CN104811054A - 一种牵引变压装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牵引变压装置，所述装置包括多个级联的子变压器以及与所述子变压器对应的多个旁路开关。本发明还公开了一种牵引变压方法，所述方法包含以下步骤：利用多个级联的子变压器构造牵引变压装置；根据实际需要启用或关闭所述牵引变压装置中的一个或多个所述子变压器以实现隔离故障的所述子变压器/启用备用的所述子变压器的目的。与现有技术相比，本发明的牵引变压装置结构简单，运行稳定，其体积和重量大大减小，不仅减小了列车设计难度，而且大大有益于列车提速。

Description

一种牵引变压装置及方法

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，具体说涉及一种牵引变压装置及方法。

背景技术

目前，在牵引传动系统尤其是电力机车，动车组等的牵引传动系统中，牵引主变压器通常为单原边多副边的单相工频变压器。

传统的工频变压器将25kV的交流电压降到适合牵引电机及其它电器工作的电压等级，其中主变压器的副边绕组给四象限整流装置供电，辅助绕组给辅变电源供电。四象限整流装置将工频交流电压转换成直流电压，由于直流电压中含有2次脉动，还需在四象限输出侧增加2次滤波回路，然后再将直流电提供给逆变器驱动牵引电机。

然而，现有的工频牵引变压器具有明显的缺点。首先，工频变压器的输出电压会随着负载的变化而变化，输出电压的跌落会给传动控制带来难度；其次，工频变压器需要配套复杂的继电保护装置；再次，工频变压器需用冷却油，容易给环境造成污染；最后，工频变压器的体积和重量较大。

工频变压器最为突出的缺点就是其体积和重量。尤其是在轨道交通领域，主变压器的体积和重量会限制着机车的设计从而影响到列车的载客量和高速性能，特别是在动力分散的动车组上，安装空间的限制使得变压器体积和重量的影响尤为突出。

由于要求的牵引功率和回馈的制动功率大，重量将直接影响列车的提速；同时由于分散动力的牵引设备不再集中安装在机车上，而是分散安装在列车的车厢里，庞大的体积将增加列车设计难度，影响载客量。主变压器庞大的体积和重量与分散动力系统所需的大载客空间和高速运行等要求有着极大的冲突。

因此，针对现有的工频变压器存在的问题，需要一种新的变压装置以达到减小变压器的重量和体积的目的。

发明内容

针对现有的工频变压器存在的问题，本发明提供了一种牵引变压装置，所述装置包括多个级联的子变压器以及与所述子变压器对应的多个旁路开关，所述子变压器包含高压级、隔离级以及输出级，其中：

所述旁路开关与对应的所述子变压器的高压级的输入端并联连接，并同时接入供电网中，其用于根据实际情况控制所述高压级接入/脱离所述供电网；

所述隔离级的输入端连接到所述高压级的输出端；

所述输出级的输入端连接到所述隔离级的输出端；

各个所述子变压器的输出级的输出端并联以输出电压。

在一实施例中，每个所述子变压器对应一个所述旁路开关。

在一实施例中，所述旁路开关包含反并联连接的第一晶闸管、第二晶闸管以及与所述第一晶闸管、第二晶闸管并联的接触器。

在一实施例中，所述旁路开关包含相向串联连接的第一绝缘栅极双极型晶体管、第二绝缘栅极双极型晶体管，以及与所述第一绝缘栅极双极型晶体管、所述第二绝缘栅极双极型晶体管反并联的二极管。

在一实施例中，所述装置还包含辅助开关，所述辅助开关与所述输出级的输出端相连并连接到牵引电机，所述辅助开关被构造为根据所述旁路开关的开关控制状态建立或关断所述输出级与所述牵引电机的连接。

在一实施例中，所述装置还包含连接电抗，所述旁路开关通过所述连接电抗连接到所述供电网中。

在一实施例中，所述装置还包含滤波回路，所述滤波回路并联接到所述输出级的两个输出端。

在一实施例中，所述高压级包含桥形功率子模块、第一电容以及第一放电回路，其中：

所述桥形功率子模块的两个输入端并联到对应的所述旁路开关；

所述第一放电回路与所述第一电容并联到所述桥形功率子模块的两个输出端。

在一实施例中，所述隔离级包含高频调制电路以及单相次边单绕组高频变压器，其中：

所述高频调制电路的两个输入端并联到所述高压级的两个输出端；

所述单相次边单绕组高频变压器的两个输入端并联到所述高频调制电路的两个输出端。

在一实施例中，所述输出级包含桥形整流电路、第二电容以及第二放电回路，其中：

所述桥形整流电路的两个输入端并联到所述隔离级的两个输出端；

所述第二放电回路与所述第二电容并联连接到所述桥形整流电路的两个输出端。

本发明还公开了一种牵引变压方法，所述方法包含以下步骤：

利用多个级联的子变压器构造牵引变压装置；

根据实际需要启用或关闭所述牵引变压装置中的一个或多个所述子变压器以实现隔离故障的所述子变压器/启用备用的所述子变压器的目的。

与现有技术相比，本发明的牵引变压装置结构简单，运行稳定，其体积和重量大大减小，不仅减小了列车设计难度，而且大大有益于列车提速。

本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是工频变压器供电原理示意图；

图2是根据本发明一实施例原理示意图；

图3是根据本发明一实施例桥形功率子模块电路结构示意图；

图4是根据本发明一实施例旁路开关电路结构示意图；

图5是根据本发明另一实施例旁路开关电路结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

目前，在牵引传动系统尤其是电力机车，动车组等的牵引传动系统中，牵引主变压器为单原边多副边的单相工频变压器。如图1所示，传统的工频变压器101将供电网100的25kV的交流电压降到适合牵引电机102及其它电器工作的电压等级，其中工频变压器101的副边绕组给四象限整流装置103供电，辅助绕组给辅变电源104供电。四象限整流装置103将工频交流电压转换成直流电压，由于直流电压中含有2次脉动，还需在四象限整流装置103输出侧增加2次滤波回路105，然后再将直流电提供给逆变器106驱动牵引电机102。

然而以图1所示结构为基本结构的变压器具有明显的缺点。首先，工频变压器101的输出电压会随着负载的变化而变化，输出电压的跌落会给传动控制带来难度；其次，工频变压器101需要配套复杂的继电保护装置；再次，工频变压器101需用冷却油，容易给环境造成污染；最后，工频变压器101的体积和重量较大。

工频变压器最为突出的缺点就是其体积和重量。尤其是在轨道交通领域，主变压器的体积和重量会限制着机车的设计从而影响到列车的载客量和高速性能，特别是在动力分散的动车组上，安装空间的限制使得变压器体积和重量的影响尤为突出。

由于要求的牵引功率和回馈的制动功率大，重量将直接影响列车的提速；同时由于分散动力的牵引设备不再集中安装在机车上，而是分散安装在列车的车厢里，庞大的体积将增加列车设计难度，影响载客量。主变压器庞大的体积和重量与分散动力系统所需的大载客空间和高速运行等要求有着极大的冲突。

针对现有的工频变压器存在的问题，本发明提出了一种牵引变压装置。本发明的牵引变压装置基于中高频牵引固态变压器构造，从而克服当前工频变压器的缺点。同时，为了解决绝缘栅双极型晶体管的耐压限制，本发明的牵引变压装置采取级联结构来分压。

本发明的牵引变压装置包括多个级联的子变压器，每个子变压器均包含高压级、隔离级以及输出级。如图2所示，牵引变压装置包含n个级联的子变压器(201、202、…20n)。这里需要指出的是，图2的示意图并没有具体限制牵引变压装置所包含的子变压器的数目(n可以为任意整数)。在实际应用时牵引变压装置中包含的子变压器的数目是根据牵引变压装置的实际分压需求决定的。

在本实施例中，每个子变压器(201、202、…20n)具有相同的结构，为方便描述，下面主要针对子变压器201进行描述，其他子变压器就不再赘述。

在本实施例中，每个子变压器均包含高压级(210)、隔离级220以及输出级230。高压级210基于桥形功率子模块(Sub-Module，SM)构建。桥型功率子模块包括四组绝缘栅双极性晶体管和续流二极管，四组绝缘栅双极性晶体管和续流二极管连接成H桥结构。桥形功率子模块的结构如图3所示，绝缘栅双极性晶体管T1和续流二极管D1a、绝缘栅双极性晶体管T2a和续流二极管D2a、绝缘栅双极性晶体管T3a和续流二极管D3a以及绝缘栅双极性晶体管T4a和续流二极管D4a以H桥结构相互连接，其输出节点为a和b。

针对子变压器201(202、…20n)，其高压级210包含桥形功率子模块SM11(SM12、…SM1n)。每个桥形功率子模块(SM11、SM12、…SM1n)包含2个输入端，所有桥形功率子模块(SM11、SM12、…SM1n)的输入端级联接入牵引供电网200中(在本实施例中，牵引供电网200为25kV的铁路牵引网)。桥形功率子模块SM11(SM12、…SM1n)将自身承受的交流电压变换成直流电压输出。

在本实施例中，为保护装置，高压级210通过连接电抗L1接入供电网200。

H桥级联拓扑不仅能够提升装置的电压等级，弥补单个功率模块等级不够的缺陷，还能够通过载波移相PWM控制，提高装置的等效开关频率，控制牵引网侧的功率因数和谐波。

隔离级220包含高频调制电路(SM21、SM22、…SM2n)以及单相次边单绕组高频变压器(T1、T2、…Tn)。高频调制电路(SM21、SM22、…SM2n)的两个输入端并联到桥形功率子模块(SM11、SM12、…SM1n)的两个输出端，其将高压级变换过来的直流电压调制成高频方波电压并输出。

在本实施例中，高频调制电路(SM21、SM22、…SM2n)采用与桥形功率子模块(SM11、SM12、…SM1n)相同的结构，即如图3所示的H桥结构。

单相次边单绕组高频变压器(T1、T2、…Tn)的两个输入端并联到高频调制电路(SM21、SM22、…SM2n)的两个输出端，其将来自高频调制电路(SM21、SM22、…SM2n)的高频方波电压耦合到另外一侧，送给输出级。单相次边单绕组高频变压器(T1、T2、…Tn)的作用主要是隔离高低电位，保证整个电路的安全，同时也起到了降压的作用，实现了能量的传递。

针对子变压器201(202、…20n)，其隔离级220包含高频调制电路SM21(SM22、…SM2n)以及单相次边单绕组高频变压器T1(T2、…Tn)。高频调制电路SM21(SM22、…SM2n)的两个输入端并联到桥形功率子模块SM11(SM12、…SM1n)的两个输出端，单相次边单绕组高频变压器T1(T2、…Tn)的两个输入端并联到高频调制电路SM21(SM22、…SM2n)的两个输出端。

输出级230包含桥形整流电路(SM31、SM32、…SM3n)。桥形整流电路(SM31、SM32、…SM3n)的两个输入端并联到单相次边单绕组高频变压器(T1、T2、…Tn)的两个输出端，其作用是将通过单相高频变压器耦合过来的高频方波还原成高品质的直流电压输出，给牵引逆变器(221以及222)和辅助逆变器223提供能量，从而驱动牵引电机(231以及232)。

在本实施例中，桥形整流电路(SM31、SM32、…SM3n)采用与桥形功率子模块(SM11、SM12、…SM1n)相同的结构，即如图3所示的H桥结构。由于输出级高频H桥整流电路采用全控整流，也能够实现能量的双向流动。

本发明采用级联结构的固态变压装置，相较于当前常用的工频变压器，其体积和重量大大减小，不仅减小了列车设计难度，而且大大有益于列车提速。

本发明的牵引变压装置采取级联结构来分压，但是，多个子变压器的存在降低了整个变压装置的可靠性，即，一个或多个子变压器的故障会影响到变压装置整体的正常工作。为了解决这一问题，提高变压装置的可靠性，本发明采用了冗余设计。即在变压装置内构造超过正常需求数目的子变压器。在装置运行时，根据实际需要启用或关闭牵引变压装置中的一个或多个子变压器以实现隔离故障的子变压器/启用备用的子变压器的目的。

当装置正常工作时，按照正常的实际分压需求启动特定数目的子变压器进行分压，多余的子变压器作为备用并不启动。当一个或多个子变压器发生故障无法正常工作时，关闭故障的子变压器并从备用的子变压器中启动相应数目的子变压器以保证装置正常工作。

为了实现根据实际需要启用或关闭牵引变压装置中的一个或多个子变压器的目的。本发明的装置构造了与子变压器对应的旁路开关(Bypass switch，BS)。旁路开关与对应的子变压器的高压级的输入端连接并连接到供电网中，其用于控制相应的子变压器接入/脱离供电网。

如图2所示，装置包含旁路开关(BS1、BS2、…BSn)。在本实施例中，旁路开关元件(BS1、BS2、…BSn)与子变压器(201、202、…20n)一一对应。级联结构中每一级都并联着旁路开关。

旁路开关(BS1、BS2、…BSn)被构造为根据外部操作改变自身的通断状态。旁路开关元件的两端连接到子变压器(201、202、…20n)的两个输入端。由于子变压器(201、202、…20n)采取级联的方式连接，因此当旁路开关元件(BS1、BS2、…BSn)导通时，其对应的子变压器(201、202、…20n)即被短路，相当脱离供电网；反之，当旁路开关元件(BS1、BS2、…BSn)切断时，其对应的子变压器(201、202、…20n)即接入供电网。

在本实施例中，针对子变压器201(202、…20n)，其对应的旁路开关元件BS1(BS2、…BSn)连接到子变压器201(202、…20n)的两个输入端。

为实现旁路开关的功能，如图4所示，在本实施例中，任意一个旁路开关(BS1、BS2、…或BSn)包含反并联连接的两个晶闸管402以及403以及与两个晶闸管并联的接触器401。当旁路开关对应的子变压器接入供电网时，晶闸管(402以及403)和接触器401处于关断状态。当旁路开关对应的子变压器脱离供电网时因接触器401含有机械部分开通速度慢，两个晶闸管(402以及403)开通将模块短路，直至接触器401完成开通。

当然，本发明的旁路开关的结构并不限于图4所示，在本发明的另一实施例中，旁路开关采取了另一种结构。如图5所示，旁路开关包含相向串联连接的两个绝缘栅极双极型晶体管(T1b以及T2b)以及与两个绝缘栅极双极型晶体管(T1b以及T2b)反并联的二极管(D2b以及D1b)。两个分别反并联着二级管的IGBT模块相向串联。

子变压器在工作状态下时，两个绝缘栅极双极型晶体管(T1b以及T2b)处于关断状态，此时旁路开关处于开路状态。子变压器被旁路时，两个绝缘栅极双极型晶体管(T1b以及T2b)开通，子变压器被被短路从而被旁路。

本实施例的装置通过旁路开关自由接入或旁路任意一个子变压器，以在故障发生的第一时间迅速切除故障模块，启用冗余模块，从而保证装置的可靠性。同时通过冗余设计和旁路控制技术，还能够实现故障模块旁路处理和冗余模块替换接入。

为了进一步提高装置的可靠性，如图2所示，高压级210还包含电容(C11、C12、…C1n)，电容(C11、C12、…C1n)的作用是稳压储能以及滤波，从而提高装置的稳定性。同时，为了在高压级210停止工作时释放电容(C11、C12、…C1n)残留的电量，高压级210还包含放电回路。在本实施例中，放电回路由放电电阻(R11、R12、…R1n)和晶闸管(D11、D12、…D1n)串联构成。放电回路与电容(C11、C12、…C1n)并联接入桥形功率子模块(SM11、SM12、…SM1n)的两个输出端。

针对子变压器201(202、…20n)，其高压级210包含放电电阻R11(R12、…R1n)和晶闸管D11(D12、…D1n)。放电电阻R11(R12、…R1n)和晶闸管D11(D12、…D1n)串联构成放电回路。放电回路与电容C11(C12、…C1n)并联接入桥形功率子模块SM11(SM12、…SM1n)的两个输出端。

类似高压级210，为了提高电路的稳定性，输出级230还包含电容(C21、C22、…C2n)，电容(C21、C22、…C2n)的作用是稳压储能以及滤波，从而提高装置的稳定性。同时，为了在输出级230停止工作时释放电容(C21、C22、…C2n)残留的电量，输出级230还包含放电回路。在本实施例中，输出级230的放电回路由放电电阻(R31、R32、…R3n)和晶闸管(D21、D22、…D2n)串联构成。放电回路与电容(C21、C22、…C2n)并联接入桥形整流电路(SM31、SM32、…SM3n)的两个输出端。

针对子变压器201(202、…20n)，其输出级230包含放电电阻R31(R32、…R3n)、晶闸管D21(D22、…D2n)以及电容C21(C22、…C2n)。放电电阻R31(R32、…R3n)和晶闸管D21(D22、…D2n)串联构成放电回路。放电回路与电容C21(C22、…C2n)并联接入桥形整流电路SM31(SM32、…SM3n)的两个输出端。

高压级210和输出级230中放电电阻和晶闸管串联构成的放电回路和H桥后的电容并联。当子变压器工作时晶闸管处于关断状态，当子变压器被旁路时晶闸管开通，电容储存的电量通过放电回路转化为热能释放，提高了电路的安全性。

为了进一步提高装置安全性，在本实施例中还构建了辅助开关，辅助开关与输出级的输出端相连并连接到牵引电机。辅助开关被构造为根据旁路开关的开关控制状态建立或关断输出级与牵引电机的连接。

在本实施例中，辅助开关与子变压器一一对应。辅助开关基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)构造，如图2所示，辅助开关由反向并联的绝缘栅极双极型晶体管(V1、V2、…或Vn)以及二极管(D31、D32、…或D3n)构造。每个辅助开关连接到相应的子变压器的输出级的一个输出端上。

输出级H桥后通过反并联着IGBT的二极管接到直流母线，工作状态时IGBT处于开通状态，旁路时IGBT处于关断状态，这能保证输出级在正常工作状态往直流母线传递能量，在制动状态下从直流母线吸收能量，旁路状态下与直流母线隔离。

旁路开关开通后，子变压器(201、202、…或20n)的高压级从供电网脱离，电容(C11、C12、…或C1n)电量由放电回路转化为热量释放。子变压器(201、202、…或20n)的输出级中连接H桥和直流母线的IGBT(辅助开关)关断，此时输出级仅通过二极管D3m接入直流母线。放电回路接通后电容C2m放电导致电压下降，当其低于直流母线电压时，二极管被截止，此时输出级与直流母线断开，电容残留电量通过放电回路释放。模块被旁路后，整体与网侧、直流母线断开连接。

旁路开关关断后，模块高压级接入网侧，能量流入模块高压级给电容(C11、C12、…或C1n)充电。当高压级电容电压达到一定值时启动模块整流器控制，网侧能量流经高压级、隔离级给输出级电容(C21、C22、…或C2n)充电。输出级IGBT模块开通，直流母线同时给输出级电容(C21、C22、…或C2n)充电。当电容电压超过直流母线电压时，输出级与直流母线间二极管接通，模块进入正常运行状态。

另外，为进一步提高装置输出电流的稳定程度，在本实施例中，直流母线上的电感L2和滤波电容C构成LC滤波回路，用于对输出级整流电流进行滤波。

综上，本发明还公开了一种牵引变压方法。本发明的牵引变压方法方法包含以下步骤：

(一)利用多个级联的子变压器构造牵引变压装置；在这里，子变压器基于固态变压器结构构造；同时，在牵引变压装置中构造数目多于正常变压所需的子变压器的数目的子变压器以实现子变压器冗余。

(二)在牵引变压装置工作时，根据变压需要启动足够数目的子变压器以实现正常的变压输出，并根据实际需要启用或关闭牵引变压装置中的一个或多个子变压器以实现隔离故障的子变压器/启用备用的子变压器的目的。

与现有技术相比，本发明的牵引变压方法实施方便，构造的装置结构简单、运行稳定、体积和重量大大减小。使用本发明的牵引变压方法不仅减小了列车设计难度，而且大大有益于列车提速。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种牵引变压装置，其特征在于，所述装置包括多个级联的子变压器以及与所述子变压器对应的多个旁路开关，所述子变压器包含高压级、隔离级以及输出级，其中：

所述旁路开关与对应的所述子变压器的高压级的输入端并联连接，并同时连接到供电网中，其用于根据实际情况控制所述高压级接入/脱离所述供电网；

所述隔离级的输入端连接到所述高压级的输出端；

所述输出级的输入端连接到所述隔离级的输出端；

各个所述子变压器的输出级的输出端并联以输出电压。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个所述子变压器对应一个所述旁路开关。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旁路开关包含反并联连接的第一晶闸管、第二晶闸管以及与所述第一晶闸管、第二晶闸管并联的接触器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旁路开关包含相向串联连接的第一绝缘栅极双极型晶体管、第二绝缘栅极双极型晶体管，以及与所述第一绝缘栅极双极型晶体管、所述第二绝缘栅极双极型晶体管反并联的二极管。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包含辅助开关，所述辅助开关与所述输出级的输出端相连并连接到牵引电机，所述辅助开关被构造为根据所述旁路开关的开关控制状态建立或关断所述输出级与所述牵引电机的连接。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包含连接电抗，所述旁路开关通过所述连接电抗连接到所述供电网中。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包含滤波回路，所述滤波回路并联接到所述输出级的两个输出端。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于，所述高压级包含桥形功率子模块、第一电容以及第一放电回路，其中：

所述桥形功率子模块的两个输入端并联到对应的所述旁路开关；

所述第一放电回路与所述第一电容并联到所述桥形功率子模块的两个输出端。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于，所述隔离级包含高频调制电路以及单相次边单绕组高频变压器，其中：

所述高频调制电路的两个输入端并联到所述高压级的两个输出端；

所述单相次边单绕组高频变压器的两个输入端并联到所述高频调制电路的两个输出端。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于，所述输出级包含桥形整流电路、第二电容以及第二放电回路，其中：

所述桥形整流电路的两个输入端并联到所述隔离级的两个输出端；

所述第二放电回路与所述第二电容并联连接到所述桥形整流电路的两个输出端。

11.一种牵引变压方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

利用多个级联的子变压器构造牵引变压装置；

根据实际需要启用或关闭所述牵引变压装置中的一个或多个所述子变压器以实现隔离故障的所述子变压器/启用备用的所述子变压器的目的。