毕业设计CRH5牵引变流器原理及故障处理.docx
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毕业设计CRH5牵引变流器原理及故障处理
毕业设计:
CRH5牵引变流器原理及故障处理
2015届毕业设计任务书一、课题名称：
CRH5型动车组牵引变流器原理及故障分析二、指导教师：
邵瑞三、设计内容与具体要求1、课题概述随着我国经济不断发展,高速列车的需求量越来越大,铁路运输能力也需要进―步提高，因此掌握好高速列车的控制技术对于加快高速列车发展很有意义。
CRH5型动车组作为首批引进的高速动车组系列之一，本课题要求以CRH5型动车组变流器为主体,对交-直-交传动系统中的四象限脉冲整流器、中间稳压环节和逆变环节的工作原理进行详细分析，需要学生掌握牵引变流器主电路的结构组成、部件性能、工作原理等，并分析常见故障现象。
通过对CRH5型动车组主电路的结构组成、部件性能、工作原理、保护模式及冗余设计的情况分析，巩固电力电子技术中整流和逆变等相关基础知识，掌握其工作原理，分析常见故障，培养学生综合运用所学的基础理论、基础知识、基本技能进行分析和解决实际问题的能力，使学生掌握工程设计的一般程序和方法，完成电气工程技术人员必须具备的基本能力的培养训练。
2、设计内容与要求
（1）CRH5型动车组的基本知识
（2）牵引变流器原理分析（3）牵引变流器常见故障分析（4）按要求撰写毕业设计说明书（5）理论分析完整清楚说明：
本组同学分成三组，一组负责牵引变流器整流部分电路分析；二组负责牵引变流器逆变环节分析；三组负责牵引变流器常见故障分析。
四、设计参考书1、徐丽娟，张莹．《电力电子技术》．高等教育出版社，北京，20062、黄俊王兆安．《电力电子变流技术》．机械工业出版社，北京，19993、黄济荣.《电力牵引交流传动与控制》[M].机械工业出版社,19984、张曙光.《CRH5型动车组》.中国铁道出版社.20085、熊盛艳．《CRH5型动车组牵引变流器的研究》．西南交通大学，2013
五、设计说明书要求1、封面（宋体四号）2、目录3、内容摘要（200-400字左右，中英文）4、引言5、正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、计算、分析、论证、设计结果的说明及特点）6、结束语7、附录（参考文献、图纸、材料清单等）六、毕业设计进程安排第1周：
资料准备与借阅，了解课题思路。
第2-3周：
设计要求说明及课题内容辅导。
第4-6周：
进行毕业设计，完成说明书初稿。
第7-8周：
第一次检查，了解设计完成情况。
第9周；第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。
第10周：
毕业答辩与综合成绩评定。
七、毕业设计答辩及论文要求1、毕业设计答辩要求答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导老师审阅，由指导老师写出审阅意见。
学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。
答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、只是、设计与计算方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。
2、毕业设计论文要求文字要求：
说明书要求打印（除图纸外），不能手写，文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。
图纸要求：
按工程制图和标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。
曲线图标要求：
所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。
摘要论文首先介绍了国内外高速动车组概况及CRH5动车组参数及要求；其次主要围绕CRH5牵引变流器的结构功能，CRH5牵引变流器整流原理及CRH5牵引逆变器的工作原理进行了详细的介绍；最后介绍了CRH5牵引变流器常见故障分析及处理方法。
关键词：
牵引变流器整流器逆变器ABSTRACTFirstintroducedthegeneralsituationofhighspeedemusandCRH5EMUparametersandrequirementsthenfocusedonCRH5tractionconverter'sstructureandfunction,andCRH5tractiontractioninverterconverterrectificationprincipleandCRH5areintroducedinprinciple;Finally,CRH5commonfaultanalysisandtreatmentmethodoftractionconverter.Keywords:
tractionconverterrectifierinverter
第1章国内外高速动车组概况1.1国外高速动车组概况高速铁路是世界铁路发展的亮点，是铁路现代高新技术的综合集成，而高速列车时高速铁路的技术核心，是机车车辆现代化的具体载体，是机械、电子、材料、计算机、控制等现代技术综合集成的集中体现。
1964年10月1日，世界上第一条高速铁路――日本东海道新干线的开通运营，揭开了世界铁路史上的新篇章，随着第一列新干线“光子号”从东京驶向大阪，标志着世界上真正意义的高速列车诞生。
经过40余年的发展，形成了以日本新干线、法国TGV和德国ICE高速动车组为代表的三大技术体系。
各国动车组从本国实际需要出发，具有各自的技术特色，为推动世界铁路向高速化发展起到了积极地作用。
日本式世界上最早开行高速动车组的国家，在日本计划修建东海道新干线时，其高速动车组设计就已经同步展开。
0系新干线列车成为世界上最早运行的高速动车组。
随着新干线网络的不断扩大，为了在不同的线路条件下提高列车运行速度和乘客的舒适度，降低列车对环境的影响，相关企业与研究机构在0系、100系、200系、100N系列车的基础上先后开发了300系、400系、500系、700系、N700系、800系、E1系、E2系、E3系、E4系等干线列车和WIN350、300X、STAR21、FASTECH、E954系等试验列车，共有二十余种新干线用电动车组。
自设计之初起，日本一直坚持采用动力分散作为其动车组发展模式，此外，日本新干线动车组的另一大特点是注重新技术的运用，如主动、半主动悬挂和旋转涡流制动、空气阻力制动灯技术均最早运用在新干线动车组上。
其动车组轻量化、车辆空气动力学设计水平已经走在世界前列。
作为世界铁路运输最发达的国家之一，早在1955年3月29日，法国酒创造了电力机车牵引列车331Km/h的记录，1967年5月，最高速度200Km/h的CC_6500型店里机车牵引客车实现商业运行。
然而随着社会的发展，在20世纪70年代，迅速发展的公路和航空运输使法国铁路受到了前所未有的冲击，传统铁路越来越不能适应现代深灰对铁路旅客运输的需要。
同时，1964年日本新干线建成并投入运行也大大激发了法国铁路同行的积极性。
自1967年起，法国国营铁路公司（SNCF）开始着手研究高速运输。
在设计制造高速动车组方面，法国首先是尝试将用于航空的燃气涡轮发动机用于铁路动车组。
1969年11月，法国研制成功了第一代ETG型燃气轮动车组，最高试验速度达到248Km/h。
此后，为了进一步提高燃气轮动车组质量，又研制出第二代ETG燃气轮动车组，最高试验速度为260Km/h。
为了配合在巴黎――里昂建设高速铁路，1972年，还研制了最高试验速度达到381Km/h的第三代TGV-001型燃气轮动车组。
1973年中东战争引起第一次世界石油危机后，法国开始将高速动车组技术政策转向电力牵引，并率先在欧洲实行将速度、环保意识、充分利用能源、高新技术以及经济可靠性进行综合考虑的技术方针。
1973年，法国研制出第一列Z7002电动组。
自1976年开始，法国开始着力研究交-直-交传动的TGV-A、TGV-R、TGV-2N、TGV-TMST、西班牙AVE、TGV-PBKA、TGV-K等型号的高速动车组。
其中，TGV-A325号车组与1990年5月在大西洋线创造了515.3Km/h轮轨系统高速行车的世界纪录。
在保持了17年后，该记录再次被打破，2007年4月3日，法国试验动车组V150创造了574.8Km/h的高速铁路试验速度新纪录。
近年来，法国国家铁路已经开始进行动力分散型电动车组的研究，与Alstom等共同设计的新型动力分散动车组AGV已投入试验运行。
德国是一个铁路历史悠久的国家。
与大多数欧洲国家一样，德国铁路在20世纪60年代也不得不面对公路和航空运输带来的压力。
德国的政治家比其他欧洲国家更早的认识到了铁路的重要性。
早在1970年，原联邦德国政府技术研究部就开始组织对未来长途运输系统新技术的研究。
但是在发展高速铁路采用磁悬浮技术还是轮轨技术的问题上，德国经过旷日持久的讨论，影响了德国铁路高速化的进程，1973年和1976年动工修建的两条高速新线进展换慢。
知道20世纪80年代中期，原联邦德国政府才意识到以往政策的失误，同事法国TGV类车的成功运营也刺激着素以高技术著称的德国，原联邦德国政府加快了发展高速铁路的步伐。
1982年8月，联邦铁路投资1200万马克，是指ICE试验型城际快车。
1985年，2洞3拖得ECE/V试验型高速电动车组试制成功，同年，其最高试验速度达到317Km/h。
1988年5月，ICE/V型试验列车在汉诺威――维尔兹堡间创造了406.9Km/h的高速动车组速度记录。
在ICE/V的基础上，1985年12月联邦铁路确定了ICE设计任务书，1986年开始试制ICE1型高速动车组，1990年原东、西德统一后，德国政府决定修建柏林――汉诺威的高速铁路，同事开始了第二代ICE高速动车组――ICE2的开发，1996年，改型动车组投入运用。
德国1995年开始动工修建的科隆――法兰克福的高速铁路最高运行速度提高到了300Km/h，线路最大坡度达到千分之四，既有的ICE1、ICE2型列车已经不能满足运行需要。
为此，德国铁路1994年向工业界订购了50列ICE3型动力分散电动车组并与1997年投入运行。
此外，为了在既有线路实现列车运行速度的提高，德国铁路还开发了ICT型摆式动车组。
目前，运行速度达到350Km/h的ICE21型高速电动车组正在研制中。
日本、法国和德国高速铁路的成功经验也带动了世界其他国家和地区高速铁路的发展，意大利、西班牙、瑞典、韩国和我国台湾地区均已有高速铁路投入运行。
值得一提的是，除采用日本、法国和德国的技术外，瑞典等一些国家还通过采用摆式列车提高列车的运行速度，以实现既有线路高速化，取得了良好的效果。
在今后动车组的发展中，车体结构、转向架和动力设备将不断轻型化以满足轴重减轻的要求；注重通用性和多电流制方式，满足居不同国家和地区的运营需要也是制造商普遍关注的问题；摆式车体技术、新型功率半导体器件、交流异步电动机传动将得到广泛应用；在更高的速度等级上，动力分散布置将成为动车组下一步的发展方向。
1.2国内高速铁路概况自2004年以来，我国通过引进、消化、吸收和再创新战略已完全掌握了动车组列车的总成、车体、转向架、牵引电机、牵引变压器、牵引变流器、牵引控制、列车网络控制和制动系统等9大关键技术及10项主要配套技术，实现了跨越式发展，年均增长率为72.3%，动车组的国产化程度已达到75%以上。
唐车、长客、青岛四方等承担着我国CRH2、CRH3、CRH5动车组的主要生产任务，已经成为高速动车组制造的龙头企业。
同时各项新技术也被使用，唐车轨道客车制造厂建立了300km/h高速动车组建模与仿真系统，通过基于Pro-Interlink与PLM的三维设计平台、基AutoCAD-Mechanical的二维设计平台等，对产品的相关性能进行在设计过程中分析与计算，使其投产的产品自设计之初就不断调整，从而使投产产品无设计缺陷，提高了企业产品的可靠性，极大的提高了设计效率，提高了企业设计制造的创新能力我国在引进并消化吸收了时速200-300km动车组的技术之后，进一步解决了阻碍速度提高的问题，对高速动车组在基础理论和生产技术等方面进行创新，成功生产出了时速380km的高速动车组，具有速度高、运量大、节能环保、乘坐感舒适等诸多优势，其综合性能在全球居于领先地位。
2007年12月22日，由南车集团青岛四方机车车辆股份有限公司制造的首列时速300公里具有自主知识产权的国产高速动车组CRH2-300于青岛下线。
标志着我国成为世界上第五个能设计并制造出运营速度300km/h动车组的国家。
CRH2-300高速动车组是对国外200km/h动车组技术平台整合吸收的基础上再创新，根据我国铁路运输的具体情况和市场的需求自主研发制造的，整体的国产化超过70%。
列车采用铝合金车体，每车的重量7千千克，在轻量化方面走在世界前列。
同时在高速转向架、受电弓、传动、制动、网络控制等技术方面取得突破性进展，体现我国机车车辆行业技术人员的创新能力。
2010年5月28日在中国北车长春轨道客车股份有限公司，具有自主知识产权、时速380km的高速动车组“和谐号”380A在长春下线。
2010年9月28日11时37分，中国国产“和谐号”CRH380A高速动车组，在沪杭高铁杭州至上海试运行途中，最高时速达到416.6公里，刷新了世界高速铁路运营的试验速度。
1.3CRH5动车组参数及要求CRH5动车技术参数如表1-1所示
第2章CRH5牵引变流器原理2.1牵引变流器的结构与功能牵引变流器YGN2Q213（AY00000001050）系阿尔斯通技术引进经国产化后用于电动车组CRH5的变流装置，内部分别有两组四象限整流器（4QC）和逆变器，同时还有一组辅助逆变器，每一组逆变器控制一台568kW牵引电机，辅助逆变器向车载三相400V/50Hz用电设备供电。
变流器的主要功能是将25KV/50Hz的单相交流电压通过牵引变压器降压后，输出单相AC1770V/50Hz的电压，经四象限整流得到3600V的中间直流电压，再经逆变器输出电压频率可调的0～2808V的三相交流电压来控制每台电机；同时辅助逆变器从中间回路输入直流3600V电压经斩波降压逆变后输出三相400V/50Hz的交流电压，为辅助系统的设备供电。
变流器由8个组件平台构成，它们分别是两个辅助组件平台，两个牵引模块组件平台，两个用户组件平台，一个冷却系统平台，一个电阻组件平台，8个平台通过中央线槽连接形成一个整体。
其实际外观图如图2-1所示。
图2-1牵引变流器的实际外观图牵引变流器的主要任务是将牵引变压器二次侧的1770VAC单相交流电转变为电压和频率可调的三相交流电和400VAC、50Hz电源，给牵引电动机和列车辅助系统供电。
主要包括以下几部分：
四象限脉冲整流器（4QC）、中间直流电路、制动斩波器、牵引逆变器。
2.1.1牵引变流器的特性
（1）典型的模块化结构，主要由8个组件组成，通过紧固件连接；
（2）牵引、辅助变流器集成在一个箱体中，辅助回路输入电压来自中间直流环节；（3）冷却方式采用水冷和强迫风冷；（4）车底安装，防护等级为IP54；（5）采用最新的高压IGBT（6500V/600A）技术，中间直流电压在额定工况下为3600V；（6）采用矢量控制技术，多种PWM模式优化调制。
2.1.2牵引变流器的结构本装置由牵引整流逆变单元、辅助逆变单元、门控单元、冷却单元构成，与车辆底板总成在一起。
（1）2个四象限整流器（4QC）并连，给2个牵引逆变器和1个辅助逆变器供电。
（2）2个三相电压型两电平逆变器，分别给一台异步牵引电动机供电。
（3）2个制动斩波器，当列车处于过分相区时，消耗来自负载的能量（制动阶段中的动能）。
（4）1个辅助逆变器，给辅助设备提供400V-50Hz的交流电压。
（5）1个牵引控制单元（TCU），控制四象限整流器、制动斩波器、牵引逆变器的IGBT开关，以获得满足车辆牵引/制动性能要求的控制。
（6）1个辅助控制单元（ACU），控制辅助逆变器的IGBT开关，以获得400V-50Hz的三相交流电压。
本装置分通气部分和密封部分，把需要散热的冷却系统、变压器、滤波电抗器、电阻器进行绝缘隔离后安装在通气部；把有必要进行绝缘防止污损的部分安装在密封部。
辅助组件1主要包括辅助功率模块、辅助控制单元（ACU）、高频变压器和接口插座；辅助组件2主要包括斩波电感、滤波器、中压端子板、隔离开关、用于保护的开关组件；牵引组件1和牵引组件2的结构基本相同，主要由四象限整流模块、逆变模块、支撑电容和水冷回路接口组成；用户组件2主要由中间直流滤波电容器、端子板、传感器组件组成；用户组件1主要由牵引控制单元（TCU）、电压、电流传感器组件、接地开关、辅助隔离开关、高压隔离开关组成；冷却组件主要由水冷散热器、风扇、风道、水泵和膨胀箱组成；电阻组件主要由放电电阻、辅助滤波器组成，各个组件的构成及位置如图2-2。
图2-2牵引变流器各个组件的构成及位置2.1.3变流器主要技术参数及主电路原理图
（1）四象限变流器额定输入电压：
1770V（AC）额定输出电压：
3600V（DC）额定输出电流：
540A元件：
IGBT（6500V/600A）
（2）中间直流环节支撑电容：
9.01mF中间直流电压：
3200V－3600V（3）逆变器额定输入电压：
3600V额定输出电压：
2462V额定输出电流：
161A额定输出频率：
84Hz元件：
IGBT（6500V/600A）（4）外形重量和防护等级重量：
3100Kg防护等级：
IP54工作环境温度：
－25℃～＋40℃
图2-3牵引变流器的主电路原理图
2.2CRH5牵引变流器整流原理图2-4整流器主电路拓扑图CRH5牵引变流器采用两电平主电路拓扑结构，如图2-4所示通过合理设计支撑电容值以取消二次谐波滤波装置，利用牵引变压器绕组的等效电感代替整流器交流侧连接电感。
牵引工况下，脉冲整流器将牵引变压器二次测输出的1770V单相交流电变换成直流电，经中间直流电路将3200~3600V的直流电输出给牵引逆变器，牵引逆变器输出电压/频率可调的三相交流电源（电压:
0~2080V;频率:
0~180Hz）驱动牵引电机，牵引电机的转矩和转速通过齿轮变速箱和万向轴传递给轮对，驱动列车运行;在制动工况下，进行回馈制动时，通过控制牵引逆变器，使牵引电机处于发电状态，将发出的三相交流电传送给处于整流状态的牵引逆变器，经中间直流回路稳压后，被处于逆变工况的脉冲整流器变为单相交流电，该交流电通过真空断路器、受电弓等高压设备反馈给接触网，实现能量再生，当列车处于分相区及速度过低时，便可以启用能耗制动，此时通过控制斩波器将能量消耗在制动电阻器上。
2.2.1四象限整流器（4QC）的基本工作原理
图2-5四象限整流器原理图四象限整流器的原理如图2-5所示，它由变压器次级绕组提供的两组单相交流电源1770V，经过接线端子10X01A（10X02A）、电流传感器-TA2（-TA1）分别进入四象限变流器模块4QCA（4QCB），经过对IGBT的PWM脉宽调制，将其转换为3600VDC。
当变流器负载为牵引状态运行时，脉宽调制的电流相位、频率与网压一致，用以提供矢量控制的逆变器电源输入；当变流器负载为制动状态运行时，脉宽调制的电流相位与网压反相、频率与网压一致，实现将中间电路的剩余能量回馈电网，并保持中间电路电压稳定；由于采用PWM技术，可以实现主变压器次级绕组电压与电流的同相位，功率因数接近于1。
2.2.2四象限整流器的基本技术参数额定输入电压（主变压器次级）：
2×1770V（AC）最大非永久电压（相对额定输入电压）：
+24%输入永久电压变化范围（相对额定输入电压）：
-24%--+16%最小瞬间电压（相对额定输入电压）：
-30%输入网压频率：
50Hz额定输出电压：
3600V（DC）（中间回路电压）输出电压变化范围：
3200V～3700V额定输出电流：
540AIGBT开关频率：
250Hz2.2.3四象限整流器（4QC）的结构牵引辅助变流器内共有两组四象限整流器，每组由一个电流传感器以及一个四象限模块组成。
四象限模块的IGBT（具有反相并联二级管）采用双管并联，其冷却液采用水乙二酸溶液，四象限模块的冷却方式采用水循环强迫式风冷方式。
四象限模块的安装如图2-2所示。
2.3逆变器的工作原理逆变器部分的作用是通过IGBT的顺序导通关断，把直流电变换为电压频率可调的三相交流电简称VVVF。
采用新型高压IGBT（6500V/600A）元件，直流输入电压DC3600V。
模块化设计，每个逆变器有一个功率模块组成，包括8个IGBT，其中6个组成2电平3相逆变器，1个作为斩波器，1个将栅极和发射极短路作为二极管使用，外形如图2-6所示。
图2-6逆变模块外型图CRH5牵引变流器的逆变部分采用两电平主电路结构，将三相鼠笼式异步电机等效为星型连接的对称感性负载。
当列车运行于牵引工况时，两个三相半桥逆变器由同一直流电压环节供电，分别为两台异步电机提供幅值和频率可调的三相电压，根据电机牵引特性控制IGBT的通断以调节输出电压的幅值和频率，完成DC/AC变换;在回馈制动工况下，牵引逆变器处于整流状态，利用电机三相绕组的漏感构成电压型PWM整流器，当电机的运行速度较高时，靠反并二极管的续流作用即可实现再生运行，当电机在较低速度运行时，利用逆变器的升压斩波等效模式实现再生运行，其原理图如图2-7所示。
图2-7逆变器主电路原理图如图2-7所示三相逆变器电路由6个带无功反馈的二极管的IGBT组成，且每个IGBT反并联一个二极管。
电路的工作方式如图2-8所示。
图2-8逆变器开关原理图电路工作时开关管S1~S6顺序导通得到需要的电压波形。
为了能够有驱动逆变器，需要有TCU发出控制脉冲，脉冲通过安装在功率模块上的驱动电路使逆变器工作。
该逆变器的控制采用矢量控制方式。
2.3.1牵引逆变器的工作模式CRH5牵引变流器的逆变部分采用两电平主电路结构，如图2-9所示，将三相鼠笼式异步电机等效为星型连接的对称感性负载。
三相逆变器电路由6个带无功反馈二极管的全控开关构成，也可以认为它是由三个单相半桥逆变器电路组合构成。
在控制上，三个半桥间依次相差三分之一周期。
图2-9三相180度电压型逆变电路图对于同一桥臂上下两只功率器件相互换流的180导通型三相逆变器，任何时刻电路中总有三只器件导通，在实际应用中，采用“先断后通”的原则插入“死区时间”，从而防止同一桥臂上下两只器件同时导通。
若用KT表示可控器件的导通数，KD表示二极管导通数，则KT和KD之和为3，则逆变器在感性负载下的工作模式为：
图2-10逆变器开关状态及编码图第一模式:
KT=3,KD=0（假定桥中T1,T6,T3导通），由于电路中都是可控器件导通，负载从直流电源获得能量;第二模式:
KT=2,KD=1（假定桥中T1.T6,D3导通），一方面电源沿T1T2向负载输送电能，另一方面由于T1D3导通，A,B两相负载沿T1D3构成闭合回路，流过环流;第三模式:
KT=1,KD=2（假定桥中T1,D6,D3导通），一方面负载沿T1D3形成闭合回路，产生环流，另一方面负载能量沿D2D3反馈到直流侧;第四模式:
KT=0,KD=3（假定桥中D3,D2,D5导通），此时负载中的能量将经二极管反馈到直流侧。
在三相两电平逆变桥中，若假定上桥臂导通为1、下桥臂导通为0，则三相半桥两电平逆变器存在100,110.010,011,001,101与111,000共8种工作状态如图2-10，由于负载接在半桥输出之间，所以，逆变电路的输出线电压可由两个半桥间的电压差得到。
图2-11三相电压型逆变电路工作波形图由图2-11知，的波形与相同，只是相位各差了1200于负由于负载接在半桥输出之间，所以，逆变电路的输出线电压可由两个半桥间的电压差得到。
2.4中间回路的基本工作原理
图2-12中间回路的原理图中间回路的原理如图2-12中的所示。
中间回路是四象限脉冲整流器和负载端的逆变器之间的联结纽带，主要是由支撑电容Cdc、电容器的放电电阻
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