CN101898518A - 脉动直流供电交流调速电力机车 - Google Patents

脉动直流供电交流调速电力机车 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种脉动直流供电交流调速电力机车，包括牵引主电路，该牵引主电路包括：受电弓、断路器、限流电抗器、直流电容器、换流阀组件、换流电抗器、高通滤波器、三相交流异步电动机、机车车轮以及PWM控制系统；其中，受电弓、断路器、限流电抗器、直流电容器和机车车轮顺次串联在一起，接于脉动直流牵引网和铁轨之间的脉动直流电源上；由2个换流阀组件串联成一条支路，3条上述支路与直流电容器并联在一起；3条支路的中点经过3个换流电抗器与三相异步电动机的3个输入端连接；3个高通滤波器按照星型连接接于的三相异步电动机的3个输入端。基于本发明的电力机车，能够在脉动直流牵引供电系统电气化铁道上正常运行。

Description

脉动直流供电交流调速电力机车
技术领域
本发明涉及电气化铁道电力机车领域，更具体地涉及一种脉动直流供电交流调速电力机车。
背景技术
我国电气化铁路采用25KV工频单相交流制供电，电源来自电力系统。电力系统电压一般为220KV(或110KV)。通过牵引变电所将电力系统三相220KV(或110KV)交流电变换为两个单相的25KV的交流电，然后向铁路上、下行两个方向的接触网(额定电压为25KV)供电。目前这种供电方式存在的主要问题是：1、由于25KV工频单相交流负荷对电力系统而言是一种不对称负载，所以造成了电力系统负荷不平衡，负序分量较大。2、牵引变电所两侧的接触网(亦称供电臂)的电压相位不同，一般用分相绝缘器隔离开来，这样电力机车过分相时有许多问题要解决。3、接触网末端电压水平较低，限制列车高速重载行驶。
专利脉动直流牵引供电系统(申请号200710119223.X，授权公告号CN101348086的发明专利申请)提出了将25KV三相交流电直接整流成脉动直流，然后供电给接触网。如果供电电源交流电为25KV，那么脉动直流为33.75KV。由于整个接触网由接触网联络断路器连成一线，所以解决了上面的问题。但是一个新的问题出现，那就是我国目前电气化铁道的电力机车都是采用25KV工频交流电供电，而这样的电力机车是不能运行在脉动直流供电的牵引供电系统电气化铁道上的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种脉动直流供电交流调速电力机车，以使电力机车可以在脉动直流牵引供电系统的电气化铁道上正常运行。
本发明公开了一种脉动直流供电交流调速电力机车，包括牵引主电路，该牵引主电路包括：受电弓、断路器、限流电抗器、直流电容器、换流阀组件、换流电抗器、高通滤波器、三相交流异步电动机、机车车轮以及PWM控制系统；其中，所述受电弓、断路器、限流电抗器、直流电容器和机车车轮顺次串联在一起，接于脉动直流牵引网和铁轨之间的脉动直流电源上；有并联的三条支路，每条支路上串联有两个换流阀组件，三条所述支路与所述直流电容器并联；所述三条支路的各个中点分别经过三个所述换流电抗器与所述三相异步电动机的三个输入端连接；三个所述高通滤波器按照星型连接于所述的三相异步电动机的三个输入端。
上述电力机车，优选所述PWM控制系统的调速方式为PWM交流变压调速或变频调速。
上述电力机车，优选所述断路器的额定电压为35KV。
上述电力机车，优选所述换流阀组件由具有关断能力的电力电子器件串联组成，所述每一电力电子器件上设置有反并联二极管。
上述电力机车，优选所述换流阀组件还设置有触发装置，并且，所述换流阀组件还并联有均压电路；所述换流阀组件采用去离子水冷却。
上述电力机车，优选所述直流电容器为金属氧化膜电容，额定电压为35KV。
上述电力机车，优选所述高通滤波器由电容器和电抗器串联组成。
基于本发明的电力机车，能够在脉动直流牵引供电系统电气化铁道上正常运行。
附图说明
图1为本发明脉动直流供电交流调速电力机车牵引主电路拓扑结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明公开的脉动直流供电交流调速电力机车牵引主电路拓扑结构如图1所示，包括：受电弓0、断路器1、限流电抗器2、直流电容器3、换流阀组件4、换流电抗器5、高通滤波器6、三相交流异步电动机7、机车车轮8以及PWM控制系统9。
受电弓0、断路器1、限流电抗器2、直流电容器3和机车车轮8顺次串联在一起，接于脉动直流牵引网和铁轨之间的脉动直流电源上；由2个换流阀组件4串联成一条支路，3条上述支路与所述直流电容器3并联在一起；上述3条支路的中点W、V及U经过3个所述换流电抗器5与所述三相异步电动机7的三相输入端A、B及C连接。3个所述高通滤波器6按照星型连接接于所述的三相异步电动机7的三相输入端A、B及C上。
其中，脉动直流供电交流调速电力机车，供电电源为脉动直流电或是直流电，电力机车的调速方式为PWM控制交流变压调速或\和变频调速。断路器是额定电压为35KV的直流断路器，断路器参数依据整个机车功率选择。
上述换流阀组件是由具有关断能力的电力电子器件(如GTO、IGBT、IGCT等)串联组成的，每个电力电子器件上有一个反并联二极管。为了使串联元件在开通和关断时得到均匀的动态电压分布，每个电力电子器件上配备有触发装置，每个电力电子器件上并联有均压电路。换流阀组件采用去离子水冷却。串联电力电子器件的个数随电力电子器件的参数不同而不同。
PWM控制系统产生控制信号控制换流阀组件的工作状态。控制信号由脉宽调制(PWM)控制系统产生，经光电转换，用光导纤维传送到高电位的具有关断能力的换流阀组件上去，对换流阀组件工作进行控制。通过PWM控制系统控制换流阀组件工作状态，可以控制A、B及C点处的交流电压和交流频率，从而控制异步电动机的功率和转速。
直流电容器额定电压为35KV，使用金属氧化膜电容，直流电容器容量依据整个机车功率选择。并且，换流电抗器为储能元件。其两端的交流电压决定着换流器转换的功率。通过PWM控制系统控制换流阀组件工作状态来改变W、V及U点输出电压的相位和幅值，从而对输出点A、B及C的有功和无功进行控制。直流电容器3、6组换流阀组件4、换流电抗器5及PWM控制系统9组成三相全波桥式回路的PWM电压源换流器。高通滤波器是由电容器和电抗器串联组成的。异步电动机为机车的牵引动力电动机，依据整个机车功率及单台异步机的功率来确定并联异步机的台数。
本发明的工作原理介绍如下：
如图1所示，脉动直流牵引供电系统电源正极接脉动直流牵引网，受电弓0与脉动直流牵引网滑动接触并从脉动直流牵引网上取得电能，通过断路器1、限流电抗器2给脉动直流供电交流调速电力机车的供电。回流电流经机车车轮8与轨道到脉动直流牵引供电系统电源负极。
断路器1的作用是接通与断开脉动直流供电系统给机车的供电。限流电抗器2的作用是限制断路器1接通瞬间电源给直流电容器3充电时出现的冲击电流。直流电容器3为换流阀组件4关断电流提供一个低电感路径，同时也为潮流控制储存能量，还可以降低直流侧的谐波。
由直流电容器3、6组换流阀组件4、换流电抗器5及PWM控制系统9组成三相全波桥式回路的PWM电压源换流器。它将脉动直流电换流为电压和频率可调的三相交流电，用以驱动牵引动力电动机-异步电动机7的转动从而使动力机车运行，并且可以实现调速。
PWM控制系统9的作用是产生控制信号控制换流阀组件的工作状态。控制信号由脉宽调制(PWM)控制系统产生，经光电转换，用光导纤维传送到高电位的具有关断能力的换流阀组件上去，对换流阀组件工作进行控制。通过PWM控制系统控制换流阀组件工作，可以控制A、B及C点处的交流电压和交流频率，从而控制异步电动机7的功率和转速。
换流电抗器5为储能元件。其两端的交流电压决定着换流器转换的功率。通过PWM控制系统控制换流阀组件工作状态来改变W、V及U点输出电压的相位和幅值，从而对输出点A、B及C的有功和无功进行控制。
高通滤波器6是由电容器和电抗器串联组成的。容量比较小，用来消除交流侧的高次谐波。异步电动机为机车的牵引动力电动机。机车车轮为行走车轮，同时也是机车与轨道电路接触元件。
以上对本发明所提供的一种脉动直流供电交流调速电力机车进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种脉动直流供电交流调速电力机车，其特征在于，包括牵引主电路，该牵引主电路包括：受电弓(0)、断路器(1)、限流电抗器(2)、直流电容器(3)、换流阀组件(4)、换流电抗器(5)、高通滤波器(6)、三相交流异步电动机(7)、机车车轮(8)以及PWM控制系统(9)；其中，
所述受电弓(0)、断路器(1)、限流电抗器(2)、直流电容器(3)和机车车轮(8)顺次串联在一起，接于脉动直流牵引网和铁轨之间的脉动直流电源上；有并联的三条支路，每条支路上串联有两个换流阀组件(4)，三条所述支路与所述直流电容器(3)并联；所述三条支路的各个中点分别经过三个所述换流电抗器(5)与所述三相异步电动机(7)的三个输入端连接；三个所述高通滤波器(6)按照星型连接于所述的三相异步电动机(7)的三个输入端。
2.根据权利要求1所述的电力机车，其特征在于，所述PWM控制系统(9)的调速方式为PWM交流变压调速或/和变频调速。
3.根据权利要求2所述的电力机车，其特征在于，所述断路器(1)的额定电压为35KV。
4.根据权利要求3所述的电力机车，其特征在于，所述换流阀组件(4)由具有关断能力的电力电子器件串联组成，所述每一电力电子器件上设置有反并联二极管。
5.根据权利要求4所述的电力机车，其特征在于，所述换流阀组件(4)还设置有触发装置，并且，所述换流阀组件(4)还并联有均压电路；所述换流阀组件(4)采用去离子水冷却。
6.根据权利要求5所述的电力机车，其特征在于，所述直流电容器(3)为金属氧化膜电容，额定电压为35KV。
7.根据权利要求6所述的电力机车，其特征在于，所述高通滤波器(6)由电容器和电抗器串联组成。
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