPPT)输出功率的调节,三、太阳电池的输出特性（即伏安特性）,图8-18 太阳电池的输出特性和输出功率,四、最大功率跟踪方法（登山寻优法）,五、装置输出功率的控制,装置的输出功率必需与太阳电池板的输出功率保持匹配，否则会造成中间环节电压过高或过低。,图8-20 DSP对逆变器输出电流的控制,控制原理：将给定的中间环节电压Udc
7、*和实际的中间环节电压Udc相比较，其误差经过PI调节，得到的输出电流幅值的指令Io*，Io*与正弦表值相乘，就得到交变的输出电流指令io*，再将它与实际的输出电流比较后，通过电流跟踪控制的方法控制逆变器的四个IGBT的导通与关断。,六、实验波形,图8-21 逆变器输出端的电压、电流波形电压(100V/div)，电流(1A/div),一、不停电电源的用途,电力用户对电网的可靠性及电源质量的要求越来越高，通讯系统、重要部门的管理系统，连续生产设备以及中、大型计算机等不允许有35ms的供电中断。,普通电网电压存在的问题,电压下降 浪涌过电压 供电中断 尖峰干扰 高频振荡,12.4 不停电电源（UP
8、S）,仅依靠市电供电，其可靠性和质量都得不到保障。在这种情况下不停电电源(UPS)应运而生。,不停电电源是一种在电网发生中断故障或电网供电质量不能满足负载可靠性要求时，仍能向负载提供符合要求的交流电的电源。,二、不停电电源的基本结构,UPS的基本结构是整流充电装置+逆变装置，它由整流电路、贮能元件、逆变电路和静态开关几个部分组成。,基本UPS,具有并机式开关的UPS,具有静止转换开关的UPS,1、按工作方式可分为：后备式UPS和在线式UPS 后备式UPS：在市电正常时，由市电直接向负载提供电源。当市电供电中断时，蓄电池才对逆变器供电并由逆变器对负载提供交流电源。在线式UPS：平时是由交流电整流
9、逆变器方式对负载提供电源的。只有当逆变器工作不正常时，由控制电路发出信号去控制切换开关，转换成市电供电。当逆变器恢复正常后，UPS又重新切换到由逆变器对负载供电。,三、不停电电源的分类,目前在市场上后备式和在线式电源同样受到用户的欢迎。,2、按输出波形可分为：方波输出和正弦波输出,3、按功率等级可分为：,小型UPS电源 输出功率：0.510 kVA中型UPS电源 输出功率：1050 kVA大型UPS电源 输出功率：50300 kVA,输入输出方式,大型：三相输入/三相输出方式中小型：单相输入/单相输出方式。,三种典型的小型UPS电源的主要性能及参数,为了实现优质、可靠的要求，UPS需要解决的技
10、术问题主要有以下几个方面：1、UPS整流器-既有整流功能，又须保持蓄电池组在额定电平状态，因此又具充电器功能；2、UPS逆变器-稳频、稳压、低谐波；3、同步控制-应使逆变器的输出电压与市电或备用电源 之间保持并联运行的条件，即实现UPS电源与市电或备用电源相序一致，频率相同，电压相等或相近；,四、不停电电源需解决的问题,4、可靠性和备用性-,5、高速静态开关高速、无延时。,在线式UPS简介,12.5 脱硫应用,煤在燃烧过程中会产生大量的废气、黑烟，烟气中的二氧化硫和氮氧化合物含量较高，是造成环境污染的主要原因之一。控制二氧化硫排放的主要途径均采用烟气脱硫技术。国内外对废水及烟气中二氧化硫等各种
11、污染物的处理方法很多，其中，脉冲电晕法是目前最有良好应用前景并受到国内外广泛关注的烟气脱硫技术。,脉冲电晕法脱硫的基本原理是：利用脉冲电源产生几万伏的窄脉冲电压，加在脱硫反应器的放电极上，使反应器中的气体产生流光电晕放电，放电过程中产生大量的高能电子，其能量高于气体分子的键能，它们和有害气体分子发生频繁的碰撞，打开气体分子的化学键；同时流光放电还会产生大量的OH、HO2、0等自由基和氧化性极强的O3，它们与有害气体分子发生化学反应，在有氨加入的条件下，将二氧化硫等污染物转化为硫铵等无害产物，从而达到烟气脱硫的目的。,一、高频高压脱硫电源的工作原理,1、高频高压交直流叠加耦合电路,C1、R1脱硫
12、反应器的等效电路随着外加电压的升高，流光放电区域增强，其等效电阻值随之非线性减小，在火花放电瞬间相当于反应器负载短路。L2高压直流耦合电路 C2高压交流耦合电路 L1短路限流电感高压直流电源、高压交流电源均采用高频开关电源技术,2高频高压交、直流产生电路,高压直流电路采用全桥式DC/DC变换电路,高压交流电路全桥逆变电路串联谐振电路,L3串联谐振电感L3、C2和反应器电容C1组成串联谐振电路,12.6 机车空调电源,机车空调电源分为电力机车空调电源（简称电力电源）和内燃机车空调电源（简称内燃电源）两种。这两种空调电源除了输入电压有所不同外，其他方面如应用条件、电源指标、接口条件等基本相同,一、
13、机车空调电源技术条件,（1）输入电压 控制电源输入电压：额定值DC110V，变化范围DC77VDC143V，对 应DC110V30%，取自机车蓄电池组。主电路输入电压（电力电源）：AC220V，变化范围AC154VAC273V，对应AC220V+24%-30%，取自电力机车变压器辅助绕组；过分相段时，输入电压取自电力机车蓄电池组，输入电压值同控制电源电压。,（1）输入电压 主电路输入电压（内燃电源）：DC110V，变化范围DC70VDC140V，取自内燃机车辅助发电机（辅发）输出电压。,机车空调电源技术条件,机车空调电源技术条件,（2）额定输出容量：5kVA。（3）负载：机车空调机组，总功率3
14、.3kW。三台三相异步电动机，其中室内风机300W，室外风机500W，压缩机2.5kW。（4）输出电压：额定值三相交流电压 380V5%，50Hz1%。当输入电压为低于DC88V（可能发生在电力机车过分相段或内燃机车辅发偏低时），允许按照V/f=Const.的规律降频降压运行。,机车空调电源技术条件,（5）输出电压波形：准正弦波，相对谐波含量5%（31次以下谐波含量），失真度10%。（6）输出电压平衡度：额定输出电压时，各相对称负载情况下，三相输出电压最大值（或最小值）与三相电压平均值之差的绝对值与平均电压值之比不超过1%。,机车空调电源技术条件,（7）输出电压稳定度：在额定输入电压下，带阻性
15、负载04kW范围内变化时，输出电压稳定精度应不大于5%；在额定负载工况下，交流输入电压在AC154VAC273V范围内变化时（对应电力电源），或直流输入电压在DC70VDC140V变化时（对应内燃电源），输出电压稳定精度应不大于5%。,（8）保护功能 输入电压保护值：对应电力电源AC283V10%；对应内燃电源DC150V10V。输入欠压保护值：对应电力电源AC150V；对应内燃电源DC70V。负载过载（流）保护值：压缩机负载4.8A5%；室外风机负载1.2A5%；室内风机负载0.6A5%；,短路保护：先将三相输出负载的任意两相短路，再启动空调电源，短路保护功能应动作；在空调电源正常工作时，突
16、然将任意两相负载短路，短路保护应动作。对空调机组的压力保护：当空调机组的高压力、低压力保护触点断开时，空调电源停止输出供电（停机）。空调电源过热保护：当空调电源散热器表面温升超过20K（正常运行时温升20K）时，空调电源停机。,空调电源面板上有如下指示：得电、正常运行、降频运行、输入过压保护、中间直流过压保护、输入过流保护、输出过载保护（含三种负载）、短路保护、散热器过热保护、空调机组高、低压力保护。,（9）启动功能：变频软启动。启动时间15s，启动最大电流值Imax1.5Ied，Ied为额定负载运行时的输出电流。空调机组停机到再重新起机，时间间隔不小于60s，电源能自动识别这一段时间间隔，以
17、保护空调机组。（10）电力机车空调电源自动过分相功能：电力电源在有交流和直流双重输入供电的情况下，断开交流电源，电源正常运行不停机，但运行时间超过30s后自动停机，当交流电源重新得电后，又能自动起机运行。,（11）额定转换效率：电源在额定输入电压、额定负载下测量时，转换效率不小于85%。（12）电磁兼容性能：空调电源的EMC性能应符合标准TB/T3034-2002。（13）重量与外形尺寸：电源重量65kg；最大外形尺寸：680460350mm（LWH）。,（14）噪声与防护等级：噪声不大于70dB（在距电源中心点3m处测量）。电源防护等级为IP54。（15）安装与布线条件：空调电源采取壁挂式或
18、卧式安装，一般安装在能防止风、沙、雨雪直接侵袭的车体内或车体外部的箱体内，并确保电源安装平稳，振动烈度不得超过相关标准。安装位置要远离热源，安装部位不得直接或间接给电源箱加热，风道畅通，至少距进风口150mm及出风口300mm内无障碍物。,（16）电源的使用条件：工作温度：-2570；储存温度：-4085。大气条件为：空气中不得有过多酸、盐、腐蚀性气体及爆炸性气体，最大相对湿度为90%（该月月平均最低温度为25）。海拔高度：不超过2500m。振动及冲击：电源要承受1100Hz的垂向、横向和纵向正弦波振动及冲击，振动幅值为：A=25/f（mm），f=110Hz；A=250/f2（mm）,f=10
19、100Hz。最大冲击加速度为：垂向10m/s2，横向20m/s2，纵向（沿列车运行方向）30m/s2。,（17）绝缘介电强度要求：空调电源的主电路及控制电路的绝缘部分对地承受的绝缘耐压为：AC1500V工频试验电压加一分钟无击穿或闪络现象。用500V兆欧表测量空调电源的主电路及控制电路的绝缘部分对地绝缘电阻应不小于1M。,二、电力/内燃机车空调电源,、主电路,、控制电路框图,12.7 交流传动地铁动车牵引变流器,一、交流传动牵引变流器主电路的特点,主要部件包括：高压电器、线路电抗器、制动斩波器、制动电阻、牵引逆变器、牵引电动机、传感器等。,1、V车牵引变流器的典型结构,选择电压型直交变流器作为
20、主电路 选择异步鼠笼电动机作为牵引电动机,1、V车牵引变流器的典型结构,2、三电平牵引逆变器日本：E1系、E4系车辆变流器；欧洲：中间直流电压高于3000V的电力机车、动车组；广州地铁1号线车辆,特点：功率器件承受的电压为二电平电路的一半；交流输出电压波形优于二电平电路。,3、模块化结构设计把变流器的每一相做成一个相构件。,（）晶闸管变流器VT1、VT2：主晶闸管VT3、VT4：辅助晶闸管C4：换流电容L1、L2、L3：换流电感,缺点：管子开关频率低导致系统性能差；复杂的换流电路导致变流器体积大、效率低。,（）GTO变流器国外80年代中后期复八线车辆上海地铁2号线车辆,特点：相对于晶闸管变流器来说，装置体积小，可靠性高；应用技术复杂。,（）IGBT(IPM)变流器国外90年代中后期DWA地铁维护工程车上海地铁2号线车辆,特点：开关频率高；电路结构简单，装置体积小，可靠性高；功耗小 应用技术相对简单,、V车中间直流电压的技术特点中间直流电压是交流传动牵引变流器的一个关键参数。它决定牵引变流器、牵引电动机、制动斩波器、制动电阻等系统主要设备的电压等级；我国地铁、城轨车辆的馈电标准有750V和1500V这两种。(可分别采用1700V和3300V的IGBT),
