CN103368413A - 一种高集成变流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高集成变流装置，包括位于一个箱体内的两个整流模块、两个逆变模块、一个辅变模块、一个充电机模块、辅助降压滤波装置和牵引控制单元，所述整流模块从牵引变压器接入电压后输出直流电压至中间直流回路；所述中间直流回路并接两路主逆变负载和一路辅助逆变负载，所述主逆变负载是通过逆变模块将直流电转变为三相交流电供给电机，所述辅变模块负载是通过辅助降压滤波装置供电给变流装置外部的辅助设备和变流装置内部的充电机模块。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、集成度高、安装方便、可靠性好等优点。

Description

一种高集成变流装置

技术领域

本发明主要涉及到动车组用变流装置领域，特指一种适用于动车组的高集成变流装置。

背景技术

动车组用变流装置作为动车组的核心部件，承担着将电网能量进行一系列转换用以驱动牵引电机和为车上辅助设备供给电能的重大任务。随着轨道交通快速发展，各种电力机车或者动车组等普遍采用大功率变流装置，例如绝缘栅双极晶体管（Insulate Gate Bipolar Transistor,IGBT）变流装置。可见，动车组变流装置正在朝大功率、调节控制功能齐全、高集成、高输出的方向发展。

目前，轨道交通领域使用的主牵引变流装置、辅助变流装置、充电机等都是单独成柜。即，动车组用变流装置柜内仅仅包含主牵引变流装置，而充电机、辅助变流装置、辅助变压器、水冷散热装置等设备往往独立于变流装置之外单独成柜。由于动车组受到轴重、安装空间、维修空间和车底运行环境等的限制，综合各方面的考虑，独立成柜势必增加了动车组成本和空间布置的难度。

其中，主牵引变流装置主要是给电压、电流或者功率等级高的动车组牵引电机供电。设备一般由整流装置、中间直流回路、逆变装置、控制单元、网络通信单元等主电路设备构成，上述设备都组装于一个箱体内。主牵引变流装置中的主要发热部件为IGBT功率模块，单位体积内的设备运行时热流量大，使得设备散热问题突出。因此，大功率主牵引变流装置通常需要水冷系统进行冷却。通常，循环水冷却装置单独成柜，主牵引变流装置内部只布置散热管道。

充电机的主要作用是将三相交流电压转变为直流电压，用来向蓄电池充电，并为直流母线提供电能，为其他直流负载供电。设备散热通常采用强迫风冷散热进行冷却。

辅助变流装置主要用来给电压、电流或者功率等级低的机车辅助设备供电。单独成柜的辅助变流装置一般也是由整流器、逆变装置、控制单元等电路设备构成。由于单位体积内的设备运行时热流量不大，设备散热通常采用强迫风冷散热进行冷却，强迫风冷散热的风道设计非常讲究。辅助变压器，主要实现辅助变流装置输出的变压和滤波等作用，供给稳定的3AC380V电源给辅助用电设备。

由上可知，采用主牵引变流装置、辅助变流装置、充电机和水冷散热装置独立成柜的设计方式，主要存在以下缺点：各设备单独成柜，柜体数量增加，生产成本增加，动车组空间布置难度加大且占用更多的动车组安装空间，各设备间电气机械连接可靠性大大降低。各设备单独成柜，需要针对每个设备分别考虑散热、控制等系统，没有做到充分共享各设备一致的资源。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、集成度高、安装方便、可靠性好的高集成变流装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高集成变流装置，包括位于一个箱体内的两个整流模块、两个逆变模块、一个辅变模块、一个充电机模块、辅助降压滤波装置和牵引控制单元，所述整流模块从牵引变压器接入电压后输出直流电压至中间直流回路；所述中间直流回路并接两路主逆变负载和一路辅助逆变负载，所述主逆变负载是通过逆变模块将直流电转变为三相交流电供给电机，所述辅变模块负载是通过辅助降压滤波装置供电给变流装置外部的辅助设备和变流装置内部的充电机模块。

作为本发明的进一步改进：

所述整流模块与牵引变压器之间设有整流模块前级电路，所述整流模块前级电路包括充电电阻、充电接触器、牵引接触器。

所述箱体内分隔成功率模块腔体、辅变充电机DCU腔体、冷却设备腔体、水管电缆布置腔体和输入输出接线腔体；所述功率模块腔体内布置整流模块、逆变模块，整流模块位于腔体的中央位置，逆变模块位于整流模块的两侧；所述辅变充电机DCU腔体内布置充电机模块、辅变模块、牵引控制单元和充电短接装置；所述冷却设备腔体内布置冷却系统；所述水管电缆布置腔体内布置水冷管道；所述输入输出接线腔体内布置变流器对外输入输出接线装置和固定放电电阻。

所述冷却系统包括热交换器、冷却风机、水泵、膨胀水箱、管道和冷却介质，热交换器通过管道与水泵、膨胀水箱相连通，冷却介质位于管道中并通过水泵提供循环动力，所述冷却风机布置于箱体内。

所述冷却介质采用纯水和乙二醇的混合液。

所述管道上安装有温度、压力传感器。

所述水冷管道包括主进水管、主出水管、若干分支水管和软管，所述主进水管道通过软管连接所有功率模块并通过冷却介质与功率器件进行热量交换，与功率模块进行热量交换后热的冷却介质通过软管流回主出水管道，所述主出水管道内的冷却介质流入热交换器进行冷却；冷却后的冷却介质从热交换器的出水口一部分流入水泵，另一部分冷却介质从热交换器流到膨胀水箱。

与现有技术相比，本发明的优点在于： 

1、本发明将主牵引变流装置、充电机、辅助变流装置和辅助变压器在同一柜体内，结构简单紧凑、集成度高，大大减少了独立成柜的设备数量，节省了人力物力，节省动车组底部安装空间，降低了成本。同时，变流装置的供电功能高度集成，有利于控制系统的控制、监测和网络通信系统的走线，使动车组控制系统和网络系统可靠性增强。

2、本发明中的冷却系统，不仅能够对所有功率模块迅速散热，还能使变流装置内部其他大功率发热设备的迅速散热，充分利用了冷却系统资源，冷却功能高度集成，使用同一套冷却设备即可完成，进而避免了重复设计不同的冷却系统，减少设计难度、降低了成本。

附图说明

图1是本发明变流装置的框架结构原理示意图。

图2是本发明中箱体内腔的结构示意图。

图3是本发明中冷却系统的结构原理示意图。

图例说明：

    1、整流模块；2、逆变模块；3、辅变模块；4、充电机模块；5、辅助降压滤波装置；6、牵引控制单元；7、牵引变压器；8、电机；9、辅助设备；10、蓄电池；101、功率模块腔体；102、辅变充电机DCU腔体；103、冷却设备腔体；104、水管电缆布置腔体；105、输入输出接线腔体；11、充电短接装置。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种高集成变流装置，包括位于一个箱体内的两个整流模块1、两个逆变模块2、一个辅变模块3、一个充电机模块4、辅助降压滤波装置5和牵引控制单元6（DCU）。牵引变压器7的两个次级绕组接入本发明的动车组变流装置箱内，通过前端的整流模块前级电路引入动车组变流装置的整流模块1，整流模块1输出直流电压至中间直流回路；中间直流回路包括斩波回路、固定放电电阻回路、接地检测电路、二次谐振回路等。该中间直流回路并接三路负载，分别为图中的两路主逆变模块2和一路辅变模块3。两路主逆变的电路完全一样，即通过逆变模块2将直流电转变为三相交流电供给电机8（如：牵引电动机）。辅变模块3从中间直流回路取电，经辅助降压滤波装置5供电给动车组变流装置外部的辅助设备9和变流装置内部的充电机模块4。牵引控制单元6（DCU）的主要作用是根据司机指令完成对整流模块1、逆变模块2和辅变模块3的实时控制，以期能够顺利实现交直交的电能转换，同时也具备完整的故障保护、故障自诊断等功能。

本实施例中，整流模块1和整流模块前级电路构成了整流部分，其中整流模块前级电路由充电电阻、充电接触器、牵引接触器构成，整流模块1的作用是向电机侧逆变模块提供一个相匹配的恒定的直流电压源。

本实施例中，中间直流回路是整流模块1和逆变模块2之间的中间环节，中间直流回路包括中间电压支撑电容、谐振滤波电容、变流装置外部的二次滤波电抗器、斩波电路、中间电压测量电路和固定放电电阻等；其具有稳定中间回路电压、二次谐振滤波、中间回路的电压进行监测、限制中间直流回路过电压和停机后的快速放电功能。

本实施例中，逆变模块2与整流模块1的结构相同并可以互换，只是改变控制方式就能实现整流或者逆变功能；逆变模块2的作用是将恒定的直流电压转换为三相交流(0～1404V、0～200Hz)供给牵引电机。辅变模块3的作用是将恒定的直流电压转换为三相交流恒压恒频（380V/50Hz）或者变压变频 (0～380V、0～50HZ)供给动车组上辅助设备9。充电机模块4输出稳定的DC110V电源作为列车控制电源或给蓄电池10充电。

如图2所示，本发明变流装置的箱体内按照功能、电压等级等划分腔体，即：功率模块腔体101、辅变充电机DCU腔体102、冷却设备腔体103、水管电缆布置腔体104和输入输出接线腔体105。

功率模块腔体101内主要布置了整流模块1、逆变模块2，整流模块1位于腔体的中央位置，逆变模块2位于整流模块1的两侧。

辅变充电机DCU腔体102内主要布置充电机模块4、辅变模块3、牵引控制单元6（DCU）和充电短接装置11。

冷却设备腔体103内主要布置热交换器、冷却风机、水泵、膨胀水箱、风道和需要风冷散热的辅助变压器和斩波电阻等。

水管电缆布置腔体104主要布置水冷管道，以便为功率模块水冷散热。

输入输出接线腔体105主要布置变流器对外输入输出接线装置和固定放电电阻。

本实施例中，水冷却技术是通过冷却液的循环带走功率元件在工作时所发出的热量，具有冷却效率高、体积小、使用清洁、维护简单、不受环境影响等特点，非常适合动车组大功率变流装置的冷却使用。

如图3所示，本发明变流装置中的整套冷却系统集成在变流装置箱体的内部，包括热交换器、冷却风机、水泵、膨胀水箱、管道和冷却介质。热交换器用来实现液—气热量的交换；水泵用来提供冷却介质的循环动力；冷却风机一方面提供液-气热量交换的动力，实现热能的对外释放，另一方面实现相关部件的风冷散热；管道则是冷却介质的循环通道，为了防止在冬季纯水结冰的现象，冷却介质可以采用纯水和乙二醇按照一定比例混合而成，并在水冷管道上安装有温度、压力传感器，通过传动控制单元对冷却系统进行实时监控及保护。

本实施例中，水冷管道包括主进水管、主出水管、若干分支水管和软管。冷却介质由水泵泵往变流装置的主进水管道，通过与主进水管道相连的软管连接六个功率模块并与功率器件进行热量交换；在与功率模块进行热量交换后热的冷却介质通过软管流回主出水管道，主出水管道内的冷却介质流入热交换器；在热交换器内部进行冷却介质的冷却，冷却后的冷却介质从热交换器的出水口一部分流入水泵，另一部分冷却介质从热交换器流到膨胀水箱，完成一次循环。

依据牵引变流器冷却系统的工作原理，整个牵引变流器冷却系统性能主要取决于热交换器散热的效果。为此变流装置中机箱的内部布置了两个离心风机，以实现热交换器内部冷却介质的冷却。风机将热交换器外部的冷空气通过热交换器吸入变流器柜体风道内，实现热交换器液-气热量的转移。被加热后的空气吹向辅助变压器和斩波电阻用以实现两者的冷却。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高集成变流装置，其特征在于：包括位于一个箱体内的两个整流模块（1）、两个逆变模块（2）、一个辅变模块（3）、一个充电机模块（4）、辅助降压滤波装置（5）和牵引控制单元（6），所述整流模块（1）从牵引变压器（7）接入电压后输出直流电压至中间直流回路；所述中间直流回路并接两路主逆变负载和一路辅助逆变负载，所述主逆变负载是通过逆变模块（2）将直流电转变为三相交流电供给电机（8），所述辅变模块负载是通过辅助降压滤波装置（5）供电给变流装置外部的辅助设备（9）和变流装置内部的充电机模块（4）。

2.根据权利要求1所述的高集成变流装置，其特征在于：所述整流模块（1）与牵引变压器（7）之间设有整流模块前级电路，所述整流模块前级电路包括充电电阻、充电接触器、牵引接触器。

3.根据权利要求1或2所述的高集成变流装置，其特征在于：所述箱体内分隔成功率模块腔体（101）、辅变充电机DCU腔体（102）、冷却设备腔体（103）、水管电缆布置腔体（104）和输入输出接线腔体（105）；所述功率模块腔体（101）内布置整流模块（1）、逆变模块（2），整流模块（1）位于腔体的中央位置，逆变模块（2）位于整流模块（1）的两侧；所述辅变充电机DCU腔体（102）内布置充电机模块（4）、辅变模块（3）、牵引控制单元（6）和充电短接装置（11）；所述冷却设备腔体（103）内布置冷却系统；所述水管电缆布置腔体（104）内布置水冷管道；所述输入输出接线腔体（105）内布置变流器对外输入输出接线装置和固定放电电阻。

4.根据权利要求3所述的高集成变流装置，其特征在于：所述冷却系统包括热交换器、冷却风机、水泵、膨胀水箱、管道和冷却介质，热交换器通过管道与水泵、膨胀水箱相连通，冷却介质位于管道中并通过水泵提供循环动力，所述冷却风机布置于箱体内。

5.根据权利要求4所述的高集成变流装置，其特征在于：所述冷却介质采用纯水和乙二醇的混合液。

6.根据权利要求4所述的高集成变流装置，其特征在于：所述管道上安装有温度、压力传感器。

7.根据权利要求4所述的高集成变流装置，其特征在于：所述水冷管道包括主进水管、主出水管、若干分支水管和软管，所述主进水管道通过软管连接所有功率模块并通过冷却介质与功率器件进行热量交换，与功率模块进行热量交换后热的冷却介质通过软管流回主出水管道，所述主出水管道内的冷却介质流入热交换器进行冷却；冷却后的冷却介质从热交换器的出水口一部分流入水泵，另一部分冷却介质从热交换器流到膨胀水箱。

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