CN105720830A - 带母线电压接地保护分压采样电路的牵引变流器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带母线电压接地保护分压采样电路的牵引变流器，包括依次连接的两个输出并联的四象限整流器、母线电压检测电路和两个输入并联的三相逆变器，其中，母线电压检测电路包括电压传感器、电容和至少两个电阻，该至少两个电阻串联连接在母线的正端和负端间，电压传感器、电容和至少两个电阻中的一个电阻并联，并联后的一端与母线的负端连接，并联后的另一端接地。通过对上述多个电阻阻值的合理设置，利用并联在其中一个电阻上的电压传感器所检测到的电压值，以及各个电阻的阻值的设置情况，可以间接得到母线电压，保证母线电压检测的安全可靠。

Description

带母线电压接地保护分压采样电路的牵引变流器

技术领域

本发明涉及高速动车组技术领域，尤其涉及一种带母线电压接地保护分压采样电路的牵引变流器。

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、逆变器等组成。其中，整流器对输入的交流电进行整流处理，逆变器用于将整流处理后的直流电变为交流电，以驱动牵引电机。另外，母线电压处理回路是连接整流器和逆变器的重要环节，母线电压的测量对于整个系统有着非常重要的作用。

目前一种主要的测量方式是，直接采用电压传感器连接在母线的两端，直接对母线电压进行测量。然而,由于变流器上母线电压较大，直接测量的方式会对电压传感器的安全可靠性造成重大影响。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种带母线电压接地保护分压采样电路的牵引变流器，用以实现对母线电压的安全、可靠测量。

本发明提供了一种带母线电压接地保护分压采样电路的牵引变流器，包括：

依次连接的第一四象限整流器、第二四象限整流器、母线电压检测电路、第一三相逆变器和第二三相逆变器；

所述第一四象限整流器和所述第二四象限整流器输出并联，所述第一四象限整流器的两个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两个输出端分别连接在所述母线的正端和负端；

所述母线电压检测电路包括电压传感器、电容和至少两个电阻，所述至少两个电阻串联连接在所述母线的正端和负端间，所述电压传感器、所述电容和所述至少两个电阻中的一个电阻并联，并联后的一端与所述母线的负端连接，并联后的另一端接地；

所述第一三相逆变器和所述第二三相逆变器输入并联，所述第一三相逆变器的两个输入端分别连接在所述母线的正端和负端，所述第一三相逆变器的三相输出端连接至少一个牵引电机的对应三相输入端，所述第二三相逆变器的两个输入端分别连接在所述母线的正端和负端，所述第二三相逆变器的三相输出端连接至少另一个牵引电机的对应三相输入端。

本发明提供的带母线电压接地保护分压采样电路的牵引变流器，包括依次连接的两个输出并联的四象限整流器、母线电压检测电路和两个输入并联的三相逆变器。其中，母线电压检测电路包括电压传感器、电容和至少两个电阻，所述至少两个电阻串联连接在母线的正端和负端间，电压传感器、电容和所述至少两个电阻中的一个电阻并联，并联后的一端与母线的负端连接，并联后的另一端接地。通过两个输出并联的四象限整流器可以使四象限整流器的输入电流的高次谐波互相错开，使变压器一次侧电流的谐波含量中部分谐波相互抵消。通过对上述多个电阻阻值的合理设置，利用并联在其中一个电阻上的电压传感器所检测到的电压值，以及各个电阻的阻值的设置情况，可以间接得到母线电压，保证母线电压检测的安全可靠。

附图说明

图1为本发明带母线电压接地保护分压采样电路的牵引变流器实施例一的电路结构示意图；

图2为本发明带母线电压接地保护分压采样电路的牵引变流器实施例二的电路结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明带母线电压接地保护分压采样电路的牵引变流器实施例一的电路结构示意图，如图1所示，该牵引变流器包括：

依次连接的第一四象限整流器1、第二四象限整流器2、母线电压检测电路3、第一三相逆变器4和第二三相逆变器5；

对于第一四象限整流器1和第二四象限整流器2来说，第一四象限整流器1和第二四象限整流器2输出并联，第一四象限整流器1的两个输出端即第一输出端E1和第二输出端F1分别连接在母线的正端VDC+和负端VDC-，第二四象限整流器2的两个输出端即第一输出端E2和第二输出端F2分别连接在所述母线的正端VDC+和负端VDC-。另外，第一四象限整流器1的第一输入端A3和第二输入端B3用于接收输入的交流电，第二四象限整流器2的第一输入端A4和第二输入端B4用于接收另一输入的交流电。其中，这两个输入的交流电频率都为50Hz。

本实施例中，采用两个输出并联的四象限整流器来对输入电流进行整流处理，通过采用脉宽调制技术对移相角的控制，将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。

对于母线电压检测电路3来说，母线电压检测电路3包括电压传感器、电容C1和至少两个电阻，以电阻的数量为3个为例，分别为第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3，所述第一电阻R1、所述第二电阻R2和所述第三电阻R3串联连接在所述母线的正端VDC+和负端VDC-间，所述电压传感器、所述电容C1和所述第三电阻R3并联，并联后的一端与所述母线的负端VDC-连接，并联后的另一端接地。值得说明的是，上述电阻的数量还可以是比如2个、4个，不以本实施例为限，具体设置多少个分压的电阻，以及每个电阻阻值的配置，需根据母线电压检测电路所占的空间大小、成本等因素综合确定。

在上述电阻为3个的举例中，第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3的阻值优选地设置为相同，且电阻阻值范围为40kΩ--60kΩ，所述电容C1的取值为0.2uF。但是，值得说明的是，各电阻的阻值也可以不同，比如可以设置为倍数关系的电阻阻值，不以本实施例为限。

母线电压的值对于整个牵引变流器来说至关重要，其能够间接的反映出四象限整流器以及三相逆变器的工作状态。四象限整流器工作在不同的工作状态下的母线电压的值是不一样的。由于四象限整流器的控制器是一个闭环的系统，需要在知道母线电压实际值的情况下四象限整流器才可以正常的运行。三相逆变器在对牵引电机进行控制时也需要在知道母线电压的情况下对其所发出的脉宽调制(PWM)信号进行调制，从而对牵引电机进行控制。因此，对母线电压的检测非常必要。为此，本实施例中提供的母线电压检测电路中，将电压传感器并联在多个串联的电阻中的其中一个两端，通过对上述多个电阻阻值的合理设置，利用并联在其中一个电阻上的电压传感器所检测到的电压值，以及各个电阻的阻值的设置情况，可以间接得到母线电压，保证母线电压检测的安全可靠。

对于第一三相逆变器4和第二三相逆变器5来说，第一三相逆变器4和第二三相逆变器5输入并联，第一三相逆变器4的两个输入端即第一输入端A5和第二输入端B5分别连接在所述母线的正端VDC+和负端VDC-，第一三相逆变器4的三相输出端连接至少一个牵引电机的对应三相输入端，第二三相逆变器5的两个输入端即第一输入端A6和第二输入端B6分别连接在所述母线的正端VDC+和负端VDC-，第二三相逆变器5的三相输出端连接至少另一个牵引电机的对应三相输入端。

本实施例中，采用两个输入并联的三相逆变器来驱动牵引电机的运行，三相逆变器根据母线电压检测电路检测得到的母线电压控制PWM的调制，从而更合理的驱动牵引电机。

本实施例提供的牵引变流器，包括依次连接的两个输出并联的四象限整流器、母线电压检测电路和两个输入并联的三相逆变器。其中，母线电压检测电路包括电压传感器、电容和至少两个电阻，所述至少两个电阻串联连接在母线的正端和负端间，电压传感器、电容和所述至少两个电阻中的一个电阻并联，并联后的一端与母线的负端连接，并联后的另一端接地。通过两个输出并联的四象限整流器可以使四象限整流器的输入电流的高次谐波互相错开，并在变压器一次侧电流的谐波含量中部分谐波相互抵消。通过对上述多个电阻阻值的合理设置，利用并联在其中一个电阻上的电压传感器所检测到的电压值，以及各个电阻的阻值的设置情况，可以间接得到母线电压，保证母线电压检测的安全可靠。

图2为本发明带母线电压接地保护分压采样电路的牵引变流器实施例二的电路结构示意图，如图2所示，该牵引变流器在图1所示实施例的基础上，还包括：

支撑电容6，所述支撑电容6与所述母线电压检测电路3的输出并联，并连接在所述母线的正端VDC+和负端VDC-间，所述支撑电容6用于滤除母线电压中的纹波。

进一步地，该牵引变流器还包括：第一预充电电路7和第二预充电电路8，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，使输入电流的变化幅度不至于过大，以免损坏器件。

所述第一预充电电路7的输入端A1与牵引变压器的二次侧输出绕组P1连接，所述第一预充电电路7的输出端B1与第一四象限整流器1的第一输入端A3连接，所述第一四象限整流器1的第二输入端B3与所述牵引变压器的二次侧输出绕组N1连接；

所述第二预充电电路8的输入端A2与牵引变压器的二次侧输出绕组P2连接，所述第二预充电电路8的输出端B2与第二四象限整流器2的第一输入端A4连接，所述第二四象限整流器2的第二输入端与B4所述牵引变压器的二次侧输出绕组N2连接。

具体地，所述第一预充电电路7包括第一开关K1、第二开关K2和电阻R4，所述第二预充电电路8包括第三开关K3；

所述第一开关K1和所述电阻R4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7中的第一开关K1闭合，第二开关K2断开，第二预充电电路8的第三开关K3断开。电流经过电阻R4到达第一四象限整流器1，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R4的取值范围为10Ω-50Ω。

具体地，如图2所示，第一四象限整流器1和第二四象限整流器2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1由S1-S8所表征的IGBT组成，第二四象限整流器2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1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1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1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1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2，具体的连接关系如图2中所示，不再赘述。

本实施例中，由两台级联的四象限整流器实现对输入电流的整流处理，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。

再具体来说，如图2所示，在本实施例的牵引变流器中，第一三相逆变器4和第二三相逆变器5分别由6个IGBT组成，即第一三相逆变器4由S17-S22组成，第二三相逆变器5由S23-S28组成。其中，对于第一三相逆变器4来说，S17的发射极与S20的集电极连接在一起，S18的发射极与S21的集电极连接在一起，S19的发射极与S22的集电极连接在一起，S17、S18和S19的集电极连接在一起，并与第一三相逆变器4的第一输入端A5连接，S20、S21和S22的发射极连接在一起，并与第一三相逆变器4的第二输入端B5连接。S17、S18和S19的发射极分别为第一三相逆变器4的三相输出端，分别连接至少一个牵引电机的对应三相输入端。

相应的，对于第二三相逆变器5，S23的发射极与S26的集电极连接在一起，S24的发射极与S27的集电极连接在一起，S25的发射极与S28的集电极连接在一起，S23、S24和S25的集电极连接在一起，并与第二三相逆变器5的第一输入端A6连接，S26、S27和S28的发射极连接在一起，并与第二三相逆变器5的第二输入端B6连接。S23、S24和S25的发射极分别为第二三相逆变器5的三相输出端，分别连接至少一个牵引电机的对应三相输入端。

值得说明的是，优选地，每个三相逆变器驱动2个牵引电机，每个三相逆变器驱动的2个牵引电机连接在动车的一个转向架上。

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两个预充电电路，两个输出并联的四象限整流器、母线电压检测电路、支撑电容和两个输入并联的三相逆变器。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；两个并联的四象限整流器，通过采用脉宽调制技术对移相角的控制可以使四象限整流器的输入电流的高次谐波互相错开，使变压器一次侧电流的谐波含量中部分谐波相互抵消；母线电压检测电路中的电压传感器并联在多个连接在母线电压间的电阻中的一个两端，可以间接得到母线电压，保证母线电压检测的安全可靠；支撑电容，用于滤除母线电压中的纹波，使得输入逆变器的电压更加准确稳定；两个输入并联的逆变器，用于根据测得的母线电压对输入其的电压进行精确控制，得到准确转换的交流电以驱动牵引电机安全可靠运行。

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)

1.一种带母线电压接地保护分压采样电路的牵引变流器，其特征在于，包括：

依次连接的第一四象限整流器、第二四象限整流器、母线电压检测电路、第一三相逆变器和第二三相逆变器；

所述第一四象限整流器和所述第二四象限整流器输出并联，所述第一四象限整流器的两个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两个输出端分别连接在所述母线的正端和负端；

所述母线电压检测电路包括电压传感器、电容和至少两个电阻，所述至少两个电阻串联连接在所述母线的正端和负端间，所述电压传感器、所述电容和所述至少两个电阻中的一个电阻并联，并联后的一端与所述母线的负端连接，并联后的另一端接地；

所述第一三相逆变器和所述第二三相逆变器输入并联，所述第一三相逆变器的两个输入端分别连接在所述母线的正端和负端，所述第一三相逆变器的三相输出端连接至少一个牵引电机的对应三相输入端，所述第二三相逆变器的两个输入端分别连接在所述母线的正端和负端，所述第二三相逆变器的三相输出端连接至少另一个牵引电机的对应三相输入端。

2.根据权利要求1所述的牵引变流器，其特征在于，所述至少两个电阻的数量具体为3个，分别为第一电阻、第二电阻和第三电阻。

3.根据权利要求2所述的牵引变流器，其特征在于，所述第一电阻、所述第二电阻和所述第三电阻的阻值相同。

4.根据权利要求3所述的牵引变流器，其特征在于，所述第一电阻、所述第二电阻和所述第三电阻的阻值范围为40kΩ--60kΩ，所述电容的取值为0.2uF。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的牵引变流器，其特征在于，还包括：支撑电容，所述支撑电容与所述母线电压检测电路的输出并联，并连接在所述母线的正端和负端间，所述支撑电容用于滤除母线电压中的纹波。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的牵引变流器，其特征在于，还包括：第一预充电电路和第二预充电电路，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；

所述第一预充电电路的输入端与牵引变压器的二次侧输出绕组P1连接，所述第一预充电电路的输出端与所述第一四象限整流器的第一输入端连接，所述第一四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N1连接；

所述第二预充电电路的输入端与牵引变压器的二次侧输出绕组P2连接，所述第二预充电电路的输出端与所述第二四象限整流器的第一输入端连接，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。

7.根据权利要求6所述的牵引变流器，其特征在于，所述第一预充电电路包括第一开关、第二开关和第四电阻，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四电阻串联后与所述第二开关并联。