第三章 四象限整流器
四象限脉冲整流器IGBT开路故障检测
四象限脉冲整流器IGBT开路故障检测韩红彬;丁丽娜【摘要】四象限脉冲整流器广泛应用于电力牵引传动系统.IGBT是脉冲整流器的核心器件,易发生故障,对其开路故障检测进行了研究.首先分析了脉冲整流器IGBT 开路故障下的特征.然后用网侧电流平均值除以电流绝对值的平均值,设为检测变量,对各功率等级、各故障下的检测变量进行分析,总结出设置阈值的方法;最后通过硬件在环仿真验证了检测方法的有效性.%Four-quadrant pulse converters were widely applied in electric traction drive systems.IGBT was the core device of the four-quadrant pulse converter,which was prone to fail.IGBT open-circuit fault detection for fourquadrant pulse converters wasstudied.Firstly,the characteristics of the open-circuit faults were analyzed.Then the average value of the grid current was divided by the average value of the current's absolute value as the detection variable.The detection variable under different power level and each fault was analyzed and the threshold was decided by the detection variable with rated power.Finally,the effectiveness of the detection method was verified by hardwarein-the-loop simulation.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2017(044)008【总页数】4页(P95-98)【关键词】故障检测;IGBT;开路故障;四象限脉冲整流器【作者】韩红彬;丁丽娜【作者单位】中车大连电力牵引研发中心有限公司,辽宁大连116052;大连海洋大学信息工程学院,辽宁大连116023【正文语种】中文【中图分类】TM921.45四象限脉冲整流器能输出稳定的直流电压，且网侧电流正弦度较高，能实现近似单位功率因数，因此被广泛应用于电力牵引传动系统[1-4]。
四象限脉冲整流器的一种控制方法与仿真
四象限脉冲整流器的一种控制方法与仿真No.O1.2011北京电力高等专科学校BeijingElectricPowerCollege电子,通信与自动控制固四象限脉冲整流器的一种控制方法与仿真朱闻名贺升学(西南交通大学电气工程学院,四川成都610031)摘要:本文主要简述两重四象限整流技术的特点,主电路拓扑结构及数学模型.通过采用瞬态电流控制方法来减少整流器网侧谐波量提高交流侧电压电流的功率因数,输出稳定的直流电压,并通过仿真进行验证关键词:两重四象限整流器;瞬态电流控制;仿真中图分类号:TM92'文献标识码:A一,两重四象限整流器的工作原理与数学模型两重四象限整流技术就是将两个两电平四象限整流器并联起来共同给直流负载供电的技术.两重四象限整流技术是2个4QC并联为直流负载供电,中间电容部分存储能量,输出平滑的直流电压,当其中一个整流器出现故障时,另一个仍可以继续工作,这大大提高了系统直流供电质量与可靠性.'(一)四象限整流器的结构与原理图1为四象限整流器电路图….其中LN与RN为折合到二次侧的牵引变压器的漏感和电阻,L与C为二次滤波回路,cd为支撑电容.通过对开关进行导通与关断对直流侧电压进行调制,这样在变流器的输入端生成一个与电网电压同步的脉宽调制波,由四象限整流器等效图,可以得出等效的平衡式:N:jmLNINRNINUs当一定,的幅值和相位由的幅值及其与的相位差来决定,脉冲整流器可以工作在牵引与再生制动两种工况.由公式看出:只要控制了的幅值和相位,就控制了的幅值和相位.二,整流器的控制方法对于四象限电压型整流器,控制方法有间接电流控制和直接电流控制.间接电流控制没有电流反馈回路,结构虽然简单,但是不能很好的使电流跟踪电压,效果不是很理想.直接电流控制应用比较多,尤其瞬态电流控制方法目前广泛应用在动车组变流器,效果优势明显,控制结构相对简单.(一)瞬态电流控制的原理瞬态电流控制公式如下:,M=(乙一Ua)+I/T一I:iJd}UNIN=1+I(,)=o'._(,v风sinta+oosca)sinca-6Xt)其中K1和T为调节器参数;K为比例放大系数;Ia,u一分别为中间直流环节电流和中间直流环节电压;u(t),U为二次侧电压瞬时值和有效值;U为中间直流环节电压的给定值.(二)瞬态电流控制框图图2为瞬态电流的控制框图,通过比较运算后最终输出参考电压,并与三角载波比较生成P_lI『M信号驱动开关.8图2为瞬态电流控制框图三,仿真分析(一)仿真模型根据整流结构搭建MATLAB/SIMULINK仿真模型,模型包括变压器二术.文章编号:1009-0118(2011)一O1—0008一O1次侧漏感和电阻,单相两点平整流模块,滤波电路,支撑电容,阻性负载及瞬态电流控制模块.(三)仿真结果分析通过使用瞬态电流控制策略对两重四象限整流器进行仿真,主要对交流侧功率因数,整流器输入电压及直流侧电压和电流等进行仿真分析.直流电压给定值为3000V,交流输入电流为2500V,采用离散方式,两个整流器的控制模块中,采用三角载波,将两载波的相位差调整为90度.l,交流侧电压与电流交济洌电流具有稳定值,且能稳定迅速地跟随电压,保持着高的功率因数. 2,整流器输入端电压输入端电压在短时间内呈现为一系列的正弦脉冲波,且幅值基本稳定,基本符合整流器电压输入要求.3,直流侧电压与电流西3为直流负载电流～一～,图4为直流侧负载电压从图3,图4看出,直流侧电压与电流能迅速稳定,直流侧直流电压给定值为3000V,从图4看出,直流电压值保持在3000V左右,为逆变器与电机提供了稳定的电源.四,结束语本文主要讲述了动车组两重四象限整流器的结构,原理,并通过使用瞬态电流控制法对整流器进行了仿真控制.从仿真结果看对整流器的控制效果比较满意,功率因数接近1,直流侧电压稳定在额定值,是两重四象限整流器一种理想的控制方法.目前,两重四象限整流技术已经用于高速列车变流器中,但是本文将逆变与电机部分理想等效为了电阻负载,与实际的控制效果还有一定的差距,还需要更接近实际的仿真研究.参考文献:f1]李伟,张黎.交一直一交传动系统网侧变流器预测电流控制方法的计算机仿真及实现中国铁道科学,2002,23,(6).f2]邹仁.四象限变流器瞬态电流控制的仿真研究Ⅱ].机车电传动,2003,(6).[31章志兵,张志学.单相三电平整流器控制方法及中点平衡的研究Ⅱ】.机车电传,2008,(4).[4]宋文胜,刘志敏,冯晓云.四象限变流器控制策略研究与仿真Ⅱ】.电力机车与城轨车辆,2007,30,(2].作者简介:朱闻名(1984一),男,汉族,湖南常德人,西南交通大学电气工程学院硕士,电力电子与电力传动专业,研究方向:电力电子变流技..。
电力机车主电路和辅助电路
补充1：各种励磁方式直流牵引电动机的特性分析
一、串励和并励牵引 电动机的特性比较
（比较速度特性） 1、自调节性能 串励：转速随负载的
增加下降很多。 并励：转速随负载的
增加下降很少。
结论：串励电动机的牵引力和速度 能够按机车运行条件自动进行调节， 在重载或上坡时，随机车速度的降 低，转矩自动增大，使机车发挥较 大牵引力；在轻载或平道运行时， 机车牵引力减少，使机车具有较高 的速度。
５、空转过程（28页）
空转—— 牵引时，牵引力大于轮 轨间的粘着力，轮轨间 发生相对滑动的现象。
滑行—— 制动时，制动力大于轮 轨间的粘着力，轮轨间 发生相对滑动的现象。
空转过程分析：
初始工作点为A，对应转速
为n1，AB为其自然机械特
性。当偶然原因使粘着系数
下降时，粘着牵引力曲线变为
① 电器控制
功能：完成电路和气路的开关及逻辑互锁；
特点：电动或气动的逻辑开关．
包括：继电器、电控阀、气动开关等。
近年来生产机车上的逻辑联锁已由逻辑控制 单元（LCU)完成。
② 电子控制
功能：配合主辅助电路完成机车的控制；
特点：弱电控制、控制复杂；
包括：给定积分器、特性控制、防空转／防 滑、移相控制、功率放大、脉冲变压器等 控制单元。
再生制动
定义：制动时将牵引电动机作发电机运行， 发出的电回馈给电网。
优点：具有巨大的节能效益。
缺点：功率因素低；谐波增加，对电网干 扰大；控制系统比较复杂；再生制动必须 采用全控桥，对触发系统的可靠性要求高； 电气制动时制动力集中作用于动轮，车辆 上将会产生横向作用力，对线路和机车提 出了更高的要求。
（1）集中供电
四象限整流器试验工装
四象限整流器试验工装一、四象限整流器概述四象限整流器是一种电力电子器件，具有高效、高可靠性、低噪音等特点。
它能够在电气系统中实现整流、逆变、斩波等多种功能，广泛应用于电动汽车、新能源、工业控制等领域。
二、四象限整流器试验工装的重要性四象限整流器试验工装是进行四象限整流器性能测试和质量检验的关键设备。
通过试验工装，可以有效评估四象限整流器的电气特性、安全性、可靠性等指标，确保其在实际应用中的稳定运行。
三、四象限整流器试验工装的设计与原理四象限整流器试验工装主要由电源系统、控制系统、检测系统、保护系统等部分组成。
试验工装的工作原理是根据四象限整流器的技术要求，对电源、负载、控制信号等进行合理配置，实现对四象限整流器的试验目的。
四、四象限整流器试验工装的应用领域四象限整流器试验工装广泛应用于新能源汽车、电力电子、工业自动化等行业。
通过试验工装的辅助，可以有效提高四象限整流器的研发效率和产品质量。
五、四象限整流器试验工装的优缺点优点：试验工装具有高度集成、操作简便、试验效率高、安全性好等特点。
缺点：试验工装的投资成本较高，对维护和操作人员的要求较高。
六、如何选择合适的四象限整流器试验工装在选择四象限整流器试验工装时，应充分考虑以下因素：1.试验工装的性能指标应与四象限整流器的技术要求相匹配；2.试验工装的稳定性、可靠性要高，以确保试验结果的准确性；3.试验工装的操作界面应简单易懂，便于操作人员快速上手；4.试验工装的售后服务与技术支持要完善。
七、总结四象限整流器试验工装在电力电子行业中具有重要地位，为研发和生产高质量的四象限整流器提供了有力保障。
第三章 四象限整流器
T1
D1 a
T3
D3 Cd
iN uN
LN
RN
uab
b T2 D2 T4 D4
ud
RL
模态2，T2与T3导通，T1与T4截止
diN dt dud dt 0 1 Cd i 1 N LN 1 u d 0 Cd RL 1 LN u N
Spw
MUB
KS
ESE
CD
PWR/PWMI
TW3
TW1
1
3
4 Fahrmotoren / 4 Traction motors
TW4
TW2
VLW ASG/TCU
Trafo/ Transformer
Erdstromwandler/ Earth current transformer
Traktionscontainer/ Traction container
i1 T1
T1 t Ts
要满足快速电流跟踪要求则必须有
|i1 | -|i2 | Im sin Ts Im Ts Ts
vab 0 -vdc Ts
t
vdcT1 L I mTs
27
四象限整流器工作原理
单极性PWM电流峰值处
i
0 t T1
T1 t Ts
T1或D1导通 T2或D2导通
S B {1 0
T3或D3导通 T4或D4导通
四象限整流器工作原理
电路共有3种工作模式
SASB=00或11 SASB=01
SASB=10
16
四象限整流器工作原理
工作模式1
当UN>0和iN>0时，D1与 T3导通或T2与D4导通，牵 引绕组向LN充电，电流iN 的幅值增大，电感LN储能
HXD3运用保养(一)_第三篇 机车电气线路.
第三篇机车电气线路HX D3型交流传动货运电力机车的电气线路主要由主电路、辅助电路、控制电路、行车安全综合信息监控系统电路和空气管路系统电路组成。
1 主电路机车主电路主要由网侧电路、主变压器、主变流器及牵引电动机等组成,具体电路附后,见Traction Circuit 3W3RA217R11。
1.1 网侧电路网侧电路由2台受电弓AP1、AP2、2台高压隔离开关QS1、QS2、1个高压电流互感器TA1、1个高压电压互感器TV1、1台主断路器QF1、1台高压接地开关QS10、1台避雷器F1、主变压器原边绕组AX、1个低压电流互感器TA2和回流装置EB1~6等组成。
接触网电流通过受电弓AP1或AP2进入机车,经高压隔离开关QS1或QS2和主断路器QF1,通过高压电流互感器TA1进入车内,经25kV高压电缆与主变压器原边1U端子相连,经过主变压器原边,从1V端子流出,通过6个并联的回流装置EB1~EB6,从轮对回流至钢轨。
1.1.1 受电弓AP1、AP2采用DSA200型受电弓。
该弓采用原装德国进口件,在国内组装。
各项性能指标均高于国内同类产品,弓内装有自动降弓装置,当弓网故障时,可自动降弓保护。
1.1.2 高压隔离开关QS1、QS2采用2台BT25.04型高压隔离开关,该开关是采用电空控制方式进行转换的。
当一台受电弓发生故障接地时,可通过控制电器柜上的隔离开关SA96,将其打至对应隔离位,通过TCMS发出指令来控制相应的电空阀,实现高压隔离开关的开闭操作,以切除故障的受电弓,同时使用另一台受电弓维持机车正常运行,减少机破,提高机车运用可靠性。
1.1.3 高压电压互感器TV1采用干式高压电压互感器,其次边输出通过保护用的自动开关QA1,分别送到主变流器UM1和主变流器UM2的控制单元,作为主变流器控制的同步信号使用,还可为原边电压的检测和电度表的计量提供电压输入,其变比为25000V/100V。
1.1.4 主断路器QF1采用1台BV AC N99.205型真空断路器。
四象限脉冲整流器分析
3. 通过控制两电平、三电平脉冲整流器中开关 元件IGBT的导通和关断，在不同工作模式的 转换，实现整流和逆变的功能，进而实现直 流侧电压的稳定、能量的双向流动。
谢谢观看！
1.四象限脉冲整流器的特点
传统的相控整流器，交流电网侧 的功率因数比较低，谐波较大，直流 侧的电压脉动较大，制约了其功率发 挥及应用。
随着技术的发展，脉冲整流器应 运而生。它可以从电网获取与网压同 相位的近似正弦波的交流电流，提高 了功率因数，使电网的污染减到最小 限度。
1.四象限脉冲整流器的特点
3. 三电平脉冲整流器电路
工作模式2 (Sa=1，Sb=0)：
p
Ta1
Tb1
ip
Ta2
D1
Tb2
D2 C1 u1
Ls Rs
us is
a uab
Ta3
b Tb3
o Udc
io
C2
Ta4
D3 Tb4
D4
u 2
in n
p ip
1 Sa
Ls
Rs
a
C1
u1
is
us
uab
-1 0
o
1 Sb
Udc
b 0 io
-1 C2
1, Ti3and Ti4 on,Ti1 and Ti2 off
i=a,b
3. 三电平脉冲整流器电路
工作模式1 (Sa=1，Sb=1)：
Ta1
Ta2
Ls Rs
us is
a uab
Ta3
Ta4
Tb1 Tb2
b Tb3 Tb4
p
C1
四象限整流器工作原理
四象限整流器工作原理：四象限整流器的工作原理主要是通过交流侧的线路电抗器、电力电子器件（如GTO等）与二极管反并联组成的单相桥式整流电路，以及直流侧的支撑电容、电容与电感二次谐波滤波电路，将交流电变换成直流电。
每个桥臂电力电子器件的开关可采用三角形载波与正弦形调制波的交点来加以控制。
通常，四象限脉冲整流器后接逆变器-异步电动机，用于交-直-交流传动电力机车，适合于经常需要牵引、再生制动的调速系统。
通过控制四象限脉冲整流器，可以保持系统中间环节电压恒定，使功率因数接近1，且电流波形接近正弦。
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M 1
L
24
四象限整流器工作原理
特殊工作点
A
90。 P=0 q>0 纯感性特性
B
0。Leabharlann C-90。D
-180。
P、q取值 及状态
P>0 q=0 P=0 q>0 P<0 q=0 单位功率因数 纯容性特性 单位功率因数 整流 逆变
U m v 2 dc U 2 m 2 pw
U m 2 U m vdc 2qw
四象限整流器
北京交通大学电气工程学院 林飞
1
内容提要
• 四象限整流器简介
• 四象限整流器工作原理
• 四象限整流器控制环节 • 车网关系
2
四象限整流器简介
•四象限整流器主电路
3
四象限整流器简介
BOOST升压电路
BOOST 电路
开关闭合，电感储能，电容经负载放电 开关断开，电感释能，能量传递到电容及负载侧实现升压
t
T1 T2 Ts
U m (vdc U m ) v T Ts L dc 1 imax vdc I mTs
28
四象限整流器工作原理
双极性PWM电流过零处
0 t T1
T1 t Ts
i i △i1 0 T1 T2 t i* △i2
i U N vab 0 vab L 1 T1 i U N vab 0-vab L 2 T2
(v2dc E 2m ) v Ts L dc 2imax vdc I m
30
四象限整流器工作原理
车型 CRH1 CRH2 CRH3 CRH5
输入功率
输入电压
A 4 ×527kV · A 1285KV · 900V 1500V
A 4 ×1410KV · A 6220kV · 1550V 1770V
+
T1
D1 a
T3
D3 Cd
iN uN
LN
RN
uab
b T2 D2 T4 D4
ud
RL
模态2，T2与T3导通，T1与T4截止
diN dt dud dt 0 1 Cd i 1 N LN 1 u d 0 Cd RL 1 LN u N
Spw
MUB
KS
ESE
CD
PWR/PWMI
TW3
TW1
1
3
4 Fahrmotoren / 4 Traction motors
TW4
TW2
VLW ASG/TCU
Trafo/ Transformer
Erdstromwandler/ Earth current transformer
Traktionscontainer/ Traction container
当电流过零时，变化率最大，电感足够小，以满足此时 快速跟踪性 在正弦波电流峰值处，谐波电流脉动最严重，电感应足 够大
26
四象限整流器工作原理
单极性PWM电流过零处
0 t T1
i i △i1 0 T1 T2 t i* △i2
uN vab 0 vab L
L i2 0 T2
us
AD
im
内环控 制器 归一化 环节 数字PWM 发生器
* Ud
Im
*
im
*
+
限幅器
13
四象限整流器工作原理
考虑电压控制环存在积分环节
* * dI N d (U d ud ) * Kp Ki (U d ud ) dt dt
* dI N du * K p d Ki ud KiUd dt dt
19
四象限整流器工作原理
•四象限整流器工作原理
D
D
O1 V
A
U
VL I B 0
C
O1
A V
U
VL 0
C
I B （b）
（a）
V端点在AB上运动时，PWM整流器需从电网吸收 有功功率及感性无功功率 V端点在BC上运动时PWM整流器需从电网吸收有 功功率及容性无功功率
20
四象限整流器工作原理
* K p miN Kp dI N * ( K i )ud K iU d dt Cd Cd RL
diN dt * dI N dt dud dt
K LN K pm C d m Cd
T1或D1导通 T2或D2导通
S B {1 0
T3或D3导通 T4或D4导通
四象限整流器工作原理
电路共有3种工作模式
SASB=00或11 SASB=01
SASB=10
16
四象限整流器工作原理
工作模式1
当UN>0和iN>0时，D1与 T3导通或T2与D4导通，牵 引绕组向LN充电，电流iN 的幅值增大，电感LN储能
Energieversorgungsblock/ Auxiliary converter unit
RMUB
8
四象限整流器简介
CRH5牵引传动系统构成
9
四象限整流器特点
• 升压整流
• 能量双向流动
• 功率因数近似为1 • 电流波形正弦度高
10
四象限整流器特点
11
四象限整流器工作原理
•电路模型和状态方程
Netzstromwandler/ Line current transformer
Dachleitung/ High voltage roof line
Trafostromwandler/ Transformer current transformer
LSK
NTS; VLE
4QS/4QC 1
CSK
当UN>0和iN<0时，D3 与T1导通或T4与D2导 通,电感LN向牵引绕组 侧充电，电流iN幅值 减小，电感LN释能
diN 电网侧： u N LN dt RN iN
电容Cd向负载供电， 直流电压通过负载形 成回路释放能量，直 流电压下降
17
四象限整流器工作原理
工作模式2
diN uN U d 电网侧： RN iN LN dt
当UN>0和iN>0时，D1与D4导通， 牵引绕组和电感LN都向直流侧电容 充电，电流iN幅值减小，电感LN释 放能量，储存在电感中的能量向负 载R和电容释放，电感电流iN下降， 当UN>0和iN<0时，T1与T4导通，直 流侧电容向牵引绕组和电感LN充电， 电流iN幅值增大，电感LN储存能量
18
L< 或
U m vdc Im w
U m vdc U m 2 2(q) w
U m U 2 dc U 2 m 2( p ) w
或
v 2 dc U 2 m Im w
或
或
v 2 dc U 2 m Im w
vdc U m Im w
25
。
四象限整流器工作原理
•电感参数设计
快速电流跟踪 抑制谐波电流
四象限整流器工作原理
工作模式3
电网侧：RN iN LN
diN uN U d dt
当UN>0和iN>0时，T2和T3 导通，牵引绕组和直流侧电 容都向电感LN充电，电流iN 幅值增大。电感LN储存能量
当UN>0和iN<0时，D2与D3 导通，电感LN同时向牵引绕 组和直流侧电容，电流iN幅值 减小，电感LN释放能量
D
O1
A
U
C 0
V F
B I
Vm Mvdc
若采用三角载波SPWM控制，忽略桥路损耗
1 q U m I m sin 2
1 P U m I m cos 2
L U m 2 sin cos +U m cos U m 2 sin 2 +vdc 2 U m 2 2|p| (U m sin )2 +U m sin U m 2 sin 2 +vdc 2 U m 2 2|q|
D
I
D
I O1 A V
V
U
0
VL
C
O1
A
U
VL 0
C
B
(d)
B
(c)
V端点在CD上运动时，PWM整流器向电网传输有 功功率及容性无功功率 V端点在DA上运动时，PWM整流器向电网传输有 功功率及感性无功功率
21
四象限整流器工作原理
•电感作用
隔离电网电压与整流器交流侧电压
滤除电压源型整流器交流侧谐波电流 向电网传输无功功率
模态1，T1与T4导通，T2与T3截止
diN dt dud dt 0 1 Cd 1 1 LN iN LN ud 1 0 Cd RL u N
vd -Vd0 =（Id R L -Vd0）（ 1-e 1） 1 RLC
t
tr * C 0.964R L
33
四象限整流器工作原理
满足直流电压抗扰性指标时电容设计
A Id
u N vab U m 0 L
i1 T1 i2 T2
△i1
i i* △i2
uN vab U m vdc L
正弦波电流峰值附近一个PWM 开关周期中
|i1 | |i2 |
0 T1 vab 0 Ts T2 vdc