无轨电车技术.docx

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无轨电车技术

第六节无轨电车技术

6-1无轨电车基础知识

一、二极管的特性与参数

1.二极管结构

P型半导体或N型半导体都不能单独使用，必须结合起来才能使用。

如果在PN结的两端接入电极，就构成了二极管。

N型半导体一侧的电极称为阴极，P型半导体一侧的电极称为阳极，二极管的符号如图

阳极（+）

阴极（-）

2.二极管的导电特性

二极管最重要的特性就是单方向导电特性。

在电路中,电流只能从二极管的正极（+）流入,负极（—）流出。

2.1正向特性

在电子电路中,将二极管的正极接在高电位端,负极接在低电位端,二极管就会导通,这种连接方式,称为正向偏置。

必须说明,当加在二极管两端的正向电压很小时,二极管仍然不能导通,流过二极管的正向电流十分微弱。

只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”,锗管约为0.2V,硅管约为0.6V）以后,二极管才能直正导通。

导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V,硅管约为0.7V）,称为二极管的“正向压降”。

2.2反向特性

在电子电路中,二极管的正极接在低电位端,负极接在高电位端,此时二极管中几乎没有电流流过,此时二极管处于截止状态,这种连接方式,称为反向偏置。

二极管处于反向偏置时,仍然会有微弱的反向电流流过二极管,称为漏电流。

当二极管两端的反向电压增大到某一数值,反向电流会急剧增大,二极管将失去单方向导电特性,这种状态称为二极管的击穿。

2.3二极管的主要参数

用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标,称为二极管的参数。

不同类型的二极管有不同的特性参数。

现介绍一下几个主要参数：

⑴额定正向工作电流

是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。

因为电流通过管子时会使管芯发热,温度上升,温度超过容许限度（硅管为140℃左右,锗管为90℃左右）时,就会使管芯过热而损坏。

所以,二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。

例如,常用的IN4001－4007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。

⑵最高反向工作电压

加在二极管两端的反向电压高到一定值时,会将管子击穿,失去单向导电能力。

为了保证使用安全,规定了最高反向工作电压值。

例如,IN4001二极管反向耐压为50V,IN4007反向耐压为1000V。

⑶反向电流

反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下,流过二极管的反向电流。

反向电流越小,管子的单方向导电性能越好。

值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系,大约温度每升高10℃,反向电流增大一倍。

二、可控硅的特性及鉴别方法

1.可控硅的特性

可控硅是可控硅整流器的简称。

它是由三个PN结四层结构硅芯片和三个电极组成的半导体器件。

图1-5是它的结构和图形符号。

可控硅的三个电极分别叫阳极（A）、阴极（K）和控制极（G）。

当器件的阳极接负电位（相对阴极而言）时，从符号图上可以看出PN结处于反向，具有类似二极管的反向特性。

当器件的阳极上加正电位时（若控制极不接任何电压），在一定的电压范围内，器件仍处于阻抗很高的关闭状态。

但当正电压大于某个电压（称为转折电压）时，器件迅速转变到低阻通导状态。

加在可控硅阳极和阴极间的电压低于转折电压时，器件处于关闭状态。

此时如果在控制极上加有适当大小的正电压（对阴极），则可控硅可迅速被激发而变为导通状态。

可控硅一旦导通，控制极便失去其控制作用。

就是说，导通后撤去栅极电压可控硅仍导通，只有使器件中的电流减到低于某个数值或阴极与阳极之间电压减小到零或加上反向电压才能使它关断。

用后一种办法可以使关断速度较快。

2.可控硅三个极的鉴别方法

根据PN结的原理，只要用万用表测量一下三个极之间的阻值即可。

阳极和阴极之间正向与反向电阻都在几百K以上。

阳极与控制极之间的正向与反向电阻也在几百K以上，只有控制极与阴极之间是一个PN结，因此存在着正反向电阻。

一般，它的正向电阻大约在几欧到几百欧的范围内，反向电阻要比正向电阻来的大。

可是，控制极的二极管特性不太理想，反向不是完全呈阻断状态，可以有比较大的电流流过。

因此，有时测得控制极反向电阻比较小。

并不能说明控制极特性不好。

此外，在测量控制极正反向电阻时，万用表应放在R×10或R×1档。

若测得元件正反向已短路；或阳极与控制极已短路；或控制极与阴极短路；说明元件已损坏。

三、大功率电子开关IGBT

1.绝缘栅双极型晶体管结构

绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT结构图

左边所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。

P+区称为漏区。

器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。

沟道在紧靠栅区边界形成。

在漏、源之间的P型区（包括P+和P-区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区。

而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区，它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。

附于漏注入区上的电极称为漏极。

2.IGBT的开关作用原理

IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP（原来为NPN）晶体管提供基极电流，使IGBT导通。

反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。

IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N-沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。

当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。

3.IGBT判断极性

首先将万用表拨在R×1KΩ挡，用万用表测量时，若某一极与其它两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大，则判断此极为栅极（G）其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小。

在测量阻值较小的一次中，则判断红表笔接的为集电极（C）;黑表笔接的为发射极（E）。

4.IGBT判断好坏

将万用表拨在R×10KΩ挡，用黑表笔接IGBT的集电极（C），红表笔接IGBT的发射极（E），此时万用表的指针在零位。

用手指同时触及一下栅极（G）和集电极（C），这时IGBT被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能站住指示在某一位置。

然后再用手指同时触及一下栅极（G）和发射极（E），这时IGBT被阻断，万用表的指针回零。

此时即可判断IGBT是好的。

5.IGBT检测注意事项

任何指针式万用表皆可用于检测IGBT。

注意判断IGBT好坏时，一定要将万用　表拨在R×10KΩ挡，因R×1KΩ挡以下各档万用表内部电池电压太低，检测好坏时不能使IGBT导通，而无法判断IGBT的好坏。

四、差动变压器

差动变压器的基本组成部分包括一个线框和一个铁心。

在线框上设置一个原绕组和两个对称的副绕组，铁心放在线框中央的圆柱形孔中。

在原绕组中施加交流电压时，两个副绕组中就会产生感应电动势e1和e2。

如果两个副绕组按反

向串联（图1）,则它的总输出电压u2=u21－u22≈e1－e2。

当铁心处在中央位置时，由于对称关系，e1=e2，输出电压u2为零。

如果铁心向右移动，则穿过副绕组2的磁通将比穿过副绕组1的磁通多，于是感应电动势e2>e1，差动变压器输出电压u2不等于零,而且输出电压的大小与铁心位移x之间基本成线性关系,其特性如图2所示，呈V字形。

用适当的测量电路测量,可以得到差动变压器输出与位移x成比例的线性读数。

最常用的测量电路是差动整流电路，它把两个次级电压分别整流后，以它们的差作为输出。

差动整流电路有电流输出型和电压输出型，前者用于连接低阻抗负载的场合；电压输出型差动整流电路则用于连接高阻抗负载的场合。

五、直流电机

1.直流电机的基本结构

直流电机由定子和转子（又称电枢）两个主要部分组成。

⑴定子：

定子的作用是产生磁场和作为电机的机械支架。

定子由主极、换向极、机座、电刷装置、端盖等部分组成。

⑵转子：

转子的作用是产生感应电动势和电磁转矩，实现能量的转换，它由电枢铁心、电枢绕组、换向器和轴等主要部分组成。

冷却用的风扇也装在电机轴上。

2.直流电机的分类

直流电机是实现直流电能和机械能之间相互转换的电力机械，按用途可分为发电机和电动机两类。

将机械能转换成直流电能的电机称为直流发电机；反之则称为直流电动机。

按励磁方式可分为以下四类：

⑴他励式：

主极磁场绕组由另外的直流电源供电

⑵并励式：

主极磁场绕组与电枢绕组并联

⑶串励式：

主极磁场绕组与电枢绕组串联

⑷复励式：

主极磁场绕组分成两部分，一部分与电枢绕组并联，另一部分与电枢绕组串联

6-2无轨电车电器的组成部分

无轨电车主电路主要由直流斩波器、输入滤波器L0C0、牵引接触器、前进/后退接触器、消磁装置、直流牵引电动机、桥式整流装置、保护装置、电流检测装置、集电系等组成，分别介绍如下。

1.直流斩波器

在主电路中，直流斩波器被接在直流电源与负载之间，主要由IGBT大功率模块来完成，是主电路的核心，相当于一个大功率快速电子开关。

2.输入滤波器L0C0

输入滤波器由电感L0和电容C0组成，用以吸收斩波关断时的瞬间电压，并起到维持输入端电源电压的稳定，降低供电线网的电流脉动分量。

3.牵引接触器

牵引接触器主要是在车辆起动时接通电源；在车辆滑行和停车时将直流斩波器的输入端与电源切断。

4.前进、后退接触器

用以改变车辆的行驶方向，是一组不带负荷情况下切换的转换开关。

5.消磁装置

消磁装置由消磁分流电阻和可控硅组成，目的在于电机全电压运行后，分流电机磁场电流，进一步提高车辆的技术车速。

6.直流牵引电动机

直流牵引电动机是电车的动力装置，也是斩波装置控制的对象。

7.桥式整流装置

为了保证车辆在处于正、反线情况下，都能正常运行，将整流元件排列成电桥的形式。

8.保护装置

大功率硅整流元件的过电压保护采用阻容保护电路；过电流保护采用高速熔断器。

斩波器的失控保护采用空气断路器（俗称大闸）。

避雷电容用以吸收雷电电压。

漏电保护器对车辆母线电流进行控制，有漏电情况，就切断高压电路，从而保证人身安全及车辆电气安全。

9.电流检测装置

电流传感器用于检测电机电流的大小。

10.集电系

主要由集电座和集电杆组成，用于接通线网电源的装置。

11.制动电阻

电车在电制动时消耗电能的装置。

6-3无轨电车斩波调速的工作原理

一、直流电动机的主要技术参数

SWB5105GP-3、SWB5106及JK5109D无轨电车采用ZQ-60直流电机作为牵引电动机，主要技术参数如下。

1.额定功率：

60KW；额定电压：

600V；电流：

转速：

定额：

1小时。

2.100℃时电机各部分内阻为：

电枢绕组电阻：

Ra＝0.16Ω

磁场绕组电阻：

Rc＝0.084Ω

换向极绕组电阻：

Rh＝0.0695Ω

电动机内阻：

Ri＝Ra+Rc+Rh≈0.314Ω

3.直流串极电动机的电流按下式计算

Im=U－Ea/Ri

式中：

U：

电源电压

Ea：

电动机反电动势Ea＝CenΦ

Ri：

电动机内阻

∵电动机起步时n＝0

∴Ea＝CenΦ＝0

于是，如令U＝600V则

I起＝U/Ri＝600/0.314≈1911A

I起＞＞I额使电机烧毁

因此在Ea＝0的情况下，企图降低起动电流数值的办法只有一个，就是降低电源电压，称为降压起动。

二、直流电动机的起动及调速原理

如图所示：

k

+

_

将一只开关接在电动机和直流电源之间，再将开关合上，电动机线圈里的电流开始由零逐渐上升，电流上升到接近电动机电流的额定数值时，立刻把开关拉开，拉开后，贮存在电动机线圈里的能量释放出来组织电流的减少，电动机由于获得电流，转速由零开始上升，反电动势逐渐上升。

过一定时间后，再将开关合上，这时由于反电动势已有一定的数值，故而合上开关的时间比第一次长些……。

若电机电压平均值为V，线网电压为U，调速周期为T，开通时间为t，t/T为导通比，电机电压平均值V＝U×（t/T）如果改变t/T的比值，就可以大范围调节电机电压达到调速的目的。

由于开关通断的时间十分短促，对于60KW的电动机第一次合上的时间只容许70―100μs，因此只能依靠一只特殊的开关来达到目的，这只特殊的开关称为斩波器，可分为可控硅斩波调速和大功率电子开关IGBT斩波调速两种装置。

三、牵引的工作过程

合上空气断路器后，倒顺排置前进或后退位置，踩下牵引主令控制器踏板，控制箱收到信号后驱动继电器，使牵引接触器吸合，这时线网电压通过空气断路器（大闸）、反线器、牵引接触器、滤波电感L0电容C0滤波后，电流流过牵引电机电枢绕组、D4二极管、电机激磁绕组、电流检测装置H、IGBT模块、快速熔断器构成回路。

电机转速的高低取决于牵引回路电流的大小，而牵引回路电流的大小取决于IGBT模块开通的时间长短，IGBT模块开通的时间长短受牵引传动变压器控制，当差动变压器（主令）踩到底，IGBT模块全导通，电机进入全电压运行，斩波过程结束，约3—4秒延时后，触发消磁可控硅，电机进入消磁加速阶段，起动加速过程完成。

6-4无轨电车电制动的工作原理

制动就是使电力拖动系统停车和降速的运行状态。

对串极电动机拖动的电车下坡时可得到很高的速度，同时断开正在运行的直流电动机的电枢电源，由于惯性的作用，电枢仍在旋转，仍感应一个电势E，并产生电流Is,其方向与原来电流方向相反，其转矩方向也随之改变，成为制动转矩。

在制动过程中，电动机转变为发电机运行，将系统动能变为电能消耗在电阻R上，达到制动的目的。

前进（后退）方向时，踩下制动主令踏板，使制动接触器Z吸合，牵引接触器Q断开，制动电流从电枢绕组S1（S2）、前进接触器QZ1（后退接触器QF1）、滤波电感L0、制动接触器Z1、电机激磁绕组FQ、电流传感器H、电阻3Z、电阻2Z、电阻1Z、前进接触器QZ2（后退接触器QF2）到电枢绕组S2（S1）。

当电流传感器H检测到制动电流小于给定值时，控制电路发出开通信号，斩波器开通，制动电流形成另一条回路，制动电流从电机电枢绕组S1（S2）、前进接触器QZ1（后退接触器QF1）、滤波电感L0、制动接触器Z1、电机激磁绕组FQ、电流传感器H、IGBT模块、制动接触器Z2、电阻1Z、前进接触器QZ2（后退接触器QF2）、回到电枢绕组S2（S1）。

制动电流的大小取决于车辆运行速度的高低，IGBT模块开通时间的长短，受制动主令踏板的控制。

（注：

斩波调速和电制动的工作原理,图附后）

6-5无轨电车辅助设备及工作原理

一、DC/DC电源变换器

DC/DC电源变换器主要由半桥式开关电源、输入输出电路、保护电路等部分构成，是将线网高压直流电变换为隔离的低压直流电，供给电车低压回路使用。

当高压直流电输入时，电流经熔断器F1、电感L1、电阻R23、黄色发光二极管Hy，二极管V21、V22，电阻R21、R22，继电器K1的线圈构成高压电回路，Hy光管亮，K1吸合，输出端VDD,,VSS外接蓄电池低压电经防反二极管V30至继电器K2的线圈，经温度继电器KC至K1触电构成回路，K2吸合，控制板得到工作电源，电阻R35为工作取样电阻，将电流信号送到控制板，控制脉冲变压器T2的次级绕组产生脉冲，经电阻R7（R10）送到功率开关管M1（M2）的G、E极之间，R8（R9）为控制G极的负载电阻，用于保护电路工作稳定。

在控制脉冲作用下，当M1开通、M2关断时，线网输入的高压直流电通过M1经变压器T1初级绕组的一个方向（估称为正方向）流过电流并向C4充电；同时C3将其曾经在M2导通时充电存贮能量以这个相同方向（正方向）向T1初级绕组流出电流释放能量。

然后转换为M1关断M2开通，线网输入的高压直流电，此时通过M2经变压器T1初级绕组的另一个方向（估称为负方向）流过电流并向C3充电；同时C4将其曾经在M1导通时充电存贮的能量以这个相同方向（负方向）向T1初级绕组流出电流释放能量。

这样形成T1初级绕组的一个交变电流。

如此往复产生交流电压，在T1变压器初级绕组感应出隔离的低压交流电经过整流管V27-V28整流及电感L2、电容C5滤波，输出直流低压电，同时将该直流电压信号送到控制板，通过控制板控制脉冲信号的宽度，来控制M1、M2功率开关管开、关时间的长短，开的时间长时，在T1次级绕组感应出的脉冲宽，输出能量就大，电压高；关时间的长短，开的时间长短，感应出的脉冲窄，输出能量就小，电压低；通过控制T2次级绕组的脉冲宽度，从而控制了T2次级绕组输出电压的稳定性。

附图：

6-5-1

6-5-1

二、变频器

BP009系列变频器（以下简称变频器）是专为电力机车设计开发的专用电源变换器,主要是将电车的动力直流电源变换为交流电源，为交流负载供电。

基本工作原理介绍如下：

变频器基本组成包括高压电路和低压电路。

高压电路分为缓冲电路、滤波电路、逆变电路。

低压电路分为系统控制电路、检测电路、电源电路，驱动电路、触发电路。

工作过程：

1.高压电路：

接通高压电源后，高压通过防反二极管之后，通过缓冲电阻对滤波电容充电（此时可控硅为关闭状态），待电容电压达到设定电压时触发可控硅导通，从而完成上电缓冲的作用。

之后再通过由电感和电容组成的滤波电路，对输入的线网电压进行平滑滤波。

逆变电路是通过开关元件不同时序的开关动作，将直流电转变为交流电输出。

2.低压电路：

电源电路主要完成对CPU提供一个稳定的DC5V电源及传感器所需的正负DC15V电源。

检测电路是通过霍尔传感器，将输入线网电压及输出电流，变换成控制电路所需的信号电压。

触发电路是在CPU的控制下，产生可控硅所需的触发电压，完成可控硅的可靠开通。

驱动电路是将CPU产生的PWM信号进行放大隔离，达到IGBT所需的驱动信号。

控制电路是整个系统的控制核心，当整机接通高低压电源时，CPU首先通过检测电路读取线网电压、温度值，并判断是否符合工作条件，当符合条件后，CPU根据线网电压值输出逆变电路所需的PWM信号，同时根据检测电路实时判断输出电流的状态，来保证系统的可靠工作。

●以下是主电路原理框图:

三、暖风机

1.产品使用范围

本产品用于清除城市无轨电车前风挡玻璃的霜和雾，并为司机取暖。

2.产品特点

本产品具有除霜快、风量大、无污染等优点。

3.工作原理

（1）闭合K14除霜器开关（仪表台），除霜器高压接触器（CS）吸合600V电压通过CSK给R电热器加热，风机F开始工作将热风吹出。

（2）断开K14开关，暖风高压接触器CS即切断R电热器停止加热。

YS002延时器开始工作，风机F继续工作。

将R上余热吹出，大约经10分钟延时后，风机停止工作。

（3）KC1为35℃温度控制开关（常闭），当暖风机出风温度超过65℃时，加热器停止工作，低于50℃恢复工作。