CN105790317B - 一种适用于多种电源供电的轨道交通车辆主电路 - Google Patents

一种适用于多种电源供电的轨道交通车辆主电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于多种电源供电的轨道交通车辆主电路，包括整流斩波单元、逆变单元和双向DC/DC转换单元，所述整流斩波单元的输出端经逆变单元与牵引电机相连，所述整流斩波单元的输入端连接有不同制式的直流电源或不同制式的交流电源，所述逆变单元的输入端经双向DC/DC转换单元与一车载储能单元相连；当所述整流斩波单元的输入端接入交流电源时，所述整流斩波单元处于四象限整流状态；当所述整流斩波单元的输入端接入直流电源时，所述整流斩波单元处于双向DC/DC斩波状态。本发明的轨道交通车辆主电路具有结构简单、输出电源稳定且可适用于不同电源等优点。

Description

一种适用于多种电源供电的轨道交通车辆主电路
技术领域
本发明主要涉及轨道交通技术领域，特指一种适用于多种电源供电的轨道交通车辆主电路。
背景技术
我国轨道交通车辆的供电制式因干线铁路与城市轨道交通而不同，干线铁路采用的是25kV交流供电，而城市轨道交通则是采用的1500V或750V直流供电。随着我国立体化交通的深入发展，轨道交通互联互通的需求越来越强烈，市场需要一种轨道交通车辆能够同时适用于AC25kV、DC1500V与DC750V三种供电制式。
当前社会能源供应持续紧张，作为能源消耗大户的轨道交通行业已开始大力发展节能技术。轨道交通车辆装备车载储能系统能够充分利用车辆电制动产生的再生能量，具备很好的节能效益，是业界一致看好的技术模式。因此，市场也需要轨道交通车辆能够适用于电网与车载储能装置混合供电的模式。
目前国内外业界已成功研制多种电源供电下的轨道交通车辆，包括适用于AC25kV与DC1500V、AC25kV与车载储能装置、DC750V与车载储能装置等。但业界尚未研发任何一种车辆能够同时适用于AC25kV、DC1500V、DC750V与车载储能装置四种电源混合供电。
下面介绍一种能够同时适用于AC25kV与DC1500V两种电源供电的轨道交通车辆主电路，其主电路结构框图如图1。
当轨道交通车辆运行在DC1500V供电区段时，直流电通过直流受电弓受流，电流先流经直流高压电器柜和线路滤波电抗器，连接到逆变单元的中间回路，逆变单元将直流电转化为变频变压（VVVF）的电源供给牵引电机，驱动电机工作，实现整车牵引（或制动）。
当轨道交通车辆运行在AC25kV供电区段时，交流电通过交流受电弓受流，再通过变压器将电压降低，然后经过充电短接单元（每次起动时给中间回路电容充电，正常工作时处于短接状态）给整流器，整流器将交流电转化为直流电，供给与逆变单元并联的中间回路，逆变单元将直流电转化为变频变压（VVVF）的电源供给牵引电机，驱动电机工作，实现整车牵引（或制动）。
AC25kV和DC1500V电源共用中间直流回路，以实现逆变模块和牵引电机在双流制供电模式下的复用。
AC25kV供电回路的电气牵引系统采用：牵引变压器+充电短接单元+四象限脉冲整流器+中间回路+VVVF逆变单元+交流电动机构成的交-直-交电传动系统。
DC1500V供电回路的电气牵引系统采用：直流高压电器柜+线路滤波电抗器+中间回路+VVVF逆变单元+交流电动机构成的直-交电传动系统。
从上述方案可以看出该主电路能够在AC25kV和DC1500V两种电源供电下正常工作，但是其存在一些不足之处，主要如下：
1、该主电路不能同时适用于AC25kV、DC1500V、DC750V、车载储能装置四种电源供电下进行工作，电源适用性不够强，无法完全满足轨道交通线路互联互通的需求。
2、该主电路在AC25kV电源供电模式下因配置了四象限整流器，能够实现中间直流电压的基本稳定，不会因电压较低而影响牵引电机的输出；但是在DC1500V电源供电模式，电网电压与中间电压之间仅有线路滤波器，中间电压将随同网压一起波动，若网压较低则会大幅影响牵引电机的输出。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、输出电源稳定的适用于多种电源供电的轨道交通车辆主电路。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种适用于多种电源供电的轨道交通车辆主电路，包括整流斩波单元、逆变单元和双向DC/DC转换单元，所述整流斩波单元的输出端经逆变单元与牵引电机相连，所述整流斩波单元的输入端连接有不同制式的直流电源或不同制式的交流电源，所述逆变单元的输入端经双向DC/DC转换单元与一车载储能单元相连；当所述整流斩波单元的输入端接入交流电源时，所述整流斩波单元处于四象限整流状态；当所述整流斩波单元的输入端接入直流电源时，所述整流斩波单元处于双向DC/DC斩波状态。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述整流斩波单元包括全桥整流电路以及开关组件，所述全桥整流电路包括四个开关管，分别为T1、T2、T3和T4，所述T1的阳极与T3的阳极相连，所述T3的阴极与T4的阳极相连，所述T4的阴极与T2的阴极相连，所述T2的阳极与T1的阴极相连，所述全桥整流电路的两个输出端分别与T3的阳极和T4的阴极相连；所述开关组件包括第一开关和第二开关，所述全桥整流电路的一个输入端经第一开关连接T4的阳极或阴极，另一个输入端连接T1的阴极或者经第二开关连接T3的阴极。
所述整流斩波单元的输入端通过牵引变压器与交流电源相连。
所述整流斩波单元的输入端通过滤波单元与直流电源相连。
所述直流电源包括DC1500V电源和DC750V电源。
所述交流电源为AC25kV电源。
各电源均通过充电短接单元与整流斩波单元相连，所述充电短接单元用于在起动时给中间回路电容充电且在正常工作时处于短接状态。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的适用于多种电源供电的轨道交通车辆主电路，通过整流斩波单元在四象限整流状态与双向DC/DC斩波状态之间进行切换，可以适用于不同制式的直流电源和交流电源，且增加了车载储能单元，从而保证主电路能够适用于不同供电电源。
附图说明
图1为现有技术中主电路的方框结构图。
图2为本发明中主电路的方框结构图。
图3为本发明主电路中整流斩波单元的电路原理图。
图4为本发明主电路中整流斩波单元处于四象限整流状态的电路原理图。
图5为本发明主电路中整流斩波单元处于双向DC/DC斩波状态的电路原理图。
图中标号表示：1、整流斩波单元；2、逆变单元；3、双向DC/DC转换单元；4、车载储能单元；5、充电短接单元；6、牵引变压器；7、滤波单元；8、牵引电机。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图2至图5所示，本实施例的适用于多种电源供电的轨道交通车辆主电路，包括整流斩波单元1、逆变单元2和双向DC/DC转换单元3，整流斩波单元1的输出端经逆变单元2与牵引电机8相连，整流斩波单元1的输入端连接有不同制式的直流电源或不同制式的交流电源，逆变单元2的输入端经双向DC/DC转换单元3与一车载储能单元4相连；当整流斩波单元1的输入端接入单个交流电源时，整流斩波单元1处于四象限整流状态；当整流斩波单元1的输入端接入单个直流电源时，整流斩波单元1处于双向DC/DC斩波状态。通过整流斩波单元1在四象限整流状态与双向DC/DC斩波状态之间进行切换，可以适用于不同制式的直流电源和交流电源，且增加了车载储能单元4，从而保证主电路能够适用于不同供电电源。
如图3所示，本实施例中，整流斩波单元1包括全桥整流电路以及开关组件，全桥整流电路包括四个开关管，分别为T1、T2、T3和T4，T1的阳极与T3的阳极相连，T3的阴极与T4的阳极相连，T4的阴极与T2的阴极相连，T2的阳极与T1的阴极相连，全桥整流电路的两个输入端分别与T1的阴极和T3的阴极相连，全桥整流电路的两个输出端分别与T3的阳极和T4的阴极相连，其中开关管为晶闸管、IGBT元件或其它开关元件；开关组件包括第一开关K1和第二开关K2， K1为双点开关，串联在一个输入端中且在位置a和b之间切换，当K1处于位置a时，全桥整流电路的一个输入端则与T4的阳极；当K1处于位置b时，全桥整流电路的一个输入端同与T4的阴极相连，其中K2并联在两个输入端之间。
当前端电压输入为交流电压时，K1合在a触点位置，K2处于断开状态；该电路与图4一致，为一个典型的四象限整流电路。电网交流电源通过输入电感传递给四象限整流电路的两相桥臂，两相桥臂与输入电感配合工作实现升压整流，给负载提供直流电压Udc，此时电流正向流动。当负载处于发电状态时，两相桥臂能将直流电压Udc逆变成交流电回馈给电网，此时电流反向流动。四象限整流电路能通过控制电流的大小与方向以实现中间电压Udc的稳定。
当前端电压输入为直流电压时，K1合至b触点位置，K2处于闭合状态；此时两相桥臂的中点短接，两相桥臂等同于双元件并联的单相桥臂，该主电路变成了一个与图5相同的典型双向DC/DC斩波电路。电网直流电源通过输入电感传递给斩波电路的单相桥臂，单相桥臂与输入电感配合工作实现升压斩波，给负载提供直流电压Udc，此时电流正向流动。当负载处于发电状态时，单相桥臂能将直流电压Udc通过斩波电路回馈给电网，此时电流反向流动。双向DC/DC斩波电路能通过控制电流的大小与方向以实现中间电压Udc的稳定。另外，因为该电路此时为升压型双向DC/DC电路，所以无论前端电压为DC750还是DC1500V，只要输入电压不高于Udc，该电路都能将输出直流电压稳定在Udc。综上，无论前端输入的是交流电源、直流电源，也无论电源电压幅值多高，该整流斩波单元1都能将输出电压稳定在一个更高值的Udc上。
本实施例中，整流斩波单元1的输入端通过牵引变压器6与交流电源相连；整流斩波单元1的输入端通过滤波单元7与直流电源相连。
本实施例中，直流电源包括DC1500V电源和DC750V电源或其它电源；交流电源为AC25kV电源或其它电源。各电源均通过充电短接单元5与整流斩波单元1相连，充电短接单元5用于在起动时给中间回路电容充电且在正常工作时短接。
工作原理：
当使用AC25kV电网给列车供电时，AC25kV网压通过牵引变压器6降低至一较低的交流电压，再通过充电短接单元5提供给整流斩波单元1，整流斩波单元1将该交流电压整流成直流中间电压Udc，然后给逆变单元2使用，用来拖动牵引电机8。该工况下，整流斩波单元1工作在四象限整流模式下，电流可以双向流动。
当使用DC1500V电网给列车供电时，DC1500V网压通过线路滤波电抗器（也可以采用牵引变压器6的二次绕组作为线路滤波电抗器）与充电短接单元5传递给整流斩波单元1，整流斩波单元1将中间电压稳定在Udc并提供给逆变单元2驱动电机。该工况下，整流斩波单元1工作在双向DC/DC模式下，电流可以双向流动。
当使用DC750V电网给列车供电时，DC750V网压通过线路滤波电抗器（也可以共用牵引变压器6二次绕组作为线路滤波电抗器）传递给整流斩波单元1，整流斩波单元1仍然可以将中间电压稳定在Udc并提供给逆变单元2驱动电机。该工况下，整流斩波单元1工作在双向DC/DC模式下，电流可以双向流动。
综上三种情况，无论供电电源是在AC25kV电网、DC1500V电网或者DC750V电网下，整流斩波单元1均能将中间电压稳定在Udc，从而使逆变单元2能够在一个稳定的电源下工作。
另外无论在上述任一网压供电的情况下，车载储能单元4均同时工作。当列车牵引时，通过控制双向DC/DC转换单元3，优先由车载储能单元4给逆变单元2供电，不足部分由电网通过整流斩波单元1提供。当列车电制动时，通过控制双向DC/DC转换单元3，电制动产生的能量优先给车载储能单元4充电，车载储能单元4无法吸收的电能则通过整流斩波单元1反馈回电网。当列车运行于无供电网区段时，列车能够在车载储能单元4供电下运行一定距离。
本发明的车辆主电路能够满足在上述三种供电制式下工作，适应了我国轨道交通互联互通的发展需求，具有非常广阔的市场前景。轨道交通车辆装备车载储能系统能够充分利用车辆电制动产生的再生能量，具备很好的节能效益。本发明提出的主电路同时适用于车载储能单元4供电；当车载储能单元4与上述三种供电制式混合供电时，能够大幅降低电制动能量的浪费，节省牵引能耗；当列车处于无供电网区段时，车载储能单元4能够作为列车的应急牵引电源，牵引列车继续运行一定距离，使得列车具备了一定无网运行的能力，提高了列车适应性。另外，在任一前述供电模式下，本发明提出的主电路均能将中间直流电压稳定在某一定值，使得逆变器能够输出稳定的电压，从而使牵引电机8无需在低网压时限功运行，有效提高了列车的稳定性。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于多种电源供电的轨道交通车辆主电路，其特征在于，包括整流斩波单元（1）、逆变单元（2）和双向DC/DC转换单元（3），所述整流斩波单元（1）的输出端经逆变单元（2）与牵引电机（8）相连，所述整流斩波单元（1）的输入端连接有不同制式的直流电源或不同制式的交流电源，所述逆变单元（2）的输入端经双向DC/DC转换单元（3）与一车载储能单元（4）相连；当所述整流斩波单元（1）的输入端接入交流电源时，所述整流斩波单元（1）处于四象限整流状态；当所述整流斩波单元（1）的输入端接入直流电源时，所述整流斩波单元（1）处于双向DC/DC斩波状态；所述整流斩波单元（1）包括全桥整流电路以及开关组件，所述全桥整流电路包括四个开关管，分别为T1、T2、T3和T4，所述T1的阳极与T3的阳极相连，所述T3的阴极与T4的阳极相连，所述T4的阴极与T2的阴极相连，所述T2的阳极与T1的阴极相连，所述全桥整流电路的两个输出端分别与T3的阳极和T4的阴极相连；所述开关组件包括第一开关和第二开关，所述全桥整流电路的一个输入端经第一开关连接T4的阳极或阴极，另一个输入端连接T1的阴极或者经第二开关连接T3的阴极。
2.根据权利要求1所述的适用于多种电源供电的轨道交通车辆主电路，其特征在于，所述整流斩波单元（1）的输入端通过牵引变压器（6）与交流电源相连。
3.根据权利要求2所述的适用于多种电源供电的轨道交通车辆主电路，其特征在于，所述整流斩波单元（1）的输入端通过滤波单元（7）与直流电源相连。
4.根据权利要求1或2所述的适用于多种电源供电的轨道交通车辆主电路，其特征在于，所述直流电源包括DC1500V电源和DC750V电源。
5.根据权利要求1或2所述的适用于多种电源供电的轨道交通车辆主电路，其特征在于，所述交流电源为AC25kV电源。
6.根据权利要求1或2所述的适用于多种电源供电的轨道交通车辆主电路，其特征在于，各电源均通过充电短接单元（5）与整流斩波单元（1）相连，所述充电短接单元（5）用于在起动时给中间回路电容充电且在正常工作时处于短接状态。
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