CN104935182B - 用于三电平牵引变流器的变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三电平牵引变流器的变压器，包括：高压级组件，接入到牵引网，所述高压级组件采用n级相同的桥式功率子模块级联而成；隔离级组件，包括高频调制电路和高频变压器，所述高频调制电路将高压级组件变换过来的直流电压调制成高频方波电压，再由高频变压器耦合到另外一侧，送给输出级组件；输出级组件，包括高频H桥整流电路，用于将通过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，给牵引电机的三电平中性点钳位逆变器NPC和辅助逆变器提供能量。本发明可减轻列车重量、缩小列车体积、提高列车运行性能和铁路运力、提高电网电能质量。

Description

用于三电平牵引变流器的变压器

技术领域

本发明主要涉及到机车牵引技术领域，特指一种适用于电力机车、动车组等牵引传动系统上三电平牵引变流器的变压器。

背景技术

如图1所示，传统电力机车三电平牵引变流器中的工频变压器将25kV的交流电压降到牵引电机及其它车载电器工作所适合的电压等级，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，还需在四象限输出直流电压增加2次LC滤波回路，然后再将直流电提供给逆变器驱动牵引电机。即，主变压器的副边绕组给三电平整流装置供电，辅助绕组给辅变电源供电。三电平整流装置将工频交流电压转换成直流电压，然后再将直流电提供给三电平三相逆变器驱动牵引电机。由于现代列车正朝着多动力单元列车方向发展，牵引设备已不再集中安装在机车上，而是分散安装在列车的车厢里。这样，主变压器，四象限整流装置的体积和重量的大小对机车的设计有很大的影响。为了提高列车的功率和速度，提高增加载客量，减小牵引设备的体积和重量就成了设计人员需要考虑的主要目标。

主变压器的体积和重量的大小对机车的设计有很大的影响，特别是在动力分散的高速动车组中，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，体积庞大将增加列车的设计难度，减小载客量。因此，在提高列车功率和速度的基础上，减小主变压器的重量和体积已经成为设计人员的主要目标。

由上可知，既有的工频牵引变压器具有简单、可靠性高，价格低廉等优点。但是它也有如下一些明显的缺点：

（1）体积和重量大，影响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；

（2）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；

（3）工频变压器需要配套复杂的继电保护装置；

（4）工频变压器需用冷却油，容易给环境造成污染。

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，本发明提供一种可减轻列车重量、缩小列车体积、提高列车运行性能和铁路运力、提高电网电能质量的用于三电平牵引变流器的变压器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于三电平牵引变流器的变压器，包括：

高压级组件，接入到牵引网，所述高压级组件采用n级相同的桥式功率子模块级联而成；

隔离级组件，包括高频调制电路和高频变压器，所述高频调制电路将高压级组件变换过来的直流电压调制成高频方波电压，再由高频变压器耦合到另外一侧，送给输出级组件；

输出级组件，包括高频H桥整流电路，用于将通过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，给牵引电机的三电平中性点钳位逆变器NPC和辅助逆变器提供能量。

作为本发明的进一步改进：所述桥式功率子模块采用H桥模块结构，每个H桥模块并联着相同容量的电容，所述H桥模块将自身承受的交流电压变换成电容两端的直流电压。

作为本发明的进一步改进：所述高频调制电路采用H桥全桥结构。

作为本发明的进一步改进：所述输出级组件的模块直流侧电容依次两两串联在一起，两两串联以后分别引出正极“+”，负极“-”和中性点“N”，再将串联后的所有H桥整流模块的正极“+”，负极“-”和中性点“N”分别连在一起，给NPC提供直流输入。

作为本发明的进一步改进：所述高频变压器采用次边单绕组形式，由两路高频变压器的直流电压输出串联在一起，作为三电平牵引变流器的输入。

作为本发明的进一步改进：所述高频变压器采用次边双绕组形式，由次边两个绕组的直流电压输出串联在一起，作为三电平牵引变流器的输入。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用电力电子变压器取代牵引传动系统中的主变压器，牵引变流器中的三电平四象限整流部分；一方面利用电力电子变压器将25kV的交流电压降到牵引电动机和车载电器适合的电压等级，一方面利用电力电子变压器实现三电平整流，直接输出直流电压，提供给三电平逆变器驱动电动机和辅助电源。这样，通过采用电力电子装置的应用，减小了列车的体积和重量，提高了列车的运力和速度，改善了牵引网的电能质量。

2、本发明在工作时，即便是出现牵引逆变器和辅助逆变器功率不平衡的状况，也能保证高压级的H桥模块直流电压平衡。

附图说明

图1 是传统三电平牵引变流器供电原理示意图。

图2 是本发明实施例1在具体应用实例中的结构原理示意图。

图3 是本发明实施例1中H桥功率模块（SM）的原理示意图。

图4是本发明实施例1种模块电容串联的示意图。

图5是本发明实施例2在具体应用实例中的结构原理示意图。

图6是本发明实施例2中次边双绕组H桥模块电容串联示意图。

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。

实施例1：本发明的用于三电平牵引变流器的变压器，是基于电子电力变压器技术；如图2所示，以变压器带两个牵引电机的具体应用为例，该变压器包括：

高压级组件，通过连接电抗L接入到交流电压25kV的铁路牵引网中，采用n级相同的桥式功率子模块（SM1～SMn，Submodule）级联而成，如图3所示，为桥式功率子模块SM的电路图。桥式功率子模块采用H桥模块结构，每个H桥并联着相同容量的电容（C1～Cm），电容有储能和滤波的作用。H桥模块将自身承受的交流电压变换成电容两端的直流电压。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。

隔离级组件，包括高频调制电路（SMn+1 ～ SM2n）和单相次边单绕组高频变压器(T1～Tn)；高频调制电路将高压级变换过来的直流电压调制成高频方波电压，再由单相次边单绕组高频变压器耦合到另外一侧，送给输出级组件。高频调制电路采用H桥全桥结构，可以实现能量的双向流动。单相次边单绕组高频变压器的作用主要是隔离电力电子变压器高低电位，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。

输出级组件，包括高频H桥整流电路，将通过单相次边单绕组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，给牵引电机的三电平中性点钳位逆变器（NPC）和辅助逆变器提供能量。由于输出级采用全控整流，也能够实现能量的双向流动。为了使输出级组件的直流电压能够满足NPC的输入，将输出级组件的模块直流侧电容（Cn+1～C2n）依次两两串联在一起。比如将Cn+1和Cn+2串联在一起，Cn+3和Cn+4串联在一起，具体的接法如图4所示，Ti，Ti+1表示相邻的两个高频变压器次边绕组，SMi，SMi+1表示相邻两个H桥整流模块，Ci，Ci+1表示两个相邻H桥整流模块的直流侧电容。两两串联以后，分别引出正极“+”，负极“-”和中性点“N”。将模块两两串联后，再将串联后的所有H桥整流模块的正极“+”，负极“-”和中性点“N”分别连在一起，给NPC提供直流输入。

实施例2：本发明的用于三电平牵引变流器的变压器，是基于电子电力变压器技术；如图5所示，以变压器带两个牵引电机的具体应用为例，该变压器包括：

高压级组件，通过连接电抗L接入到交流电压25kV的铁路牵引网中，采用n级相同的桥式功率子模块（SM1-SMn，Submodule）级联而成，如图3所示，为桥式功率子模块SM的电路图。桥式功率子模块采用H桥模块结构，每个H桥并联着相同容量的电容（C1-Cm），电容有储能和滤波的作用。H桥模块将自身承受的交流电压变换成电容两端的直流电压。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。

隔离级组件，包括高频调制电路（SMn+1 – SM2n）和单相次边双绕组高频变压器(T1-Tn)，高频调制电路将高压级组件变换过来的直流电压调制成高频方波电压，再由单相次边双绕组高频变压器耦合到次边的两个绕组，送给输出级组件。

输出级组件，包括高频H桥整流电路，单相次边双绕组高频变压器的两个绕组分别对应一个H桥整流电路，然后再将两个H桥整流的直流侧串联起来，分别引出正极“+”，负极“-”和中性点“N”。具体接线方式如图6所示，Ti，Ti+1表示相邻的高频变压器两个次边绕组，SMi，SMi+1表示两个次边绕组对应H桥整流模块，Ci，Ci+1表示两个H桥整流模块的直流侧电容。将模块两两串联后，再将串联后的所有H桥整流模块的正极“+”，负极“-”和中性点“N”分别连在一起，给NPC提供直流输入。

如果输出级组件连接的各个牵引电机的功率不平衡时，则高压级组件的各个H桥模块的直流电压也会不平衡。这种高压级组件的直流电压不平衡的情况将会导致高压级H桥级联拓扑控制难度提高，甚至导致H桥模块故障。本发明采用上述结构后，即使输出级组件的牵引电机功率不平衡，也不会影响到高压级的模块电压平衡。具体方法：1）分别将输出级组件的直流电容的正极“+”，负极“-”和中性点“N”连接在一起，形成一个总的输出。给所有三电平牵引逆变器和辅助逆变器提供直流电压；2）通过适当的控制策略，抑制并联电容之间的环流。这样，即使是牵引逆变器和辅助逆变器功率不平衡，也能保证高压级的H桥模块直流电压平衡。

综上所述，通过牵引电力电子变压器的发明，能够取代电力机车原有的工频变压器，三电平整流装置，能够减小列车的体积和重量。同时，还能够实现牵引网侧的电能质量控制和能量的双向流动。

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 (4)

1.一种用于三电平牵引变流器的变压器，其特征在于，包括：

高压级组件，接入到牵引网，所述高压级组件采用n级相同的桥式功率子模块级联而成；

隔离级组件，包括高频调制电路和高频变压器，所述高频调制电路将高压级组件变换过来的直流电压调制成高频方波电压，再由高频变压器耦合到另外一侧，送给输出级组件；

输出级组件，包括高频H桥整流电路，用于将通过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，给牵引电机的三电平中性点钳位逆变器NPC和辅助逆变器提供能量；

所述输出级组件的模块直流侧电容依次两两串联在一起，两两串联以后分别引出正极“+”，负极“-”和中性点“N”，再将串联后的所有H桥整流模块的正极“+”，负极“-”和中性点“N”分别连在一起，给NPC提供直流输入；

所述高频调制电路采用H桥全桥结构。

2.根据权利要求1所述的用于三电平牵引变流器的变压器，其特征在于，所述桥式功率子模块采用H桥模块结构，每个H桥模块并联着相同容量的电容，所述H桥模块将自身承受的交流电压变换成电容两端的直流电压。

3.根据权利要求1或2所述的用于三电平牵引变流器的变压器，其特征在于，所述高频变压器采用次边单绕组形式，由两路高频变压器的直流电压输出串联在一起，作为三电平牵引变流器的输入。

4.根据权利要求1或2所述的用于三电平牵引变流器的变压器，其特征在于，所述高频变压器采用次边双绕组形式，由次边两个绕组的直流电压输出串联在一起，作为三电平牵引变流器的输入。