城轨车辆辅助电路分析及故障排除设计毕业设计说明书(编辑修改稿)

城轨车辆辅助电路分析及故障排除设计毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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 8 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177。 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 1％ ) (5) 输出频率： 50 (1+1％ )Hz (6) 效率： (一般要求全负荷时 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177。 30％时，要求其输出电压瞬间变化范围不超过177。 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， 380V／ 220V 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 9 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 DC／ DC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。 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。 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。 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（ 2～ 3min）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。 ，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。 10 第 2 章 辅助供电系统供电电路的应用 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。 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 21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， BuckBoost 型 DC/AC 逆变器。 11 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 22Buck 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 S1S4。 滤波电容 C1和 C2，续流 二极管 D1D4，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 23所示即为逆变器的基本工作原理。 图 23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 24所 示电路由两组双向Buck 变换器组成。 如图 25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 26所示 一对互补控制的开关管曲线图 12 图 24两组双向 Buck 变换器 图 25一对互补控制的开关管 图 26一对互补控制的开关管 曲线图 13 Boost 型 AC/AC 逆变器 Boost 型 DC/AC 逆变器电路基本拓扑如图 27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 S1S4，滤波电容 C1和 C2，续流 二极管 D1D4，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 = V1V2，是一个正弦电压。 图 27Boost 型 DC/AC 逆变器电路基本拓扑 BuckBoost 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。 一般认为， DCAC逆变器的发展可以分为如下两个阶段。 1， 19561980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， 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。 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。 14 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。 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 28所示。 CHO 为升 /降压器 ,一般有斩波降压 (如图 28)和逆变降压 (如图 29)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 A C 3 8 0 V , 50Hz 电压。 另有 2个变压器 T T2由 AC380V 供电。 分别经降压、整流、滤波后输出 DC110V 和DC24V。 图 28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 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 15 于 DC750V 的供电系统来。