CN105790625A - 一种有轨电车用牵引逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交流转动系统中的逆变器，具体为一种有轨电车用牵引逆变器，包括预充电电路、滤波电路、直流支撑电路、制动电路、逆变电路和检测电路，其中预充电电路包括SCR可控硅，滤波电路包括滤波电感L、滤波电容C3、第一电阻R1和第二电阻R2；直流支撑电路包括第一直流支撑电容C1和第二直流支撑电容C2，制动电路包括第一制动IGBT桥臂、第二制动IGBT桥臂和制动电阻Rg，逆变电路包括第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块、RCD吸收电路，检测电路包括霍尔电压传感器SV1、第一霍尔电流传感器SC1、第二霍尔电流传感器SC2。解决了牵引有轨电车的直流电机自身结构复杂，制造、维护、维修成本高的问题。

Description

一种有轨电车用牵引逆变器

技术领域

本发明涉及交流转动系统中的逆变器，具体为一种有轨电车用牵引逆变器。

背景技术

香港电车是在香港岛繁华街道运行，属公共交通运输系统。目前香港有轨电车普遍采用可控硅脉冲调速控制系统（直流斩波调速），利用可控硅的开关作用，来控制直流牵引电机作用，如图1所示。香港电车自运行以来一直采用直流电机，而直流电机自身结构复杂，制造、维护、维修成本高，近年来由于交流传动系统的广泛开发及应用，并以它在牵引、制动、系统可靠性、维修成本、人机友好性等方面的优势成为主流。交流电机牵引的有轨电车的牵引逆变器，其在系统中的主要作用可见附图2，由图可见，直流电网经过逆变器将直流电转换成变频交流电控制交流电机，从而达到牵引作用，因此牵引逆变器则是交流传动系统中的重中之重。

发明内容

本发明为了解决牵引有轨电车的直流电机自身结构复杂，制造、维护、维修成本高的问题，提供了一种有轨电车用牵引逆变器，进而实现交流电机牵引有轨电车。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种有轨电车用牵引逆变器，包括预充电电路、滤波电路、直流支撑电路、放电电路、制动电路、逆变电路和检测电路，

其中预充电电路包括SCR可控硅，SCR可控硅的阳极和二极管Dc的阳极连接，二极管Dc的阴极通过电阻Rc和SCR可控硅的阴极连接，SCR可控硅的阳极还和第一晶体二极管D1的阴极连接，第一SCR可控硅的阳极和直流电的正极连接，第一晶体二极管D1的阳极和直流电的负极连接；滤波电路包括滤波电感L，直流支撑电路包括直流支撑电容C1，直流支撑电容C1的一端和滤波电感L的一端连接，直流支撑电容C1的另一端和第一晶体二极管D1的阳极连接，滤波电感L的另一端和SCR可控硅的阴极连接；放电电路由第一放电电阻R1和第二放电电阻R2组成，第一放电电阻R1与第二放电电阻R2并联，第一放电电阻R1的一端和直流支撑电容C1的一端连接，第一放电电阻R1的另一端和直流支撑电容C1的另一端连接；制动电路包括第一制动IGBT桥臂、第二制动IGBT桥臂、第一吸收电容C9、第二吸收电容C10、制动电阻Rg和回馈二极管D，第一制动IGBT桥臂和第二制动IGBT桥臂并联，第一制动IGBT桥臂和第二制动IGBT桥臂都包括上桥臂IGBT和下桥臂IGBT，上桥臂IGBT的发射极和下桥臂IGBT的集电极连接，上桥臂IGBT的栅极和上桥臂IGBT的发射极连接，上桥臂IGBT的集电极和滤波电感L的一端连接，下桥臂IGBT的发射极和第一晶体二极管D1的阳极连接，第一制动支路上的上桥臂IGBT发射极和第二制动支路上的上桥臂IGBT的发射极连接且通过制动电阻Rg和滤波电感L的一端连接，第一吸收电容C9的一端与第一制动IGBT桥臂的上桥臂的集电极连接，第一吸收电容C9的另一端与第一制动IGBT桥臂下桥臂的发射极连接，第二吸收电容C10的一端与第二制动IGBT桥臂的上桥臂的集电极连接，第二吸收电容C10的另一端与第二制动IGBT桥臂下桥臂的发射极连接，回馈二极管D的阳极和SCR可控硅的阴极连接，回馈二极管D的阴极和SCR可控硅的阳极连接；

逆变电路包括第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块、第一RCD吸收电路、第二RCD吸收电路和第三RCD吸收电路，第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块都包括两并联的IGBT桥臂，两并联的IGBT桥臂的中间点连接作为逆变模块的输出端，第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块的一端和滤波电感L的一端连接，另一端和第一晶体二极管D1的阳极连接，第一RCD吸收电路、第二RCD吸收电路和第三RCD吸收电路的一端和滤波电感L的一端连接，第一RCD吸收电路、第二RCD吸收电路和第三RCD吸收电路的另一端和第一晶体二极管D1的阳极连接，第一RCD吸收电路连接在第一逆变模块和第二逆变模块之间，第二RCD吸收电路连接在第二逆变模块和第三逆变模块之间，第三RCD吸收电路连接在第三逆变模块一侧；

检测电路包括霍尔电压传感器SV1、第一霍尔电流传感器SC1、第二霍尔电流传感器SC2，霍尔电压传感器SV1的正输入端和滤波电感L的一端连接，霍尔电压传感器SV1的负输入端与第一晶体二极管D1的阳极连接，第一霍尔电流传感器SC1串接于第一逆变模块的输出端，第二霍尔电流传感器SC2串接于第二逆变模块的输出端。

使用时，架线式电网电压经过受电弓、电抗器后进入逆变器，逆变器中的第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块和交流电机连接，第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块和控制单元驱动信号输出端连接，SCR可控硅的门极和控制单元的输出端连接，制动电路中的下桥臂IGBT的控制端和控制单元连接，逆变器的工作原理如下：直流电通过滤波电路进行滤波，滤波后的直流电通过逆变电路进行逆变，逆变后的三相交流电提供给交流电机，交流电机直接驱动有轨电车运行；在此过程中，预充电电路的作用如下：SCR可控硅在逆变器刚开始工作时不导通，直流电通过二极管Dc和电阻Rc给直流支撑电容C1充电，当控制单元检测到直流支撑电容C1达到设定值时，控制单元输出电压给SCR可控硅的门极，SCR可控硅导通，直流电直接给直流支撑电容C1充电；放电电路的作用如下：当逆变器停止工作时，直流支撑电容C1上的高电压通过第一放电电阻R1和第二放电电阻R2放电，在规定时间内将高压泄放到安全电压范围内，利于停机或者检修安全；制动电路的作用如下：当滤波后的直流电压因电车减速或其它情况而过高时，优先通过外接二极管D回路，将直流电压回馈给直流电网，当直流电压高于某一设定值时，控制单元给下桥臂IGBT控制信号，下桥臂IGBT导通，滤波后的直流电压释放在制动电阻Rg上，由此保护滤波电路和逆变电路，制动电路中的第一吸收电容C9和第二吸收电容C10是用来吸收电路中的剑锋过电压，从而保护制动IGBT；逆变电路中的第一RCD吸收电路、第二RCD吸收电路、第三RCD吸收电路的作用如下：当第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块导通或关断时，第一RCD吸收电路、第二RCD吸收电路、第三RCD吸收电路能够吸收逆变电路中的尖峰过电压，由此防止第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块被击穿，进而保护逆变电路，吸收电路采用集中式RCD吸收电路，单纯的电容吸收不能消耗掉电路杂散电感产生的能量，容易形成谐振；霍尔电压传感器SV1用来检测逆变桥输入的直流电压，用以进行矢量控制计算和过压保护使用，2个霍尔电流传感器分别用来检测逆变桥输出的U、V相电流，用以进行矢量控制计算和过流保护使用。

相比现有的直流电机牵引的有轨电车，采用逆变器控制的交流电机有轨电车有以下优势：1）逆变器控制的调速平稳、精确、速度范围宽，替代了直流电机所采用的电阻投切法，使得电车在牵引和制动时速度平稳，乘客感觉更加舒适，大大提高了人性化服务，2）逆变器控制的交流系统是用交流电机取代了之前的直流电机，避免了直流电机电刷、换向器等维修成本以及刹车时闸瓦的频繁磨损；3）逆变器同时具有电流、电压等信号采集和传输功能，可将具体实时数据传输到系统中并在相应的操作室显示屏上显示出来，增加了可观性。

附图说明

图1为直流电机传动方式示意图。

图2为交流电传动方式示意图。

图3为本发明的电路原理图。

具体实施方式

结合附图，对本发明进行进一步描述。

如图3所示，一种有轨电车用牵引逆变器，包括预充电电路、滤波电路、直流支撑电路、放电电路、制动电路、逆变电路和检测电路，

其中预充电电路包括SCR可控硅，SCR可控硅的阳极和二极管Dc的阳极连接，二极管Dc的阴极通过电阻Rc和SCR可控硅的阴极连接，SCR可控硅的阳极还和第一晶体二极管D1的阴极连接，第一SCR可控硅的阳极和直流电的正极连接，第一晶体二极管D1的阳极和直流电的负极连接；滤波电路包括滤波电感L，直流支撑电路包括直流支撑电容C1，直流支撑电容C1的一端和滤波电感L的一端连接，直流支撑电容C1的另一端和第一晶体二极管D1的阳极连接，滤波电感L的另一端和SCR可控硅的阴极连接；放电电路包括第一放电电阻R1和第二放电电阻R2，第一放电电阻R1和第二放电电阻R2并联，第一放电电阻R1与直流支撑电容C1的一端连接，第一放电电阻R1的另一端与直流支撑电容C1的另一端连接；制动电路包括第一制动IGBT桥臂、第二制动IGBT桥臂、制动电阻Rg、第一滤波电容C9、第二滤波电容C10和回馈二极管D，第一制动IGBT桥臂和第二制动IGBT桥臂并联，第一制动IGBT桥臂和第二制动IGBT桥臂都包括上桥臂IGBT和下桥臂IGBT，上桥臂IGBT的发射极和下桥臂IGBT的集电极连接，上桥臂IGBT的栅极和上桥臂IGBT的发射极连接，上桥臂IGBT的集电极和滤波电感L的一端连接，下桥臂IGBT的发射极和第一晶体二极管D1的阳极连接，第一制动支路上的上桥臂IGBT发射极和第二制动支路上的上桥臂IGBT的发射极连接且通过制动电阻Rg和滤波电感L的一端连接，第一吸收电容C9的一端与第一制动IGBT桥臂的上桥臂的集电极连接，第一吸收电容C9的另一端与第一制动IGBT桥臂下桥臂的发射极连接，第二吸收电容C10的一端与第二制动IGBT桥臂的上桥臂的集电极连接，第二吸收电容C10的另一端与第二制动IGBT桥臂下桥臂的发射极连接，回馈二极管D的阳极和SCR可控硅的阴极连接，回馈二极管D的阴极和SCR可控硅的阳极连接；

逆变电路包括第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块、第一RCD吸收电路、第二RCD吸收电路和第三RCD吸收电路，第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块都包括两并联的IGBT桥臂，两并联的IGBT桥臂的中间点连接作为逆变模块的输出端，第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块的一端和滤波电感L的一端连接，另一端和第一晶体二极管D1的阳极连接，第一RCD吸收电路、第二RCD吸收电路和第三RCD吸收电路都包括两条由二极管和电容依次串联形成的支路，该两条支路并联，两支路上的二极管的阴极相互连接，且阴极通过电阻Rs和阳极连接，第一RCD吸收电路、第二RCD吸收电路和第三RCD吸收电路的一端和滤波电感L的一端连接，即二极管的阳极和滤波电感L的一端连接，第一RCD吸收电路、第二RCD吸收电路和第三RCD吸收电路的另一端和第一晶体二极管D1的阳极连接，即电容的一端和第一晶体二极管D1的阳极连接，第一RCD吸收电路连接在第一逆变模块和第二逆变模块之间，第二RCD吸收电路连接在第二逆变模块和第三逆变模块之间，第三RCD吸收电路连接在第三逆变模块一侧；

检测电路包括霍尔电压传感器SV1、第一霍尔电流传感器SC1、第二霍尔电流传感器SC2，霍尔电压传感器SV1的正输入端和滤波电感L的一端连接，霍尔电压传感器SV1的负输入端与第一晶体二极管D1的阳极连接，第一霍尔电流传感器SC1串接于第一逆变模块的输出端，第二霍尔电流传感器SC2串接于第二逆变模块的输出端。

具体实施时，逆变器箱体采用一体化焊接设计，强度更高，表面喷漆，支架铆接。箱盖采用倒槽加密封条设计，盖上后用四个搭扣扣紧，增加了密封性。箱体内部第一层为功率模块，散热器作为底板，上面布置了功率逆变模块和吸收电容、电阻、电流传感器，制动管等器件，功率逆变模块中的IGBT采用EUPEC的FF400R12KE3双管并联，空气经过风扇强迫吹过散热器，从底部排出，带走散热器上的热量。整个箱体内部是一个密闭的空间，防水性能好。支撑电容安装在输入端，支撑电容采用干式薄膜电容，通常使用的电解电容寿命短，一般不超过5000小时，并且损坏时是雪崩式损坏，容易发生爆裂，而干式薄膜电容寿命长达几万甚至十几万小时，即使损坏也只是减小容值，空间布置上基本遵循了右进左出的原则，防止接线出错。箱体内部结构第二层，放置了复合母排，输入、输出铜排、吸收电阻等器件，主要高压接线回路。复合母排的使用减少了直流输入侧的杂散电感。功率器件的吸收电容和吸收电阻既减小了杂散电感，有防止电路振荡，对功率模块起到保护作用。

Claims (1)

1.一种有轨电车用牵引逆变器，其特征在于包括预充电电路、滤波电路、直流支撑电路、放电电路、制动电路、逆变电路和检测电路，其中预充电电路包括SCR可控硅，SCR可控硅的阳极和二极管Dc的阳极连接，二极管Dc的阴极通过电阻Rc和SCR可控硅的阴极连接，SCR可控硅的阳极还和第一晶体二极管D1的阴极连接，第一SCR可控硅的阳极和直流电的正极连接，第一晶体二极管D1的阳极和直流电的负极连接；滤波电路包括滤波电感L，直流支撑电路包括直流支撑电容C1，直流支撑电容C1的一端和滤波电感L的一端连接，直流支撑电容C1的另一端和第一晶体二极管D1的阳极连接，滤波电感L的另一端和SCR可控硅的阴极连接；放电电路由第一放电电阻R1和第二放电电阻R2组成，第一放电电阻R1与第二放电电阻R2并联，第一放电电阻R1的一端和直流支撑电容C1的一端连接，第一放电电阻R1的另一端和直流支撑电容C1的另一端连接；制动电路包括第一制动IGBT桥臂、第二制动IGBT桥臂、第一吸收电容C9、第二吸收电容C10、制动电阻Rg和回馈二极管D，第一制动IGBT桥臂和第二制动IGBT桥臂并联，第一制动IGBT桥臂和第二制动IGBT桥臂都包括上桥臂IGBT和下桥臂IGBT，上桥臂IGBT的发射极和下桥臂IGBT的集电极连接，上桥臂IGBT的栅极和上桥臂IGBT的发射极连接，上桥臂IGBT的集电极和滤波电感L的一端连接，下桥臂IGBT的发射极和第一晶体二极管D1的阳极连接，第一制动支路上的上桥臂IGBT发射极和第二制动支路上的上桥臂IGBT的发射极连接且通过制动电阻Rg和滤波电感L的一端连接，第一吸收电容C9的一端与第一制动IGBT桥臂的上桥臂的集电极连接，第一吸收电容C9的另一端与第一制动IGBT桥臂下桥臂的发射极连接，第二吸收电容C10的一端与第二制动IGBT桥臂的上桥臂的集电极连接，第二吸收电容C10的另一端与第二制动IGBT桥臂下桥臂的发射极连接，回馈二极管D的阳极和SCR可控硅的阴极连接，回馈二极管D的阴极和SCR可控硅的阳极连接；逆变电路包括第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块、第一RCD吸收电路、第二RCD吸收电路和第三RCD吸收电路，第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块都包括两并联的IGBT桥臂，两并联的IGBT桥臂的中间点连接作为逆变模块的输出端，第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块的一端和滤波电感L的一端连接，另一端和第一晶体二极管D1的阳极连接，第一RCD吸收电路、第二RCD吸收电路和第三RCD吸收电路的一端和滤波电感L的一端连接，第一RCD吸收电路、第二RCD吸收电路和第三RCD吸收电路的另一端和第一晶体二极管D1的阳极连接，第一RCD吸收电路连接在第一逆变模块和第二逆变模块之间，第二RCD吸收电路连接在第二逆变模块和第三逆变模块之间，第三RCD吸收电路连接在第三逆变模块一侧；检测电路包括霍尔电压传感器SV1、第一霍尔电流传感器SC1、第二霍尔电流传感器SC2，霍尔电压传感器SV1的正输入端和滤波电感L的一端连接，霍尔电压传感器SV1的负输入端与第一晶体二极管D1的阳极连接，第一霍尔电流传感器SC1串接于第一逆变模块的输出端，第二霍尔电流传感器SC2串接于第二逆变模块的输出端。