CN103818271A - 一种基于级联多电平的地面过电分相装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联多电平的地面过电分相装置，由设于轨道上的机车位置传感器CG1、CG2、CG3、CG4来确定列车的位置，控制由连接于相邻两相的地面过电分相装置输出单相交流电压，当列车在A相桥臂侧时，该电压与A相桥臂电压幅值、频率和相位相同；当电力机车进入中性段时，该电压实现A相电压向B相电压的转换，与B相电压的幅值、频率和相位相同。本发明实现了电力机车（或动车组）柔性通过电分相，对接触网和电力机车（或动车组）均无任何冲击，并且能够降低对开关器件的要求。列车可以实现不间断供电通过电分相。本发明更重要的意义在于能够在存在电分相的接触网上，实现贯通式供电。

Description

一种基于级联多电平的地面过电分相装置

技术领域

本发明涉及交直交电力机车（动车组）、交直电力机车地面过电分相装置制造领域。

背景技术

电力机车（动车组）过电分相的方法有多种，早期列车速度较慢，通常采用手动过电分相，在分相区设有分相标志指挥司机过电分相操作。到中性段前，司机先将牵引级位降到0，断开辅助系统，再将牵引变压器原边的主断路器断开，使机车不带电通过中性段。机车进入下一相供电臂的供电区后，司机合上主断路、并启动辅助系统、逐步恢复牵引级位。手动过电分相司机劳动强度大，在过分相时必须由司机断电，如果没断电过电分相，会在进入中性段时牵引网与受电弓产生过电压拉弧，烧坏牵引网和受电弓，甚至两相短路等严重事故，随着列车运行速度的不断提高这一问题将更为突出。

目前，电力机车（动车组）通常采用自动过电分相方法，主要有二种方法：地面自动过分相和车上自动过分相。采用地面过电分相时，电力机车（动车组）不需要任何动作，主电路断电时间很短，适合坡度较大的和运量大的困难地段，日本将这种方法用于高速动车组。

附图1为传统地面自动过分相装置的工作原理图，其工作过程如下：当电力机车（动车组）运行到CG1时（列车运行方向如图所示；CG1～CG4为机车位置传感器，用于产生开关切换信号，列车运行到某一位置时，相应的开关动作），开关K1闭合，中性段接触网由A相供电，待机车进入中性段，到达CG3时，K1断开，K2迅速合上，完成中性段供电的换相变换。由于此时中性段已由B相供电，电力机车（动车组）可以在不用任何附加操作，负荷基本不变的情况下通过分相段，待机车驶离CG4处时，K2断开，各个设备恢复原始状态。反向行驶时，由控制系统控制两个开关以相反顺序轮流断开与闭合。地面过电分相时，电力机车（动车组）在中性段进行电压转换，是带载断开分相开关，会生产截流过电压，对开关要求较高；同时是满载闭合另一个分相开关，机车上有牵引变压器，因为两相相位不一样，变压器的稳态磁通有相差，合闸时会因为动态磁通饱和导致合闸浪涌过电流。对于旋转电机并从牵引变压器取电的机车，合闸时还会导致辅助系统过流。

针对传统地面过电分相装置的缺点，有研究人员提出了改进措施，改进后的地面过电分相装置如附图2所示，其工作原理如下：当电力机车（动车组）运行到CG1时（列车运行方向如图所示；CG1～CG4为机车位置传感器，用于产生开关切换信号，列车运行到某一位置时，相应的开关动作），控制器发出控制信号使晶闸管SCR1、SCR2导通。A相电压通过降压变压器TX1，晶闸管SCR1、SCR2，升压变压器TX3到达中性段。晶闸管SCR1、SCR2的触发采用电压过零触发。当机车行驶到CG3时，控制器发出控制信号使晶闸管SCR1、SCR2关断，同时控制器发出控制信号使SCR3、SCR4导通。这样中性段就由A相供电转变为B相供电。B相电压通过降压变压器TX2，晶闸管SCR3、SCR4，升压变压器TX3到达中性段。当机车行驶到CG4处时，控制器发出控制信号使晶闸管SCR1、SCR2、SCR3、SCR4关断。系统恢复到原始状态。可见，改进后的方案仍然不能完全解决传统地面过电分相装置的缺点，由于需要采用升降压变压器，增加了系统的复杂程度和成本。

综上所述，现有技术的地面过电分相装置存在的以下问题：1）由于在整个过程中是满载分断开关，对开关要求较高；2）中性段电压转换时，是带载断开分相开关，会生产截流过电压；3）在中性段进行电压切换时，切换前后电压相位不一致，机车上牵引变压器的稳态磁通就会有相差，合闸时会因为动态磁通饱和导致合闸浪涌过电流。对于旋转电机并从牵引变压器取电的机车，合闸时还会导致辅助系统过流。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种基于级联多电平的地面过电分相装置，使电力机车能够柔性通过电分相。

本发明的目的还在于，为上述方法提供实现装置。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种基于级联多电平的地面过电分相装置，在存在电分相的接触网上实现贯通式供电，使电力机车柔性通过电分相，避免过电分相对接触网及电力机车的冲击，其特征在于，由设于轨道上用于对机车位置的确定的机车位置传感器CG1、CG2、CG3、CG4、分别连接在对接触网A和B相与过电分相装置之间用于测量接触网电压相位的接触网电压相位检测模块M1和M2和过电分相装置组成；所述过电分相装置采用级联多电平逆变器。

所述级联多电平逆变器可以采用以下方案之一实现：1）级联H桥整流+级联H桥逆变；2）级联H桥整流+级联全桥逆变；3）级联全桥整流+级联H桥逆变；4）变压器+不控整流+级联全桥逆变；5）变压器+不控整流+级联H桥逆变等方案；其中，级联H桥整流器或级联全桥整流或变压器原边均连接在电分相两侧的供电桥臂上，级联多电平逆变器为中性段供电。

这样，根据设于轨道上的机车位置传感器CG1、CG2、CG3、CG4对机车位置的确定，级联多电平逆变器的地面过电分相装置用来实现电压变换，输出电压频率、幅值、相位可调的单相交流电，供给中性段，实现电力机车地面无冲击切换过电分相；其正向行驶进入分相区时采用如下的操作步骤：电力机车（或电动车组）运行到CG1时，地面过电分相装置投入使用，中性段由级联多电平逆变器供电，控制级联多电平逆变器的输出，使其输出电压的幅值、频率和相位与A相桥臂的电压一致；待电力机车进入中性段，到达CG2时，控制级联多电平逆变器的输出，使其输出电压的幅值、频率和相位逐步由与A相相同调整到B相相同，列车继续前进；列车运行到CG4时，封锁逆变器的输出，地面过电分相装置进入待机状态；反向行驶时，其执行步骤与上对称变换，由CG3完成CG2的测位。

采用本发明，可以实现了电力机车（动车组）柔性通过电分相，从而从根本上避免产生截流过电压以及合闸浪涌过电流，并且能够降低对开关器件的要求。列车可以实现不间断供电的通过电分相，不存在速度损失。本发明更重要的意义在于能够在存在电分相的接触网上，实现贯通式供电。

附图说明

图1是传统地面过电分相装置的工作原理图

图2是一种改进的地面过电分相装置工作原理图

图3是本发明设计的级联多电平地面过电分相装置的系统结构图

图4是本发明采用的级联多电平地面过电分相装置的电气原理图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

根据设于轨道上的机车位置传感器CG1、CG2、CG3、CG4对机车位置的确定以及用于测量接触网电压相位的接触网电压相位检测模块M1和M2对接触网A和B相电压相位的确定，由级联多电平地面过电分相装置的控制器控制输出电压，实现电力机车柔性通过电分相。图3是本发明设计的级联多电平地面过电分相装置的系统结构图。

根据现有的技术，级联多电平地面过电分相装置可以采用以下结构：1）级联H桥整流+级联H桥逆变；2）级联H桥整流+级联全桥逆变；3）级联全桥整流+级联H桥逆变；4）变压器+不控整流+级联全桥逆变；5）变压器+不控整流+级联H桥逆变等方案。而根据系统成本、实现的难易程度等方面综合考虑，方案4具有比较优势，因此本发明以方案4为例进行详细介绍。

本发明的地面过电分相装置的具体实施方式如下：

1）利用降压变压器、不控整流器单元、级联多电平逆变器和控制器组成地面过电分相装置。

2）在供电段A相、B相各设置一套电压传感器M1、M2，检测接触网电压幅值、频率和相位，并将该信号反馈给级联多电平地面过电分相装置；

3）地面过电分相装置具有控制器，其控制器主要完成以下功能：当电力机车（动车组）到达CG1时（列车运行方向如附图3所示；CG1～CG4为机车位置传感器，是地面过电分相装置控制的必要条件之一，列车运行到某一位置并满足相关条件时，逆变器开始工作），级联多电平逆变器开始工作，输出与接触网A相幅值、频率和相位相同的电压供给中性段，电力机车进入中性段，电力机车由级联多电平地面过电分相装置通过中性段供电；待电力机车（动车组）进入中性段，到达CG2时，控制级联多电平地面过电分相装置的输出电压，使其输出电压由与A相电压幅值、频率和相位相同转变为与B相电压幅值、频率和相位相同；电力机车（或电动车组）继续运行，直至其到达CG4，即电力机车（或电动车组）完全驶出电分相区间，此时可封锁级联多电平逆变器的输出脉冲，各个设备恢复原始状态。反向行驶时，由控制系统控制两个开关以相反顺序轮流断开与闭合。由于地面过电分相装置的级联单元数量多，需要较多的触发脉冲，因此该控制器一般采用DSP和FPGA的组合。

附图4为本发明采用的级联多电平地面过电分相装置的电气原理图。该装置由降压变压器、不控整流器单元、级联多电平逆变器和控制器组成：降压变压器为多绕组变压器，其原边连接于相邻的两供电桥臂，将电压降至合适的值，次边为多绕组给整流单元供电；整流单元将变压器次边的电压整流成直流电，并供给支撑电容；逆变器由单向逆变单元级联组成，将支撑电容上的电压逆变为单相交流电，经过LC滤波后供给接触网的中性段；控制器采集相邻两桥臂的电压信号，并控制整个装置的工作状态。

本发明通过设计一种基于级联多电平的地面过电分相装置，实现了电力机车（动车组）柔性通过电分相，对接触网和电力机车（或动车组）均无任何冲击，并且能够降低对开关器件的要求。列车可以实现不间断供电的通过电分相。所述装置由设于轨道上的机车位置传感器CG1、CG2、CG3、CG4，以及接触网电压相位检测模块M1和M2构成的检测单元、级联多电平地面过电分相装置所组成。

在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于级联多电平的地面过电分相装置，在存在电分相的接触网上实现贯通式供电，使电力机车柔性通过电分相，避免过电分相对接触网及电力机车的冲击，其特征在于，由设于轨道上用于对机车位置的确定的机车位置传感器CG1、CG2、CG3、CG4、分别连接在对接触网A和B相与过电分相装置之间用于测量接触网电压相位的接触网电压相位检测模块M1和M2和过电分相装置组成；所述过电分相装置采用级联多电平逆变器。

2.根据权利要求1所述之基于级联多电平的地面过电分相装置，其特征在于，所述级联多电平逆变器可以采用以下方案之一实现：1）级联H桥整流+级联H桥逆变；2）级联H桥整流+级联全桥逆变；3）级联全桥整流+级联H桥逆变；4）变压器+不控整流+级联全桥逆变；5）变压器+不控整流+级联H桥逆变等方案；其中，级联H桥整流器或级联全桥整流或变压器原边均连接在电分相两侧的供电桥臂上，级联多电平逆变器为中性段供电。

3.根据权利要求1或2所述之基于级联多电平的地面过电分相装置，其特征在于，装置由降压变压器、不控整流器单元、级联多电平逆变器和控制器组成：降压变压器为多绕组变压器，其原边连接于相邻的两供电桥臂，将电压降至合适的值，次边为多绕组给整流单元供电；整流单元将变压器次边的电压整流成直流电，并供给支撑电容；逆变器由单相逆变单元级联组成。

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