畢業設計:CRH5牽引變流器原理及故障處理

XX屆畢業設計任務書

一、課題名稱：crh5型動車組牽引變流器原理及故障分析

二、指導教師：邵瑞

三、設計內容與具體要求

1、課題概述

隨着我國經濟不斷髮展,高速列車的需求量越來越大,鐵路運輸能力也需要進—步提高，因此掌握好高速列車的控制技術對於加快高速列車發展很有意義。crh5型動車組作為首批引進的高速動車組系列之一，本課題要求以crh5型動車組變流器為主體,對交-直-交傳動系統中的四象限脈衝整流器、中間穩壓環節和逆變環節的工作原理進行詳細分析，需要學生掌握牽引變流器主電路的結構組成、部件性能、工作原理等，並分析常見故障現象。

通過對crh5型動車組主電路的結構組成、部件性能、工作原理、保護模式及宂餘設計的情況分析，鞏固電力電子技術中整流和逆變等相關基礎知識，掌握其工作原理，分析常見故障，培養學生綜合運用所學的基礎理論、基礎知識、基本技能進行分析和解決實際問題的能力，使學生掌握工程設計的一般程序和方法，完成電氣工程技術人員必須具備的基本能力的培養訓練。

2、設計內容與要求

（1）crh5型動車組的基本知識

（2）牽引變流器原理分析

（3）牽引變流器常見故障分析

（4）按要求撰寫畢業設計説明書

（5）理論分析完整清楚

説明：本組同學分成三組，

一組負責牽引變流器整流部分電路分析；

二組負責牽引變流器逆變環節分析；

三組負責牽引變流器常見故障分析。

四、設計參考書

1、徐麗娟，張瑩．《電力電子技術》．高等教育出版社，北京，XX

2、黃俊王兆安．《電力電子變流技術》．機械工業出版社，北京，1999

3、黃濟榮.《電力牽引交流傳動與控制》[m].機械工業出版社,1998

4、張曙光.《crh5型動車組》.中國鐵道出版社

5、熊盛豔．《crh5型動車組牽引變流器的研究》．西南交通大學，XX

五、設計説明書要求

1、封面（宋體四號）

2、目錄

3、內容摘要（200-400字左右，中英文）

4、引言

5、正文（設計方案比較與選擇，設計方案原理、計算、分析、論證、設計結果的説明及特點）

6、結束語

7、附錄（參考文獻、圖紙、材料清單等）

六、畢業設計進程安排

第1周：資料準備與借閲，瞭解課題思路。

第2-3周：設計要求説明及課題內容輔導。

第4-6周：進行畢業設計，完成説明書初稿。

第7-8周：第一次檢查，瞭解設計完成情況。

第9周；第二次檢查設計完成情況，並作好畢業答辯準備。

第10周：畢業答辯與綜合成績評定。

七、畢業設計答辯及論文要求

1、畢業設計答辯要求

答辯前三天，每個學生應按時將畢業設計説明書或畢業論文、專題報告等必要資料交指導老師審閲，由指導老師寫出審閲意見。

學生答辯時對自述部分應寫出書面提綱，內容包括課題的任務、目的和意義，採用的原始資料或參考文獻、設計的基本內容和主要方法、成果結論和評價。

答辯小組質詢課題的關鍵問題，質詢與課題密切相關的基本理論、只是、設計與計算方法、實驗方法、測試方法，鑑別學生獨立工作能力、創新能力。

2、畢業設計論文要求

文字要求：説明書要求打印（除圖紙外），不能手寫，文字通順，語言流暢，排版合理，無錯別字，不允許抄襲。

圖紙要求：按工程製圖和標準制圖，圖面整潔，佈局合理，線條粗細均勻，圓弧連接光滑，尺寸標註規範，文字註釋必須使用工程字書寫。

曲線圖標要求：所有曲線、圖表、線路圖、程序框圖、示意圖等不準用徒手畫，必須按國家規定的標準或工程要求繪製。

摘要

論文首先介紹了國內外高速動車組概況及crh5動車組參數及要求；其次主要圍繞crh5牽引變流器的結構功能，crh5牽引變流器整流原理及crh5牽引逆變器的工作原理進行了詳細的介紹；最後介紹了crh5牽引變流器常見故障分析及處理方法。

關鍵詞：牽引變流器整流器逆變器

abstract

firstintroducedthegeneralsituationofhighspeedemusandcrh5emuparametersandrequirementsthenfocusedoncrh5tractionconverter'sstructureandfunction,andcrh5tractiontractioninverterconverterrectificationprincipleandcrh5areintroducedinprinciple;finally,crh5commonfaultanalysisandtreatmentmethodoftractionconverter.

keywords:tractionconverterrectifierinverter

第1章國內外高速動車組概況

1.1國外高速動車組概況

高速鐵路是世界鐵路發展的亮點，是鐵路現代高新技術的綜合集成，而高速列車時高速鐵路的技術核心，是機車車輛現代化的具體載體，是機械、電子、材料、計算機、控制等現代技術綜合集成的集中體現。1964年10月1日，世界上第一條高速鐵路——日本東海道新幹線的開通運營，揭開了世界鐵路史上的新篇章，隨着第一列新幹線“光子號”從東京駛向大阪，標誌着世界上真正意義的高速列車誕生。經過40餘年的發展，形成了以日本新幹線、法國tgv和德國ice高速動車組為代表的三大技術體系。各國動車組從本國實際需要出發，具有各自的技術特色，為推動世界鐵路向高速化發展起到了積極地作用。

日本式世界上最早開行高速動車組的國家，在日本計劃修建東海道新幹線時，其高速動車組設計就已經同步展開。0系新幹線列車成為世界上最早運行的高速動車組。隨着新幹線網絡的不斷擴大，為了在不同的線路條件下提高列車運行速度和乘客的舒適度，降低列車對環境的影響，相關企業與研究機構在0系、100系、200系、100n系列車的基礎上先後開發了300系、400系、500系、700系、n700系、800系、e1系、e2系、e3系、e4系等幹線列車和win350、300x、star21、fastech、e954系等試驗列車，共有二十餘種新幹線用電動車組。自設計之初起，日本一直堅持採用動力分散作為其動車組發展模式，此外，日本新幹線動車組的另一大特點是注重新技術的運用，如主動、半主動懸掛和旋轉渦流制動、空氣阻力制動燈技術均最早運用在新幹線動車組上。其動車組輕量化、車輛空氣動力學設計水平已經走在世界前列。

作為世界鐵路運輸最發達的國家之一，早在1955年3月29日，法國酒創造了電力機車牽引列車331km/h的記錄，1967年5月，最高速度200km/h的cc_6500型店裏機車牽引客車實現商業運行。然而隨着社會的發展，在20世紀70年代，迅速發展的公路和航空運輸使法國鐵路受到了前所未有的衝擊，傳統鐵路越來越不能適應現代深灰對鐵路旅客運輸的需要。同時，1964年日本新幹線建成並投入運行也大大激發了法國鐵路同行的積極性。自1967年起，法國國營鐵路公司（sncf）開始着手研究高速運輸。在設計製造高速動車組方面，法國首先是嘗試將用於航空的燃氣渦輪發動機用於鐵路動車組。1969年11月，法國研製成功了第一代etg型燃氣輪動車組，最高試驗速度達到248km/h。此後，為了進一步提高燃氣輪動車組質量，又研製出第二代etg燃氣輪動車組，最高試驗速度為260km/h。為了配合在巴黎——里昂建設高速鐵路，1972年，還研製了最高試驗速度達到381km/h的第三代tgv-001型燃氣輪動車組。1973年中東戰爭引起第一次世界石油危機後，法國開始將高速動車組技術政策轉向電力牽引，並率先在歐洲實行將速度、環保意識、充分利用能源、高新技術以及經濟可靠性進行綜合考慮的技術方針。1973年，法國研製出第一列z7002電動組。自1976年開始，法國開始着力研究交-直-交傳動的tgv-a、tgv-r、tgv-2n、tgv-tmst、西班牙ave、tgv-pbka、tgv-k等型號的高速動車組。其中，tgv-a325號車組與1990年5月在大西洋線創造了515.3km/h輪軌系統高速行車的世界紀錄。在保持了17年後，該記錄再次被打破，XX年4月3日，法國試驗動車組v150創造了574.8km/h的高速鐵路試驗速度新紀錄。近年來，法國國家鐵路已經開始進行動力分散型電動車組的研究，與alstom等共同設計的新型動力分散動車組agv已投入試驗運行。

德國是一個鐵路歷史悠久的國家。與大多數歐洲國家一樣，德國鐵路在20世紀60年代也不得不面對公路和航空運輸帶來的壓力。德國的政治家比其他歐洲國家更早的認識到了鐵路的重要性。早在1970年，原聯邦德國政府技術研究部就開始組織對未來長途運輸系統新技術的研究。但是在發展高速鐵路採用磁懸浮技術還是輪軌技術的問題上，德國經過曠日持久的討論，影響了德國鐵路高速化的進程，1973年和1976年動工修建的兩條高速新線進展換慢。知道20世紀80年代中期，原聯邦德國政府才意識到以往政策的失誤，同事法國tgv類車的成功運營也刺激着素以高技術著稱的德國，原聯邦德國政府加快了發展高速鐵路的步伐。1982年8月，聯邦鐵路投資1200萬馬克，是指ice試驗型城際快車。1985年，2洞3拖得ece/v試驗型高速電動車組試製成功，同年，其最高試驗速度達到317km/h。1988年5月，ice/v型試驗列車在漢諾威——維爾茲堡間創造了406.9km/h的高速動車組速度記錄。在ice/v的基礎上，1985年12月聯邦鐵路確定了ice設計任務書，1986年開始試製ice1型高速動車組，1990年原東、西德統一後，德國政府決定修建柏林——漢諾威的高速鐵路，同事開始了第二代ice高速動車組——ice2的開發，1996年，改型動車組投入運用。德國1995年開始動工修建的科隆——法蘭克福的高速鐵路最高運行速度提高到了300km/h，線路最大坡度達到千分之四，既有的ice1、ice2型列車已經不能滿足運行需要。為此，德國鐵路1994年向工業界訂購了50列ice3型動力分散電動車組並與1997年投入運行。此外，為了在既有線路實現列車運行速度的提高，德國鐵路還開發了ict型擺式動車組。目前，運行速度達到350km/h的ice21型高速電動車組正在研製中。

日本、法國和德國高速鐵路的成功經驗也帶動了世界其他國家和地區高速鐵路的發展，意大利、西班牙、瑞典、韓國和我國台灣地區均已有高速鐵路投入運行。值得一提的是，除採用日本、法國和德國的技術外，瑞典等一些國家還通過採用擺式列車提高列車的運行速度，以實現既有線路高速化，取得了良好的效果。在今後動車組的發展中，車體結構、轉向架和動力設備將不斷輕型化以滿足軸重減輕的要求；注重通用性和多電流制方式，滿足居不同國家和地區的運營需要也是製造商普遍關注的問題；擺式車體技術、新型功率半導體器件、交流異步電動機傳動將得到廣泛應用；在更高的速度等級上，動力分散佈置將成為動車組下一步的發展方向。

1.2國內高速鐵路概況

自XX年以來，我國通過引進、消化、吸收和再創新戰略已完全掌握了動車組列車的總成、車體、轉向架、牽引電機、牽引變壓器、牽引變流器、牽引控制、列車網絡控制和制動系統等9大關鍵技術及10項主要配套技術，實現了跨越式發展，年均增長率為72.3%，動車組的國產化程度已達到75%以上。唐車、長客、青島四方等承擔着我國crh2、crh3、crh5動車組的主要生產任務，已經成為高速動車組製造的龍頭企業。同時各項新技術也被使用，唐車軌道客車製造廠建立了300km/h高速動車組建模與仿真系統，通過基於pro-interlink與plm的三維設計平台、基autocad-mechanical的二維設計平台等，對產品的相關性能進行在設計過程中分析與計算，使其投產的產品自設計之初就不斷調整，從而使投產產品無設計缺陷，提高了企業產品的可靠性，極大的提高了設計效率，提高了企業設計製造的創新能力我國在引進並消化吸收了時速200-300km動車組的技術之後，進一步解決了阻礙速度提高的問題，對高速動車組在基礎理論和生產技術等方面進行創新，成功生產出了時速380km的高速動車組，具有速度高、運量大、節能環保、乘坐感舒適等諸多優勢，其綜合性能在全球居於領先地位。

XX年12月22日，由南車集團青島四方機車車輛股份有限公司製造的首列時速300公里具有自主知識產權的國產高速動車組crh2-300於青島下線。標誌着我國成為世界上第五個能設計並製造出運營速度300km/h動車組的國家。crh2-300高速動車組是對國外200km/h動車組技術平台整合吸收的基礎上再創新，根據我國鐵路運輸的具體情況和市場的需求自主研發製造的，整體的國產化超過70%。列車採用鋁合金車體，每車的重量7千千克，在輕量化方面走在世界前列。同時在高速轉向架、受電弓、傳動、制動、網絡控制等技術方面取得突破性進展，體現我國機車車輛行業技術人員的創新能力。

XX年5月28日在中國北車長春軌道客車股份有限公司，具有自主知識產權、時速380km的高速動車組“和諧號”380a在長春下線。XX年9月28日11時37分，中國國產“和諧號”crh380a高速動車組，在滬杭高鐵杭州至上海試運行途中，最高時速達到416.6公里，刷新了世界高速鐵路運營的試驗速度。

1.3crh5動車組參數及要求

crh5動車技術參數如表1-1所示

第2章crh5牽引變流器原理

2.1牽引變流器的結構與功能

牽引變流器ygn2q213（ay00000001050）系阿爾斯通技術引進經國產化後用於電動車組crh5的變流裝置，內部分別有兩組四象限整流器（4qc）和逆變器，同時還有一組輔助逆變器，每一組逆變器控制一台568kw牽引電機，輔助逆變器向車載三相400v/50hz用電設備供電。變流器的主要功能是將25kv/50hz的單相交流電壓通過牽引變壓器降壓後，輸出單相ac1770v/50hz的電壓，經四象限整流得到3600v的中間直流電壓，再經逆變器輸出電壓頻率可調的0～2808v的三相交流電壓來控制每台電機；同時輔助逆變器從中間迴路輸入直流3600v電壓經斬波降壓逆變後輸出三相400v/50hz的交流電壓，為輔助系統的設備供電。變流器由8個組件平台構成，它們分別是兩個輔助組件平台，兩個牽引模塊組件平台，兩個用户組件平台，一個冷卻系統平台，一個電阻組件平台，8個平台通過中央線槽連接形成一個整體。其實際外觀圖如圖2-1所示。

圖2-1牽引變流器的實際外觀圖

牽引變流器的主要任務是將牽引變壓器二次側的1770vac單相交流電轉變為電壓和頻率可調的三相交流電和400vac、50hz電源，給牽引電動機和列車輔助系統供電。主要包括以下幾部分：四象限脈衝整流器（4qc）、中間直流電路、制動斬波器、牽引逆變器。

2.1.1牽引變流器的特性

（1）典型的模塊化結構，主要由8個組件組成，通過緊固件連接；

（2）牽引、輔助變流器集成在一個箱體中，輔助迴路輸入電壓來自中間直流環節；

（3）冷卻方式採用水冷和強迫風冷；

（4）車底安裝，防護等級為ip54；

（5）採用最新的高壓igbt（6500v/600a）技術，中間直流電壓在額定工況下為3600v；

（6）採用矢量控制技術，多種pwm模式優化調製。

2.1.2牽引變流器的結構

本裝置由牽引整流逆變單元、輔助逆變單元、門控單元、冷卻單元構成，與車輛底板總成在一起。

（1）2個四象限整流器（4qc）並連，給2個牽引逆變器和1個輔助逆變器供電。

（2）2個三相電壓型兩電平逆變器，分別給一台異步牽引電動機供電。

（3）2個制動斬波器，當列車處於過分相區時，消耗來自負載的能量(制動階段中的動能)。

（4）1個輔助逆變器，給輔助設備提供400v-50hz的交流電壓。

（5）1個牽引控制單元（tcu），控制四象限整流器、制動斬波器、牽引逆變器的igbt開關，以獲得滿足車輛牽引/制動性能要求的控制。

（6）1個輔助控制單元（acu），控制輔助逆變器的igbt開關，以獲得400v-50hz的三相交流電壓。

本裝置分通氣部分和密封部分，把需要散熱的冷卻系統、變壓器、濾波電抗器、電阻器進行絕緣隔離後安裝在通氣部；把有必要進行絕緣防止污損的部分安裝在密封部。

輔助組件1主要包括輔助功率模塊、輔助控制單元（acu）、高頻變壓器和接口插座；輔助組件2主要包括斬波電感、濾波器、中壓端子板、隔離開關、用於保護的開關組件；牽引組件1和牽引組件2的結構基本相同，主要由四象限整流模塊、逆變模塊、支撐電容和水冷迴路接口組成；用户組件2主要由中間直流濾波電容器、端子板、傳感器組件組成；用户組件1主要由牽引控制單元（tcu）、電壓、電流傳感器組件、接地開關、輔助隔離開關、高壓隔離開關組成；冷卻組件主要由水冷散熱器、風扇、風道、水泵和膨脹箱組成；電阻組件主要由放電電阻、輔助濾波器組成，各個組件的構成及位置如圖2-2。

圖2-2牽引變流器各個組件的構成及位置

2.1.3變流器主要技術參數及主電路原理圖

（1）四象限變流器

額定輸入電壓：1770v(ac)額定輸出電壓：3600v(dc)

額定輸出電流：540a元件：igbt（6500v/600a）

（2）中間直流環節

支撐電容：9.01mf中間直流電壓：3200v－3600v

（3）逆變器

額定輸入電壓：3600v額定輸出電壓：2462v

額定輸出電流：161a額定輸出頻率：84hz

元件：igbt（6500v/600a）

（4）外形重量和防護等級

重量：3100kg防護等級：ip54工作環境温度：－25℃～＋40℃

圖2-3牽引變流器的主電路原理圖

2.2crh5牽引變流器整流原理

圖2-4整流器主電路拓撲圖

crh5牽引變流器採用兩電平主電路拓撲結構，如圖2-4所示通過合理設計支撐電容值以取消二次諧波濾波裝置，利用牽引變壓器繞組的等效電感代替整流器交流側連接電感。牽引工況下，脈衝整流器將牽引變壓器二次測輸出的1770v單相交流電變換成直流電，經中間直流電路將3200~3600v的直流電輸出給牽引逆變器，牽引逆變器輸出電壓/頻率可調的三相交流電源(電壓:0~2080v;頻率:0~180hz)驅動牽引電機，牽引電機的轉矩和轉速通過齒輪變速箱和萬向軸傳遞給輪對，驅動列車運行;在制動工況下，進行回饋制動時，通過控制牽引逆變器，使牽引電機處於發電狀態，將發出的三相交流電傳送給處於整流狀態的牽引逆變器，經中間直流回路穩壓後，被處於逆變工況的脈衝整流器變為單相交流電，該交流電通過真空斷路器、受電弓等高壓設備反饋給接觸網，實現能量再生，當列車處於分相區及速度過低時，便可以啟用能耗制動，此時通過控制斬波器將能量消耗在制動電阻器上。

2.2.1四象限整流器（4qc）的基本工作原理

圖2-5四象限整流器原理圖

四象限整流器的原理如圖2-5所示，它由變壓器次級繞組提供的兩組單相交流電源1770v，經過接線端子10x01a（10x02a）、電流傳感器-ta2（-ta1）分別進入四象限變流器模塊4qca（4qcb），經過對igbt的pwm脈寬調製，將其轉換為3600vdc。當變流器負載為牽引狀態運行時，脈寬調製的電流相位、頻率與網壓一致，用以提供矢量控制的逆變器電源輸入；當變流器負載為制動狀態運行時，脈寬調製的電流相位與網壓反相、頻率與網壓一致，實現將中間電路的剩餘能量回饋電網，並保持中間電路電壓穩定；由於採用pwm技術，可以實現主變壓器次級繞組電壓與電流的同相位，功率因數接近於1。

2.2.2四象限整流器的基本技術參數

額定輸入電壓（主變壓器次級）：2×1770v(ac)

最大非永久電壓（相對額定輸入電壓）：+24%

輸入永久電壓變化範圍（相對額定輸入電壓）：-24%--+16%

最小瞬間電壓（相對額定輸入電壓）：-30%

輸入網壓頻率：50hz

額定輸出電壓：3600v(dc)（中間迴路電壓）

輸出電壓變化範圍：3200v～3700v

額定輸出電流：540a

igbt開關頻率：250hz

2.2.3四象限整流器（4qc）的結構

牽引輔助變流器內共有兩組四象限整流器，每組由一個電流傳感器以及一個四象限模塊組成。四象限模塊的igbt（具有反相併聯二級管）採用雙管並聯，其冷卻液採用水乙二酸溶液，四象限模塊的冷卻方式採用水循環強迫式風冷方式。四象限模塊的安裝如圖2-2所示。

2.3逆變器的工作原理

逆變器部分的作用是通過igbt的順序導通關斷，把直流電變換為電壓頻率可調的三相交流電簡稱vvvf。採用新型高壓igbt（6500v/600a）元件，直流輸入電壓dc3600v。模塊化設計，每個逆變器有一個功率模塊組成，包括8個igbt，其中6個組成2電平3相逆變器，1個作為斬波器，1個將柵極和發射極短路作為二極管使用，外形如圖2-6所示。

圖2-6逆變模塊外型圖

crh5牽引變流器的逆變部分採用兩電平主電路結構，將三相鼠籠式異步電機等效為星型連接的對稱感性負載。當列車運行於牽引工況時，兩個三相半橋逆變器由同一直流電壓環節供電，分別為兩台異步電機提供幅值和頻率可調的三相電壓，根據電機牽引特性控制igbt的通斷以調節輸出電壓的幅值和頻率，完成dc/ac變換;在回饋制動工況下，牽引逆變器處於整流狀態，利用電機三相繞組的漏感構成電壓型pwm整流器，當電機的運行速度較高時，靠反並二極管的續流作用即可實現再生運行，當電機在較低速度運行時，利用逆變器的升壓斬波等效模式實現再生運行，其原理圖如圖2-7所示。

圖2-7逆變器主電路原理圖

如圖2-7所示三相逆變器電路由6個帶無功反饋的二極管的igbt組成，且每個igbt反並聯一個二極管。電路的工作方式如圖2-8所示。

圖2-8逆變器開關原理圖

電路工作時開關管s1~s6順序導通得到需要的電壓波形。為了能夠有驅動逆變器，需要有tcu發出控制脈衝，脈衝通過安裝在功率模塊上的驅動電路使逆變器工作。該逆變器的控制採用矢量控制方式。

2.3.1牽引逆變器的工作模式

crh5牽引變流器的逆變部分採用兩電平主電路結構，如圖2-9所示，將三相鼠籠式異步電機等效為星型連接的對稱感性負載。三相逆變器電路由6個帶無功反饋二極管的全控開關構成，也可以認為它是由三個單相半橋逆變器電路組合構成。在控制上，三個半橋間依次相差三分之一週期。

圖2-9三相180度電壓型逆變電路圖

對於同一橋臂上下兩隻功率器件相互換流的180導通型三相逆變器，任何時刻電路中總有三隻器件導通，在實際應用中，採用“先斷後通”的原則插入“死區時間”，從而防止同一橋臂上下兩隻器件同時導通。若用kt表示可控器件的導通數，kd表示二極管導通數，則kt和kd之和為3，則逆變器在感性負載下的工作模式為：

圖2-10逆變器開關狀態及編碼圖

第一模式:kt=3,kd=0(假定橋中t1,t6,t3導通)，由於電路中都是可控器件導通，負載從直流電源獲得能量;

第二模式:kt=2,kd=1(假定橋中t1.t6,d3導通)，一方面電源沿t1t2向負載輸送電能，另一方面由於t1d3導通，a,b兩相負載沿t1d3構成閉合迴路，流過環流;

第三模式:kt=1,kd=2(假定橋中t1,d6,d3導通)，一方面負載沿t1d3形成閉合迴路，產生環流，另一方面負載能量沿d2d3反饋到直流側;

第四模式:kt=0,kd=3(假定橋中d3,d2,d5導通)，此時負載中的能量將經二極管反饋到直流側。在三相兩電平逆變橋中，若假定上橋臂導通為1、下橋臂導通為0，則三相半橋兩電平逆變器存在100,110.010,011,001,101與111,000共8種工作狀態如圖2-10，由於負載接在半橋輸出之間，所以，逆變電路的輸出線電壓可由兩個半橋間的電壓差得到。

圖2-11三相電壓型逆變電路工作波形圖

由圖2-11知，的波形與相同，只是相位各差了1200於負由於負載接在半橋輸出之間，所以，逆變電路的輸出線電壓可由兩個半橋間的電壓差得到。

2.4中間迴路的基本工作原理

圖2-12中間迴路的原理圖

中間迴路的原理如圖2-12中的所示。中間迴路是四象限脈衝整流器和負載端的逆變器之間的聯結紐帶，主要是由支撐電容cdc、電容器的放電電阻器rdc、附加電容cris、放電電阻rris、接地開關smt組成，支撐電容cdc主要功能包含以下幾點：

（1）與四象限脈衝整流器、逆變器交換無功功率和諧波功率；

（2）與異步電機交換無功功率；

（3）與四象限電抗器交換無功功率；

（4）支撐中間迴路電壓，使其保持穩定。

由於採用單相脈衝整流技術，在牽引輔助變流器的中間迴路，勢必存在二次諧波，如果增加二次吸收回路，則勢必增加變流器體積與成本，因而在該變流器內，去掉二次吸收回路，而增大了直流側支撐電容的值，以達到減少二次諧波電壓的目的。電容參數選擇首先列出計算中間電容所需的參數，如下：

電機輸出功率：564.1kw電機效率：0.935

逆變器效率：0.98輔助功率：520kw

中間迴路電壓：3200v

則：逆變器輸入功率：564.1/0.935/0.98=615.6kw

第3章crh5牽引變流器常見故障分析

3.1牽引變流器常見的故障

牽引變流器是典型的以模擬電路為主的複雜電子電路，常見故障主要有:過電流故障、過電壓故障、欠電壓故障、過熱故障、過載故障等等。引起故障發生的原因比較複雜，比如過電流故障可能是由短路、接地、過負載、負載突變、加/減速時間設定太短、轉矩提升量設定不合理、變頻器內部故障或諧波干擾大等引起的;過電壓故障可能由電源電壓過高、制動力矩不足、中間迴路直流電壓過高、加/減速時間設定的太短、電動機突然甩負載、負載慣性大、載波頻率設定不合適等引起的;欠電壓故障可能由電源電壓偏低、電源斷相、在同一電源系統中有大啟動電流的負載啟動、變流器內部故障等引起;變流器過熱故障可能由負載過大、環境温度高、散熱片吸附灰塵太多、冷卻風扇工作不正常或散熱片堵塞、變流器內部故障引起;變流器過載、電動機過載故障可能由負載過大或變流器容量太小、電子熱繼電器保護設定值太小、變流器內部故障等引起的;除此以外，還有可能由於接線錯誤、參數設定錯誤、變流器容量太小、負載過大、變流器或電動機本身的故障等引起的電動機不能正常運行故障。

牽引變流器的故障按發生的性質可分為永久性故障和偶發性故障。永久性故障是指由於某種原因引起的故障現象一直持續下去，例如電力電子器件損壞引起的主電路通斷功能喪失，保險絲熔斷造成的缺相等。偶發性故障是指此種故障現象有時發生有時消失，例如元件虛焊、接觸件接觸不良引起電路異常，外界干擾信號引起控制邏輯混亂。

牽引變流器的故障還可以按故障發生部位分為輸入級故障、內部故障和輸出級故障。輸入級故障包括受電弓、主斷路器或主變壓器故障;輸出級故障是指牽引電機的故障。內部故障是指變流器本身的故障，可分為:直流環節故障(整流器和中間直流環節的故障)，逆變器故障，控制系統故障。

本文主要研究的是變流器內部的逆變器故障，其故障模式有以下六類：

①任一功率半導體開關元件基極驅動電路故障(f1);

②任一功率半導體開關元件短路故障(f2)

③任一功率半導體開關元件間歇性短路故障(f3);

④任一逆變橋臂兩開關元件短路故障(f4);

⑤任一逆變橋臂兩開關元件斷路故障(f5);

⑥無源元件失效故障(f6)；

逆變器上的開關元件通常由獨立的基極驅動電路驅動，驅動電路的故障通常表現為驅動電源的失效、元件擊穿或開路，這就造成故障f1，其故障特性為控制極擊穿或斷路，即開關元件斷路;故障f2可能是由於開關元件的反向擊穿所引起的，也可能是由橋臂的絕緣破壞或並接在元件兩端的rc吸收回路短路所造成的，這是一種較為嚴重的故障，它會造成其他元件發生破壞。需要強調的是，為了避免逆變器橋臂直通故障發生，逆變器都有相應的保護措施，即當發生開關元件短路故障時，系統保護電路會強行關斷同橋臂上的另一個開關元件，即此時該橋臂上只有一個開關元件一直導通，也有文獻稱此故障為一相橋臂僵持故障。故障f3多是由於控制電路元件性能變差或電磁兼容性差(例如電路自激)導致開關元件基極驅動出現故障，這會使逆變器電壓輸出波形變差，引起其他元件過載;故障f4產生的原因很多，例如，同一橋臂功率元件互鎖延遲時間太小，過大的dv/dt在漏柵極之間產生轉移電流而造成誤導通等，任一元件短路後造成另一元件的開關應力增大也致使其短路破壞;故障f5可能由於基極電路故障引起;故障f6，它往往表現為電容擊穿、漏氣爆炸、電感飽和、電阻器燒斷等現象，這也會直接造成逆變器失效。

逆變器中的功率半導體器件及其控制電路是最易發生故障的薄弱環節，其可靠性問題一直沒有得到充分解決。據統計，82.5%的控制系統失效都是源於元件的故障，主要是igbt或二極管的損壞。功率器件的故障可分為直通故障與開路故障，當故障為直通時，會很快燒壞功率器件從而表現為開路故障。因此研究功率器件的開路故障能基本上反映主要故障現象，進行準確的定位，確保機車的運行安全。

假定最多同時只有兩隻功率管橋臂發生故障，則功率器件的開路故障模式有如牽引輔助變流器的故障診斷和處理是結合tcu和tcms的故障信息進行分析判斷的。下面介紹易發生故障部件的診斷和保護值.

3.2易發生故障部件的診斷和保護值

四象限變流器過流保護（ta1、ta2）

當電流＞1100a（峯值）時，4qc過流故障，4qc、inv、制動斬波器暫停工作，當電流＜950a（峯值）時，過流故障消除，4qc、inv、制動斬波器復位。若在90秒內瞬時出現5次過流故障，或者一次過流時間超過5秒鐘，變流器出現永久過流故障，牽引封鎖。根據故障檢查故障部件，檢查電流傳感器是否故障、電氣接線是否存在接觸不良現象。

中間直流環節過電壓保護

當電壓＞4.2kv時，過電壓保護，4qc、inv、制動斬波器暫停工作，當電壓＜4kv時，過電壓故障消除，4qc、inv、制動斬波器復位。若在90秒內瞬時出現5次過壓故障，或者一次過電壓時間超過5秒鐘，變流器出現永久過流故障，牽引封鎖。

泄漏過電流保護（ta3）

當電流＞200a且t＞1sec時，電流故障，主斷路器跳閘保護，變流器停止工作，牽引封鎖。需要查找接地故障。

牽引逆變器過電流保護

當每相電流＞700a時，過流保護，inv暫停工作，當電流＜595a時，過流故障消除，inv復位。若在90秒內瞬時出現5次過流故障，或者一次過流時間超過5秒鐘，inv封鎖、牽引封鎖、制動斬波封鎖。

第4章結束語

在此論文撰寫過程中，要特別感謝我的指導老師邵瑞的精心指導，同時感謝她不厭其煩的幫助我對我的論文進行修改和改進。沒有邵老師的幫助也就沒有今天的這篇論文。三年的學習經歷是苦澀的，但又是快樂的，從中我學會了許多專業知識，讓我可以完成我的畢業設計，在這裏我還要感謝我的班主任李燕老師，謝謝她在這三年中為我們的發展所付出的辛勞，她不求回報，無私奉獻的精神很讓我感動。感謝我的同學馮超，在我寫論文的過程中給予我了很多素材，感謝你在我完成本篇論文過程中提供的熱情幫助，然後還要感謝大學三年來所有的老師，為我打下堅實的專業知識，同時還要感謝這篇論文所涉及到的各位學者。本文引用了數位學者的研究文獻，如果沒有各位學者的研究成果的幫助和啟發，我將很難完成本篇論文的寫作，在此，向各學術界的前輩們致敬！

參考文獻

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