CN105711431A - 高速动车组转向架供电方式牵引变流器主电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高速动车组转向架供电方式牵引变流器主电路，包括：依次连接的预充电电路、整流电路、母线电压处理电路和逆变电路；预充电电路用于在牵引变流器初始上电时防止输入电流过大；整流电路包括并联连接的两个四象限整流器，通过控制可以滤除变压器一次侧电流的部分高次谐波；母线电压处理电路包括二次滤波电路和支撑电容，用于滤除母线电压中的二次谐波和纹波；逆变电路包括两个并联的三相逆变器，一台三相逆变器驱动工作在一个转向架上的两台牵引电机运行。通过控制变流器上电时电流的上升率、滤除输入电流中的高次谐波、滤除母线电压的二次谐波、纹波，使得输入逆变器的电压准确可靠，有利于保证对牵引电机的安全可靠驱动。

Description

高速动车组转向架供电方式牵引变流器主电路

技术领域

本发明涉及高速动车组技术领域，尤其涉及一种高速动车组转向架供电方式牵引变流器主电路。

背景技术

高速动车组技术近年来得到了飞速的发展，牵引变流器是高速动车组的重要组成部分。牵引变流器输出三相交流电以驱动高速动车组内的牵引电机运行，从而驱动动车组的运行。

牵引变流器一般由整流器、母线电压处理回路和逆变器等组成。其中，整流器对输入的电压进行整流处理，母线电压处理回路维持母线电压的稳定，从而保证逆变器能够根据稳定的母线电压控制牵引电机的可靠运行。因此，保证整流器输出电压波形稳定，尽量降低谐波，以及保证母线电压的稳定，对于牵引电机的可靠运行以及牵引变流器的器件安全至关重要。另外，现有的动车组技术方案中，多采用车控模式，即一台逆变器驱动4台牵引电机运行。这种主电路的牵引变流器多采用开环的控制方式，整体控制性能较差。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种高速动车组转向架供电方式牵引变流器主电路，用以实现对牵引电机的安全、可靠控制。

本发明提供了一种高速动车组转向架供电方式牵引变流器主电路，包括：

依次连接的预充电电路、整流电路、母线电压处理电路和逆变电路；

所述预充电电路，用于在所述牵引变流器初始上电时控制输入电流的变化幅度，所述预充电电路包括第一预充电电路和第二预充电电路；

所述整流电路包括并联连接的第一四象限整流器和第二四象限整流器；

所述第一四象限整流器的第一输入端与所述第一预充电电路的输出端连接，所述第一四象限整流器的第二输入端与牵引变压器的二次侧输出绕组N1连接，所述第一预充电电路的输入端与所述牵引变压器的二次侧输出绕组P1连接，所述第一四象限整流器的第一输出端和第二输出端分别连接在母线的正端和负端；

所述第二四象限整流器的第一输入端与所述第二预充电电路的输出端连接，所述第二四象限整流器的第二输入端与所述牵引变压器的二次侧输出绕组N2连接，所述第二预充电电路的输入端与所述牵引变压器的二次侧输出绕组P2连接，所述第二四象限整流器的第一输出端和第二输出端分别连接在母线的正端和负端；

所述母线电压处理电路包括二次滤波电路和支撑电容，所述二次滤波电路和所述支撑电容并联连接在所述母线的正端和负端间；所述二次滤波电路用于滤除所述整流电路输出电压即母线电压中的二次谐波，所述支撑电容用于去除所述输出电压中的纹波；

所述逆变电路包括并联连接的第一三相逆变器和第二三相逆变器，所述第一三相逆变器的第一输入端和第二输入端分别连接在母线的正端和负端，所述第一三相逆变器的三相输出端连接两个牵引电机；所述第二三相逆变器的第一输入端和第二输入端分别连接在母线的正端和负端，所述第二三相逆变器的三相输出端连接另两个牵引电机；

所述第一三相逆变器连接的所述两个牵引电机位于一个转向架上，且所述两个牵引电机中的一个为正转，另一个为反转；所述第二三相逆变器连接的所述另两个牵引电机位于另一个转向架上，且所述另两个牵引电机中的一个为正转，另一个为反转。

本发明提供的高速动车组转向架供电方式牵引变流器主电路，包括依次连接的预充电电路、整流电路、母线电压处理电路和逆变电路。其中，预充电电路用于在牵引变流器初始上电时控制输入电流的变化幅度，使得输入整流电路的电流的变化幅度不至于过大，有利于降低对变流器各器件的损坏；整流电路包括并联连接的两个四象限整流器，从而能够提高滤除电流中高次谐波的效果；母线电压处理电路包括二次滤波电路和支撑电容，用于滤除电压中的二次谐波和纹波，使得输入逆变电路的电压更加准确稳定；逆变电路包括两个并联的逆变器，每个逆变器驱动两个牵引电机，且同一逆变器驱动的两个牵引电机位于同一个转向架上，且一个为正转，一个为反转，以该转向架方式驱动牵引电机具有更佳的可靠性。通过控制输入电流的变化幅度、滤除输入电流中的高次谐波、滤除母线电压的二次谐波、纹波，使得输入逆变器的电压准确可靠，有利于保证对牵引电机的安全可靠驱动。

附图说明

图1为本发明高速动车组转向架供电方式牵引变流器主电路实施例一的电路组成示意图；

图2为本发明高速动车组转向架供电方式牵引变流器主电路实施例二的电路结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明高速动车组转向架供电方式牵引变流器主电路实施例一的电路组成示意图，如图1所示，该主电路包括：

依次连接的预充电电路1、整流电路2、母线电压处理电路3和逆变电路4；

所述预充电电路1，用于在所述牵引变流器初始上电时控制输入电流的变化幅度，所述预充电电路包括第一预充电电路11和第二预充电电路12；

所述整流电路2包括并联连接的第一四象限整流器21和第二四象限整流器22；

所述第一四象限整流器21的第一输入端A3与所述第一预充电电路11的输出端B1连接，所述第一四象限整流器21的第二输入端B3与牵引变压器的二次侧输出绕组N1连接，所述第一预充电电路11的输入端A1与所述牵引变压器的二次侧输出绕组P1连接，所述第一四象限整流器21的第一输出端E1和第二输出端F1分别连接在母线的正端VDC+和负端VDC-；

所述第二四象限整流器的第一输入端A4与所述第二预充电电路的输出端B2连接，所述第二四象限整流器的第二输入端B4与所述牵引变压器的二次侧输出绕组N2连接，所述第二预充电电路的输入端A2与所述牵引变压器的二次侧输出绕组P2连接，所述第二四象限整流器的第一输出端E2和第二输出端F2分别连接在母线的正端VDC+和负端VDC-；

所述整流电路2，用于通过脉冲宽度调制PWM控制所述第一四象限整流器21和所述第二四象限整流器22，使第一四象限整流器21和第二四象限整流器22的输入电流中的高次谐波相互错开，使得在变压器一次侧的电流中的部分谐波相互抵消，从而在变压器的一次侧可以得到更接近正弦波的电流波形。

所述母线电压处理电路3包括二次滤波电路31和支撑电容32，所述二次滤波电路31和所述支撑电容32并联连接在所述母线的正端VDC+和负端VDC-间；所述二次滤波电路31用于滤除所述整流电路输出电压即母线电压中的二次谐波，所述支撑电容32用于去除所述输出电压中的纹波；

所述逆变电路4包括并联连接的第一三相逆变器41和第二三相逆变器42，所述第一三相逆变器41的第一输入端A5和第二输入端B5分别连接在母线的正端VDC+和负端VDC-，所述第一三相逆变器的三相输出端连接两个牵引电机，且该两个牵引电机工作于同一个转向架上，这两个牵引电机一个正转一个反转；所述第二三相逆变器42的第一输入端A6和第二输入端B6分别连接在母线的正端VDC+和负端VDC-，所述第二三相逆变器的三相输出端连接另两个牵引电机，且该两个牵引电机位于另一个转向架上，这两个牵引电机一个正转一个反转。

具体来说，如图2所示，图2为本发明高速动车组转向架供电方式牵引变流器主电路实施例二的电路结构示意图。上述第一预充电电路11包括第一开关K1、第二开关K2和第三电阻R3，所述第二预充电电路包括第三开关K3。其中，所述第一开关K1和所述第三电阻R3串联后与所述第二开关K2并联。

实际使用时，当牵引变流器上电时，第一预充电电路11中的第一开关K1闭合，第二开关K2断开，第二预充电电路的第三开关K3断开。电流经过电阻R3到达第一四象限整流器21，使得开始上电时的电流变化幅度(di/dt)不至于过大，减小对各器件的危害。3-10ms后开关K1断开，K2、K3闭合。电阻R3的取值范围为10Ω-50Ω。

具体地，本实施例中的整流电路2是由两个并联的四象限整流器组成，如图2所示，第一四象限整流器21和第二四象限整流器22都是分别由8个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)组成的，即第一四象限整流器21由S1-S8所表征的IGBT组成，第二四象限整流器22由S9-S16所表征的IGBT组成。具体来说，S1的发射极与S3的集电极连接在一起，S2的发射极与S4的集电极连接在一起，S5的发射极与S7的集电极连接在一起，S6的发射极与S8的集电极连接在一起。其中，S1和S2的发射极连接在一起，并与第一四象限整流器21第一输入端A3连接；S5和S6的发射极连接在一起，并与第一四象限整流器21第二输入端B3连接；S1、S2、S5和S6的集电极连接在一起，并与第一四象限整流器21的第一输出端E1连接；S3、S4、S7和S8的发射极连接在一起，并与第一四象限整流器21的第二输出端F1连接。同理，类似的连接关系也适用于第二四象限整流器22，具体的连接关系如图2中所示，不再赘述。

本实施例中，整流电路由两台级联的四象限整流器构成，通过采用脉宽调制(Pulse-WidthModulation，以下简称PWM)技术对移相角的控制，两台整流器的输入电流高次谐波的波峰和波谷正好错开，使电流的高次谐波能够相互抵消一部分。具体来说，在电力牵引交流传动系统中，由于大功率的开关器件的开关频率比较低，为了提高系统容量和减小网侧输入电流的谐波含量，通常对整流器采用多重化技术。本实施例具体采用两重化的脉冲整流器，即两个四象限整流器，将两台整流器的三角载波相位相互错开一个π/2的相位角，然后利用PWM技术中的波形生成方式和载波移相技术中的移相叠加得到的阶梯波，从而两台整流器的输入电流高次谐波的波峰和波谷正好错开，使变压器一次侧电流的谐波含量中部分谐波相互抵消。

再具体地，如图2所示，母线电压处理电路3中的二次滤波电路31包括串联的电容C1和电感L1。所述电容C1的取值范围为3mF-7mF，所述电感L1的取值范围为0.4mH-0.8mH。由于整流电路2输出的电压中还会存在二次谐波分量，这样会影响后方元器件的寿命以及牵引系统的正确运行，因此，本实施例中采用了该二次滤波电路31来滤除了整流电路2输出到母线上的电压中的谐波，尤其是二次谐波，即100Hz频率的谐波。另外，为了进一步降低电压中的纹波，本实施例中还在母线电压处理电路3中设置了在母线电压间的支撑电容32。

进一步地，母线电压处理电路3中还包括：电压传感器33，所述电压传感器33与所述二次滤波电路31和所述支撑电容32并联，用于检测母线电压。

在一个可选的实施方式中，为了实现母线电压的检测，并且为了保证母线电压检测的更加可靠，可以采用多个，比如两个电压传感器33并联连接在母线的正端和负端间的方式来实现母线电压的可靠检测，此时，如果一个电压传感器损坏，可以使用其他的电压传感器进行检测，可靠性高。

在另一个可选的实施方式中，为了实现母线电压的安全可靠检测，还可以采用分压检测的方式，即电压传感器33并非直接连接在母线的正端和负端，而是通过比如与分压电阻并联的方式连接在分压电阻上，从而间接地实现对母线电压的检测。

值得说明的是，上述两个可选的母线电压检测方法既可以单独的使用，也可以综合在一起使用，以更好地实现母线电压的准确、安全可靠检测。

另外，逆变电路4中还包括：并联连接的第一斩波电路43和第二斩波电路44，用于在所述电压传感器33检测到的母线电压超高一定阈值时，消耗所述母线上的能量以稳定母线电压。

具体来说，第一斩波电路43包括第一IGBTS17、第一电流传感器TA1、第一电阻R1和第一二极管D1。其中，第一电流传感器TA1和第一电阻R1串联后与第一二极管D1并联，并联后的一端与第一斩波电路43的第二端B7连接，并联后的另一端与所述第一IGBTS17的发射极连接；第一IGBTS17的集电极与第一斩波电路43的第一端A7连接，所述第一IGBTS17的栅极与第一IGBT驱动电路连接。

第二斩波电路44包括第二IGBTS18、第二电流传感器TA2、第二电阻R2和第二二极管D2。其中，第二电流传感器TA2和第二电阻R2串联后与第二二极管D2并联，并联后的一端与第二斩波电路44的第二端B8连接，并联后的另一端与第二IGBTS18的发射极连接；第二IGBTS18的集电极与第二斩波电路44的第一端A8连接；第二IGBTS18的栅极与第二IGBT驱动电路连接。而且，第一斩波电路43的第一端A7与所述母线的正端VDC+连接，第一斩波电路43的第二端B7与第一三相逆变器41的第二输入端B5连接，并连接在所述母线的负端VDC-上；第二斩波电路44的第一端A8与第二三相逆变器42的第一输入端A6连接，并连接在所述母线的正端VDC+上，所述第二斩波电路44的第二端B8与所述母线的负端VDC-连接。

本实施例中，由于母线电压太大对于整个主电路的元件的安全性都会造成影响，因此通过电压传感器33对母线上的电压进行实时监测，当母线电压超过规定阈值时，第一IGBTS17和第二IGBTS18开通，这时通过制动电阻R1和R2消耗母线上的能量，将母线电压降下来。

在本实施例的牵引变流器主电路的最后一个环节是逆变电路4，由两个并联的三相逆变器组成，如图2所示，第一三相逆变器41和第二三相逆变器42分别由6个IGBT组成，即第一三相逆变器41由S19-S24组成，第二三相逆变器42由S25-S30组成。其中，对于第一三相逆变器41来说，S19的发射极与S22的集电极连接在一起，S20的发射极与S23的集电极连接在一起，S21的发射极与S24的集电极连接在一起，S19、S20和S21的集电极连接在一起，并与第一三相逆变器41的第一输入端A5连接，S22、S23和S24的发射极连接在一起，并与第一三相逆变器41的第二输入端B5连接。S19、S20和S21的发射极分别为第一三相逆变器41的三相输出端，如图2所示，另S19的发射极为第一三相逆变器41的第一输出端U1，第一输出端U1与第三电流传感器TA3的一端连接，所述第三电流传感器TA3的另一端分别与第一牵引电机M1的第一输入端和第二牵引电机M2的第二输入端连接；S20的发射极为第一三相逆变器41的第二输出端V1，第二输出端V1与第四电流传感器TA4的一端连接，所述第四电流传感器TA4的另一端分别与第一牵引电机M1的第二输入端和第二牵引电机M2的第一输入端连接；S21的发射极为第一三相逆变器41的第三输出端W1，第三输出端W1分别与第一牵引电机M1的第三输入端和第二牵引电机M2的第三输入端连接。从而，第一牵引电机和第二牵引电机的相序不同，一个处于正转，一个处于反转。

相应的，对于第二三相逆变器42，S25的发射极与S28的集电极连接在一起，S26的发射极与S29的集电极连接在一起，S27的发射极与S30的集电极连接在一起，S25、S26和S27的集电极连接在一起，并与第二三相逆变器42的第一输入端A6连接，S28、S29和S30的发射极连接在一起，并与第二三相逆变器42的第二输入端B6连接。S25、S26和S27的发射极分别为第二三相逆变器42的三相输出端，如图2所示，S25的发射极为第二三相逆变器42的第一输出端U2，第一输出端U2与第五电流传感器TA5的一端连接，所述第五电流传感器TA5的另一端分别与第三牵引电机M3的第一输入端和第四牵引电机M4的第二输入端连接；S26的发射极为第二三相逆变器42的第二输出端V2，第二输出端V2与第六电流传感器TA6的一端连接，所述第六电流传感器TA6的另一端分别与第三牵引电机M3的第二输入端和第四牵引电机M4的第一输入端连接；S27的发射极为第二三相逆变器42的第三输出端W2，第三输出端W2分别与第三牵引电机M3的第三输入端和第四牵引电机M4的第三输入端连接。从而，第三牵引电机和第四牵引电机的相序不同，一个处于正转，一个处于反转。

值得说明的是，所述第一牵引电机和所述第二牵引电机连接在第一转向架上；所述第三牵引电机和所述第四牵引电机连接在第二转向架上。

本实施例中，两个三相逆变器并联在母线电压上，每个三相逆变器驱动两个牵引电机，一个三相逆变器驱动的两个牵引电机连接在一个动车的转向架上。这就相当于一个三相逆变器控制着一个动车转向架，这种转向架驱动的方式相比于现有技术方案中多采用车控的开环控制模式，即一台逆变器驱动4台牵引电机运行的模式，控制性能更好，可靠性更高。

本实施例中，该牵引变流器主电路包括依次连接的预充电电路、整流电路、母线电压处理电路和逆变电路。其中，预充电电路用于在牵引变流器初始上电时控制输入电流的变化幅度，使得输入整流电路的电流的变化幅度不至于过大，有利于降低对变流器各器件的损坏；整流电路包括并联连接的两个四象限整流器，从而通过控制这两个整流器能够提高滤除电流中高次谐波的效果；母线电压处理电路包括二次滤波电路和支撑电容，用于滤除电压中的二次谐波和纹波，使得输入逆变电路的电压更加准确稳定；逆变电路包括两个并联的逆变器，每个逆变器用于将输入其的直流电转换为交流电以驱动连接的两个位于同一转向架上的牵引电机运行。通过控制输入电流的变化幅度、滤除输入电流中的高次谐波、滤除母线电压中的二次谐波、纹波，使得输入逆变器的电压准确可靠，有利于保证对牵引电机的安全可靠驱动。

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 (7)

1.一种高速动车组转向架供电方式牵引变流器主电路，其特征在于，包括：

依次连接的预充电电路、整流电路、母线电压处理电路和逆变电路；

所述预充电电路，用于在所述牵引变流器初始上电时控制输入电流的变化幅度，所述预充电电路包括第一预充电电路和第二预充电电路；

所述整流电路包括并联连接的第一四象限整流器和第二四象限整流器；

所述第一四象限整流器的第一输入端与所述第一预充电电路的输出端连接，所述第一四象限整流器的第二输入端与牵引变压器的二次侧输出绕组N1连接，所述第一预充电电路的输入端与所述牵引变压器的二次侧输出绕组P1连接，所述第一四象限整流器的第一输出端和第二输出端分别连接在母线的正端和负端；

所述第二四象限整流器的第一输入端与所述第二预充电电路的输出端连接，所述第二四象限整流器的第二输入端与所述牵引变压器的二次侧输出绕组N2连接，所述第二预充电电路的输入端与所述牵引变压器的二次侧输出绕组P2连接，所述第二四象限整流器的第一输出端和第二输出端分别连接在母线的正端和负端；

所述母线电压处理电路包括二次滤波电路和支撑电容，所述二次滤波电路和所述支撑电容并联连接在所述母线的正端和负端间；所述二次滤波电路用于滤除所述整流电路输出电压中的二次谐波，所述支撑电容用于去除所述输出电压中的纹波；

所述逆变电路包括并联连接的第一三相逆变器和第二三相逆变器，所述第一三相逆变器的第一输入端和第二输入端分别连接在母线的正端和负端，所述第一三相逆变器的三相输出端连接两个牵引电机；所述第二三相逆变器的第一输入端和第二输入端分别连接在母线的正端和负端，所述第二三相逆变器的三相输出端连接另两个牵引电机；

所述第一三相逆变器连接的所述两个牵引电机位于一个转向架上，且所述两个牵引电机中的一个为正转，另一个为反转；所述第二三相逆变器连接的所述另两个牵引电机位于另一个转向架上，且所述另两个牵引电机中的一个为正转，另一个为反转。

2.根据权利要求1所述的牵引变流器主电路，其特征在于：所述母线电压处理电路中还包括：

电压传感器，所述电压传感器与所述二次滤波电路和所述支撑电容并联，用于检测母线电压。

3.根据权利要求2所述的牵引变流器主电路，其特征在于，所述逆变电路中还包括：

并联连接的第一斩波电路和第二斩波电路，用于在所述电压传感器检测到的母线电压超高一定阈值时，消耗所述母线上的能量以稳定母线电压；

所述第一斩波电路的第一端与所述母线的正端连接，所述第一斩波电路的第二端与所述第一三相逆变器的第二输入端连接，并连接在所述母线的负端上；

所述第二斩波电路的第一端与所述第二三相逆变器的第一输入端连接，并连接在所述母线的正端上，所述第二斩波电路的第二端与所述母线的负端连接。

4.根据权利要求3所述的牵引变流器主电路，其特征在于，所述第一斩波电路包括第一绝缘栅双极型晶体管IGBT、第一电流传感器、第一电阻和第一二极管；

所述第一电流传感器和所述第一电阻串联后与所述第一二极管并联，并联后的一端与所述第一斩波电路的第二端连接，并联后的另一端与所述第一IGBT的发射极连接；所述第一IGBT的集电极与所述第一斩波电路的第一端连接；所述第一IGBT的栅极与第一IGBT驱动电路连接；

所述第二斩波电路包括第二IGBT、第二电流传感器、第二电阻和第二二极管；

所述第二电流传感器和所述第二电阻串联后与所述第二二极管并联，并联后的一端与所述第二斩波电路的第二端连接，并联后的另一端与所述第二IGBT的发射极连接；所述第二IGBT的集电极与所述第二斩波电路的第一端连接；所述第二IGBT的栅极与第二IGBT驱动电路连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的牵引变流器主电路，其特征在于，所述第一预充电电路包括第一开关、第二开关和第三电阻，所述第二预充电电路包括第三开关；

所述第一开关和所述第三电阻串联后与所述第二开关并联。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的牵引变流器主电路，其特征在于，所述二次滤波电路包括串联的电容和电感。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的牵引变流器主电路，其特征在于，所述第一三相逆变器的三相输出端中的第一输出端与第三电流传感器的一端连接，所述第三电流传感器的另一端分别与所述第一牵引电机的第一输入端和所述第二牵引电机的第二输入端连接；

所述第一三相逆变器的三相输出端中的第二输出端与第四电流传感器的一端连接，所述第四电流传感器的另一端分别与所述第一牵引电机的第二输入端和所述第二牵引电机的第一输入端连接；

所述第一三相逆变器的三相输出端中的第三输出端分别与所述第一牵引电机的第三输入端和所述第二牵引电机的第三输入端连接；

所述第二三相逆变器的三相输出端中的第一输出端与第五电流传感器的一端连接，所述第五电流传感器的另一端分别与所述第三牵引电机的第一输入端和所述第四牵引电机的第二输入端连接；

所述第二三相逆变器的三相输出端中的第二输出端与第六电流传感器的一端连接，所述第六电流传感器的另一端分别与所述第三牵引电机的第二输入端和所述第四牵引电机的第一输入端连接；

所述第二三相逆变器的三相输出端中的第三输出端分别与所述第三牵引电机的第三输入端和所述第四牵引电机的第三输入端连接。