CN105720831A - 带双电压传感器母线电压检测电路的牵引变流器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带双电压传感器母线电压检测电路的牵引变流器，包括依次连接的整流电路、母线电压检测电路和逆变电路。其中，整流电路包括并联连接的至少一个四象限整流器；母线电压检测电路用于检测母线的正端和负端间的母线电压，其包括第一电压传感器和第二电压传感器，第一电压传感器和第二电压传感器并联连接在母线的正端和负端；逆变电路包括至少一个并联的逆变器，用于驱动牵引电机运行。设置两个并联的电压传感器来检测母线电压，使得某个电压传感器故障时，另一个作为冗余配置还能实现母线电压的检测，具有更好的可靠性；并且，两个电压传感器联合检测母线电压，具有更好的检测精度。

Description

带双电压传感器母线电压检测电路的牵引变流器

技术领域

本发明涉及高速动车组技术领域，尤其涉及一种带双电压传感器母线电压检测电路的牵引变流器。

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。母线电压是整流器输出的电压，并且输入到三相逆变器中。母线电压环节在牵引变流器系统中是一个非常重要的环节。首先，母线电压可以间接的显示出整流器和逆变器的工作状态；其次母线电压在控制系统中是一个非常重要的变量,并且母线电压的检测对于整个牵引变流器的保护有着十分重要的作用,因此母线电压的检测的准确性和快速性对于整个牵引变流器有着十分重要的作用。

但是，目前一般采用在母线间设置一个电压传感器来检测母线电压。这种检测方法可靠性较差，当该电压传感器发生故障时，系统就不能获得母线电压的值，并且其测量的精度也较差。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种带双电压传感器母线电压检测电路的牵引变流器，用以克服现有技术中母线电压检测可靠性差，精度低的缺陷。

本发明提供了一种带双电压传感器母线电压检测电路的牵引变流器，包括：

依次连接的整流电路、母线电压检测电路和逆变电路；

所述整流电路包括并联的至少一个四象限整流器，每个所述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；

所述母线电压检测电路包括第一电压传感器和第二电压传感器，用于检测所述母线的正端和负端间的母线电压，所述第一电压传感器和所述第二电压传感器并联连接在所述母线的正端和负端；

所述逆变电路包括并联的至少一个三相逆变器，每个所述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，每个所述三相逆变器的三相输出端分别连接在至少一个牵引电机的对应三相输入端。

本发明提供的带双电压传感器母线电压检测电路的牵引变流器，包括依次连接的整流电路、母线电压检测电路和逆变电路。其中，整流电路包括并联连接的至少一个四象限整流器，用于滤除输入电流中高次谐波，并且，整流电路输出的电压即为母线电压；母线电压检测电路用于检测所述母线的正端和负端间的母线电压，其包括第一电压传感器和第二电压传感器，第一电压传感器和第二电压传感器并联连接在母线的正端和负端；逆变电路包括至少一个并联的逆变器，用于根据检测到的母线电压控制其输出的交流电以驱动牵引电机运行。通过设置两个并联的电压传感器来检测母线电压，一方面使得某个电压传感器故障时，另一个作为冗余配置还能实现母线电压的检测，具有更好的可靠性；另一方面，两个电压传感器联合检测母线电压，具有更好的检测精度。

附图说明

图1为本发明带双电压传感器母线电压检测电路的牵引变流器实施例一的电路结构示意图；

图2为本发明带双电压传感器母线电压检测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为本发明带双电压传感器母线电压检测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：

依次连接的整流电路1、母线电压检测电路2和逆变电路3；

具体地，其中，所述整流电路1包括并联的至少一个四象限整流器，每个所述四象限整流器的两个输出端分别连接在母线的正端VDC+和负端VDC-。

本实施例中，优选地，以四象限整流器的数量为2个为例，两个四象限整流器分别表示为11和12。第一四象限整流器11和第二四象限整流器12并联，且第一四象限整流器11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-，第一四象限整流器11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12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-，第二四象限整流器12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都为50Hz，即从变压器输出到整流器上的为50Hz的交流电，两个四象限整流器输出并联，其并联后的电压为母线电压。

具体地，所述母线电压检测电路2连接在所述母线的正端VDC+和负端VDC-间，用于检测所述整流电路1输出端的母线电压。所述母线电压检测电路2包括第一电压传感器21和第二电压传感器22，第一电压传感器21和第二电压传感器22并联连接在所述母线的正端VDC+和负端VDC-。

进一步地，所述牵引变流器还包括：处理器4，所述处理器4分别与所述第一电压传感器21和所述第二电压传感器22连接。具体来说，第一电压传感器21检测获得母线的正端VDC+和负端VDC-间的第一母线电压，第二电压传感器22检测获得母线的正端VDC+和负端VDC-间的第二母线电压。处理器4在判断第一母线电压和第二母线电压的绝对差值不大于预设阈值时，确定母线电压为第一母线电压和第二母线电压的平均值。从而，综合考虑了两个电压传感器检测的母线电压的结果，使得母线电压的最终确定结果更加准确。

另外，如果两个电压传感器中有一个发生了故障时，处理器4还可以在判断第一母线电压和第二母线电压的绝对差值大于所述预设阈值时，确定所述第一电压传感器21和所述第二电压传感器22中工作正常的电压传感器，并确定母线电压为该工作正常的电压传感器所检测到的电压值。具体地，工作异常即发生故障的电压传感器所显示的电压与母线电压可以取值的范围相差很大，从而，处理器4可以据此确定哪个电压传感器正常工作，哪个发生了故障，因此，当一个电压传感器发生故障时，可以通过另一个电压传感器来实现母线电压的检测，提高了母线电压检测的可靠性。

再具体地，所述逆变电路3包括并联的至少一个三相逆变器，每个所述三相逆变器的两个输入端分别连接在所述母线的正端VDC+和负端VDC-，每个所述三相逆变器的三相输出端分别连接在至少一个牵引电机的对应三相输入端。以逆变电路包括的三相逆变器的数量为2个为例，分别为第一三相逆变器31和第二三相逆变器32。所述第一三相逆变器31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至少一个牵引电机；所述第二三相逆变器32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32的三相输出端连接至少一个牵引电机。

本实施例提供的牵引变流器，包括依次连接的整流电路、母线电压检测电路和逆变电路。其中，整流电路包括并联连接的至少一个四象限整流器，整流电路输出的电压即为母线电压；母线电压检测电路用于检测所述母线的正端和负端间的母线电压，其包括第一电压传感器和第二电压传感器，第一电压传感器和第二电压传感器并联连接在母线的正端和负端；逆变电路包括至少一个并联的逆变器，用于根据检测到的母线电压以及其他控制信息来控制其输出的交流电以驱动牵引电机运行。通过设置两个并联的电压传感器来检测母线电压，一方面使得某个电压传感器故障时，另一个作为冗余配置还能实现母线电压的检测，具有更好的可靠性；另一方面，两个电压传感器联合检测母线电压，具有更好的检测精度。

图2为本发明带双电压传感器母线电压检测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，在图1所示实施例的基础上，该牵引变流器还包括与所述整流电路1输出端连接的二次滤波电路5，用于滤除所述整流电路1连接的母线电压中的二次谐波，其中，该二次滤波电路5包括串联的滤波电容C1和滤波电感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。由于母线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5来滤除了整流电路1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，为了进一步降低母线电压中的纹波，本实施例中，该牵引变流器还包括：支撑电容6，所述支撑电容6连接在母线电压检测电路2的输出端，并连接在所述母线的正端和负端间。

进一步地，该牵引变流器还包括：第一预充电电路71和第二预充电电路72，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，损坏器件。

所述第一预充电电路71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72的输出端B1与第一四象限整流器11的第一输入端A3连接，所述第一四象限整流器11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72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72的输出端B2与第二四象限整流器12的第一输入端A4连接，所述第二四象限整流器12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71包括第一开关K1、第二开关K2和电阻R1，所述第二预充电电路72包括第三开关K3；

所述第一开关K1和所述电阻R1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71中的第一开关K1闭合，第二开关K2断开，第二预充电电路72的第三开关K3断开。电流经过电阻R1到达第一四象限整流器11，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R1的取值范围为10Ω-50Ω。

具体地，本实施例中的整流电路1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11和第二四象限整流器12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11由S1-S8所表征的IGBT组成，第二四象限整流器12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11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11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11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11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12，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。

再具体来说，在本实施例的牵引变流器中，逆变电路3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31和第二三相逆变器32分别由6个IGBT组成，即第一三相逆变器31由S17-S22组成，第二三相逆变器32由S23-S28组成。其中，对于第一三相逆变器31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31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31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31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32，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32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32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32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预充电电路、整流电路、母线电压检测电路、二次滤波电路、支撑电容和逆变电路。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，通过采用脉宽调制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；母线电压检测电路由并联的两个电压传感器组成，用于检测两个四象限整流器并联输出的母线电压，使得母线电压的检测更加可靠、准确；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，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，用于将输入其的直流电转换为交流电以驱动牵引电机运行。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 (8)

1.一种带双电压传感器母线电压检测电路的牵引变流器，其特征在于，包括：

依次连接的整流电路、母线电压检测电路和逆变电路；

所述整流电路包括并联的至少一个四象限整流器，每个所述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；

所述母线电压检测电路包括第一电压传感器和第二电压传感器，用于检测所述母线的正端和负端间的母线电压，所述第一电压传感器和所述第二电压传感器并联连接在所述母线的正端和负端；

所述逆变电路包括并联的至少一个三相逆变器，每个所述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，每个所述三相逆变器的三相输出端分别连接在至少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，所述第一电压传感器具体用于检测所述母线的正端和负端间的第一母线电压，所述第二电压传感器，具体用于检测所述母线的正端和负端间的第二母线电压；

所述牵引变流器还包括：处理器，所述处理器分别与所述第一电压传感器和所述第二电压传感器连接，所述处理器用于在判断所述第一母线电压和所述第二母线电压的绝对差值不大于预设阈值时，确定所述母线电压为所述第一母线电压和所述第二母线电压的平均值。

3.根据权利要求2所述的牵引变流器，其特征在于，所述处理器还用于：在判断所述第一母线电压和所述第二母线电压的绝对差值大于所述预设阈值时，确定所述第一电压传感器和所述第二电压传感器中工作正常的电压传感器，并确定所述母线电压为所述工作正常的电压传感器所检测到的电压值。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的牵引变流器，其特征在于，还包括与所述整流电路输出端连接的二次滤波电路，用于滤除所述母线电压中的二次谐波；

所述二次滤波电路包括滤波电容和滤波电感。

5.根据权利要求1至3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输出端连接，用于去除所述母线电压中的纹波。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的牵引变流器，其特征在于，所述四象限整流器的数量为2个，所述三相逆变器的数量为2个，每个所述三相逆变器连接的牵引电机的数量为2个，且每个所述三相逆变器连接的2个牵引电机设置在动车的一个转向架上。

7.根据权利要求6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。

8.根据权利要求7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电阻串联后与所述第二开关并联。