列车电力传动与控制第4章牵引变流器电路
城轨牵引逆变器主电路图
如法国的TGV—PSE动车组，其编组为10辆， 两端为动力车．每端有3台动力转向架，动力车采 用交直流传动、直流牵引电动机驱动，每台动力 转向架的牵引功率为2×525千瓦，总牵引功率为 6300千瓦，最高运行速度为270公里／小时；
法国以后又发展为TGV—A动车组，其编组仍为10 辆，两端为动力车，动力车改用三相交流传动同步 牵引电动机驱动，每辆动力车的牵引功率为4400千 瓦，总牵引功率达8800千瓦，比TGV—PSE动车组的 总功率大1.4倍，因而其最高运行速度可达300公里 ／小时。
动力分散动车组是当今世界高速动车组技术发展的方向。
第二节 高速受电弓技术
1．高速受电的特点
目前世界各国最高运行速度在200公里／小时 以上的高速列车，除英国的HST高速列车由内燃动 车牵引外，其余均采用电力牵引。
与常速列车的电力牵引相比较，高速列车电力 牵引的受电有一些特点。
特点一
高速列车的行车速度较常速列车高得多， 因化受电弓沿接触间导线移动的速度大大加快。 这就使接触网与受电的波动特性发生变化，从 而对受电产生影响；
总牵引功率为 总牵引功率为 总牵引功率为
6400千瓦
8800千瓦
13600千瓦
上述计算所得数据表明： 从常规速度级提高到第一速度级，速度增加—倍，
而所需的总牵引功率需要增加4倍。 这不仅是因为牵引功率与最高运行速度成正比
(由公式可知)，更主要的是因为在高速情况下，列 车单位阻力要比常速情况下大大增加的缘故。
从速度看，己开行的高速列车的最高运行速度可 以划分为三个等级： 1．第一速度级 最高运行速度为200-250公里／小时 2．第二速度级 最高运行速度为250-300公里／小时 3．第三速度级 最高运行速度为300公里／小时
HXD1型电力机车-电气原理
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四、电气原理图说明
电气原理图电气设备代码
电气设备代码前缀” -”字母代码，依据标准DIN EN 61346 －2，具体电气设备清单见ZL功能区，举例如下： A 装配、子装配 C 电容 E 杂项，如照明装置、加热装置 K 传感器，接触器 L 互感器 M 电机 S 开关，转换器 T 变压器 X 端子、插头、插座 „„
一、主电路原理
高压隔离开关
网侧主要部件介绍
额定电压： 25 kV 额定电流：400 A
短时耐受电流：8 kA,1s
机械寿命：20000次 驱动方式：手动
一、主电路原理
网侧主要部件介绍
高压电缆总成
形式：单T型
电缆截面积：95mm2 额定电压：25kV 正常工作电压：17.5 kV～31 kV
一、主电路原理
主传动系统
网侧受流原理
升单个受电弓的 网侧电路原理图
升双受电弓的 网侧电路原理图
一、主电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ原理
网侧检测原理
网侧电路中的高压电压互感器、原边电流互感器和回流电流互感器 等测量器件，用于向机车控制系统、牵引控制单元和能耗表等提供网侧 电压和电流信号。能耗表用于显示机车从电网取得的电能和机车再生制 动向电网反馈的电能。
一、主电路原理
网侧主要部件介绍
高压电压互感器
形式：干式 一次额定电压：25kV 额定频率：50 Hz/60 Hz
二次额定电压：150V
准确级次：C1. 05级 额定输出容量：2×10VA 爬电距离：875mm
一、主电路原理
主断路器（含接地开关）
网侧主要部件介绍
主断路器技术参数
额定电压：25kV
主变压器为卧式变压器，主变压器和谐振电抗器安装在变压器油箱内，采用油循环强迫 风冷。主变压器设有压力释放阀。
列车电力传动与控制 课后习题参考答案
第一章1.试述交-直流传动电力机车的主要缺陷及评价标准。
答：交-直流传动电力机车的主要缺陷是功率因数偏低，谐波电流偏大，对电网与广播通信系统产生不利影响。
评价标准：采用功率因数PF和谐波干扰电流作为评价标准2.简述功率因数的概念，提高交-直流传动电力机车功率因数的主要措施。
答：在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S.提高功率因数的主要措施：（1）选择合适的整流调压电路（2）采用功率因数补偿电路3.试述交-直流传动电力机车的调速方法及相互关系答：交-直流传动电力机车的调速是通过调节直流（脉流）牵引电动机的转速来实现的，直流牵引电动机的调速主要有两种（1）改变电枢电压调速（2）磁场削弱调速相互关系：在交-直流传动电力机车中只有当调压资源用尽后才能开始实施磁场削弱调速4．分析三段不等分半控桥电路的调压过程及输出关系、波形。
答：调压过程：升压调压过程第一段：普通半控桥（大桥）首先工作，VT1、VT2触发导通，调节α1进行移相控制，直至其全开放，输出电压由零均匀地调至额定输出电压的一半。
此阶段中抽式半控桥（小桥1、2）始终被封锁，α2＝α3＝π，由VD3、VD4提供续流通路。
第二段：保持普通半控桥VT1、VT2的全导通状态，α1＝0，中抽式半控桥中小桥1投入工作，小桥2仍然被封锁，触发VT3、VT4使其导通，调节α2进行移相控制，输出电压在1/2U d基础上递增。
当VT3、VT4全开放时，α2=0，输出电压达到额定输出电压的3/4第三段：保持普通半控桥、小桥1处于全开放状态，小桥2投入工作，触发VT5、VT6导通，调节α3进行移相控制，输出电压将在3/4基础上递增。
当VT5、VT6全开放时，输出电压达到额定值。
至此，升高电压的调节过程全部结束。
降压顺序控制过程与上述升压控制过程相反。
输出关系：第一段大桥：0≤α1＜π，α2=α3=πU d=U d1=1/4U d0(1+cosα1) 0≤U d≤1/2U d0第二段大桥1：0≤α2＜π，α1=0，α3=πU d2=1/8U d0（1+cosα2）U d=U d1+U d2=1/8U d0（5+cosα2）, 1/2U d0＜U d≤3/4U d0第三段大桥2：0≤α3＜π，α1=α2=0U d3=1/8U d0（1+cosα3）U d=U d1+U d2+ U d3=1/8U d0（7+cosα3）, 3/4U d0＜U d≤U d0输出波形：5.试述交-直流传动电力机车主电路的选择原则原则：1.若需要进行再生制动，整流电路必须采用全控桥式；若需要电阻制动，可选用半控桥式；2.客用机车采用无级磁削方式，货运机车采用有级磁削方式，一般为3级。
CRH5动车组牵引传动系统
臂间，这种结构使滑板在机车运行方向上移动灵活，而且能够缓冲各方向上的冲击，达到保 护滑板的目的。
对于不同型号和不同速度等级的机车，受电弓的空气动力可以通过安装弓头翼片来进行 调节（如果选装）。自动降弓装置可以监测到滑板的使用情况，如果滑板磨耗到限或受冲击 断裂后，受电弓会迅速自动降下，防止弓网事故进一步扩大。
断路器将列车过控 制电磁铁和其感应线圈动作来完成。电磁励磁是在切换之后（由设备内部的一个接触器 完成），给设备内的电容充电大约1秒钟。打开电路断路器可以通过给其感应线圈断电来 完成。
关闭时：电磁铁向第 2 个作动杆提供机械力。第 2 个作动杆使用传动杆推动第 1 个作动 杆（比率为 3）。作用在真空断路器触点水平位置的力确保 DJ 可以断开。施加的力约为 260kg， 对于 9.1mm 触点间隙的关闭速度为 0.5m/s。 打开时：当电磁铁断电时，复位弹簧将打开主触点。打开速度约为 0.55m/s。阻尼器用于平 稳打开，并可以避免真空断路器波纹管的任何机械损伤。
受电弓
接触网
高压 电缆
牵引电 机
变压 器
变流 器
图4-1 牵引传动系统工作原理示意图
CRH5 型动车组牵引系统主变压器使用油冷方式。异步牵引电机的功率为 550kW，采用体 悬方式，由万向轴传递牵引力。动车组有两个相对独立的主牵引系统，每个牵引单元配备一 个完整的集电、牵引及辅助系统，以实现所需的牵引和辅助电路冗余，其中一个单元由 3 辆动车加 1 辆拖车构成（M-M-T-M），另一个单元由 2 辆动车加 2 辆拖车构成（T-T-M-M）。见 图 4-2。
6-安全阀；8-绝缘管；12-气囊驱动装置； 14-电控阀；15-车顶；16-阀板
的升弓装置压力下降，这时，压缩空气会从快速 图4-6 受电弓气囊驱动装置供气原理图
第四章 交流传动系统的主电路及其控制方式
第四章交流传动系统的主电路及其控制方式判断题1.牵引逆变器可以分成电压源型和电流源型两种，为同步电机供电的大多采用电压源型逆变器，为异步电机供电的大多采用电流源型逆变器。
×2.逆变器采用PWM控制技术可以减少输出电压谐波。
√3.在载波频率较高情况下，一般不采用同步调制。
√4.相比电压空间矢量脉宽调制，采用SPWM可以提高直流电压利用率。
×5.两电平逆变器的SVPWM控制可以用在正弦调制波中加入零序分量的载波PWM与其等效。
√6.我国交流传动电力机车和高速动车组全部采用电压源逆变器。
√7.三相三电平可以输出27种开关状态组合，对应地在α，β平面上只对应着18个基本空间矢量。
×8.两电平牵引逆变器的开关总共有8种组合，在α，β平面上只对应着7个基本空间矢量。
√9.PWM控制的做法就是把每一个扇区再分成若干个对应于时间Ts的小区间，Ts越小，电机旋转磁场更接近于圆形。
√10.两电平SVPWM控制中，改变开关工作状态的顺序不影响开关损耗。
×11.在三电平牵引逆变器的基本矢量中，长矢量和中矢量不影响中点电压。
×12.三电平牵引逆变器基本矢量中，影响中点电压最根本原因是不为零的中点电流。
√13.两电平逆变器的SVPWM控制中，选择只采用一种零矢量作用并不能减少开关损耗。
×14.牵引逆变器方波控制即单脉冲控制，是指输出交流量的每半个周期中只有一个电压或电流脉冲，其输出量的有效值由脉冲周期进行调节。
×15.同步调制的优点是在开关频率较低时可以保持输出波形的对称性。
√选择题1.若要改变电压型逆变电路的输出负载电压，可采用的方法有______（A）A. 调节直流侧电压B. 调节直流侧电流C. 调节电路工作频率D. 改变空间矢量脉宽调制的矢量作用顺序 2. 改变载波频率可改变PWM逆变器的______（A ）A. 开关频率B. 输出信号波频率C. 调制信号波频率D. 输出信号波幅值3. 若要增大SPWM 逆变器的输出电压基波幅值，可采用的控制方法是______（C ）A. 增大三角波幅度B. 增大三角波频率C. 增大正弦调制波幅度D. 增大正弦调制波频率 4. 以下哪项不是衡量PWM控制方法优劣的标志______（B ）A. 输出波形中谐波的含量B. 输出电压的幅值C. 直流电压利用率D. 器件开关次数5. 在电力牵引逆变器控制中，在低频起动阶段到最终的控制方式依次为______ （D ）A. 分段同步调制，方波控制，异步调制B. 分段同步调制，异步调制，方波控制C. 方波控制，异步调制，分段同步调制D. 异步调制，分段同步调制，方波控制6. 两电平牵引逆变器各工作状态对应输出的线电压值有______ （D ）A. U d ，–U d 两种B. d 23U ,d2-3U 两种C. U d , –U d ,d 23U ,d2-3U 四种 D. U d ，–U d 和0三种7. 为克服同步调制方法的缺点，通常采用分段同步调制的方法，在输出频率高的频段一般采用______的载波比，在输出频率较低的频段采用______的载波比。
列车电力传动与控制第4章牵引变流器电路
牵引变流器
中工作。作为电力牵引用的变流器，相应地能够实现牵引、
制动状态下前进、后退四种工况。
电力机车/EMU交-直-交流传动系统，网侧采用四象限脉 冲整流器，构成交-直部分。负载侧采用三相逆变器，形成
直-交部分。中间环节为支撑电容和二次波滤波环节。
四象限脉冲整流器的突出优点是网侧功率因数高，可达 到1，等效谐波干扰电流小。 两点式脉冲整流器主电路元件可用两个理想开关 SA、SB 等效，其开关函数可表示为
波分量，改善转矩脉动状况并减少损耗。起动完成后，通过
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牵引变流器
接触器把它短接。
当列车进行再生制动时，整个系统的工作原理及方式没
有发生什么变化，主电路结构也不发生任何变化。为了使牵 引电动机能够进入发电机状态，控制系统应使异步牵引电动
机工作在负的转差频率下。
在交流传动电力机车发展的初期，为保证电气制动的可 靠性和安全性，还装有制动电阻和转换开关。如果电网不能 接受再生能量或网侧整流器发生故障，应立即在无电流状态 下接入制动电阻。
可以调节从电网输入的电流相位，使所取电流波形接近正弦
波形，并能在广泛的负载范围内，使列车的功率因数接近于 或达到1，电网只提供有功电能，对减小通讯信号的谐波干
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C2
Cd
L2
A
B C
图4–1 两点式变流器电路原理图
牵引变流器
扰和充分利用电网的传输功率方面都具有很重要的意义。另 外，四象限变流器能很方便地实现牵引和再生制动之间的能 量转换，能取得显著的节能效果。 四象限脉冲整流器将来自牵引绕组的单相交流电压变换
机车车辆传动与控制作业参考答案(3-4章)
一、名词解释：1. 转差率旋转磁场的转速n1与转子转速n 的差值称为转差，用△n 表示。
转差△n 与同步转速n1的比值称为转差率，用s 表示，即：()%100n n -n S 11⨯=转差率是表征感应电动机运行状态的一个重要参量。
一般情况下，异步电动机的转差率变化不大，空载时约为0.5％，额定负载时约为5％，异步牵引电动机的转差率一般小2％。
2. 转差频率 转差频率就是转差对应的频率，即⎥⎥⎥⎦⎤====12121111sf f f f f f -f n n -n s3. 电流型牵引变流器 交-直-交流传动系统中，牵引变流器由网侧整流器、直流中间环节、电动机侧逆变器及控制装置组成。
整流器的作用是把来自接触网的单相交流电压变换为直流。
直流中间环节由滤波电容器或电感组成，其作用是储能和滤波，获得平直的直流电。
逆变器的作用是将中间环节平直的直流电，通过一定的控制策略，变换为频率、电压可调的三相脉冲交流电，供给交流牵引电动机，通过能量转换驱动列车。
根据中间直流环节滤波元件的不同，牵引变流器可分为电压型和电流型两种。
电流型牵引变流器直流中间环节的储能器采用电感，相当于恒流源，向逆变器输出的是恒定的直流电流。
4. 电压型牵引变流器交-直-交流传动系统中，牵引变流器由网侧整流器、直流中间环节、电动机侧逆变器及控制装置组成。
整流器的作用是把来自接触网的单相交流电压变换为直流。
直流中间环节由滤波电容器或电感组成，其作用是储能和滤波，获得平直的直流电。
逆变器的作用是将中间环节平直的直流电，通过一定的控制策略，变换为频率、电压可调的三相脉冲交流电，供给交流牵引电动机，通过能量转换驱动列车。
根据中间直流环节滤波元件的不同，牵引变流器可分为电压型和电流型两种。
电压型变流器直流中间环节的储能器采用电容器，向逆变器输出的是恒定的直流电压，相当于电压源。
5. 两电平式逆变器逆变器将直流转换为交流。
两电平式逆变器，把直流中间环节的正极电位或负极电位接到电动机上，即逆变器的输出相电压为两种电平。
电力机车控制第四章 电力牵引交流传动技术
1．旋转电动机驱动的地铁、城轨列车
2. 直线电动机驱动的城轨列车 （1）直线电动机基本结构。 （2）直线电动机工作原理。 3．中低速磁悬浮列车 （1）推斥型磁悬浮列车。 （2）吸力型磁悬浮列车。
第二节 交流传动机车的工作原理
第二节 交流传动机车的工作原理
第二节 交流传动机车的工作原理
三、直接转矩控制
直接转矩控制的思路是将逆变器和电动机作为一个整体来考 虑，它包含两层含义：一是保持定子总磁链基本恒定；二是对电
机转矩进行直接控制。通过对逆变器的开关控制，一方面实现磁
链的幅值控制，另一方面实现电动机转矩控制。
第五节 交流传动电力机车的调速控制
第六节 交流传动机车的牵引特性与控制策略
第四节 变流装置的结构组成及冷却
二、辅助变流器的结构组成 三、牵引变流器的冷却
1．冷却系统的组成
2．冷却系统的保护
四、辅助变流器的冷却
第五节 交流传动电力机车的调速控制
一、转差频率控制
第五节 交流传动电力机车的调速控制
第五节 交流传动电力机车的调速控制
二、矢量控制
随着现代控制理论和控制技术的发展六节 交流传动机车的牵引特性与控制策略
第六节 交流传动机车的牵引特性与控制策略
第六节 交流传动机车的牵引特性与控制策略
变换装置结构紧凑，便于安装。图4.14及图4.15为三组牵引变流
器各部件在电源变换装置中的配置图。
第四节 变流装置的结构组成及冷却
第四节 变流装置的结构组成及冷却
第四节 变流装置的结构组成及冷却
2．牵引变流器的主要构成部件
牵引变流器的主要构成部件如表4.3所示。
第四节 变流装置的结构组成及冷却
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压源；电流型变流器直流中间环节的储能器采用电感，相当
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牵引变流器
于恒流源，向逆变器输出的是恒定的直流电流。 在交-直-交流传动系统中，牵引变流器与牵引电动机之 间互为电源，又互为负载。牵引电动机一般为异步电动机。 在牵引工况，若从负载端来看变流器可分为电压型和电流型 两种。由于电压型变流器相对于电流型变流器具有较大的优 势，所以在现代轨道列车交流传动领域大多都采用电压型逆 变器。电流型变流器只为同步电动机供电或在一些城市、市 郊轨道运输装备中使用。 交流传动内燃机车等自备能源的列车，变流器由不可控 整流器和PWM逆变器组成，动力制动一般采用电阻制动。 电力机车/EMU牵引变流器由网侧整流器和电动机侧逆变 器两部分组成，无论是网侧的整流器还是电动机侧的逆变器
列车电力传动与控制
牵引变流器
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第4章 牵引变流器
4.1 两电平式牵引变流器
4.2 三电平式牵引变流器
4.3 变流器的设计
牵引变流器
第4章 牵引变流器
牵引变流器是交流传动系统的核心部件，能够实现四象 限运行，满足列车牵引、制动需要。牵引变流器的基本功能 是，把来自接触网或其它交流电源的交流电压，最终变换为 频率、幅值可调的三相交流电压，供给交流牵引电动机，将 电能转换为机械能，输出转矩驱动动轮旋转，在轮轨间产生
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牵引变流器
都属于开关电路，电路中开关器件的周期性通断，从根本上
破坏了交流电压、电流的正弦波形和连续性，在电压、电流 中产生了高次谐波，不仅给污染了电网，而且使电动机运行
性能恶化，谐波电流产生的脉动转矩将使电动机产生振动、
噪音，影响稳定运行。减小谐波和电流型两种。由于电压型变
成直流电，通过滤波储能元件建立稳定的中间直流电压。逆
变器把中间回路直流电压变成幅值和频率可调的三相交流电 压，供给异步牵引电动机。在起动阶段，逆变器按脉宽调制
模式进行控制，恒压频比输出。当逆变器输出达到规定值(基
频)后，转入方波控制模式。有时在逆变器和异步牵引电动机 之间串入平波电抗器，用以抑制起动过程中电动机电流的谐
波分量，改善转矩脉动状况并减少损耗。起动完成后，通过
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牵引变流器
接触器把它短接。
当列车进行再生制动时，整个系统的工作原理及方式没
有发生什么变化，主电路结构也不发生任何变化。为了使牵 引电动机能够进入发电机状态，控制系统应使异步牵引电动
机工作在负的转差频率下。
在交流传动电力机车发展的初期，为保证电气制动的可 靠性和安全性，还装有制动电阻和转换开关。如果电网不能 接受再生能量或网侧整流器发生故障，应立即在无电流状态 下接入制动电阻。
讲，这种装臵可以由一个无储能部分的变流器和一个分离的 储能器组成。
为了在交流供电网中既保持较高的功率因数,又获得平
把直流中间环节的正极电位或负极电位接到电动机上去；三 电平式逆变器，除了把直流中间环节的正极或负极电位送到
电动机上去以外，还可以把直流中间环节的中点电位送到电
动机上去，含有较少的谐波，其输出波形得到了改善，但需 要更多的器件。
8kV 在交流传动领域，当中间电路直流电压 U d 2.7kV ~ 2.时，
牵引力或制动力，使列车运行。在列车电力传动系统中，由
于受调速范围的限制，只能采用交-直-交流传动控制技术。 交-直-交流传动控制由两部分组成，即网(电源)侧整流
器控制和电动机(负载)侧逆变器控制。
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牵引变流器
交-直-交流传动系统变流器由网侧整流器、直流中间环 节、电动机侧逆变器及控制装臵组成。整流器的作用是把来 自接触网的单相交流电压或同步发电机产生的三相交流电压 变换为直流。直流中间环节由滤波电容器或电感组成，其作
流器相对于电流型变流器具有较大的优势，所以在现代轨道
列车交流传动领域大多都采用电压型逆变器。电压型变流器 的驱动，一般采用“四象限脉冲整流器＋中间直流电路＋电 压型逆变器＋异步牵引电动机”的方式。
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牵引变流器
根据逆变器输出交流侧相电压的可能取值情况，将电压
型逆变器分为两电平式和三电平式。二电平式逆变器，可以
主电路中变流器通常采用两电平式电路；当 采用三电平式电路结构。
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U d 时，宜 3kV
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牵引变流器
4.1 两电平式牵引变流器
在交-直-交流传动电力机车/EMU系统，典型的两电平 式牵引变流器电路，主要由两电平式四象限脉冲整流器、中 间直流电压回路和两电平式PWM逆变器组成，由牵引变压器 的二次绕组供电，电路结构如图4—1所示。 在交-直-交流传动电力机车/EMU中，电源侧变流器采 用四象限调节整流器（4qc），它通过PWM斩波控制方法，
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牵引变流器
4.1.1两电平式四象限脉冲整流器 1.工作原理 在传统的变流技术中，几乎全部采用平波电抗器来达到
使直流量平直的目的。在由单相交流电网供电时，是以电网
提供无功功率、引起波形畸变为代价，完成了交-直流变换。 一个理想的交--直流变流器，应该在直流侧提供平直的直流
电流和直流电压，而仅从交流电网吸取有功功率。从原理上
用是储能和滤波。逆变器的作用是将中间环节平直的直流电，
通过一定的控制策略，变换为频率、电压可调的三相脉冲交 流电，供给交流牵引电动机，进行能量转换驱动列车。
牵引变流器根据中间直流环节滤波元件的不同，可分为
电压型和电流型两种。电压型变流器直流中间环节的储能器 采用电容器，向逆变器输出的是恒定的直流电压，相当于恒
可以调节从电网输入的电流相位，使所取电流波形接近正弦
波形，并能在广泛的负载范围内，使列车的功率因数接近于 或达到1，电网只提供有功电能，对减小通讯信号的谐波干
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C2
Cd
L2
A
B C
图4–1 两点式变流器电路原理图
牵引变流器
扰和充分利用电网的传输功率方面都具有很重要的意义。另 外，四象限变流器能很方便地实现牵引和再生制动之间的能 量转换，能取得显著的节能效果。 四象限脉冲整流器将来自牵引绕组的单相交流电压变换