CN104811025B - 具有多重保护的辅助变流器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有多重保护的辅助变流器，包括第一保护电路、逆变电路、第二保护电路和控制电路；第一保护电路、逆变电路和第二保护电路依次连接，并分别与控制电路连接；第一保护电路包括第一开关、第一电阻和第二电阻；第一开关和第一电阻的一端分别与直流电压的输入端连接，第一电阻的另一端与第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端和第一开关的另一端分别与逆变电路的正输入端连接，第一开关的控制端与控制电路连接。该辅助变流器，通过对逆变电路的输入电压和输出电压进行有效的保护和控制，并对逆变电路输入电流的控制，有效的避免了较大的预充电电流对逆变电路的损坏，极大的降低了辅助变流器的故障率，降低了机车的维修和运行成本。

Description

具有多重保护的辅助变流器

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种具有多重保护的辅助变流器。

背景技术

高速动车组上的辅助变流器是将牵引变流器中间环节的3000伏(V)直流电逆变为3相380V、50赫兹(Hz)的交流电并向高速动车组上的空调压缩机、通风设备、空压机和充电机等供电的电力电子设备。辅助变流器是高速动车组上的主要供电设备，关系着高速动车组的运行性能，要求供电功率大，可靠性高。

现有的辅助变流装置的电路主要包括：降压斩波电路、高频变压器、整流电路和逆变电路。其中，降压斩波电路将牵引变流器中间电路的高压直流电逆变成低压的交流电，该交流电经过高频变压器降压后再由整流电路整流成直流电，之后逆变电路将直流电逆变成辅助设备需要的交流电。

但是，由于现有的辅助变流器装置缺少保护电路，而使得辅助变流器在使用中故障率较高，不仅影响了负载设备的正常工作，频繁的维修辅助变流器也增加了机车的运行成本。

发明内容

本发明提供一种具有多重保护的辅助变流器，用于解决现有辅助变流器中缺少保护电路，故障率高，增加机车的运行成本的问题。

本发明提供一种具有多重保护的辅助变流器，包括：第一保护电路、逆变电路、第二保护电路和控制电路；

所述第一保护电路、逆变电路和第二保护电路依次连接，并分别与所述控制电路连接；

所述第一保护电路包括第一开关、第一电阻和第二电阻；

所述第一开关和第一电阻的一端分别与直流电压的输入端连接，所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端和所述第一开关的另一端分别与所述逆变电路的正输入端连接，所述第一开关的控制端与所述控制电路连接。

本发明提供的具有多重保护的辅助变流器，在逆变电路前后都设置保护电路，对逆变电路的输入电压和输出电压进行有效的保护和控制，尤其通过对逆变电路输入电流的控制，有效的避免了较大的预充电电流对逆变电路的损坏，极大的降低了辅助变流器的故障率，降低了机车的维修和运行成本。

附图说明

图1为本发明提供的具有多重保护的变流器的结构示意图；

图2为本发明提供的具有多重保护的辅助变流器的第一保护电路的结构示意图。

图3为本发明提供的具有多重保护的辅助变流器的第二保护电路的结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明提供的具有多重保护的变流器实施例一的结构示意图。如图1所示，该具有多重保护的变流器10包括：第一保护电路100、逆变电路110、第二保护电路120和控制电路130。

其中，所述第一保护电路100、逆变电路110和第二保护电路120依次连接，并分别与所述控制电路130连接；所述第一保护电路100包括第一开关101、第一电阻102和第二电阻103。所述第一开关101和第一电阻102的一端分别与直流电压的输入端连接，所述第一电阻102的另一端与所述第二电阻103的一端连接，所述第二电阻103的另一端和所述第一开关101的另一端分别与所述逆变电路110的正输入端连接，所述第一开关101的控制端与所述控制电路130连接。

具体的，第一保护电路用于对逆变电路的输入电压、输入电流进行检测，对逆变电路进行输入过压、欠压、过流保护。第二保护电路用于对逆变电路的输出电压、输出电流进行检测，以控制逆变电路的输出电压和电流保护，控制电路用于检测第一保护电路、第二保护电路和逆变电路的工作情况，并控制各个电路中相关器件的动作，使得辅助变流器正常工作。

其中，第一开关、第一电阻和第二电阻组成预充电电路，对逆变电路进行预充电保护，在辅助变流器开始工作时，断开第一开关，使得牵引变流器中间直流电路上的直流电经过第一电阻和第二电阻为逆变电路充电，以减小初始工作时刻大的输入电流对逆变电路中功率器件的冲击，且通过第一电阻和第二电阻对逆变电路中的充电电容进行充电后，即可使逆变电路中的功率器件实现软启动，从而降低功率器件的开关损耗，当逆变电路正常启动后，闭合第一开关，将第一电阻和第二电阻切除电路，以降低辅助变流器在第一电阻和第二电阻上的功率损耗，提高辅助变流器的效率。

在控制方式上，辅助逆变器采用DQ坐标系下的有功功率和无功功率下垂控制，采用传统的电流内环、电压外环及有功功率和无功功率控制环等多环结合的控制方式，即当并联系统中各逆变器输出电压的相位、幅值偏差较小时，并联系统的有功环流与输出电压的相位差有关，无功环流与输出电压的幅值差有关，因此，各辅助变流器以各自的有功功率和无功功率为依据，调整各自输出电压的频率和幅值实现系统中各台逆变器的均流运行。

在控制算法上辅助变流器采用空间矢量控制算法，即将检测的电压和电流通过3-2坐标变换，再通过极坐标变换得到电压电流空间矢量的模值，然后将该模值与电压输出设定值作差送入放大积分控制器(proportional integral controller，简称PIC)，输出电压矢量给定量，它和角度发生器产生的相位信号一同送入脉冲宽度(Pulse-WidthModulation，简称PWM)调制器，计算产生调制波。

逆变器采用了空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，简称SVPWM)控制，SVPWM是一种优化的PWM技术，能明显减小逆变器输出电流的谐波成分且其控制简单，数字化实现方便，电压利用率高。双环控制方案的电流内环扩大逆变器控制系统的带宽，使得逆变器动态响应加快，输出电压的谐波含量减小，非线性负载适应能力加强。

本发明实施例提供的具有多重保护的辅助变流器，在逆变电路前后都设置保护电路，对逆变电路的输入电压和输出电压进行有效的保护和控制，尤其通过对逆变电路输入电流的控制，有效的避免了较大的预充电电流对逆变电路的损坏，极大的降低了辅助变流器的故障率，降低了机车的维修和运行成本。

图2为本发明提供的具有多重保护的辅助变流器的第一保护电路的结构示意图。如图2所示，在图1所示的基础上，该具有多重保护的辅助变流器10的第一保护电路100，还包括：第一电压传感器201、熔断器202、第一电流传感器203和直流电抗器204。

其中，所述第一电压传感器201的两端分别与所述直流电压的两输入端连接；所述熔断器202的一端与所述直流电压的正输入端连接，所述熔断器202的另一端与所述第一开关101和第一电阻102的一端连接；所述第一电流传感器203的正输入端与所述第一开关101的另一端连接，所述第一电流传感器203的负输入与所述直流电压的负输入端连接，所述第一电流传感器203的正输出端与所述直流电抗器204的输入端连接，所述第一电流传感器203的负输出端与所述逆变电路110的负输入端连接；所述直流电抗器204的输出端与所述逆变电路110的正输入端连接。

具体的，图2中X1为直流母线的正端，X2为直流母线的负端，在辅助变流器的直流输入侧并联了第一电压传感器201，对输入电压进行有效的检测，能够实时的监控输入端是否产生了过压或欠压故障；202为熔断器，对辅助变流器进行过流保护，避免在辅助变流器过载时影响牵引变流器的中间直流环节，并对辅助变流器本身进行保护；第一电流传感器为差分式电流传感器，主要是检测输入电流和输出电流的差值，对整个辅助变流器形成电流闭环，保证输入、输出电流的协调；直流电抗器204，对输入的直流电压进行谐波滤除，使输入的电压更稳定。

进一步地，上述第一保护电路100还包括：第二电压传感器205。

其中，所述第二电压传感器205的一端与所述第一电流传感器203的负出端连接，所述第二电压传感器205的另一端与所述直流电抗器204的输出端连接。

具体的，第二电压传感器205，对滤波后的电压进行监测，保证进入到逆变电路的电压值正常，并对逆变电路进行过压和欠压保护。

进一步地，上述第一保护电路100还包括：第一电容206、第二电容207、第三电阻208和第四电阻209。

其中，所述第一电容206的一端与所述第三电阻208的一端及所述直流电抗器204的输出端连接，所述第一电容206的另一端与所述第二电容207的一端连接；所述第二电容207的另一端与所述第四电阻209的一端及所述第一电流传感器203的负输出端连接；所述第四电阻209的另一端与所述第三电阻208的另一端连接。

具体的，上述第一电容206、第二电容207、第三电阻208和第四电阻209组成阻容电路，主要目的在于对三相逆变器减少电流的冲击，在运行维护时，并能够对中间支撑电容起到放电的作用。需要说明的是，上述阻容电路中的第一电容、第二电容、第三电阻和第四电阻仅是示意性说明，阻容电路中可以有多个电阻和电容组成，实际使用时可以根据冲击电流的值及支撑电容的值设置电阻和电容的个数。

本发明实施例提供的具有多重保护的辅助变流器，在逆变电路前后都设置保护电路，对逆变电路的输入电压和输出电压进行有效的保护和控制，尤其通过对逆变电路输入电流的控制，有效的避免了较大的预充电电流对逆变电路的损坏，极大的降低了辅助变流器的故障率，降低了机车的维修和运行成本。通过对输入端进行过压保护、过流保护和差分保护，保证进入到辅助变流器的电压和电流的正常，且有效的避免了辅助变流器过载时对牵引变流器的影响，另外对逆变电路设置了阻容吸收电路，有效的减少了对逆变器的冲击电流，进一步提高了辅助变流器的可靠性，降低了辅助变流器的故障率。

图3为本发明提供的具有多重保护的辅助变流器的第二保护电路的结构示意图。如图3所示，在图1中的第二保护电路120包括：第二电流传感器210、第三电流传感器211和第四电流传感器212。

其中，所述第二电流传感器210的输入端与所述逆变电路110的第一输出端连接，第二电流传感器210的输出端用于输出第一交流电流；所述第三电流传感器211的输入端与所述逆变电路110的第二输出端连接，第三电流传感器211的输出端用于输出第二交流电流；所述第四电流传感器212的输入端与所述逆变电路110的第三输出端连接，第四电流传感器211的输出端用于输出第三交流电流。

具体的，第二电流传感器210、第三电流传感器211和第四电流传感器212均为常用的电流传感器，用于对逆变后的三相电流进行检测，以对负载能够实现过流保护。

进一步地，上述第二保护电路120还包括：交流电抗器213、交流电容器214和变压器215。

其中，所述交流电抗器213的三个输入端分别与所述第二电流传感器210的输出端、所述第三电流传感器211的输出端及所述第四电流传感器212的输出端连接；所述交流电抗器213的三个输出端分别与所述交流电容器214的三个输入端及所述变压器215的三个输入端连接，所述交流电容器214的公共端与地连接；所述变压器215的三个输出端用于输出三相交流电压。

具体的，交流电抗器213和交流电容器214组成滤波电路，三相逆变电路输出的电压为方波，并不是负载所需要的正弦波，经过滤波电路后，输出电压波形为正弦波；滤波后的电压再由变压器215变换成负载所需要的电压。

进一步地，所述第二保护电路120还包括：第五电流传感器216、第六电流传感器217、第七电流传感器218、第五电阻219和第六电阻220。

其中，所述第五电流传感器216的输入端和第六电流传感器217的输入端分别与所述变压器215的两个输出端连接，所述第五电流传感器216的输出端和第六电流传感器217的输出端分别用来输出电流；所述第五电阻219的一端与所述变压器215的公共端连接，所述第五电阻219的另一端与第六电阻220的一端连接，所述第六电阻220的另一端与所述第七电流传感器218的输入端连接，所述第七电流传感器218的输出端与地连接。

具体的，第五电流传感器216和第六电流传感器217对输出电流进行监测，对其前级和后级电路形成过流保护；第七电流传感器218为接地电流传感器，通过其前端的采样电阻219和220进行采样，检测逆变电路是否存在接地电流过大，是否有接地故障，同时对各个部件进行了接地保护。

特别地，本实施例中还可以接入电磁干扰滤波器，对由前级产生的电磁干扰进行消除。

进一步地，所述第二保护电路120还包括：空气断路器221。

其中，所述空气断路器221的三个输入端分别与所述第五电流传感器216的输出端、第六电流传感器217的输出端及变压器215的另一个输出端连接；所述空气断路器221的输出端用来输出电压。

具体的，由于逆变电路中功率器件在正常工作时容易发热损坏，可以冷却风机，对逆变电路中的功率器件进行冷却，还可以设置小风扇，为电路中的电阻平台进行散热，保证电阻的温度不能过高，通过空气断路器221为冷却风机及小风扇供电，并为冷却风机和小风扇进行过压、过流保护。

进一步地，所述第二保护电路120还包括：第三电压互感器222。

其中，所述第三电压互感器222的三个输入端分别与所述逆变电路110的三个输出端连接，所述第三电压互感器222的三个输出端分别与控制电路的三个输入端连接。

具体的，第三电压互感器对输出电压的相位、幅值和频率进行监测，并传给控制电路进行判断，以保障输出电压的正常。

进一步地，所述第二保护电路还包括：并网接触器(图中未示出)。

其中，并网接触器的三个输入端分别与逆变电路的三个输出端连接，所述并网接触器的三个输出端分别用来输出交流电。

具体的，为了为机车中的辅助设备供电，机车中可能有多台辅助变流器同时运行，可以设置并网接触器对负载进行保护，以在辅助变流器并网时对负载进行过压或过流保护。

此外，还对辅助变流器中的其它部件进行接地、电磁干扰保护，进一步地提供该具有多重保护的辅助变流器的可靠性。

本发明实施例提供的具有多重保护的辅助变流器，在逆变电路前后都设置保护电路，对逆变电路的输入电压和输出电压进行有效的保护和控制，尤其通过对逆变电路输入电流的控制，有效的避免了较大的预充电电流对逆变电路的损坏，极大的降低了辅助变流器的故障率，降低了机车的维修和运行成本。通过对辅助变流器的输出端进行电压和电流的检测和保护，以减小由于辅助变流器故障对负载的损坏，另外对辅助变流器设置了并网保护，进一步的提高了辅助变流器的可靠性，降低了辅助变流器的故障率，节省了动车组的维护时间，提高了动车组的可靠性。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记带的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种具有多重保护的辅助变流器，其特征在于，包括：第一保护电路、逆变电路、第二保护电路和控制电路；

所述第一保护电路、逆变电路和第二保护电路依次连接，并分别与所述控制电路连接；

所述第一保护电路包括：第一开关、第一电阻、第二电阻、第一电压传感器、熔断器、第一电流传感器和直流电抗器；

所述第一电压传感器的两端分别与直流电压的两输入端连接；所述熔断器的一端与所述直流电压的正输入端连接，所述熔断器的另一端与所述第一开关的一端和所述第一电阻的一端连接；所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端连接，所述第一开关的控制端与所述控制电路连接；所述第一电流传感器的正输入端分别与所述第一开关的另一端和所述第二电阻的另一端连接，所述第一电流传感器的负输入与所述直流电压的负输入端连接，所述第一电流传感器的正输出端与所述直流电抗器的输入端连接，所述第一电流传感器的负输出端与所述逆变电路的负输入端连接；所述直流电抗器的输出端与所述逆变电路的正输入端连接；

其中，所述第二保护电路，包括：第二电流传感器、第三电流传感器和第四电流传感器；所述第二电流传感器的输入端与所述逆变电路的第一输出端连接，第二电流传感器的输出端用于输出第一交流电流；所述第三电流传感器的输入端与所述逆变电路的第二输出端连接，第三电流传感器的输出端用于输出第二交流电流；所述第四电流传感器的输入端与所述逆变电路的第三输出端连接，第四电流传感器的输出端用于输出第三交流电流；

进一步，所述第二保护电路，还包括：交流电抗器、交流电容器和变压器；所述交流电抗器的三个输入端分别与所述第二电流传感器的输出端、所述第三电流传感器的输出端及所述第四电流传感器的输出端连接；所述交流电抗器的三个输出端分别与所述交流电容器的三个输入端及所述变压器的三个输入端连接，所述交流电容器的公共端与地连接；所述变压器的三个输出端用于输出三相交流电压；

所述第一保护电路，还包括：第二电压传感器；所述第二电压传感器的一端与所述第一电流传感器的负输出端连接，所述第二电压传感器的另一端与所述直流电抗器的输出端连接；所述第一保护电路还包括：第一电容、第二电容、第三电阻和第四电阻；所述第一电容的一端与所述第三电阻的一端及所述直流电抗器的输出端连接，所述第一电容的另一端与所述第二电容的一端连接；所述第二电容的另一端与所述第四电阻的一端及所述第一电流传感器的负输出端连接；所述第四电阻的另一端与所述第三电阻的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的具有多重保护的辅助变流器，其特征在于，所述第二保护电路，还包括：第五电流传感器、第六电流传感器、第七电流传感器、第五电阻和第六电阻；

所述第五电流传感器的输入端和第六电流传感器的输入端分别与所述变压器的两个输出端连接，所述第五电流传感器的输出端和第六电流传感器的输出端分别用来输出电流；

所述第五电阻的一端与所述变压器副边绕组的公共端连接，所述第五电阻的另一端与第六电阻的一端连接，所述第六电阻的另一端与所述第七电流传感器的输入端连接，所述第七电流传感器的输出端与地连接。

3.根据权利要求2所述的具有多重保护的辅助变流器，其特征在于，所述第二保护电路，还包括：空气断路器；

所述空气断路器的三个输入端分别与所述第五电流传感器的输出端、第六电流传感器的输出端及变压器的另一个输出端连接；

所述空气断路器的输出端用来输出电压。

4.根据权利要求2或3所述的具有多重保护的辅助变流器，其特征在于，所述第二保护电路，还包括：第三电压互感器；

所述第三电压互感器的三个输入端分别与所述逆变电路的三个输出端连接，所述第三电压互感器的三个输出端分别与控制电路的三个输入端连接。

5.根据权利要求4所述的具有多重保护的辅助变流器，其特征在于，所述第二保护电路，还包括：并网接触器；

所述并网接触器的三个输入端分别与逆变电路的三个输出端连接，所述并网接触器的三个输出端分别用来输出交流电。