動(dòng)車組牽引系統(tǒng)維護(hù)與檢修31-整流技術(shù)基礎(chǔ)課件

教學(xué)目標(biāo)【知識(shí)目標(biāo)】：

1．掌握動(dòng)車組牽引變流器的基本工作原理。

2．掌握動(dòng)車組牽引變流器的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)。

3．掌握動(dòng)車組牽引變流器冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理?！炯寄苣繕?biāo)】：

1．掌握動(dòng)車組牽引變流裝置的拆卸、移動(dòng)及安裝方法。

2．掌握動(dòng)車組牽引變流裝置常規(guī)維護(hù)及檢修項(xiàng)目的處理方法。

3．掌握動(dòng)車組牽引變流器應(yīng)急故障處理方法。

項(xiàng)目三動(dòng)車組主變流器維護(hù)與檢修教學(xué)目標(biāo)【知識(shí)目標(biāo)】：項(xiàng)目三動(dòng)車組主變流器維護(hù)與

項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述3.1概述變流器就是將一種直流或交流電變?yōu)榱硪环N直流或交流電的供電設(shè)備?？梢哉f(shuō)變流器是各種變流裝置的總稱。對(duì)一個(gè)交一直一交電力傳動(dòng)系統(tǒng)，變流器將包括從整流器，中間直流環(huán)節(jié)，到逆變器及其控制系統(tǒng)。值得特別說(shuō)明的是，在許多場(chǎng)合下，同一個(gè)電力變換電路既可以作整流電路，又能作逆變電路，所以我們也稱這樣的電力變換裝置為變流器。換言之，整流和逆變，交流和直流在變流器中是互相聯(lián)系的，并在一定條件下可互相轉(zhuǎn)化。項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述3.1

項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述

半導(dǎo)體器件的冷卻方式多種多樣，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選用。

1.風(fēng)冷風(fēng)冷散熱方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，維護(hù)方便，主要用于電流額定值為50至500A的器件。

2.沸騰冷卻電力半導(dǎo)體器件浸放在沸騰液（R113）中，冷卻器中上半部為沸騰，在德國(guó)ICE高速動(dòng)車上采用這一冷卻方式。

3.油浸冷卻方式半導(dǎo)體器件浸泡在冷卻油中，冷卻油循環(huán)，將熱量帶到油—空氣熱交換器中散掉，Adtranz公司的大多數(shù)干線機(jī)車、動(dòng)車均采用這種冷卻方式。項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述

項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述

4.熱管冷卻熱管冷卻是一種高效冷卻方式，尤其是采用水作為冷卻介質(zhì)的熱管，又具有不污染環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，日本新干線高速動(dòng)車牽引變流器均采用熱管冷卻方式。

交流傳動(dòng)系統(tǒng)的變流裝置是將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)頻調(diào)壓的三相交流電，這種大功率的牽引變流器不同于應(yīng)用在一般工業(yè)領(lǐng)域中的變流器，它的技術(shù)特點(diǎn)可以歸納為如下三點(diǎn)：

1．調(diào)速范圍寬根據(jù)列車速度的要求，變流器調(diào)頻范圍從0.4Hz到200Hz以上，而且調(diào)頻要連續(xù)平穩(wěn)，無(wú)沖擊。項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述

項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述2．控制特性復(fù)雜一般高速列車的牽引性能由恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)及自然特性區(qū)組成，并且要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，恒功區(qū)寬。

3．有良好的穩(wěn)態(tài)控制特性和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性電力機(jī)車或者動(dòng)車由弓網(wǎng)獲得能量，通過(guò)輪軌傳遞牽引力?？辙D(zhuǎn)、打滑、跳弓離線及網(wǎng)壓波動(dòng)等均能引起功率的急劇變化，牽引變流器應(yīng)該能夠適應(yīng)這種負(fù)載及外界環(huán)境的急劇變化。項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述

項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述4．輸出電壓波形質(zhì)量好為了減少諧波分量對(duì)牽引電機(jī)諧波熱損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)影響，輸出波形應(yīng)盡量接近正弦波。由交流電網(wǎng)供電時(shí)，應(yīng)使功率因數(shù)盡可能的接近1，電網(wǎng)電流波形接近正弦波，從而降低對(duì)供電系統(tǒng)的影響和對(duì)外界的干擾。

5．牽引與再生制動(dòng)頻繁，能量雙向流動(dòng)。

6．效率高，利用率高，可靠性高。

7．由于安裝在車上，對(duì)重量、體積和耐振動(dòng)性能要求嚴(yán)格。

8．有利于安裝，調(diào)速及維修。項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述

項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、2電力電子器件基礎(chǔ)

實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的高效變換和控制的一門技術(shù)，它包括電壓、電流、頻率和波形方面的變換，是電力、電子及控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學(xué)科，與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程及微電子技術(shù)等諸多領(lǐng)域密切相關(guān)。

電力電子器件是列車牽引變流器的基礎(chǔ)與核心，電力電子器件的性能直接決定了牽引變流器的性能指。其發(fā)展經(jīng)歷了兩個(gè)重要階段，即以SCR為代表的傳統(tǒng)半控型電力電子時(shí)代，和以IGBT為代表的全控型自關(guān)斷現(xiàn)代電力電子器件時(shí)代。項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、2電力電子器1.1什么是電力電子技術(shù)◆具體地說(shuō)，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。

?電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。

?變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。8/21表1-1電力變換的種類1.1什么是電力電子技術(shù)◆具體地說(shuō)，電力電子技術(shù)就是使用電1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用■電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍

◆一般工業(yè)?工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動(dòng)機(jī)，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。一些對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來(lái)也采用了變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。避免調(diào)速電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流沖擊的軟起動(dòng)裝置。?電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源?電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源淬火電源及直流電弧爐電源等場(chǎng)合。9/211.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用■電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍9/211.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆交通運(yùn)輸?電氣化鐵道：電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用整流裝置，交流機(jī)車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來(lái)的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車輛中的各種輔助電源也都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。

?電動(dòng)汽車：電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動(dòng)控制，其蓄電池的充電也離不開(kāi)電力電子裝置。一臺(tái)高級(jí)汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動(dòng)并控制。

?飛機(jī)、船舶和電梯都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。10/211.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆交通運(yùn)輸10/211.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆家用電器

?電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。

?空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)，不少洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)?！羝渌?/p>

?航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器也離不開(kāi)各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。?抽水儲(chǔ)能發(fā)電站的大型電動(dòng)機(jī)需要用電力電子技術(shù)來(lái)起動(dòng)和調(diào)速。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來(lái)的一種儲(chǔ)能方式，它需要強(qiáng)大的直流電源供電，這也離不開(kāi)電力電子技術(shù)。11/211.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆家用電器11/211.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用12/21?新能源、可再生能源發(fā)電需要用電力電子技術(shù)來(lái)緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，更離不開(kāi)電力電子技術(shù)。?核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)和注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置。科學(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)合，常需要一些特種電源。圖1-7風(fēng)場(chǎng)1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用12/21?新能源、可再生能源發(fā)電13/892.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件的特征

◆處理電功率的大?。ǔ惺茈妷汉碗娏鞯哪芰Γ┮话愣歼h(yuǎn)大于處理信息的電子器件，是其最重要的參數(shù)，

◆為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

◆由信息電子電路來(lái)控制

,而且需要驅(qū)動(dòng)電路。

◆自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時(shí)一般都需要安裝散熱器。

13/892.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件14/89

2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成

■電力電子器件實(shí)際應(yīng)用：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。

電氣隔離圖2-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成14/89

2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成

■電力電15/892.1.3電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度

◆半控型器件

?器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定?主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件?！羧匦推骷?通過(guò)控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通、關(guān)斷。?目前最常用的是

IGBT和PowerMOSFET。

◆不可控器件

?電力二極管（PowerDiode）?不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。15/892.1.3電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路16/892.2不可控器件——電力二極管■電力二極管（PowerDiode）

?自1950s初期就獲得應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，直到現(xiàn)在仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。?在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開(kāi)通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基二極管。

整流二極管及模塊16/892.2不可控器件——電力二極管■電力二極管（Po17/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理■電力二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實(shí)際上是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。圖2-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)外形b)基本結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)17/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1P18/892.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理■二極管的基本原理——PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

◆正向?qū)ǎ篜N結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，形成自P區(qū)流入從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF。

◆反向截止：當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)。

◆反向擊穿：PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過(guò)大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)。

?按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。

?反向擊穿發(fā)生時(shí)，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。?否則PN結(jié)因過(guò)熱而燒毀，這就是熱擊穿。

18/892.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理■二極管的19/892.3半控器件—晶閘管·引言■晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被簡(jiǎn)稱為可控硅。

■1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLaboratories）發(fā)明了晶閘管，1957年美國(guó)通用電氣公司（GeneralElectric）開(kāi)發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化?！銎涑惺艿碾妷汉碗娏魅萘咳匀皇悄壳半娏﹄娮悠骷凶罡撸夜ぷ骺煽?，因此在大容量的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊19/892.3半控器件—晶閘管·引言■晶閘管（Thyri20/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管的結(jié)構(gòu)

◆從外形上來(lái)看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu)。

◆引出陽(yáng)極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端。

◆內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

圖2-7晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)

20/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管的結(jié)構(gòu)21/892.3.2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性

◆正常工作時(shí)的特性

?當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。

?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通。

?晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。?若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

21/892.3.2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性22/892.4典型全控型器件■門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。■20世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代?！龅湫痛怼T極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊22/892.4典型全控型器件■門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)23/892.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：

?開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。

?在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。

?通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。

?輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。?與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。

23/892.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的特性和參數(shù)24/131整流電路基本原理■整流電路（Rectifier）是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。

■整流電路的分類

◆按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。

◆按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路。

◆按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。

◆按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，分為單拍電路和雙拍電路。24/131整流電路基本原理■整流電路（Rectifier）25/1313.1.1單相半波可控整流電路wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00圖3-1單相半波可控整流電路及波形■帶電阻負(fù)載的工作情況

◆變壓器T起變換電壓和隔離的作用，其一次側(cè)和二次側(cè)電壓瞬時(shí)值分別用u1和u2表示，有效值分別用U1和U2表示，其中U2的大小根據(jù)需要的直流輸出電壓ud的平均值Ud確定。

◆電阻負(fù)載的特點(diǎn)是電壓與電流成正比，兩者波形相同。

◆在分析整流電路工作時(shí)，認(rèn)為晶閘管（開(kāi)關(guān)器件）為理想器件，即晶閘管導(dǎo)通時(shí)其管壓降等于零，晶閘管阻斷時(shí)其漏電流等于零，除非特意研究晶閘管的開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程，一般認(rèn)為晶閘管的開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程瞬時(shí)完成。

25/1313.1.1單相半波可控整流電路wwwwtTVT26/131◆改變觸發(fā)時(shí)刻，ud和id波形隨之改變，直流輸出電壓ud為極性不變但瞬時(shí)值變化的脈動(dòng)直流，其波形只在u2正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱“半波”整流。加之電路中采用了可控器件晶閘管，且交流輸入為單相，故該電路稱為單相半波可控整流電路。整流電壓ud波形在一個(gè)電源周期中只脈動(dòng)1次，故該電路為單脈波整流電路?！艋緮?shù)量關(guān)系

?：從晶閘管開(kāi)始承受正向陽(yáng)極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度稱為觸發(fā)延遲角，也稱觸發(fā)角或控制角。?：晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為導(dǎo)通角。

?直流輸出電壓平均值

?隨著增大，Ud減小，該電路中VT的移相范圍為180。

◆通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡(jiǎn)稱相控方式。

3.1.1單相半波可控整流電路（3-1）26/131◆改變觸發(fā)時(shí)刻，ud和id波形隨之改變，直流輸出27/1313.1.1單相半波可控整流電路uwttwwtwtw20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++圖3-2帶阻感負(fù)載的單相半波可控整流電路及其波形■帶阻感負(fù)載的工作情況

◆阻感負(fù)載的特點(diǎn)是電感對(duì)電流變化有抗拒作用，使得流過(guò)電感的電流不能發(fā)生突變。

◆電路分析?晶閘管VT處于斷態(tài),id=0,ud=0,uVT=u2。

?在t1時(shí)刻，即觸發(fā)角處

√ud=u2。

√L的存在使id不能突變，id從0開(kāi)始增加。?u2由正變負(fù)的過(guò)零點(diǎn)處，id已經(jīng)處于減小的過(guò)程中，但尚未降到零，因此VT仍處于通態(tài)。

?t2時(shí)刻，電感能量釋放完畢，id降至零，VT關(guān)斷并立即承受反壓。

?由于電感的存在延遲了VT的關(guān)斷時(shí)刻，使ud波形出現(xiàn)負(fù)的部分，與帶電阻負(fù)載時(shí)相比其平均值Ud下降。

27/1313.1.1單相半波可控整流電路uwttwwtw28/1313.1.1單相半波可控整流電路◆電力電子電路基本分析方法

?把器件理想化，將電路簡(jiǎn)化為分段線性電路。

?器件的每種狀態(tài)組合對(duì)應(yīng)一種線性電路拓?fù)洌骷〝酄顟B(tài)變化時(shí)，電路拓?fù)浒l(fā)生改變。?以前述單相半波電路為例

當(dāng)VT處于斷態(tài)時(shí)，相當(dāng)于電路在VT處斷開(kāi)，id=0。當(dāng)VT處于通時(shí)，相當(dāng)于VT短路。兩種情況的等效電路如圖3-3所示。

圖3-3單相半波可控整流電路的分段線性等效電路

a)VT處于關(guān)斷狀態(tài)

b)VT處于導(dǎo)通狀態(tài)28/1313.1.1單相半波可控整流電路◆電力電子電路基

項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、3、1脈沖整流技術(shù)基礎(chǔ)謝謝！項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、3、1脈沖整教學(xué)目標(biāo)【知識(shí)目標(biāo)】：

1．掌握動(dòng)車組牽引變流器的基本工作原理。

2．掌握動(dòng)車組牽引變流器的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)。

3．掌握動(dòng)車組牽引變流器冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理?！炯寄苣繕?biāo)】：

1．掌握動(dòng)車組牽引變流裝置的拆卸、移動(dòng)及安裝方法。

2．掌握動(dòng)車組牽引變流裝置常規(guī)維護(hù)及檢修項(xiàng)目的處理方法。

3．掌握動(dòng)車組牽引變流器應(yīng)急故障處理方法。

項(xiàng)目三動(dòng)車組主變流器維護(hù)與檢修教學(xué)目標(biāo)【知識(shí)目標(biāo)】：項(xiàng)目三動(dòng)車組主變流器維護(hù)與

項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述3.1概述變流器就是將一種直流或交流電變?yōu)榱硪环N直流或交流電的供電設(shè)備?？梢哉f(shuō)變流器是各種變流裝置的總稱。對(duì)一個(gè)交一直一交電力傳動(dòng)系統(tǒng)，變流器將包括從整流器，中間直流環(huán)節(jié)，到逆變器及其控制系統(tǒng)。值得特別說(shuō)明的是，在許多場(chǎng)合下，同一個(gè)電力變換電路既可以作整流電路，又能作逆變電路，所以我們也稱這樣的電力變換裝置為變流器。換言之，整流和逆變，交流和直流在變流器中是互相聯(lián)系的，并在一定條件下可互相轉(zhuǎn)化。項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述3.1

項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述

半導(dǎo)體器件的冷卻方式多種多樣，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選用。

1.風(fēng)冷風(fēng)冷散熱方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，維護(hù)方便，主要用于電流額定值為50至500A的器件。

2.沸騰冷卻電力半導(dǎo)體器件浸放在沸騰液（R113）中，冷卻器中上半部為沸騰，在德國(guó)ICE高速動(dòng)車上采用這一冷卻方式。

3.油浸冷卻方式半導(dǎo)體器件浸泡在冷卻油中，冷卻油循環(huán)，將熱量帶到油—空氣熱交換器中散掉，Adtranz公司的大多數(shù)干線機(jī)車、動(dòng)車均采用這種冷卻方式。項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述

項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述

4.熱管冷卻熱管冷卻是一種高效冷卻方式，尤其是采用水作為冷卻介質(zhì)的熱管，又具有不污染環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，日本新干線高速動(dòng)車牽引變流器均采用熱管冷卻方式。

交流傳動(dòng)系統(tǒng)的變流裝置是將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)頻調(diào)壓的三相交流電，這種大功率的牽引變流器不同于應(yīng)用在一般工業(yè)領(lǐng)域中的變流器，它的技術(shù)特點(diǎn)可以歸納為如下三點(diǎn)：

1．調(diào)速范圍寬根據(jù)列車速度的要求，變流器調(diào)頻范圍從0.4Hz到200Hz以上，而且調(diào)頻要連續(xù)平穩(wěn)，無(wú)沖擊。項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述

項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述2．控制特性復(fù)雜一般高速列車的牽引性能由恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)及自然特性區(qū)組成，并且要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，恒功區(qū)寬。

3．有良好的穩(wěn)態(tài)控制特性和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性電力機(jī)車或者動(dòng)車由弓網(wǎng)獲得能量，通過(guò)輪軌傳遞牽引力?？辙D(zhuǎn)、打滑、跳弓離線及網(wǎng)壓波動(dòng)等均能引起功率的急劇變化，牽引變流器應(yīng)該能夠適應(yīng)這種負(fù)載及外界環(huán)境的急劇變化。項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述

項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述4．輸出電壓波形質(zhì)量好為了減少諧波分量對(duì)牽引電機(jī)諧波熱損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)影響，輸出波形應(yīng)盡量接近正弦波。由交流電網(wǎng)供電時(shí)，應(yīng)使功率因數(shù)盡可能的接近1，電網(wǎng)電流波形接近正弦波，從而降低對(duì)供電系統(tǒng)的影響和對(duì)外界的干擾。

5．牽引與再生制動(dòng)頻繁，能量雙向流動(dòng)。

6．效率高，利用率高，可靠性高。

7．由于安裝在車上，對(duì)重量、體積和耐振動(dòng)性能要求嚴(yán)格。

8．有利于安裝，調(diào)速及維修。項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、1概述

項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、2電力電子器件基礎(chǔ)

實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的高效變換和控制的一門技術(shù)，它包括電壓、電流、頻率和波形方面的變換，是電力、電子及控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學(xué)科，與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程及微電子技術(shù)等諸多領(lǐng)域密切相關(guān)。

電力電子器件是列車牽引變流器的基礎(chǔ)與核心，電力電子器件的性能直接決定了牽引變流器的性能指。其發(fā)展經(jīng)歷了兩個(gè)重要階段，即以SCR為代表的傳統(tǒng)半控型電力電子時(shí)代，和以IGBT為代表的全控型自關(guān)斷現(xiàn)代電力電子器件時(shí)代。項(xiàng)目三動(dòng)車組牽引變流器維護(hù)與檢修3、2電力電子器1.1什么是電力電子技術(shù)◆具體地說(shuō)，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。

?電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。

?變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。37/21表1-1電力變換的種類1.1什么是電力電子技術(shù)◆具體地說(shuō)，電力電子技術(shù)就是使用電1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用■電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍

◆一般工業(yè)?工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動(dòng)機(jī)，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。一些對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來(lái)也采用了變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。避免調(diào)速電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流沖擊的軟起動(dòng)裝置。?電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源?電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源淬火電源及直流電弧爐電源等場(chǎng)合。38/211.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用■電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍9/211.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆交通運(yùn)輸?電氣化鐵道：電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用整流裝置，交流機(jī)車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來(lái)的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車輛中的各種輔助電源也都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。

?電動(dòng)汽車：電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動(dòng)控制，其蓄電池的充電也離不開(kāi)電力電子裝置。一臺(tái)高級(jí)汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動(dòng)并控制。

?飛機(jī)、船舶和電梯都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。39/211.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆交通運(yùn)輸10/211.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆家用電器

?電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。

?空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)，不少洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。◆其它

?航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器也離不開(kāi)各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。?抽水儲(chǔ)能發(fā)電站的大型電動(dòng)機(jī)需要用電力電子技術(shù)來(lái)起動(dòng)和調(diào)速。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來(lái)的一種儲(chǔ)能方式，它需要強(qiáng)大的直流電源供電，這也離不開(kāi)電力電子技術(shù)。40/211.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆家用電器11/211.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用41/21?新能源、可再生能源發(fā)電需要用電力電子技術(shù)來(lái)緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，更離不開(kāi)電力電子技術(shù)。?核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)和注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)合，常需要一些特種電源。圖1-7風(fēng)場(chǎng)1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用12/21?新能源、可再生能源發(fā)電42/892.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件的特征

◆處理電功率的大小（承受電壓和電流的能力）一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件，是其最重要的參數(shù)，

◆為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

◆由信息電子電路來(lái)控制

,而且需要驅(qū)動(dòng)電路。

◆自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時(shí)一般都需要安裝散熱器。

13/892.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件43/89

2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成

■電力電子器件實(shí)際應(yīng)用：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。

電氣隔離圖2-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成14/89

2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成

■電力電44/892.1.3電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度

◆半控型器件

?器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定?主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件?！羧匦推骷?通過(guò)控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通、關(guān)斷。?目前最常用的是

IGBT和PowerMOSFET。

◆不可控器件

?電力二極管（PowerDiode）?不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。15/892.1.3電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路45/892.2不可控器件——電力二極管■電力二極管（PowerDiode）

?自1950s初期就獲得應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，直到現(xiàn)在仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。?在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開(kāi)通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基二極管。

整流二極管及模塊16/892.2不可控器件——電力二極管■電力二極管（Po46/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理■電力二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實(shí)際上是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。圖2-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)外形b)基本結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)17/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1P47/892.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理■二極管的基本原理——PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

◆正向?qū)ǎ篜N結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，形成自P區(qū)流入從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF。

◆反向截止：當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)。

◆反向擊穿：PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過(guò)大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)。

?按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。

?反向擊穿發(fā)生時(shí)，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。?否則PN結(jié)因過(guò)熱而燒毀，這就是熱擊穿。

18/892.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理■二極管的48/892.3半控器件—晶閘管·引言■晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被簡(jiǎn)稱為可控硅。

■1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLaboratories）發(fā)明了晶閘管，1957年美國(guó)通用電氣公司（GeneralElectric）開(kāi)發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。■其承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊19/892.3半控器件—晶閘管·引言■晶閘管（Thyri49/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管的結(jié)構(gòu)

◆從外形上來(lái)看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu)。

◆引出陽(yáng)極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端。

◆內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

圖2-7晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)

20/892.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管的結(jié)構(gòu)50/892.3.2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性

◆正常工作時(shí)的特性

?當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。

?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通。

?晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。?若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

21/892.3.2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性51/892.4典型全控型器件■門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)?！?0世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代?！龅湫痛怼T極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊22/892.4典型全控型器件■門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)52/892.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：

?開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。

?在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。

?通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。

?輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。?與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。

23/892.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的特性和參數(shù)53/131整流電路基本原理■整流電路（Rectifier）是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。

■整流電路的分類

◆按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。

◆按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路。

◆按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。

◆按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，分為單拍電路和雙拍電路。24/131整流電路基本原理■整流電路（Rectifier）54/1313.1.1單相半波可控整流電路wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00圖3-1單相半波可控整流電路及波形■帶電阻負(fù)載的工作情況

◆變壓器T起變換電壓和隔離的作用，其一次側(cè)和二次側(cè)電壓瞬時(shí)值分別用u1和u2表示，有效值分別用U1和U2表示，其中U2的大小根據(jù)需要的直流輸出電壓ud的平均值Ud確定。

◆電阻負(fù)載的特點(diǎn)是電壓與電流成正比，兩者波形相同。