牵引相模块 篇1
我国主营的电气化铁路均采用单相工频交流的异相牵引供电系统, 由于电力机车牵引负荷的特殊性, 导致系统存在大量的负序、谐波、无功, 以及复杂的过电分相绝缘器过程造成的列车速度、牵引力的损失等问题, 严重制约了高速、重载铁路的发展。为解决以上问题, 提出新型的同相牵引供电系统的研究方案, 目前对于此系统的研究有文献[1-2]提出的基于对称补偿技术实现的同相供电系统;文献[3-4]提出的基于有源滤波器实现的同相供电系统;文献[5-6]将YN, v d平衡变压器和终合潮流控制器 (integrated power flow controller, IPFC) 有机结合, 实现同相供电系统;文献[7]提出的基于交直交逆变器的新型同相牵引供电系统。前三种方案可以归类为一台变压器式的同相供电系统, 接线简单、投资少、维护方便, 但需要设计一台特殊的平衡器, 控制方法复杂, 平衡器故障会导致牵引网失去了通信防护能力。而第四种方案无需变压器直接从高压电网取电, 控制效果明显, 基于同相平衡器的研究基础, 较易于实现, 本文就是基于此理念进行的仿真研究。
1 同相牵引供电系统
新型同相牵引供电系统是指满足铁路沿线的不同牵引变电所间、变压器出口间的相位差为零, 取消分相绝缘器装置的牵引供电系统。本文充分利用电力电子的PWM整流、直流输电、SPWM逆变控制技术, 构建了新型的同相牵引供电系统。变电所从三相电网对称获取三相电, 经PWM整流部分将66 k V三相交流电变成96 k V直流电, 进行传输;逆变部分将系统的96 k V直流电变为27.5 k V单相交流电, 接入接触网为机车供电。完全对称的取电方式不会对电网造成污染, 且各变电所间的单相交流电相位相同可以并网运行, 实现了同相供电, 解决了过电分相的问题, 并满足电力系统的负载要求。在电力系统与牵引供电系统的任一接入点处, 都只相当于接入了一个单相的纯电阻网络, 该新型供电系统的性能, 不管是对电力系统, 还是对电力机车, 都将是最适合的。
2 整流逆变装置
能够把交流电转换为直流电的电路称为整流电路, 由电力电子器件构成。考虑传统的由晶闸管构成的相控桥式电路功率因数低、线路损耗大、电网容量利用不充分、注入电网的谐波大、电磁干扰等问题, 本文选用高功率因数、低谐波的高频开关模式PWM整流器取代传统的整流变换装置, 同时PWM整流器还具有体积小、重量轻和动态响应速度快的优点。该同相系统的PWM整流装置, 采用单位功率因数控制策略, 利用可控的整流器向电路注入与谐波源幅值相等、相位相反的电流, 使电源的总谐波电流为零, 达到实时补偿谐波电流的目的。整流器的控制环节采用的是直接电流双闭环滞环比较方式的控制, 其外环是直流电压控制环, 内环是交流电流控制环。
与整流相对应, 把直流电变成交流电的电路称为逆变电路, 本文采用基于PWM控制技术, 通过调制波 (期望正弦波) 与载波 (高频等腰三角波) 交点来控制逆变器开关期间的通断时刻, 从而实现直流到交流转换的SPWM逆变器。该同相系统采用单相桥式电压型SPWM逆变电路, 采用了电压外环的单闭环控制电路, 将电压跟踪技术和三角比较技术结合, 以标准的正弦波信号为参考信号, 将输出电压的反馈信号与之相比较, 经由低通滤波器和误差增益调节后得到一个控制信号, 送到PWM发生器调制三角波, 得到SPWM波形, 用以控制逆变电路正常工作。
3 仿真模型
将新型同相牵引供电系统的PWM整流部分和SPWM逆变部分通过直流传输环节连在一起, 建立的MATLAB/SIMULINK仿真模型如图1所示。
其中Subsystem为整流器控制电路、Subsystem1为逆变器控制电路, 各部分参数采用单独模块仿真时的参数, 仿真结果如图2所示。
从系统的仿真结果可以看出, 三相交流侧电压、电流波形平稳三相基本对称, 只是三相电流在幅值上存在差异但相位仍和电压保持同相位, 即满足功率因数为1.0的要求。且通过在不同负载的仿真结果比较, 可以看出波形不受负载大小和性质变化影响。直流传输电压波形效果与单独整流器的仿真时效果一致, 符合标准。逆变输出侧波形谐波含量低, 满足控制要求, 随着当前电力机车技术的发展, 机车整体对接触网可以等效为纯阻性负载电阻, 即可达到理想情况下的功率因数近似为1.0, 以下仿真均按照机车负载为纯阻性设定下完成。
4 谐波分析
对图1仿真模型进行不同仿真算法、不同交流电压、不同开关频率三种情况下的输出波形分析, 其中THD (总谐波畸变率) 是在电气工程学科中表征波形相对正弦波畸变程度的一个性能指数, 定义为全部谐波含量均方根值与基波均方根值之比, 用百分数表示, THD越小越好。
1) 设定三相交流电网电压为66 k V, 开关器件开关频率为5 000 Hz, 当Powergui的仿真算法Configure parameters分别为Discrete (离散) , 5×e-5和Continuous (连续) 时, 采集三相交流电网单相电流波形和谐波分析数据, 由仿真结果看出Discrete算法的电流波形过渡柔和平滑, 且THD=6.31%<6.64% (Continuous) 。
2) 设定开关器件开关频率为5 000 Hz, Powergui的仿真算法Configure parameters为Discrete, 5×e-5, 当三相交流电网电压分别为66 k V和110 k V时, 采集三相交流侧A相电流和逆变输出交流电压波形和谐波分析数据, 其中66 k V仿真结果如下图3, 由仿真结果可以看出110 k V的A相电流波形较好, THD=5.24%<6.56% (66 k V) , 但是逆变输出电压波形波动较大, THD=30.24%>13.40%, 二者变化步调不统一, 相互矛盾。
3) 设定三相交流电网电压为110 k V, Powergui的仿真算法Configure parameters为Discrete, 5×e-5, 当开关器件开关频率分别为5 000 Hz和10 000 Hz时, 采集三相交流侧A相电流和逆变输出交流电压波形和谐波分析数据, 由仿真结果可以看出5 000 Hz的A相电流波形较好, THD=5.24%<5.86% (10 000 Hz) , 但是逆变输出电压波形波动较大, THD=30.24%>14.99%, 二者变化步调不统一, 相互矛盾。
5 结语
由以上1) 和3) 的仿真和谐波分析可以知道系统的谐波成分与仿真参数Powergui的Configure parameters的设定, 开关频率的大小, 交流侧电压的大小设置有关。
1) 离散仿真算法下的谐波成分少。
2) 开关器件开关频率越大逆变输出电压谐波含量越少, 但交流侧电流谐波THD会增加。
3) 电网交流电压越大交流侧电流谐波含量减少, 但逆变输出电压谐波THD会增加。
4) 对比PWM整理器单独仿真效果, 连接成系统后谐波含量变大, 且交流侧电流谐波含量三相不等。
结合以上结论, 开关器件与电网电压对同相系统的作用是矛盾对立的, 要想保证交流侧电流、逆变输出电压谐波含量低, 提高电网电压的同时也要增大开关器件的开关频率。综合考虑系统成本和经济价值, 在66 k V电网电压、5 000 Hz开关频率离散的仿真算法为该研究的最佳优化设计方案。今后将继续在系统能内部滤波装置、谐波补偿方面及如何实现逆变器的双环控制上深入研究, 彻底消除谐波影响, 解决电力系统的负序、谐波、无功三大顽症, 该新型同相系统在牵引供电未来发展领域有很好的应用前景。
摘要：文章提出了一种新型的同相牵引供电系统, 并利用MATLAB软件进行了仿真和谐波分析。
关键词：牵引供电系统,同相供电,MATLAB仿真,谐波分析
参考文献
[1]李群湛.牵引变电所供电分析及综合补偿技术[M].北京:中国铁道出版社, 2006.
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[5]魏光, 李群湛, 黄军, 周晋.新型牵引供电系统方案[J].电力系统自动化, 2008, 32 (10) :80-83.[
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牵引相模块 篇2
关键词：家具制图；模块化教学；内涵；意义
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）18－0148－02
1课程概述
《家具制图》是家具设计与制造专业的专业基础课程。通过本课程的学习，使学生建立设计制图的基本概念（在家具制图过程中所需要掌握的实用知识和技能），对制图的基本知识、投影基础、家具图样图形表达等有一定的认识，并能进行相应的家具图形图纸分析和绘制，为提高家具设计者的形象思维打好必要的基础。
对本专业课程来说，学校新建格林家具厂为该课程的学习实践提供了平台，如果将理论教学与实践教学有机结合起来，将大大提高学生的积极性，为学习形式的多样性提供了可能。帮助学生克服抽象思维障碍，充分利用家具厂的特有功能，节省教学时间并兼顾发挥学生的积极性与创造性，并通过团体合作完成任务增强了团体的协作能力。这样，学生在学会家具制图的原理、标准和方法的同时，还能提高动手制图能力，掌握家具制作过程，为将来走上工作岗位奠定了基础。
2模块化教学的概念和内涵
《家具制图》课程模块化教学打破了传统的“填鸭式”教学，使每一模块相对的“独立”起来，通过完成一个个模块任务，增加学生的学习积极性和创造性，在不知不觉中学会课程大纲要求所需的技能。
2.1模块化教学的目的
2.1.1动手能力
有实物材料的教学提高了学生的自主性，老师先制定活动任务，简单解释后，放手让学生去做（当然，还要遵守家具厂的规定）。
2.1.2创新性
对于学生来说，培养创新和探索精神意义重大。鲁迅曾说：“世上本没有路，走的人多了，也便成了路。”现在大多数的教学是事先告之学生路在哪，怎么走，再让学生走一遍，一节课就结束了。
2.1.3实践性
制定活动任务的教学，让学生运用所学知识分析解决实际问题的能力、带着问题向他人学习的能力，进而提高学生的解决问题的能力。
2.2模块化教学的内涵
在教学中，教师将课程分为5个模块来教学：①茶几类；②床榻类；③橱柜类；④椅凳类；⑤软体家具类。
模块一是相对简单的家具。最简单的茶几就是一个box（盒子）。所以第一模块要求学生了解做茶几的基本材料和功用，利用家具厂做成的样品进行讲解，了解制图在制作中的作用（而不是像从前太拘泥于细小的格式和规范，让学生望而生畏），能够自行画茶几结构装配图，并换位思考“如果我是工人，怎么用该图纸进行制作”。在茶几功能不变的情况下，自行设计一茶几，绘制设计草图（包括尺寸）、结构装配图、零部件图等。模块之间相对关联又独立，由易至难，循序渐进。在掌握了基本知识及相关规范（这一部分尽量精简，以保持学生兴趣）后，再自由发挥学生的想像力和创造力，进行创新设计。模块是遵循由易到难的顺序，最后一模块为沙发等软体家具。
每一模块教学的基本程序是：教师进行基本知识与规范的讲解（时间不能太长）——学生参考家具厂的各类图纸——自行绘制设计草图、结构装配图——将其变成现实。
具体做法为：每个模块分为几种不同款式的家具，由学生自己组成不同的项目小组或教师分配3～5人为一组，每组分工进行量取绘制目标家具的尺寸，绘制三视图、装配图、零部件图。这个过程中学生熟悉家具的造型、尺寸、连接方式、材料等信息，并且还能调动学生的自主学习能力。在掌握了基本绘图方法后，再进行自由式学习方式，任务为设计一规定模块的家具，材料造型自由设计，根据图纸，制作成缩小版的家具（可充分利用家具厂的边角料），对比较优秀的作品，可投入生产。
对过程的奖励就是最后变为实体的家具，我想这应该是每个学生能够集中精神进行学习的驱动力。
3引入自由式学习方式
一颗小树苗的成长不仅需要阳光、水、空气，还需要成长空间，学生的成长亦如此。
在进行了规范的界定之后，给予学生自由发挥的空间，不仅有利于个性化的发展，还能培养学生的创新能力。
设计草图的绘制可以让学生掌握徒手绘制三维家具的绘图方法与技能，加强徒手绘图的能力。与此同时，也培养了学生的动手能力、创造性思维能力和想象能力。让学生自己动手，利用家具厂的材料进行家具创新设计，并根据实际情况，确定合理的可行性方案，绘制设计草图能使学生变被动学习为主动学习，充分激发了学生的创新能力。
此外，分组完成使学生明白团体合作的重要性，这不仅是一种精神，更是一种职业素养，在将来日益激烈的社会竞争中尤为重要。
参考文献
1 周德新.新世纪人才的重要素质——团结协作精神的培养［J］.理工高教研究，2004（23）：67～69.
2 孙亮、刘晓红、王永广.家具设计与制造专业人才培养方案及核心课程标准［M］.北京：高等教育出版社，2010.
3 叶翠仙.艺术类“设计制图”课程教学改革探讨与实践［J］.中国林业教育，2009（7）.
牵引相模块 篇3
摘要：NJ2机车自投入运营以来，作为交直交传动机车核心部件的主电路逆变器相模块（电力电子器件IGBT和驱动电路），频繁发生饱和导通的故障问题。通过对IGBT器件工作原理和器件特性的认识，结合现场实际状况，找出故障发生的机理，制定合理的预防措施。
关键词：交流传动内燃机车;相模块;电路拓扑结构;擎住效应;米勒效应
前言
2006年举世瞩目的青藏铁路全线通车之际，为有效保障这条通过生命禁区的钢铁大动脉的畅通无阻，铁道部引进由美国GE公司生产的高原型C38-Ache大功率交流传动内燃机车。投入运营以来，以其性能的稳定可靠，收到了良好的客货运输效益。近年来，随着78台C38-Ache机车总走行公里数的不断增加，一些因保养不到位或部件老化引起的故障逐渐开始发生，有些甚至呈现上升趋势，已经影响到机车途中的正常运行。其中，C38-Ache机车牵引逆变器相模块饱和就是一个典型的故障。根据技术统计数据，仅2014年，因相模块饱和的故障就发生94起。为解决相模块饱和问题，下面从C38-Ache机车传动原理介绍、故障模块现场检查情况以及相模块失效的发生机理等方面分别予以阐述。
一、NJ2机车传动原理简述
C38-Ache机车主电路采用交-直-交传动方式。主发电机发出的交流电经过主整流器变为直流电，输送至牵引逆变器的正负极母线。牵引逆变器根据机车速度以及中央控制计算机传来的控制指令，将主整流器输出至母线的直流电转换成可变频率的交流电，供给牵引电动机。C38-Ache机车牵引逆变器属开关网络型桥式逆变器，如下图所示。
图中所示的开关元件为绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor），简称IGBT。IGBT开关在C38-Ache机车上也称作相模块。因为逆变器要产生三相交变电流（A相，B相和C相），所以每一个牵引电动机逆变器包括六个相模块，而且电机的每一相经开关元件既要与正极连接又要与负极连接，把六个IGBT开关中的三个接到供电电源的正极，三个接到供电电源的负极，就组成了一台交流牵引电机的逆变器拓扑结构。外加其他所需的驱动电路、驱动控制电路、相模块检测电路以及驱动信号传输光缆等支持设备，就是一台完整的逆变器。
正常工作时，牵引逆变器控制器按照三相交流电动机的相序要求，分时控制六个开关元件按照一定的次序动作。但每一相桥臂须确保正负开关元件不能同时导通，以防母线短路。
二、故障现象和检查发现的问题
在实际运用过程中，在同一相逆变桥臂的正负两个开关元件中，其中一个开关元件正常导通时，另一个开关元件却因外部因素以及器件本身等原因导致栅极失控，发生未及时关断的故障现象。当逆变器检测电路检测到此故障现象后，会及时反馈信息给逆变器控制器，逆变器控制器在对此逆变器予以完全隔离的同时，通知机车中央控制计算机。由中央控制计算机记录该故障信息，并通过人机界面和警铃方式告知司机，当台牵引逆变器存在故障。
机车入库后，通过对故障下车相模块的外观检查和测量，损坏下车的相模块具体分为两类：
1、IGBT元件PN结发生击穿损坏，外观上并未出现烧损迹象;
2、IGBT元件PN结发生击穿，且存在明显的灼烧痕迹。
检查故障相模块时，我们还发现，所有发生饱和故障的相模块IGBT散热片均被灰尘完全覆盖，存在严重的散热不良问题，如图：
而且从机车逆变器外部线路到逆变器所有组件的检查中，再未查出其他故障影响因素，初步判断为散热不良就是引起的IGBT器件饱和的主因。下面从IGBT工作原理及失效的常见原因入手，并结合IGBT的高温特性予以分析。
三、故障原因分析
1、IGBT栅极失控（达到饱和）常见原因
自从大功率电力电子器件IGBT问世以来，根据实验室以及现场应用的累计经验，IGBT栅极失控导致器件饱和导通的原因通常有一下几方面的原因。
（1）过流触发擎住效应导致IGBT 损坏
IGBT有一定瞬时抗过流能力，外部控制逻辑也能提供一定保护。最主要的是IGBT驱动电路保护措施的设计一定要严密。由于IGBT半导工艺结构上存在一个寄生晶体管，也就是寄存可控硅。IGBT的理想等效电路如图1所示。
图1 理想的等效电路
它是一个PNP双极晶体管和功率MOSFET采用达林顿连接而形成的单片BI-MOS晶体管。而实际的IGBT的等效电路却如图2所示。
IGBT 实际等效电路与理想等效电路相比不同之处在于T2 与T3 分别为可控硅与功率MOSFET 构成的。图中T2 是有条件的寄生存在的。正常使用不存在T2。但由于IGBT 制造工艺问题，存在一个低阻值扩散电阻Rd，在一般正常使用情况下，由于Ic 在 Rd 上的正向偏压不足以打开寄生NPN T2 晶体管，此时等于不存在T2。
当Ic 电流在Rd 上的压降大到能够使寄生NPN T2 导通，由于正反馈原因，使T2 和T3 快速处于全导通状态。这样在Ic 过流条件下，T2 的寄生晶体管存在，T2 和T3 晶体管已形成导通。门极控制作用失灵，失去控制作用，形成自锁现象，这就是擎住效应。一旦形成自锁，集电极电流增大，产生高热消耗，导致器件损坏。另外在IGBT 关断的动态过程中，dvce/dt 变化太快，在结电容中产生较大的位移电流，流过扩散电阻Rd，也会产生足以使NPN T2 晶体管导通的正向偏压，触发T2 的导通形成自锁。
（2）尖峰电压过高损坏
由于IGBT 的感性负载，在关断时产生尖峰电压，如果尖峰电压过高也会造成器件损坏。这时损坏往往为内置FWD 二极管被击穿
（3）栅驱动电路控制逻辑失灵导致桥臂直通
由于Miller（米勒效应）效应，当IGBT关断时可能从主回路藕合过来一个电压到VGE。当VGE达到开启电压时可能造成栅驱动电路控制逻辑失灵导致桥臂直通，烧坏IGBT。
2、IGBT过热对器件失控的影响分析
IGBT在导通过程中，无可避免要产生损耗。电流通过器件本身PN结产生的压降会产生额定损耗，IGBT作为开关原件，在开通和关断过程中，di/dt不可能达到无穷大，所以还会产生开关损耗。根据额定损耗以及开关损耗所产生的热量，IGBT结温（Tj）不能超过150摄氏度（一般不应超过125摄氏度）。
IGBT温度的升高对IGBT的正常工作有两方面的影响。
（1）由IGBT器件高温特性得知，在一定范围内器件温度升高有助于改善IGBT的静态下的通态特性，但对动态特性却带来不良影响。研究机构实验结果早已表明，IGBT关断时间会随着温度的升高而延长。
（2）引起IGBT自锁的集电极电流称之为擎住电流（NJ2机车故障事件记录称之为相模块饱和）。根据半导体器件的放大特性可知，当温度升高后，在上述“实际的IGBT等效电路”中，晶体管T2、T3的电流放大系数均有所增大，而且扩散电阻Rd的阻值也会也会因温度的升高而增大。T2、T3放大系数增大以及Rd阻值增大均会对IGBT自锁条件的形成起到一定的促进作用。擎住电流值在室温下一般为平均工作电流的六倍以上，但在IGBT温度升高至150摄氏度时，擎住电流会下降至平均工作电流的三倍左右，当IGBT温度升高至200摄氏度时，正常的工作电流就可以达到擎住电流，使IGBT自锁而失控。
至此，我们不难发现，IGBT散热片被灰尘覆盖导致的散热不畅对机车牵引逆变器相模块饱和导通有着不可忽视的作用。由于机车检测系统无法检测IGBT元件温度，为了验证故障原因理论推理的真实性，按照GE工程部的建议方案，对频繁发生饱和故障的机车逆变器IGBT散热片灰尘进行现车吹扫。经过对实施吹扫的三台机车的跟踪结果来看，散热片实施吹扫后故障报警再无发生。由此，推理得到验证。所以，清除相模块散热片表面覆盖的灰尘，并查找、消除灰尘进入散热片的渠道，才是解决机车牵引逆变器相模块饱和故障关键。
四、预防措施
依据故障原因分析的结果，我们会同GE公司现场服务组，从灰尘来源和灰尘消除两方面着手。
1、以逆变器/主发电机通风回路为重点，查找灰尘来源
牵引逆变器冷却用风通路如下图所示，交流发电机通风机通过电气室两侧的V形滤网把空气吸入系统。V形滤网能防止大的杂物（如树叶、植物纤维和羽毛等等）进入系统。接下来，空气流过两个位于电气室两侧的空滤器栅。这些空滤器栅能滤除空气中细小的污物颗粒。经滤清的洁净空气经过牵引逆变器相模块背面和整流装置二极管背面的散热片，使功率电子器件得以冷却。为了确保冷却空气通路畅通，利用机车定期修的充裕时间，制定整修计划，对牵引逆变器冷却用风通路予以彻底清洁，尤其是对电气室两侧的空滤器栅和V形滤网予以堆积物的清理。在保证牵引逆变器冷却用风通路畅通的同时，也有效发挥V形滤网和空滤器栅的除尘作用。，同时对通风通道的密封性能做彻底的检查整修，防止灰尘不经空滤器栅直接进入冷却用风通道。
牵引逆变器冷却用风通路
2、对相模块进行现车改造吹扫
根据机车相模块的结构特点和GE工程部的建议方案，在做好必要的器件安全防护措施下，现场对相模块进行开孔。通过开启的钻孔将压力空气喷嘴插入到任一钻孔，压缩空气通过喷嘴，在散热器上上下移动，在同一相模块开启的另外一个钻孔插入强力吸尘设备同步进行吸尘。当前钻孔清理完成后，使用一个手电筒，进行目视检查，确认清理达到预期效果。然后，将压力空气喷嘴和吸尘设备在两个钻孔间进行互换，重复执行一次吹扫和吸尘的操作，并确认检查清理效果。确保污垢清理尽可能完全。当机车所有相模块执行孔钻清理后，当台机车逆变器散热片的清理工作结束。
GE工程部建议改造方案图
结束语
根据本次相模块过热饱和故障的结论分析和实际改造，会同GE公司现场服务组和相关检修单位对此次故障的治理做效果检验总结如下：
1、大大降低了IGBT故障率。通过对IGBT饱和导通故障较为频繁的机车改造后的故障统计结果来对比，2013年6-7月份共计发生故障27起，经过改造后，同期相比，未发生任何故障。
2、有效降低了工作量。前期对IGBT的无法进行清扫，改造之后，只需要用压力空气配合吸尘器进行清扫，方便以后定期修中的清扫工作。
参考文献：
[1].《现代电力电子器件及其应用》.北方交通大学出版社.2002年3月第1版