CN105356675B - 轨道车辆用直流永磁无刷电机变流器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轨道车辆用直流永磁无刷电机变流器，包括：直流高压电路、牵引控制电路、辅助变流电路和蓄电池充电机；直流高压电路包括依次电连接的第一电压电流转换器、接地检测电路和输入电压电流检测电路；第一电压电流转换器与外部电网电连接，输入电压电流检测电路分别与牵引控制电路、辅助变流电路、充电机电连接；牵引控制电路用于驱动直流永磁无刷电机，以对车辆进行牵引；辅助变流电路还与轨道车辆的交流负载电连接，用于将输入电压电流检测电路输出的直流电逆变为交流电，向交流负载供电；蓄电池充电机还与轨道车辆的直流负载电连接，用于为直流负载供电。本发明的变流器，不仅能够与直流永磁无刷电机配套使用，还功能多元化。

Description

轨道车辆用直流永磁无刷电机变流器

技术领域

本发明涉及轨道车辆电器设备技术领域，尤其涉及一种轨道车辆用直流永磁无刷电机变流器。

背景技术

传统的轨道车辆中，其牵引电机一般选择直流有刷电机，但是直流有刷电机的体积较大，因此，轨道车辆的牵引电机逐渐被体积较小的交流电机取代，而其变流器同时要变为对应配套的用于控制交流电机的变流器。为了使交流电机的牵引特性达到相当于直流电机的性能，其变流器必须使用复杂的变频控制技术(特别是矢量变频技术)对交流电机进行调速才能达到，此过程操作较复杂，而且该用于控制交流电机的变流器功能单一，只能实现牵引控制功能。

随着永磁技术的突破性发展，直流永磁电机无刷化这一前沿技术得到应用，由于直流永磁无刷电机的控制不同于交流电机，如将直流永磁无刷电机应用于轨道车辆上以实现对轨道车辆的牵引，则需要配套的直流永磁无刷电机变流器。但是目前还未提出在轨道车辆上应用的，与直流永磁无刷电机配套的、功能多元化的直流永磁无刷电机变流器。

发明内容

本发明提供一种轨道车辆用直流永磁无刷电机变流器，该变流器不仅能够与直流永磁无刷电机配套使用，还功能多元化。

本发明提供的一种轨道车辆用直流永磁无刷电机变流器，包括：直流高压电路、牵引控制电路、辅助变流电路和蓄电池充电机；

所述直流高压电路包括依次电连接的第一电压电流转换器、接地检测电路和输入电压电流检测电路，所述直流高压电路用于提供直流保护电压；

所述第一电压电流转换器与外部电网电连接，所述输入电压电流检测电路分别与所述牵引控制电路、所述辅助变流电路、所述蓄电池充电机电连接；

所述牵引控制电路用于驱动直流永磁无刷电机，以使所述直流永磁无刷电机对车辆进行牵引；

所述辅助变流电路还与轨道车辆的交流负载电连接，所述辅助变流电路用于将所述输入电压电流检测电路输出的直流电逆变为交流电，向所述交流负载提供交流电；

所述蓄电池充电机还与所述轨道车辆的直流负载电连接，所述蓄电池充电机用于为所述直流负载提供直流电。

本发明轨道车辆用直流永磁无刷电机变流器，包括直流高压电路、牵引控制电路、辅助变流电路和蓄电池充电机，直流高压电路中的输入电压电流检测电路一方面与牵引控制电路连接，为牵引控制电路提供直流保护电压，牵引控制电路与直流永磁无刷电机连接，从而实现了该变流器与直流永磁无刷电机的配套，从而使得牵引控制电路对直流永磁无刷电机进行驱动，实现对轨道车辆的牵引功能。另一方面，输入电压电流检测电路与辅助变流电路连接，以使辅助变流电路直接从直流高压电路取电，将直流电逆变为交流电，为轨道车辆的交流负载供电。输入电压电流检测电路与蓄电池充电机连接，以使蓄电池充电机直接从直流高压电路取电，为轨道车辆的直流负载供电。从而使得本发明的变流器还可以对轨道车辆上的交流负载、直流负载供电，实现了变流器功能的多元化。

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使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的轨道车辆用直流永磁无刷电机变流器的结构框图；

图2为本发明一实施例提供的轨道车辆用直流永磁无刷电机变流器的具体电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一实施例提供的轨道车辆用直流永磁无刷电机变流器的结构框图，参照附图1所示，本实施例的轨道车辆用直流永磁无刷电机变流器，包括：直流高压电路1、牵引控制电路2、辅助变流电路3和蓄电池充电机4。直流高压电路1用于向牵引控制电路2、辅助变流电路3和蓄电池充电机4提供直流保护电压。

其中，直流高压电路1包括依次电连接的第一电压电流转换器11、接地检测电路12和输入电压电流检测电路13。第一电压电流转换器11与外部电网电连接，将电网提供的电压转换为电流，并提供给接地检测电路12。所述输入电压电流检测电路13分别与所述牵引控制电路2、辅助变流电路3、蓄电池充电机4电连接。

其中，所述牵引控制电路2用于驱动直流永磁无刷电机，以使直流永磁无刷电机对车辆进行牵引。即，直流高压电路1提供一直流保护电压至牵引控制电路2，牵引控制电路2接收到该直流保护电压后控制电机进行工作。

所述辅助变流电路3还与轨道车辆的交流负载电连接，辅助变流电路3用于将输入电压电流检测电路13输出的直流电逆变为交流电，向轨道车辆上的交流用电设备提供交流电，比如，将直流电逆变为3P+N AC400V/50Hz。在本实施例中，辅助变流电路3的输出电压为AC400V。当然，其输出电压可具体根据车辆上的交流负载所需的实际电压进行设置，本发明并不以此为限。

所述蓄电池充电机4还与轨道车辆的直流负载电连接，蓄电池充电机4用于为轨道车辆上的直流负载提供直流电。在本实施例中，蓄电池充电机4为DC110V充电机，即该充电机的输出电压为直流110V，需要说明的是，充电机输出电压可根据轨道车辆上的直流用电设备的具体需求进行设定，本发明并不以此为限。

本实施例中直流高压电路1中的输入电压电流检测电路13一方面与牵引控制电路2连接，为牵引控制电路2提供直流保护电压，牵引控制电路与直流永磁无刷电机连接，从而实现了该变流器与直流永磁无刷电机的配套，从而使得牵引控制电路2对直流永磁无刷电机进行驱动，实现对轨道车辆的牵引功能。另一方面，输入电压电流检测电路13与辅助变流电路3连接，以使辅助变流电路3直接从直流高压电路1取电，将直流电逆变为交流电，从而为轨道车辆的交流负载供电。输入电压电流检测电路13与蓄电池充电机4连接，以使蓄电池充电机4直接从直流高压电路1取电，从而为轨道车辆的直流负载供电，从而使得本实施例的变流器还可以对轨道车辆上的交流负载、直流负载供电，实现了变流器功能的多元化。

图2为本发明一实施例提供的轨道车辆用直流永磁无刷电机变流器的具体电路图。参照附图1和附图2所示，外部电网向变流器提供1500V的电压，第一电压电流转换器11将该电压转换为电流。其中，可在变流器的输入端设置线路开关，通过开关对整个变流器进行保护。

在本实施例中，所述直流高压电路1还可以包括预充电电路和EMC滤波电路，所述预充电电路和EMC滤波电路连接在第一电压电流转换器11与接地检测电路12之间。EMC滤波电路用于将电流中的杂波去除。其中，EMC滤波电路具体包括第一电容C1、第一电感L1、第二电容C2和第二电感L2，第一电容C1的第一端与第一电感L1的第一端连接，第一电容C1的第二端与第二电感L2的第一端连接，第二电容C2的第一端与第一电感L1的第二端连接，第二电容C2的第二端与第二电感L2的第二端连接。

具体地，所述接地检测电路12包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电容C3和电压传感器121。其中，第一电阻R1的第一端与第一电感L1的第二端连接，第一电阻R1的第二端与第二电阻R2的第一端连接于第一连接点a1，所述第二电阻R2的第二端与所述第二电感L2的第二端连接；第三电容C3的第一端接地，且与所述第一连接点a1连接，第三电容C3的第二端与第二电阻R2的第二端连接；电压传感器121的第一端接地，电压传感器121的第二端与第三电容C3的第二端连接。

所述输入电压电流检测电路13具体包括：第二电压电流转换器131、第一电流电压转换器132、第三电压电流转换器133和第二电流电压转换器134。其中，所述第一电流电压转换器132的第一端与所述第一电感L1的第二端连接于第二连接点a2，所述第二电流电压转换器134的第一端与电压传感器121的第二端连接于第三连接点a3。第二电压电流转换器131的第一端与第二连接点连接a2，第二电压电流转换器131的第二端与第三连接点a3连接。第三电压电流转换器133的第一端与第一电流电压转换器132的第二端连接。第三电压电流转换器133的第二端分别与所述辅助变流电路3的第一端、所述蓄电池充电机4的第一端连接。第二电流电压转换器134的第二端分别与所述辅助变流电路3的第二端、所述蓄电池充电机4的第二端连接。从而使得辅助变流电路3、蓄电池充电机4可直接从直流高压电路1中取电，使得该直流高压电路1在驱动直永磁无刷电机以实现对列车进行牵引的同时，为轨道车辆上的交流用电设备和直流用电设备进行供电。

为了能够根据实际需求，选择性的对轨道车辆上的直流用电设备或者交流用电设备进行供电，进一步地，可在辅助变流电路3与输入电压电流检测电路13之间设置开关，在蓄电池充电机4与输入电压电流检测电路13之间设置开关，通过开关的打开与闭合来控制辅助变流电路3和/或蓄电池充电机4的导通与关断，从而实现对车辆上的交流用电设备/直流用电设备进行供电或断电。

具体地，辅助变流电路3与输入电压电流检测电路13之间设置第一开关31和第二开关32，第一开关31的一端与辅助变流电路3的第一端连接，第一开关31的另一端与输入电压电流检测电路13中的第三电压电流转换器133的第二端连接。第二开关32的一端与辅助变流电路3的第二端连接，第二开关32的另一端与输入电压电流检测电路13中的第二电流电压转换器134的第二端连接。蓄电池充电机4与输入电压电流检测电路13之间设置第三开关41和第四开关42，第三开关41的一端与蓄电池充电机4的第一端连接，第三开关41的另一端与输入电压电流检测电路13中的第三电压电流转换器133的第二端连接。第二开关32的一端与蓄电池充电机4的第二端连接，第二开关32的另一端与输入电压电流检测电路13中的第二电流电压转换器134的第二端连接。

在其他实施例中，所述直流高压电路1还可包括至少一个制动电阻电路14，每个制动电阻电路均分别与输入电压电流检测电路13和牵引控制电路2电连接，用于在轨道车辆处于制动状态时进行电能消耗。也就是说，当牵引控制电路2接收到直流高压电路1对其提供的直流保护电压时，牵引控制电路2驱动与其连接的直流永磁无刷电机转动，从而使电机对列车进行牵引，而当列车进行刹车、临时停车等制动状态时，则直流永磁无刷电机停止对列车进行牵引，此时电机上的电能则需要消耗，因此，通过设置制动电阻电路对其电能进行消耗。

参照附图2所示，所述制动电阻电路可以设置为两个，且相互并联，当其中一个制动电阻电路故障时，则可使用另一个制动电阻电路对电能进行消耗，从而保证了轨道车辆在制动状态时，多余的电能可转化为热能散发出去或者被二次利用，在保证轨道车辆在整个运行过程中的稳定性的同时，提高了能源的利用率。

具体地，所述制动电阻电路14包括第三电阻R3、第三电流电压转换器141、NPN晶体管、第一二极管D1和第二二极管D2。第三电阻R3的第一端与第二电流电压转换器134的第二端连接，所述第三电阻R3的第二端与第三电流电压转换器141的第一端连接。第三电流电压转换器141的第二端与NPN晶体管的基极连接，NPN晶体管的集电极与第一电流电压转换器132的第二端连接于第四连接点a4。NPN晶体管的发射极与第一二级管D1的负极端连接，第一二极管D1的正极端与第二电流电压转换器134的第二端连接。第三电流电压转换器141的第三端与第二二极管D2的正极端连接，第二二极管D2的负极端与第四连接点a4连接。

参照附图2所示，在本实施例中，所述牵引控制电路2包括四个相互并联的牵引控制单元21，每一个所述牵引控制单元21连接一个所述直流永磁无刷电机5。

具体地，牵引控制单元21包括功率开关管，所述功率开关管由绝缘栅双极晶体管和二极管反并联连接组成。当直流高压部件1提供直流保护电压给牵引控制电路2后，牵引控制单元通过控制各功率开关管把直流电变成直流永磁无刷电机定子上的时序旋转的直流电压和电流，从而控制直流永磁无刷电机5的各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场，驱动四台牵引电机，完成列车牵引功能。即，牵引控制单元通过控制各功率开关管的通断，从而控制电机的启动、停止和制动，以及控制和调整电机转速、转矩等。

可以对每一个牵引控制单元21分别设置开关22，通过对各开关22的开闭控制以实现所对应的牵引控制单元的导通或关断，从而可任意控制一个或多个直流永磁无刷电机5进行工作。即本实施例中的四个直流永磁无刷电机5可以同时工作，也可以单独工作，具体根据实际需求而定。

需要说明的是，本实施例中的牵引控制单元21设置为四个，仅是为了方便说明，牵引控制单元也可以设置为2个，或者更多个，其个数可具体根据轨道车辆的需求进行设置。本发明并不以此为限。

本发明的轨道车辆用直流永磁无刷电机变流器，通过直流高压电路对牵引控制电路提供直流保护电压，直流永磁无刷电机与牵引控制电路连接，从而实现了该变流器与直流永磁无刷电机的配套，从而使得牵引控制电路驱动直流永磁无刷电机工作，实现对列车的牵引。同时，辅助变流电路可直接从直流高压电路取电，辅助变流电路将输入其的直流电逆变为交流电，为轨道车辆上的交流用电设备供电。蓄电池充电机也可直接从直流高压电路取电，为轨道车辆上的直流用电设备供电。从而使得该变流器在实现对列车牵引的同时，可为轨道车辆上的用电设备供电，使变流器的功能多元化。而且，当车辆处于制动状态时，电机停止对列车的牵引，此时直流高压电路中的制动电阻电路对电机上的电能进行消耗，从而保证了轨道车辆在制动状态时，多余的电能可转化为热能散发出去或者被二次利用，在保证轨道车辆正常运转的同时，提高了能源的利用率。本发明的变流器的功能多样，结构简单且节能效果显著。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (4)

1.一种轨道车辆用直流永磁无刷电机变流器，其特征在于，包括：直流高压电路、牵引控制电路、辅助变流电路和蓄电池充电机；

所述直流高压电路包括依次电连接的第一电压电流转换器、接地检测电路和输入电压电流检测电路，所述直流高压电路用于提供直流保护电压；

所述第一电压电流转换器与外部电网电连接，所述输入电压电流检测电路分别与所述牵引控制电路、所述辅助变流电路、所述蓄电池充电机电连接；

所述牵引控制电路用于驱动直流永磁无刷电机，以使所述直流永磁无刷电机对车辆进行牵引；

所述辅助变流电路还与轨道车辆的交流负载电连接，所述辅助变流电路用于将所述输入电压电流检测电路输出的直流电逆变为交流电，向所述交流负载提供交流电；

所述蓄电池充电机还与所述轨道车辆的直流负载电连接，所述蓄电池充电机用于为所述直流负载提供直流电；

所述直流高压电路还包括预充电电路和EMC滤波电路，所述预充电电路和所述EMC滤波电路连接在所述第一电压电流转换器与所述接地检测电路之间；

所述EMC滤波电路包括第一电容、第一电感、第二电容和第二电感，所述第一电容的第一端与所述第一电感的第一端连接，所述第一电容的第二端与所述第二电感的第一端连接，所述第二电容的第一端与所述第一电感的第二端连接，所述第二电容的第二端与所述第二电感的第二端连接；

所述接地检测电路包括第一电阻、第二电阻、第三电容和电压传感器；

所述第一电阻的第一端与所述第一电感的第二端连接，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接于第一连接点，所述第二电阻的第二端与所述第二电感的第二端连接；所述第三电容的第一端接地，且与所述第一连接点连接，所述第三电容的第二端与所述第二电阻的第二端连接；所述电压传感器的第一端接地，所述电压传感器的第二端与所述第三电容的第二端连接；

所述输入电压电流检测电路包括第二电压电流转换器、第一电流电压转换器、第三电压电流转换器和第二电流电压转换器；

所述第一电流电压转换器的第一端与所述第一电感的第二端连接于第二连接点，所述第二电流电压转换器的第一端与所述电压传感器的第二端连接于第三连接点；所述第二电压电流转换器的第一端与所述第二连接点连接，所述第二电压电流转换器的第二端与所述第三连接点连接；所述第三电压电流转换器的第一端与所述第一电流电压转换器的第二端连接，所述第三电压电流转换器的第二端分别与所述辅助变流电路的第一端、所述蓄电池充电机的第一端连接；所述第二电流电压转换器的第二端分别与所述辅助变流电路的第二端、所述蓄电池充电机的第二端连接；

所述直流高压电路还包括至少一个制动电阻电路，每个所述制动电阻电路均分别与所述输入电压电流检测电路和所述牵引控制电路电连接，用于在轨道车辆处于制动状态时进行电能消耗；

所述制动电阻电路包括第三电阻、第三电流电压转换器、NPN晶体管、第一二极管和第二二极管；

所述第三电阻的第一端与所述第二电流电压转换器的第二端连接，所述第三电阻的第二端与所述第三电流电压转换器的第一端连接，所述第三电流电压转换器的第二端与所述NPN晶体管的基极连接，所述NPN晶体管的集电极与所述第一电流电压转换器的第二端连接于第四连接点，所述NPN晶体管的发射极与所述第一二级管的负极端连接，所述第一二极管的正极端与所述第二电流电压转换器的第二端连接，所述第三电流电压转换器的第三端与所述第二二极管的正极端连接，所述第二二极管的负极端与所述第四连接点连接。

2.根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述牵引控制电路包括多个相互并联的牵引控制单元，每一个所述牵引控制单元连接一个所述直流永磁无刷电机。

3.根据权利要求2所述的变流器，其特征在于，所述牵引控制单元包括功率开关管，所述功率开关管由绝缘栅双极晶体管和二极管反并联连接组成。

4.根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述蓄电池充电机为DC110V充电机；所述辅助变流电路的输出电压为AC400V。