CN105034813B - 列车供电控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明包括一种列车供电控制装置，其包括：主电路单元，其包括第一供电回路，用于将单相交流输入经过整流、滤波后转换为直流电压输出，其中，在单相交流输入端处设置至少两个并联连接的真空接触器(KM1,KM2)，控制单元，其包括第一控制子系统，所述第一控制子系统中设置至少两个独立的驱动电路以分别驱动控制所述真空接触器，以在正常运行时，基于预先设定的条件来优先投切使用所述真空接触器中的一个或另一个。本发明将单真空接触器改为双真空接触器并联之后，可有效减少因接触器故障造成的列车供电系统停止工作，进一步提高整个系统的可靠性，从而提升旅客列车的舒适度。

Description

列车供电控制装置

技术领域

本发明涉及铁路系统，具体说设计用于增加列车供电系统安全度的列车供电控制装置。

背景技术

自铁路第五次大提速以来，基于集中供电、分散变流的DC600V列车供电系统正逐步取代传统的空调发电车的作用，成为空调列车新型供电方式的主要发展方向。DC600V列车供电系统采用集中整流分散变流的方式，即机车集中提供DC600V电源，客车进行分散变流。

电力机车主变压器副边设置两个独立的列车供电绕组,输出单相AC860V电压到DC600V列车供电系统，经整流后输出独立的两路DC600V电源提供给客车。系统设计容量为2×400kW。客车上装有逆变器和充电机，逆变器将DC600V电压逆变成三相AC380V电压后供给空调机组、通风机等负载，同时充电机将DC600V电压变换成DC110V电压后供蓄电池充电、照明和其他控制系统用电。因此DC600V列车供电系统的安全性和稳定性对旅客列车安全运行和正常的服务工作具有极其重要的作用。

从现场的运用情况看，目前的列车供电系统中绝大部分元器件或者通过提高器件等级，或者增加备份冗余的手段，使得整个列车供电系统的可靠性大大提高。但是，目前仍存在不足的地方需要继续加强改进。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种列车供电控制装置。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明的一个实施例，提供一种列车供电控制装置，所述装置包括：

主电路单元，其包括第一供电回路，用于将单相交流输入经过整流、滤波后转换为直流电压输出，其中，在单相交流输入端处设置至少两个并联连接的真空接触器(KM1,KM2)，

控制单元，其包括第一控制子系统，所述第一控制子系统中设置至少两个独立的驱动电路以分别驱动控制所述真空接触器，以在正常运行时，基于预先设定的条件来优先投切使用所述真空接触器中的一个或另一个。

根据本发明的一个实施例，所述第一供电回路还包括串联在所述单相交流输入端上的快速熔断开关(FU)以对整个供电系统进行快速熔断保护。

根据本发明的一个实施例，所述第一供电回路还包括单相整流桥和滤波单元，其中，整流桥的桥臂包括串联连接的二极管(V1,V2)和晶闸管(V3,V4)，滤波单元包括滤波电感(L)和滤波电容(C)以消除整流后的电压中的高次谐波。

根据本发明的一个实施例，所述第一供电回路还包括至少两个调节用电压传感器(SV1,SV2)，其分别由所述控制电路单元控制在不同时间里交替工作以正确地检测出实时的整流输出电压。

根据本发明的一个实施例，所述主电路单元还包括第二供电回路，其中，所述第二供电回路的结构设计为与所述第一供电回路的结构基本上相同。

根据本发明的一个实施例，所述控制单元还包括第二控制子系统，其中，所述第二控制子系统设计为与所述第一控制子系统相同，在第一控制子系统故障时，其可通过设置的外部转换开关的控制而投切入供电系统进行工作。

根据本发明的一个实施例，所述第一控制子系统和第二控制子系统分别还包括数字输入输出模块、供电控制模块和脉冲分配模块。

根据本发明的一个实施例，所述第一控制子系统和所述第二控制子系统设计为基于以下条件来投切使用所述真空接触器中的一个：

a、当前日历是奇数日期还是偶数日期；

b、基于所述真空接触器的机械寿命的比较，如果其中一个的机械寿命与另一个相比相差大于一定阈值，优先使用寿命最长的真空接触器，如果相差不大，则交替使用；

c、在一个真空接触器故障时，优先投切使用另一个真空接触器。

根据本发明的一个实施例，所述第一控制子系统和所述第二控制子系统设计为，在其中一个真空接触器发生无法闭合故障时，所述子系统报警的同时，控制投切入另一个真空接触器，在其中一个真空接触器发生无法断开故障时，所述子系统报警的同时，继续使用该故障接触器。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括散热单元，其用于对所述主电路中的功率元件、直流负载电阻和交流组容进行过热保护。

本发明的有益效果：

本发明将单真空接触器改为双真空接触器并联之后，可有效减少因接触器故障造成的列车供电系统停止工作，进一步提高整个系统的可靠性，从而提升旅客列车的舒适度。由于本发明的系统电路变化较小，因此方案比较可靠，且系统的成本和体积增加不大。此外，无需额外再开发新型号的真空接触器。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他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结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1为现有技术中的列车供电回路主电路原理图；

图2为列车供电系统的控制单元的系统结构图；

图3为根据本发明的实施例的列车供电回路主电路原理图；以及

图4为根据本发明的实施例的两路用于独立控制真空接触器的驱动电路的示意图。

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，借此对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能充分理解并据以实施。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。

如图1所示，为现有技术的列车供电回路主电路原理图。在电力机车的列车供电系统的主电路单元中，为了可靠性其包括独立的第一供电回路和第二供电回路。它们电路原理大同小异。如图1所示，单相交流输入(a7-x7，额定电压AC860V)，经真空接触器KM与快速熔断器FU到单相整流桥(V1、V2为二极管，V3、V4为晶闸管)，通过滤波电抗器L和滤波电容器C滤波后输出DC600V。在该回路中，同时设有控制用电压传感器SV1和SV2。直流输出侧还设有接地检测用电阻网络(由R1、R2和R3组成)和接地检测用电压传感器SV3。

这里使用真空接触器是为了用于远距离接通和断开中、低压频繁起停的6kV、380V(660V、1140V)交流电动机。在工作时，真空接触器利用真空灭弧室灭弧，用以频繁接通和切断正常工作电流。一般地，低压真空交流接触器适用于交流：50HZ，额定电压：1140V，额定电流：63至630A的馈电网络，供远距离接通和分断电路，以及频繁起动和停止交流电动机之用。特别适宜与各种保护装置配合组装成隔爆型电磁起动器。

真空接触器主要由真空灭弧室和操作机构组成。真空灭弧室具有通过正常工作电流和频繁切断工作电流时可靠灭弧两个作用。但不能切断过负荷电流和短路电流。操作机构是由带铁芯的吸持线圈和衔铁构成。线圈通电，吸引衔铁，接触器闭合；线圈失电，接触器断开。吸持线圈一般有直流和交流两种形式。

真空灭弧室的外壳用玻璃或陶瓷绝缘材料制成，内部的真空度通常在0.01Pa以上。由于壳内的空气少，触头开距可以做得很小，电弧也较容易被熄灭。触头材料一般用铜、锑、锇等合金制成。灭弧室内屏蔽罩的作用是，当分断电流时，凝结触头间隙中扩散出来的金属蒸汽，有助于熄弧，还可以防止金属蒸汽溅落到绝缘外壳上降低其绝缘强度。动触头与外壳下端用波纹管连接，动触头可以上下运动又不会漏气。

真空接触器是否有故障，可以根据其能否准确无误地合闸、分闸并可靠地保持在合闸、分闸位置来判断。主回路方面的故障，可以从接触器例行的检修和维护中发现并排除。主要的常见故障包括不能储能、无合闸动作、空合、不分闸等。不能储能是真空接触器较常见的故障之一，特别是棘轮、棘爪驱动的储能机构，故障概率较高。储能机构要完成储能动作，主要取决于储能电动机、驱动机构、定位件这3个环节。紧紧抓住这3个环节，很容易找出故障的症结。发生无合闸动作故障，主要与合闸电磁铁是否吸合、储能是否到位、定位件动作是否正常有关。有合闸动作但合不上闸称之为空合，在分析此类故障时，首先应从合闸保持(锁扣)入手分析，然后再分析是否与储能部分有关。对于不分闸情况，在此需强调指出，接触器发生拒动、空合等情况时，在分析检修接触器主体之前，要充分判断一下原因是否出在控制及二次元件如辅助开关、端子排等方面，然后再进行接触器的分析诊断。

由于列车供电系统采用的功率元件及直流负载电阻与交流阻容保护均会产生热量，需要强制通风，因此设置散热单元来进行保护。本发明设置了两台由机车逆变器供电的三相交流通风机M1，M2，担负着通风散热的任务。

在控制单元中，供电控制系统给定延时积分环节的预置值与电压反馈信号比较，进行调节器运算得出晶闸管的触发角，通过同步处理与功率放大环节控制晶闸管的触发脉冲模块，经隔离处理控制晶闸管的开通。为提高供电控制系统的可靠性，设置了A/B两组完全相同的控制子系统进行冷备份冗余，某一组故障时由机车司机通过外部转换开管切换到另外一组工作。

下面，以HXD3C电力机车列车供电控制装置为例进行详细说明。

HXD3C电力机车列车供电控制装置安装在HXD3C电力机车列车供电柜上部。机箱内主要安装各类控制插件，各插件间的信号传递采用背板连接。

供电控制装置采用5.08系列、高6U、长60R(R＝5.08mm)的定制机箱，上部扩展对外连接插座、转换开关、隔离开关等。机箱内部安装6U标准结构插件，除开关电源插件面板宽度为12R(R＝5.08mm)外，其余插件均为4R。

HXD3C电力机车列车供电控制装置内插件的数量如下：

HXD3C电力机车列车供电控制装置采用冷备份冗余，由两组功能完全一致的控制子系统组成，其系统结构框图如图2所示。

列车供电柜/客车的DC110V数字量信号从数字入出板输入，经数字入出板的110V/5V电平转换后送入可编程逻辑器件，其再通过背板AMS总线传送给供电控制板实现相关的逻辑控制。

供电控制板采用了DSP+ARM双CPU架构，DSP完成AMS总线管理、AMS总线上各插件的数据交换以及特性、参数保护等控制功能，ARM完成人机接口等功能；板内配置高精度、高速率AD芯片；板内逻辑及外围信号的采集与预处理由FPGA控制管理，将模拟量信号转换为数字信号、从总线获取其他数字量信息给控制软件，然后由控制软件完成控制功能。

供电控制板的对外控制数字开关量通过背板AMS总线送至数字入出板的可编程逻辑器件输出，并经数字入出板完成5V/110V电平转换后输出驱动相关的继电器和接触器。

脉冲分配板根据供电控制板的特性等形成的移相电平转换成晶闸管的顺序触发脉冲信号，经脉冲放大后驱动供电系统的主电路单元中的单相半控整流桥。脉冲分配板主要由两部分组成：可编程的逻辑器件及其外围电路、脉冲放大电路。FPGA及其外围电路实现与AMS总线的接口及对同步信号进行滤波、形成与脉冲相关控制信号、同时用编程的方式实现脉冲的形成与分配。

转换控制板是为完成系统冷备份冗余而专门设计的。在系统进行冗余切换时，将外部传感器的电源、脉冲输出等进行相应切换。另外转换控制还完成了部分模拟信号(传感器类)的I/U转换等功能。

作为HXD3C电力机车列车供电控制装置的一个组件，在控制单元为AB组两个子系统冗余设计下，此背板能实现每组内部信号连接和AB组子系统之间的各种信号如电源及地、总线信号、脉冲信号等的连接，满足各插件的各种功能要求。

主要技术参数

额定功率：2×400kW

额定交流输入电压：860V

交流输入电压范围：600V-1050V

额定直流电压：600V

额定直流电流：2×670A

额定功况稳压精度：±5％

过载直流电流：2×750A

从上图1可以看出，列车供电回路主电路中使用到的元器件主要有真空接触器KM、晶闸管V3/V4、二极管V1/V2、电感L、电容C、快熔FU、电阻R1/R2/R3、电压传感器SV1/SV2/SV3等。为了保证系统工作的可靠性，可采取以下手段：

①针对晶闸管、二极管、电感、电容、快熔、电阻这些电力电子元器件，在成本允许的情况下通过提高器件的电压等级、电流等级、功率等级、耐压等级等手段保障元器件使用裕量，避免元器件长时间满负荷工作；

②针对控制调节用电压传感器SV1和SV2，结合供电控制系统一起进行了A/B组冷备份冗余设计。其分别由控制电路单元控制在不同时间里交替工作以正确地检测出实时的整流输出电压。某一组发生故障后，可通过切换开关立即切换至另外一组。此时不仅供电控制系统进行了切换而且控制调节用电压传感器也进行了切换，这样做可有效缩短故障时间。

但对于真空接触器而言，却不能通过提高参数如提升电压等级、电流等级、材料等级来提高可靠性。这是因为：

①列车供电系统要求真空接触器能够频繁地接通和切断正常工作电流，而每一次接通和分断都需要动用接触器内部若干的操作机构(如机械操作、电磁操作)进行。在机车长时间、高强度的振动冲击环境下，真空接触器内部复杂的操作机构很难完全避免失效的问题；

②真空接触器的电压等级、电流等级提高以后，需要另行定制开发，费用较高，体积也会大幅度增加，且后期维护困难。而且提高电压等级、电流等级只能解决真空接触器主触头的问题，并不能解决第一点所述的机械操作机构失效问题；

③如果将真空接触器替换为电磁接触器，成本会上升十倍、体积会增加三倍，难以满足工程化应用要求。

因此，一旦真空接触器发生故障就会导致这一路列车供电回路就无法工作，造成的连带后果就很严重。

本发明从以下方面进行改进设计，从而进一步提高整个供电系统的可靠性。

在主电路单元方面，将目前的单真空接触器方式改为双真空接触器KM1/KM2并联的方式。真空接触器的型号可采用现有的任何一种。其具体电路如图3所示。配合主电路单元的改进，控制单元中的无论是A组控制子系统还是B组控制子系统，均设置两路独立的驱动电路，从而分别独立地驱动KM1和KM2两个真空接触器，具体如图4所示。

KM1和KM2两个真空接触器的使用需根据外部条件交替使用，以达到延长真空接触器使用寿命的目的，并尽量规避单一接触器故障对整个系统造成的恶劣影响。这些条件包括但不限于以下几种情形：

a、当前日历是奇数日期还是偶数日期；

b、基于所述真空接触器的机械寿命的比较，如果其中一个的机械寿命与另一个相比相差大于一定阈值，优先使用寿命最长的真空接触器，如果相差不大，则交替使用；

c、在一个真空接触器故障时，优先投切使用另一个真空接触器。

第一控制子系统和所述第二控制子系统设计为，在其中一个真空接触器发生无法闭合故障时，所述子系统报警的同时，控制投切入另一个真空接触器，在其中一个真空接触器发生无法断开故障时，所述子系统报警的同时，继续使用该故障接触器

例如，在正常情况下，供电控制系统根据当前日历是处于奇数日还是偶数日来决定启用哪个真空接触器。如果是奇数日供电控制系统优先使用KM1接触器，如果是偶数日供电控制系统优先使用KM2接触器，这样做可尽量均匀地使用两个真空接触器。

或者，当某一个真空接触器如KM1发生故障无法闭合时，供电控制系统报出故障，同时启用KM2真空接触器。如果供电控制系统未复位的话，则一直使用KM2。如果系统复位的话，则仍按照奇偶数日先进行选择。

或者，当某一个真空接触器如KM1发生故障无法断开时，供电控制系统报出故障但仍继续使用KM1接触器。

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。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种列车供电控制装置，其特征在于，所述装置包括：

主电路单元，其包括第一供电回路，用于将单相交流输入经过整流、滤波后转换为直流电压输出，其中，在单相交流输入端处设置至少两个并联连接的真空接触器(KM1，KM2)，

控制单元，其包括第一控制子系统，所述第一控制子系统中设置至少两个独立的驱动电路以分别驱动控制所述真空接触器，以正常运行时，基于预先设定的条件来优先投切使用所述真空接触器中的一个或另一个；

所述控制单元还包括第二控制子系统，其中，所述第二控制子系统设计为与所述第一控制子系统相同，在第一控制子系统故障时，其可通过设置的外部转换开关的控制而投入供电系统进行工作；

所述第一控制子系统和第二控制子系统设计为基于以下条件来投切使用所述真空接触器中的一个：

a、当前日历是奇数日期还是偶数日期；

b、基于所述真空接触器的机械寿命的比较，如果其中一个的机械寿命与另一个相比相差大于一定阈值，优先使用寿命最长的真空接触器，如果相差不大，则交替使用；

c、在一个真空接触器故障时，优先投切使用另一个真空接触器。

2.如权利要求1所述的列车供电控制装置，其特征在于，所述第一供电回路还包括串联在所述单相交流输入端上的快速熔断开关(FU)以对整个供电系统进行快速熔断保护。

3.如权利要求1所述的列车供电控制装置，其特征在于，所述第一供电回路还包括单相整流桥和滤波单元，其中整流桥的桥臂包括串联连接的二极管(V1，V2)和晶闸管(V3，V4)，滤波单元包括滤波电感(L)和滤波电容(C)以消除整流后的电压中的高次谐波。

4.如权利要求1所述的列车供电控制装置，其特征在于，所述第一供电回路还包括至少两个调节用电压传感器(SV1，SV2)，其分别由所述控制电路单元控制在不同时间里交替工作以正确地检测出实时的整流输出电压。

5.如权利要求3所述的列车供电控制装置，其特征在于，所述主电路单元还包括第二供电回路，其中，所述第二供电回路的结构设计为与所述第一供电回路的结构基本上相同。

6.如权利要求1所述的列车供电控制装置，其特征在于，所述第一控制子系统和第二控制子系统分别还包括数字输入输出模块、供电控制模块和脉冲分配模块。

7.如权利要求6所述的列车供电控制装置，其特征在于，所述第一控制子系统和所述第二控制子系统设计为，在其中一个真空接触器发生无法闭合故障时，所述子系统报警的同时，控制投切入另一个真空接触器，在其中一个真空接触器发生无法断开故障时，所述子系统报警的同时，继续使用该故障接触器。

8.如权利要求1所述的列车供电控制装置，其特征在于，所述装置还包括散热单元，其用于对所述主电路的功率元件、直流负载电阻和交流组容进行过热保护。