CN101183792A - 一种基于YNd11接线变压器的交流电气化铁道牵引同相供电装置 - Google Patents
一种基于YNd11接线变压器的交流电气化铁道牵引同相供电装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于YNd11接线变压器的交流电气化铁道牵引同相供电装置，该装置的牵引变压器为YNd11接法的三相变压器(T1)，该变压器(T1)的YN接法的三个原边A、B、C三相接高压公用电网，该变压器d接法低压侧端子(a、b、c)之间接有潮流控制器(IC)，且端子a、b连接电气化铁道接触网(TR)。该装置能实现铁路全线同相供电而无需分相，且供电电压稳定，保证机车的高速、重载运行；同时，该装置能消除铁路牵引负荷对公用电网电能的负序、无无功和谐波影响，成本低、实施方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种交流电气化铁道牵引同相供电装置。
背景技术
单相系统所具有的结构简单、建设成本低、运用和维护方便等优点，决定了在电气化铁路普遍采用单相工频交流电为铁路机车供电。而电力系统希望所有的负载都从电网取用三相对称的基波电流，以充分利用设备，线路的容量，减少无功电流和谐波电流对系统的危害。为满足该要求，电气化铁道采用相序轮换、分段分相供电的方案，在铁路沿线每20-25km作为一个供电区段，各个区段依次分别由电网中的不同相供电，各区段之间设置30m左右的分相区段，并由分相装置进行分相。当各相分别供电的区段上运行的机车负荷相同时，就可使电力系统在大的范围内三相负荷的平衡。
但是，由于各区段的牵引负荷的大小不可能随时相同，分相分段方案只是在一定程度上减轻了三相不平衡的影响，没有从根本上解决铁路负荷单相用电对整个公用电网的影响。电气化铁道由于影响电能质量的问题，被迫修改设计方案，增大投资，处境被动的情况时有发生。
同时，由于电分相装置的存在，当机车运行到一个供电区段末端时，必须经过退级、断电等一系列复杂的操作，滑行到下一个区段再逐项恢复正常运行，这既增加了机车操作的复杂程度，同时又严重制约了机车运行速度的提高和牵引力的发挥。
对于我国现行的状态而言，急需发展高速重载铁路。现有的分段分相的机车牵引供电系统在实现高速、重载机车牵引时，更加不适应，主要表现在：
高速和重载运输要求机车受电弓平滑连续受流，而分相环节的存在，使受电弓上的电流时断时续，这大大影响了机车的运行速度。同时分相环节也是整个系统中最薄弱的环节之一。虽然有自动过分相装置，但因其电压高、转换动作频繁，其准确性和可靠度都存在严重问题，还不能完全解决电分相对机车运行的不利影响。
高速、重载运输都需要大容量供电，为满足国家标准中电力系统对电气化铁道以负序为突出的电能质量的限制指标，原有分相供电方式所使用的无功补偿技术已无法适应。若在牵引变电所采用可调对称补偿技术，即使在机车上使用交-直-交的电源(不计其无功和谐波)，因容量更大，负序更为突出，技术和经济上均难达到理想状态。
我国将建设的高速铁路可能是高、中速混跑模式，若出现交-直-交电源的机车与交-直电源的机车混用局面，除负序外，无功和谐波仍然存在，电能质量不能改善，制约了铁路与电力双方的发展。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于YNd11接线变压器的交流电气化铁道牵引同相供电装置，该装置能实现铁路全线同相供电而无需分相，且供电电压稳定，保证机车的高速、稳定运行，尤其适用于高速、重载铁路使用；该装置同时能消除铁路牵引负荷对公用电网电能的负序、无无功和谐波影响，成本低、实施方便。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为：
一种基于YNd11接线变压器的交流电气化铁道牵引同相供电装置，其结构特点是：牵引变压器为YNd11接法的三相变压器，该变压器的YN接法的三个原边三相接高压公用电网，该变压器d接法的低压侧三个端子与潮流控制器的三个电流输出端相连，且其中的两个端子同时连接电气化铁道接触网。
本发明的工作原理是：将公用高压电网上的三相高压电，经YNd11接法的牵引变压器变换后，其低压侧的两个端子接到铁道接触网，向电力机车供电，实现单相供电。同时由于牵引变压器的低压侧的三个端子连接潮流控制器的电流输出端，由潮流控制器的电流检测与脉宽调制控制器对牵引变压器次边输出的三相电流
和铁道接触网上流过的电流进行检测、运算，确定潮流控制器的三个电流输出端的输出电流
大小，从而在保证铁道接触网单向供电的同时，也保证索引变压器次边三相电流
对称且没有谐波。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、铁路线上所有使用本发明装置的变电所均输出同一个单相电压给铁道机车供电，这样整个铁路线上无需采用相序轮换、分相分段供电，从根本上避免了电分相环节；既使机车运行可靠，又使机车能够高速、稳定运行，尤其适用于重载、高速列车。
二、由潮流控制器对牵引变压器次边的电流进行补偿，保证索引变压器次边三相电流对称且没有谐波，从而实现铁路牵引负荷从公用电网上三相对称取电，避免了原分相取电产生负序电流，严重影响电网电能质量的问题；同时，也消除铁路牵引负荷的大量无功成分与谐波对公用电网电能质量的影响，使铁路和电力系统的经济与安全可靠运行得到保证。
三、我国现有的铁路线路的牵引变电所大量采用YNd11星形一三角形接线变压器，将其进行改造即可构成本发明YNd11星形一三角形接线变压器同相供电装置。因此，本发明装置对我国铁路电力系统具有最广泛的适应性，实施方便、对现有铁路的改造成本低。
上述的潮流控制器的组成为：YY接线的三相降压变压器的原边与三相变压器d接法低压侧端子相连，降压变压器次边三相中的两相与对应的电力电子开关的电流输出端相连。电力电子开关包括四只大功率晶体管，每只大功率晶体管的控制极均与电流检测与脉宽调制控制器相连；四只大功率晶体管两两通过发射极与集电极串连构成两组大功率晶体管组，两组大功率晶体管组的集电极并联，发射极也并联；并在两组大功率晶体管组的集电极、发射极之并联直流储能电容；两组大功率晶体管组内的发射极与集电极的串连点构成电力电子开关的电流输出端。
这样，在电流检测与脉宽调制控制器的控制下，轮流控制三个电力电子开关的开关状态，并经降压变压器变换后，向牵引变压器的次边三相提供补偿电流
，使牵引变压器的三个次边输出端的电流
对称且没有谐波，满足公用电网的对负序、无功和谐波的要求。这种结构的潮流控制器，控制有效，结构简单，成本低。
上述的两组大功率晶体管组未串联的集电极与未串联的发射极之间并联直流储能电容。并联的储能电容既能有效补偿牵引变压器次边端口的感性无功功率、提高功率因数、稳定牵引变压器原边的电压，滤除负荷电流中的高次谐波。
上述的大功率晶体管为集成门极换向晶闸管或绝缘栅双极性晶体管。这两种管子均为成熟可靠的大功率电力电子开关管。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1是本发明实施例的电路原理示意图。
图2是本发明实施例潮流控制器中一个电力电子开关D1的电路原理示意图。
具体实施方式
实施例
图1示出，本发明的一种具体实施方式为：一种基于YNd11接线变压器的交流电气化铁道牵引同相供电装置。牵引变压器为YNd11接法的三相变压器T1，该变压器T1的YN接法的三个原边A、B、C三相接高压公用电网，该变压器d接法的低压侧三个端子a、b、c与潮流控制器IC的三个电流输出端相连，且其中的两个端子a、b同时连接铁道接触网TR。显然，本发明的三个低压侧的输出端a、b、c是完全相同的，既可如图1所示选择a、b两个端子与铁道接触网TR相连，也可选择b、c或a、c两个端子与电气化铁道接触网TR相连。
本例的潮流控制器IC的组成为：YY接线的三相降压变压器T2的原边与三相变压器d接法低压侧端子a、b、c相连，降压变压器T2次边三相中的两相a′、b′或b′、c′或c′、a′与对应的电力电子开关D1、D2、D3的电流输出端x、y或y、z或z、x相连。
图2示出，电力电子开关D1包括四只大功率晶体管BG，每只大功率晶体管BG的控制极均与脉宽调制控制器CP相连；四只大功率晶体管BG两两通过发射极与集电极串联构成两组大功率晶体管组，两组大功率晶体管组的未串联的集电极并联，未串联的发射极也并联；两组大功率晶体管组内的发射极与集电极的串联点构成电力电子开关D1电流输出端x、y。电力电子开关D2、D3的构成与D1完全相同，只是电力电子开关D2、D3的电流输出端分别在图1标注为y、z和z、x。
两组大功率晶体管组未串联的集电极与未串联的发射极之间并联直流储能电容C。
图2示出，本例采用的大功率晶体管BG为集成门极换向晶闸管(IGCT)；在实际实施时，也可采用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。
Claims (4)
1.一种基于YNd11接线变压器的交流电气化铁道牵引同相供电装置，其特征在于：
牵引变压器为YNd11接法的三相变压器(T1)，该变压器(T1)的YN接法的三个原边(A、B、C)三相接高压公用电网，该变压器d接法的低压侧三个端子(a、b、c)与潮流控制器(IC)的三个电流输出端相连，且其中的两个端子(a、b)同时连接电气化铁道接触网(TR)。
2.如权利要求1所述的一种基于YNd11接线变压器的交流电气化铁道牵引同相供电装置，其特征在于：所述的潮流控制器(IC)的组成为：
YY接线的三相降压变压器(T2)的原边与三相变压器d接法低压侧端子(a、b、c)相连，降压变压器(T2)次边三相中的两相(a′、b′或b′、c′或c′、a′)与对应的电力电子开关(D1、D2、D3)的电流输出端(x、y或y、z或z、x)相连；
电力电子开关(D1、D2、D3)包括四只大功率晶体管(BG)，每只大功率晶体管(BG)的控制极均与电流检测与脉宽调制控制器(CP)相连；四只大功率晶体管(BG)两两通过发射极与集电极串联构成两组大功率晶体管组，两组大功率晶体管组的未串联的集电极并联，未串联的发射极也并联；两组大功率晶体管组内的发射极与集电极的串联点构成电力电子开关(D1、D2、D3)的电流输出端(x、y或y、z或z、x)。
3.如权利要求2所述的一种基于YNd11接线变压器的交流电气化铁道牵引同相供电装置，其特征在于：所述的两组大功率晶体管组未串联的集电极与未串联的发射极之间并联直流储能电容(C)。
4.如权利要求2所述的一种基于YNd11接线变压器的交流电气化铁道牵引同相供电装置，其特征在于：所述的大功率晶体管(BG)为集成门极换向晶闸管或绝缘栅双极性晶体管。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Nanfang Engineering Co., Ltd. of China Railway Construction Electrification Bureau Group Co., Ltd. Assignor: Southwest Jiaotong University Contract fulfillment period: 2009.10.30 to 2014.10.30 contract change Contract record no.: 2009510000147 Denomination of invention: YNd11 connection transformer based AC electrified railway traction cophase supply device Granted publication date: 20090812 License type: Exclusive license Record date: 2009.11.9 |
|
| LIC | Patent licence contract for exploitation submitted for record |
Free format text: EXCLUSIVE LICENSE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2009.10.30 TO 2014.10.30; CHANGE OF CONTRACT Name of requester: CHINA RAILWAY ELECTRIFICATION BUREAU GROUP SOUTHER Effective date: 20091109 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090812 Termination date: 20151022 |
|
| EXPY | Termination of patent right or utility model |