电力电子技术-车辆检修工艺设备操作与维修手册

（1）实用电子技术

1）晶闸管斩波器原理

晶闸管斩波器的原理如图4-1所示。晶闸管VT串联在直流电源与负载电路中，当VT触发导通时，负载电压Ud＝Ui；当通过关断电路使VT关断时，Ud＝0。斩波器就是利用晶闸管作为直流开关，有两种工作方式。在某一开关频率下，调节管子导通与关断的时间比例，称为定频调宽式；另一种是在一定导通宽度下，调节开关频率，称为定宽调频式。使输出端得到不同脉宽和不同频率的脉冲直流电压。在开关频率即周期T一定时，管子导通时间减小，即负载端的直流平均电压Ud减小；脉宽增大，则Ud亦增大。如负载为直流电动机，当晶闸管开关周期T选择比电机的时间常数小得多时，电机的转速实际上是相当稳定的。这种开关快速地接通断开来对直流负载进行电压平均值控制的方式称为斩波控制或脉冲控制。

图4-1　晶闸管斩波器原理及波形

由于直流斩波器可以把固定电压的直流电源，变成大小可调的直流电源，因此广泛应用在地下铁道、电力机车、蓄电池搬运车等直流电动机驱动的无级调速上，省去频繁操作。

由晶闸管特性可知，在直流电压作用下，一旦晶闸管触发导通，不能自动关断，必须利用附加换流电路，使流过晶闸管的电流降到零，才能关断，并且要再施加一个反压，反压作用时间要大于晶闸管的关断时间（一般为几十μs），才能使晶闸管恢复正向阻断特性。由此可见，不同斩波器工作中的区别不在于晶闸管的导通电路，而在于它的关断电路。由于选用的晶闸管不同，调制方法不同，关断晶闸管的换流电路也就不同，从而构成了斩波器的不同电路。

2）晶闸管逆变器原理

工业生产中，常常要求把直流或者某一固定频率的电能变换成另一频率的电能，有时要求获得可变频率的电能，以达到感应加热、变速调速等各类应用的目的。

变频装置按电源种类可以分为交流—直流变频器，直流—交流变频器。前者直接将工频电能变成所需频率的电能，所以也称为直接变频器，后者是把直流电能（一般可采用整流电源）转变为所需频率的交流电能，所以也称为逆变器。这种逆变器的工作过程与晶闸管整流器的有源逆变相比，它不是把变换过来的交流电反馈回电网去，而是作为电源供给负载使用，因此又称为无源逆变。

晶闸管工作时，一旦在正向电压作用下触发导通，就不能自行关断，因而必须考虑晶闸管换流问题。逆变器中通常采用的换流方法有以下几种：

①负载谐振式换流。

这种换流的方法多用于直流电源供电的负载中，它是利用负载回路中的电容与电感所形成的震荡特性来换流的。在这类负载里，电流具有自动过零的特点，只要负载电流超前于电压的时间大于晶闸管的关断时间，就可以使逆变器中的晶闸管在这段时间里断流而关断，并恢复正向阻断特性。

②强迫换流。

这种换流方式不是在负载电路中引入大体积的电感、电容等元件，而是将换流回路与负载分开，在换流时，由于辅助晶闸管导通，使换流回路产生一个脉冲，迫使原来导通的晶闸管因断流而关断，并承受一段时间的反压而恢复其正向阻断特性。这种换流方式又称为脉冲换流。

③采用可关断晶闸管或大功率晶体管。

不论负载换流还是强迫换流，都须附加庞大的电容、电感等原件构成的换流环节。采用可关断晶闸管或大功率晶体管组成的逆变器，则可省去换流环节，提高设备的经济指标，提高工作频率，减少设备提级，但由于目前器件制造水平的限制，其电流容量、工作电压均比普通晶闸管低得多。

3）电子线路抗干扰

在电子线路调试中，有时候示波器显示的有用信号波形上会附加一些多余的杂波，这些多余的杂波是由某种干扰信号引起的，干扰信号的存在使电子线路正常工作受到影响，严重时会淹没有用信号，使电路不能正常工作。因此，了解干扰的来源并设法将干扰信号抑制到最低限度，是电子线路调试中十分重要的一项工作。

①干扰的来源。

干扰的来源是错综复杂的，可能来源于电路外部，也可能来源于电路本身，与电子线路的使用环境密切相关。干扰信号入侵电子线路的途径可以是天线、电源线、地线、输入线、输出线等。常见的外部干扰主要有以下两类：

a.自然干扰：自然界的宇宙射线、太阳黑子、雷电等现象引起的干扰。

b.工业干扰：电气设备所引起的干扰。

②干扰的抑制。

抑制干扰的一般原则是抑制或消除干扰源，破坏干扰耦合通道，提高电路抗干扰能力。常用的抑制干扰的方法有：

a.合理选择接地方式：电子线路中，正确接地是抑制干扰的重要措施之一。表面看来，接地很简单，然而实际上并非如此。若接地不恰当，则不但不能抑制干扰，相反还会引入干扰，甚至使电路工作不正常。

b.屏蔽：减少外接电场、磁场或电磁场干扰的主要方法是采用屏蔽。屏蔽是采用屏蔽体将干扰源或受干扰电路（元件）罩起来，以隔断或削弱干扰的耦合通道。

c.隔离：隔离法使两个电子电路系统或同一系统的两部分电路相互独立而不构成回路，从而切断干扰从一个电路进入另一个电路的通道。

③电源干扰的抑制。

在电子设备中，有相当一部分干扰来自直流电源，如供电电网某一处跳闸、某一处接通或断开大功率负荷等，都会造成电网电压的波动。这时会在电源线上形成较大的干扰电压，它通过电子电路的电源和地线而影响电路的正常工作，来自电源的干扰常采用以下方法来加以抑制。

a.采用线路滤波器：为了抑制来自电网的高频干扰，常在电源变压器之前接入线路滤波器抑制干扰。

b.电源变压器加屏蔽：电网中的干扰一般会通过电源变压器一、二次绕组之间的分布电容耦合到二次整流后的直流电源中，这种干扰可采用电源变压器一、二次绕组之间加屏蔽层来抑制。屏蔽层可采用铜箔或锡箔、铝箔，屏蔽层应接地，但屏蔽层不能成为短路环。

c.电源电路加接去耦合电路：在电路中接入RC低通去耦合滤波电路，可对电源电路中形成的干扰信号起到阻塞和旁路作用，消除或削弱干扰信号对各级电路的影响。对高频电路也可以采用LC低通滤波器除去耦合电路。(www.xing528.com)

（2）电力电子技术

电力电子技术是在能量的产生和使用之间建立了一个联系，它可以使不同的负载得到所期望的最佳能量供给形式和最佳控制，同时保证了能量传递的高效率。电力电子变换的功率可以大到几百兆瓦，也可以小到几瓦甚至瓦级以下。以西安市轨道交通车辆牵引为例，电压DC1 500 V，供给城轨车辆时，要经过变换，变换的途径就是通过电力电子器件和电力电子电路。

电源的电能通过电力电子器件经过变换之后传输给负载，控制器把反馈信号与最初设定参考值相比较，通过改变驱动信号，满足不同负载对于电能的需求，如图4-2所示为典型的电力电子框图。

图4-2　电力电子电路框图

电力电子技术在轨道交通领域有着十分重要的应用，电力电子技术的发展水平很大程度上决定了轨道交通电力牵引发展的技术水平和发展的规模。

1）变频器

变频器按工作电源分为高压和低压两大类别，高压变频器的电压等级有3 kV、6 kV和10 kV等几种，低压变频器的电压等级有220 V、380 V、660 V和1 140 V等几种，例如：洗车机、起重机等设备使用的380 V变频器；按电源性质可分为电压型变频器和电流型变频器；按电压的调制方式可分为SPWM（脉宽调制）变频器、PAM（脉幅调制）变频器；按照电能变换的方式可分为交-直-交型变频器、交-交型变频器。

①内部主电路结构。

采用“交-直-交”结构的低压变频器，其主电路由整流和逆变两大部分组成，如图4-4所示。从S、R、T端输入的三相交流电，经三相整流桥（由二极管VD1～VD6构成）整流成直流电，电压为UD。电容器C1和C2时滤波电容器。6个IGBT（绝缘栅双极性晶体管）V1～V6构成三相逆变器，把直流电逆变成频率和电压任意可调的三相交流电。

如图4-3所示，滤波电容器C1和C2两端各并联了一个电阻，是为了均衡两只电容器上的电压基本相等，防止电容器在工作中损坏。电阻RL的作用是将滤波电容器的充电电流限制在一个允许的范围内，当滤波电容器充电完毕后，由接触器KM将限流电阻RL短接，使之退出运行。

图4-3　变频器内部主电路

②变频器的外接主电路。

三相交流电源经过断路器QF、交流接触器KM与变频器的电源输入端R、S、T连接，变频器的输出端U、V、W则与电动机直接相连，这时电动机的保护由变频器完成。断路器QF的作用为：一是变频器停用或维修时，可通过断路器切断与电源之间的连接，二是断路器具有过电流和欠电压等保护功能，可对变频器起一定的保护作用。接触器可通过钥匙、按钮开关方便地控制变频器的通电与断电，同时当变频器或相关控制电路发生故障时可自动切断变频器电源。

2）三相异步电动机的起动

电动机的起动是指电动机接通电源后，转子转速从零升至稳定转速的过程。当电动机的定子绕组通入三相电源后，转子便开始转动，在刚起动的瞬间，旋转磁场对静止的转子以最大速度切割转子绕组，便在转子绕组中产生较大的感应电动势，由于转子绕组的阻抗较小，所以转子绕组感应电流很大。

①笼型异步电动机的起动。

三相笼型异步电动机起动有两种方法，即在额定电压下的全压起动（直接起动）和经过起动设备减压后的减压起动（降压起动）。

a.全压起动。

三相笼型异步电动机能否采用全压起动，主要由供电的电源容量和电动机的容量及起动情况来决定。通常规定：用电单位如有专用变压器供电，在电动机起动时，应保证电网母线上的电压降不超过额定电压的10%～15%，并使变压器的短时过载不超过最大允许值，即单台电动机全压起动的额定功率如满足以下经验公式，就可进行全压起动。

b.减压起动。

不能采用全压起动的电动机可采用减压起动方式，减压起动是利用起动设备将电压适当减小后加到电动机的定子绕组上进行起动，等电动机转速升高到接近稳定转速时，再使电动机定子绕组上的电压恢复到额定值进行正常运行。由于电动机电磁转矩与电源电压的平方成正比，所以减压起动时起动转矩将大为降低。因此，减压起动仅适用于电动机空载或轻载起动。

定子绕组串联电阻器（或电抗器）减压起动，起动时额定电压经过电阻器分压作用后，再加到电动机的定子绕组上，当电动机转速升至稳定值后，短接电阻器，电动机定子绕组加上额定电压后正常运转。

星形-三角形（＊-△）减压起动，正常运行时定子绕组做三角形联接的电动机可采用＊-△减压起动。

自耦变压器（补偿器）减压起动，起动时将自耦变压器串联到电动机的定子绕组上，以减小加到定子绕组上的电源电压，达到限制起动电流的目的。

延边三角形减压起动，采用延边三角形减压起动的电动机，其定子绕组有九个接线头，起动时将定子绕组的一部分接成△联接，另一部分接成＊联接，整个绕组接成延边三角形，并将三相电源分别接入三个绕组的首端，此时，每相绕组的相电压比三角形联接时有所下降，可减小起动电流，待电动机转速升高后，再接成△联接，使电动机正常运行。

②绕线转子异步电动机的起动。

绕线转子异步电动机的转子绕组可通过电刷和集电环与起动变阻器或频敏变阻器串联，以改善起动性能。

a.转子电路串入变阻器起动，起动前将变阻器电阻调到最大位置，使电阻全部接入转子电路，然后闭合主电源开关，随着电动机转速逐渐升高，将变阻器电阻逐级切除，并最后将变阻器电阻全部短接。

b.转子电路串入频敏变阻器起动，频敏变阻器起动的特点是起动时的电阻值能随着转速的上升而自动平滑地减小，使电动机能平稳地起动。