CN104935205B - 牵引传动系统用变压器 - Google Patents

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Abstract

一种牵引传动系统用变压器，包括：高压级组件，接入到牵引网，高压级组件采用n级相同的桥式功率子模块级联而成，桥式功率子模块采用H桥模块，每个H桥并联着相同容量的电容，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；隔离级组件，包括高频调制电路和三相以上的高频变压器，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，包括三相整流电路，输出级组件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，给牵引电机逆变器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

牵引传动系统用变压器
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的变压器。
背景技术
传统的电力机车工频变压器将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，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。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，四象限整流装置及LC滤波器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。
从上可知，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牵引传动系统用变压器。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种牵引传动系统用变压器，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，所述桥式功率子模块采用H桥模块，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；
隔离级组件，包括高频调制电路和三相以上的高频变压器，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，包括三相整流电路，输出级组件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，给牵引电机逆变器和辅助逆变器提供能量。
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，所述高频变压器采用三相高频变压器。
作为本发明的进一步改进：所述隔离级组件中高频调制电路的每3个H桥模块的相位保持正序，相差120°，将三相正序高频电压作为高频变压器的输入。
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，所述高频变压器采用四相高频变压器。
作为本发明的进一步改进：所述隔离级组件中高频调制电路的每4个H桥模块的相位保持正序，相差90°，每个高频变压器的输出为高频4相交流电压。
作为本发明的进一步改进：所述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。
作为本发明的进一步改进：所述输出级组件的直流电容并联在一起，形成一个总的输出，给所有牵引逆变器和辅助逆变器提供直流电压。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的牵引传动系统用变压器，基于牵引电力电子变压器，能够取代电力机车原有的工频变压器，四象限整流装置和LC滤波支路，从而减小了列车的体积和重量，同时还实现了牵引网侧的电能质量控制和能量的双向流动，提高了列车的运行性能。
2、本发明的牵引传动系统用变压器，在工作时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。
3、本发明的牵引传动系统用变压器，消除了输出直流电压中的2次交流分量，降低了逆变器的控制难度，提高了逆变器工作的可靠性。
附图说明
图1 是传统的工频变压器供电原理示意图。
图2 是本发明在具体应用实例中的原理示意图。
图3 本发明中H桥功率模块（SM）的原理示意图。
图4 本发明中三相整流电路（VSR）的原理示意图。
图5是本发明在另一实施例中采用四相整流的原理示意图。
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。
如图2所示，本发明的牵引传动系统用变压器，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，该功率子模块SM的电路图如图3所示；每个H桥模块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）和三相高频变压器(T1-Tm)，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，再由三相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。三相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，包括三相整流电路（VSR1-VSRm），该VSR的原理参见图4；输出级组件将通过三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，给牵引电机逆变器和辅助逆变器提供能量。由于输出级组件采用三相全桥整流，也能够实现能量的双向流动。
在本发明的上述结构中，隔离级和输出级时都采用了H桥高频方波调制，单相高频变压器，H桥高频整流的结构。由于在单相H桥整流时，输出的直流电压中必然会存在2倍频（100Hz交流分量）的波动。这种存在2倍频波动的直流电压输出给牵引逆变器和辅助逆变器时，将会增加逆变器的控制难度，甚至会导致逆变器故障。在传统的工频变压器方案中，一般都需在四象限整流输出级并联2次滤波回路，将输出直流电压中的100Hz的交流分量滤除。增加滤波器将会使装置的体积和重量增大。本发明通过在电路拓扑上的创新，巧妙的消除了输出直流电压中的2次交流分量。具体方法：1）控制隔离级高频调制电路的每3个H桥模块（如图2中的SMn+1，SMn+2，SMn+3）的相位保持正序，相差120°，将三相正序高频电压作为高频变压器的输入；2）将单相高频变压器改成三相高频变压器，接受高频调制电路调制出来的三相正序电压，使每个高频变压器的输出为高频三相交流电压；3）高频三相交流电压通过输出级的三相全桥整流后，将输出不含2次交流分量的直流电压。
在另一实施例中，本发明还可以采用多相整流(整流桥臂个数大于3)的方式来进行2次谐波的消除。如图5所示，为4相整流的牵引电力电子变压器方案，具体实现方法：1）控制隔离级高频调制电路的每4个H桥模块（如图2中的SMn+1，SMn+2，SMn+3，SMn+4）的相位保持正序，相差90°；2）将单相高频变压器改成4相高频变压器，使每个高频变压器的输出为高频4相交流电压；3）高频4相交流电压通过输出级的4相整流后，将输出不含2次交流分量的直流电压。
在本发明的上述结构中，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组件H桥级联拓扑控制难度提高，甚至导致H桥模块故障。本发明通过拓扑上的改进，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组件的模块电压平衡。具体方法：1）将输出级组件的直流电容（Cn+1-Cn+m）并联在一起，形成一个总的输出。给所有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，也能保证高压级组件的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，四象限整流装置和LC滤波支路，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)

1.一种牵引传动系统用变压器，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，所述桥式功率子模块采用H桥模块，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；
隔离级组件，包括高频调制电路和三相的高频变压器，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，包括三相整流电路，输出级组件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，给牵引电机逆变器和辅助逆变器提供能量；
所述高频调制电路采用H桥全桥结构，所述高频变压器采用三相高频变压器，所述隔离级组件中高频调制电路的每3个H桥模块的相位保持正序，相差120°，将三相正序高频电压作为高频变压器的输入。
2.一种牵引传动系统用变压器，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，所述桥式功率子模块采用H桥模块，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；
隔离级组件，包括高频调制电路和四相的高频变压器，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，包括四相整流电路，输出级组件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，给牵引电机逆变器和辅助逆变器提供能量；
所述高频调制电路采用H桥全桥结构，所述高频变压器采用四相高频变压器，
所述隔离级组件中高频调制电路的每4个H桥模块的相位保持正序，相差90°，每个高频变压器的输出为高频4相交流电压。
3.根据权利要求1～2中任意一项所述的牵引传动系统用变压器，其特征在于，所述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。
4.根据权利要求1～2中任意一项所述的牵引传动系统用变压器，其特征在于，所述输出级组件的直流电容并联在一起，形成一个总的输出，给所有牵引逆变器和辅助逆变器提供直流电压。
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