CN106364320A - 一种交直传动机车无火回送供电装置及供电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种交直传动机车无火回送供电装置及供电控制方法，该装置包括：励磁控制支路，包括相互连接的蓄电池电源模块、直流斩波降压模块，蓄电池电源模块输出的电压经直流斩波降压模块，得到励磁电压提供给直流电机励磁绕组；供电输出支路，包括相互连接的逆变模块、交流电处理模块，逆变模块接入牵引电机输出的直流电逆变为交流电，经过交流电处理模块后输出供电电压；励磁控制支路的输入端通过整流变压模块连接供电输出支路的输出端，以对蓄电池电源模块进行充电；该方法通过控制励磁控制支路、供电输出支路进行供电控制。本发明能够为交直传动机车无火回送提供供电，且具有结构简单、所需成本低、无需改变机车结构以及应用灵活等优点。

Description

一种交直传动机车无火回送供电装置及供电控制方法

技术领域

本发明涉及交直传动机车技术领域，尤其涉及一种交直传动机车无火回送供电装置及供电控制方法。

背景技术

机车进行无火回送时，要求严禁机车升弓、合闸，因此车内没有通风、取暖、照明等基本生活用电，使得乘务人员的生活、工作环境恶劣。目前尚未有无火回送装置的具体应用，针对无火回送供电的研究通常也仅是简单的利用现有的供电方式，应用局限性很大。如专利申请CN104129393公开一种本务机车给附挂的无火回送机车供电系统，本务机车升弓合闸时，将生活用电通过外重联线的方式送给无火回送机车，以达到供给无火回送机车必要的生活用电，该方案只适用于无火回送机车与本务机车零距离附挂情况，不适用于附挂列尾的机车，实际中其应用非常受限。目前交直传动机车的保有量依然非常大，因此亟需提供一种能够不受机车无火回送连接形式限制，同时适用于各类交直传动机车无火回送的供电装置。

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、所需成本低、无需改变机车结构，且不受机车无火回送连接形式限制的交直传动机车无火回送供电装置，及控制操作简便且安全可靠的供电控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种交直传动机车无火回送供电装置，包括：

励磁控制支路，包括相互连接的蓄电池电源模块、直流斩波降压模块，所述蓄电池电源模块输出的电压经所述直流斩波降压模块进行斩波降压后，得到励磁电压提供给直流电机励磁绕组以控制牵引电机发电；

供电输出支路，包括相互连接的逆变模块、交流电处理模块，所述逆变模块接入牵引电机输出的直流电逆变为交流电，经过所述交流电处理模块后输出供电电压；

所述励磁控制支路的输入端通过整流变压模块连接所述供电输出支的输出端，以对蓄电池电源模块进行充电。

作为本发明装置的进一步改进：所述供电输出支路的输入端通过第一开关KM1与直流电机连接；所述供电输出支路的输出端设置有第二开关KM2；所述励磁控制支路的输出端通过第三开关KM3与直流电机励磁绕组连接。

作为本发明装置的进一步改进：所述蓄电池电源模块具体为机车牵引系统中蓄电池，所述蓄电池与所述直流斩波降压模块之间设置有第四开关KM4；所述整流变压模块为机车系统中整流变压器，所述整流变压器的一侧绕组与所述供电输出支路的输出端连接，另一侧绕组与所述蓄电池连接。

作为本发明装置的进一步改进：所述逆变模块为四象限变流器。

作为本发明装置的进一步改进：所述交流电流处理模块包括用于对输入交流电进行滤波处理的滤波电路；所述滤波电路包括EMC滤波器，通过所述EMC滤波器滤除输入交流电中高次谐波。

作为本发明装置的进一步改进：所述交流电流处理模块的输出端设置有短路保护电路；所述短路保护电路包括快速熔断器F1。

作为本发明装置的进一步改进：所述交流电处理模块的输出端还设置有电压电流采集电路，通过所述电压电流采集电路采集所述交流电处理模块输出的电压、电流信号，并反馈给所述逆变模块以控制输出。

作为本发明装置的进一步改进：所述直流斩波降压模块的输出端设置有并联连接的分流电阻R1、滤波电容C1；所述直流斩波降压模块的输出端还设置有电压采集电路，通过所述电压采集电路采集所述直流斩波降压模块的输出电压，并反馈给所述直流斩波降压模块以控制输出。

作为本发明装置的进一步改进：还包括用于进行加热处理的加热支路，所述加热支路分别与所述励磁控制支路、供电输出支路并联连接；所述加热支路设置有温度开关KT1。

作为本发明装置的进一步改进：所述供电装置还设置有控制开关，通过所述控制开关控制接入或断开所述供电装置。

本发明进一步提供利用上述交直传动机车无火回送供电装置的供电控制方法，包括：

当机车速度达到预设启动阈值时，控制所述励磁控制支路接入所述蓄电池电源模块进行供电；所述直流斩波降压模块输出电压达到预设电压值时，控制励磁控制支路接入直流电机励磁绕组、供电输出支路接入直流电机，牵引电机进入发电状态；启动所述供电输出支路中逆变模块将牵引电机输出的直流电逆变为交流电，经过所述交流电处理模块后控制输出供电电压给各供电负载，并给所述电源模块进行充电；

当机车速度低于预设关闭阈值时，控制关闭所述直流斩波降压模块、所述逆变模块，供电输出支路停止供电；

当机车发生故障时，控制断开所述励磁控制支路、供电输出支路。

作为本发明方法的进一步改进：所述当机车速度达到预设启动阈值时，具体通过控制闭合第四开关KM4控制接入所述蓄电池电源模块；所述当机车速度达到预设启动阈值时，具体通过闭合第三开关KM3控制励磁控制支路接入直流电机励磁绕组；所述当机车速度达到预设启动阈值时，具体通过闭合第一开关KM1控制供电输出支路接入直流电机；所述当机车速度达到预设启动阈值时，具体通过闭合第二开关KM2控制输出供电电压。

作为本发明方法的进一步改进：当机车所处环境的温度低于预设温度值时，控制启动加热支路进行加热。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明在机车进行无火回送过程中，通过励磁控制支路由电源模块输出电压，经直流斩波降压模块进行斩波降压后，得到励磁电压提供给直流电机励磁绕组，将机车的牵引电机置为发电状态，从而将机车动能转换成电能；结合供电输出支路依次经过逆变模块、交流电处理模块处理后产生供电电压，能够基于轮轴动能转换成电能为交直传动机车无火回送过程中提供必要的生活用电，有效改善乘务人员的生活、休息环境，实现废能的回收利用，同时能够适用于各类连接形式的交直机车无火回送，应用灵活不受限制；

2）本发明无火回送供电基于交直传动机车的原有结构实现，无需改变交直传动机车的原主电路结构及控制，实现配置简单，且无火回送供电装置能够独立于机车主电路，则在机车正常运行时无火回送供电装置可完全切除，不会影响机车的正常运行；

3）本发明交直传动机车无火回送供电装置输出功率较小，因而可以实现装置小型化设计，在原有机车紧密的环境下仍然可以方便的实现灵活安装，便于实际使用；

4）本发明由蓄电池电源模块作为电源给直流电机励磁绕组供电，将牵引电机转入发电状态，同时励磁控制支路的输入端通过整流变压模块连接供电输出支路的输出端，供电输出支路输出电压同时给蓄电池电源模块进行充电，蓄电池电源模块能够持久使用且不馈电；

5）本发明进一步通过设置第一开关KM1、第二开关KM2、第三开关KM3以及第四开关KM4，通过第一开关KM1、第二开关KM2、第三开关KM3以及第四开关KM4的开断可以方便的接入或断开无火回送供电装置，保证供电装置与原机车主电路完全分离，从而不影响正常行车。

附图说明

图1是本实施例交直传动机车无火回送供电装置的结构原理示意图。

图2是本实施例中直流斩波降压模块的具体结构示意图。

图3是本实施例中所采用的四象限变流器的具体结构示意图。

图4是本实施例中所采用的EMC滤波器的具体结构示意图。

图例说明：1、励磁控制支路；11、蓄电池电源模块；12、直流斩波降压模块；13、整流变压模块；2、供电输出支路；21、逆变模块；22、交流电处理模块；3、加热支路。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例交直传动机车无火回送供电装置包括：

励磁控制支路1，包括相互连接的蓄电池电源模块11、直流斩波降压模块12，蓄电池电源模块11输出的电压经直流斩波降压模块12进行斩波降压后，得到励磁电压提供给直流电机励磁绕组以控制牵引电机发电；

供电输出支路2，包括相互连接的逆变模块21、交流电处理模块22，逆变模块21接入牵引电机输出的直流电逆变为交流电，经过交流电处理模块22后输出供电电压；

励磁控制支路1的输入端通过整流变压模块13连接供电输出支路2的输出端，以对蓄电池电源模块11进行充电。

本实施例基于交直传动机车的原有结构，控制电源不合闸时，在机车进行无火回送过程中，通过励磁控制支路1由蓄电池电源模块11输出电压，经直流斩波降压模块12进行斩波降压后，得到励磁电压提供给直流电机励磁绕组，将机车的牵引电机置为发电状态，从而将机车动能转换成电能；结合供电输出支路2依次经过逆变模块21、交流电处理模块22处理后产生供电电压，能够基于轮轴动能转换成电能为交直传动机车无火回送过程中提供必要的生活用电，有效改善乘务人员的生活、休息环境，实现废能的回收利用，同时能够适用于各类连接形式的交直机车无火回送，应用灵活不受限制。

本实施例上述无火回送供电装置基于交直传动机车的原有结构实现，无需改变交直传动机车的原主电路结构及控制，仅需增设与直流电机电枢、直流电机励磁绕组的接线，实现配置简单，且能够独立于机车主电路，则在机车正常运行时无火回送供电装置可完全切除，不会影响机车的正常运行。

本实施例上述无火回送供电装置输出功率较小，可以实现装置小型化设计，因而在原有机车紧密的环境下仍然可以方便的实现灵活安装，便于实际使用。

本实施例供电输出支路2输出电压，同时经过整流变压模块13进行整流、变压后给蓄电池电源模块11进行充电，因而蓄电池电源模块11能够持久使用且不馈电。

本实施例中，供电输出支路2的输入端通过第一开关KM1与直流电机连接，通过第一开关KM1的开断控制供电输出支路2接入直流电机；供电输出支路2的输出端设置有第二开关KM2，通过第二开关KM2的开断控制输出供电电压；励磁控制支路1的输出端通过第三开关KM3与直流电机励磁绕组连接，通过第三开关KM3的开断控制励磁控制支路1接入直流电机励磁绕组。通过第一开关KM1、第二开关KM2以及第三开关KM3可以方便的接入或断开上述供电装置，保证供电装置与原机车主电路完全分离，从而不影响正常行车。

当闭合第三开关KM3，蓄电池电源模块11输出的电压经直流斩波降压模块12进行斩波降压后，得到励磁电压提供给直流电机励磁绕组，牵引电机进入发电状态；当闭合第一开关KM1、第二开关KM2，直流电机输出的直流电依次经过逆变模块21、交流电处理模块22输出AC220V工频电压，通过第二开关KM2输出AC220V工频电压。

本实施例第一开关KM1、第二开关KM2以及第三开关KM3具体采用直流接触器，也可以采用其他类型直流开关。

本实施例中，蓄电池电源模块11为机车牵引系统中蓄电池（具体为110V蓄电池），即利用机车牵引系统内原有蓄电池作为电源给励磁绕组供电，蓄电池与直流斩波降压模块12之间设置有第四开关KM4，通过第四开关KM4的开断控制接入蓄电池进行供电。供电装置投入运行过程中，供电输出支路2输出供电电压经过整流、变压后对110V蓄电池进行充电，能保证蓄电池持久使用不会馈电。

本实施例中，整流变压模块13具体为机车牵引系统中整流变压器（具体为220V变压器），即利用机车牵引系统内原有整流变压器实现整流、降压功能，由整流变压器的一侧绕组a7~x7与供电输出支路2的输出端连接，另一侧绕组与蓄电池连接。通过利用机车内原有蓄电池、变压器结构，仅需要增设连接至机车内蓄电池、变压器的接线，使得供电装置结构更为简单，同时提高了系统的利用率，同时由开关KM1、KM2、KM3以及KM4的开通与关断，即可保证供电装置与原车主电路的完全分离，不影响正常行车。第四开关KM4具体可采用直流接触器或其他类型直流开关。

如图2所示，本实施例中直流斩波降压模块12（UP2）具体包括斩波管VT、二极管D1以及电感L1、电容C2，其中通过斩波管VT的通断控制实现能量的传输，二极管D1用于当斩波管关断后，使负载侧电流构成通流回路；电感L1用于稳定输出电流，减小纹波；电容C2用于实现输出电压的缓冲和滤波。当然在其他实施例中，直流斩波降压模块12还可以采用其他斩波降压电路结构。

如图1所示，本实施例中直流斩波降压模块12的输出端设置有并联连接的分流电阻R1、滤波电容C1，直流斩波降压模块12输出电压由分流电阻R1进行分流、滤波电容C1进行滤波后输出。

本实施例中，直流斩波降压模块12的输出端还设置有电压采集电路，通过电压采集电路采集斩波降压模块2的输出电压，并反馈给直流斩波降压模块12以控制输出。本实施例具体设置电压传感器SV2采集经过分流电阻R1、滤波电容C1后的电压，反馈给直流斩波降压模块12的控制电路；直流斩波降压模块12根据反馈的电压进行稳定控制，以控制输出稳定的电压。

本实施例中，逆变模块21为四象限变流器，由四象限变流器实现能量由输入侧流向输出侧，当四象限变流器开启进入逆变模式时，控制将直流电机产生的直流电逆变成交流电，本实施例具体采用SPWM控制方式控制进行逆变，产生50Hz AC220V交流电，供给生活照明取暖等用电，同时给绕组a7x7供电。如图3所示，本实施例四象限变流器包括四个变流单元，每个变流单元包括反并联连接的二极管及IGBT开关管。逆变模块21还可以根据实际需求采用其他结构实现逆变功能。

本实施例中，交流电流处理模块4包括用于对输入交流电进行滤波处理的滤波电路；滤波电路具体包括EMC滤波器，通过EMC滤波器滤除输入交流电中高次谐波。如图4所示，本实施例EMC滤波器具体包括滤波电容C2以及滤波电感L2。为满足不同精度需求的供电电压，交流电流处理模块4还可以根据实际需求设置其他处理电路。

本实施例中，交流电流处理模块4的输出端设置有短路保护电路，实现短路保护功能，提高装置的安全性能。如图1所示，本实施例短路保护电路具体包括快速熔断器F1。逆变模块21输出的交流电经过EMC滤波器滤除高次谐波后，再经快速熔断器F1，输出干净的50HzAC220V。

本实施例中，交流电处理模块22的输出端还设置有电压电流采集电路，通过电压电流采集电路采集交流电处理模块22输出的电压、电流信号，并反馈给逆变模块21以控制输出。本实施例具体设置电压传感器SV1、电流传感器SC1采集EMC滤波器输出的电压、电流，并反馈给四象限变流器的控制电路，四象限变流器根据反馈的电压、电流进行稳定控制，以控制输出稳定的电压。

本实施例上述装置启动时，励磁控制支路1中由蓄电池进行供电，经过直流斩波降压模块12输出降压后电压，并根据反馈电压进行稳定控制调节，提供励磁电压给直流电机励磁绕组，牵引电机进入发电状态；直流电机输出的直流电经四象限变流器逆变为交流电，并根据反馈电压、电流进行稳定控制调节，经过EMC滤波器、快速熔断器F1输出稳定的50HzAC220V供电电压，并给蓄电池充电，从而构成一个实时闭环调节系统。

本实施例中，还包括用于进行加热处理的加热支路3，加热支路3分别与励磁控制支路1、供电输出支路2并联连接；加热支路3设置有温度开关KT1。当环境温度低于预设温度值的低温环境时，先接通温度开关KT1以控制接入加热支路3中加热装置进行加热，待温度上升至正常值时再控制启动励磁控制支路1、供电输出支路2。通过设置加热支路3使得可以适用于高寒环境中，从而适应不同温度环境的变化，实际中可以根据所具体应用环境的温度状态选择设置。

本实施例中，供电装置还设置有控制开关，通过控制开关控制接入或断开供电装置。控制开关具体设置启动位、切除位，首次需要启动上述供电装置时，控制开关接至启动位，接入供电装置进入开启状态，控制开关接至切除位时即断开上述供电装置，从而能够独立于机车主电路，实现与机车主电路隔离。

本实施例上述交直传动机车无火回送供电装置的供电控制方法，包括：

当机车速度达到预设启动阈值时，控制励磁控制支路1接入蓄电池电源模块11进行供电；直流斩波降压模块12输出电压达到预设电压值时，控制励磁控制支路1接入直流电机励磁绕组、供电输出支路2接入直流电机，牵引电机进入发电状态；启动供电输出支路2中逆变模块21将牵引电机输出的直流电逆变为交流电，经过交流电处理模块22后控制输出供电电压给各供电负载，并对蓄电池电源模块11进行充电；

当机车速度低于预设关闭阈值时，控制关闭直流斩波降压模块12、逆变模块21，供电输出支路2停止供电；

当机车发生故障时，控制断开励磁控制支路1、供电输出支路2。

本实施例采用如图2所示交直传动机车无火回送供电装置时，步骤1）中具体通过控制闭合第四开关KM4控制接入蓄电池电源模块11；步骤1）中具体通过闭合第三开关KM3控制励磁控制支路1接入直流电机励磁绕组；步骤1）中具体通过闭合第一开关KM1控制供电输出支路2接入直流电机；步骤1）中具体通过闭合第二开关KM2控制输出供电电压。

具体的，当机车速度达到预设启动阈值时，即电机转速大于指定值时，闭合第三开关KM3，由蓄电池进行供电，开启直流斩波降压模块12进行斩波降压，当电压传感器SV2采集的电压维持在预设电压值U时，闭合第三开关KM3、第一开关KM1，直流电机励磁绕组得到励磁电流，电枢绕组切割磁感线产生电势，从而牵引电机进入发电状态，并输出稳定电压；开启四象限变流器进入逆变模式，通过SPWM波控制将电机发出的直流电逆变成交流电，EMC滤波器对交流电滤波处理，闭合第二开关KM2输出供电电压，并通过绕组a7~x7对蓄电池进行充电；

当机车速度低于指定速度V后，由于动能低、发电效率低，控制自动关闭四象限变流器、直流斩波降压模块12，使得牵引电机不发电，上述无火回送装置不再输出AC220V。

当机车发生故障时，将将控制开关接至切除位，并控制断开第一开关KM1、第二开关KM2、第三开关KM3以及第四开关KM4，不影响机车主电路，保证机车的正常运行，同时能够防止故障扩大。

本实施例中，当机车所处环境的温度低于预设温度值时，控制启动加热支路3进行加热。当环境温度低于预设温度值的低温环境时，先接通温度开关KT1以控制接入加热支路3中加热装置进行加热，待温度上升至正常值时再控制启动励磁控制支路1、供电输出支路2。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (13)

1.一种交直传动机车无火回送供电装置，其特征在于包括：

励磁控制支路（1），包括相互连接的蓄电池电源模块（11）、直流斩波降压模块（12），所述蓄电池电源模块（11）输出的电压经所述直流斩波降压模块（12）进行斩波降压后，得到励磁电压提供给直流电机励磁绕组以控制牵引电机发电；

供电输出支路（2），包括相互连接的逆变模块（21）、交流电处理模块（22），所述逆变模块（21）接入牵引电机输出的直流电逆变为交流电，经过所述交流电处理模块（22）后输出供电电压；

所述励磁控制支路（1）的输入端通过整流变压模块（13）连接所述供电输出支路（2）的输出端，以对蓄电池电源模块（11）进行充电。

2.根据权利要求1所述的交直传动机车无火回送供电装置，其特征在于：所述供电输出支路（2）的输入端通过第一开关KM1与直流电机连接；所述供电输出支路（2）的输出端设置有第二开关KM2；所述励磁控制支路（1）的输出端通过第三开关KM3与直流电机励磁绕组连接。

3.根据权利要求2所述的交直传动机车无火回送供电装置，其特征在于：所述蓄电池电源模块（11）具体为机车牵引系统中蓄电池，所述蓄电池与所述直流斩波降压模块（12）之间设置有第四开关KM4；所述整流变压模块（13）为机车系统中整流变压器，所述整流变压器的一侧绕组与所述供电输出支路（2）的输出端连接，另一侧绕组与所述蓄电池连接。

4.根据权利要求3所述的交直传动机车无火回送供电装置，其特征在于：所述逆变模块（21）为四象限变流器。

5.根据权利要求4所述的交直传动机车无火回送供电装置，其特征在于：所述交流电流处理模块（4）包括用于对输入交流电进行滤波处理的滤波电路；所述滤波电路包括EMC滤波器，通过所述EMC滤波器滤除输入交流电中高次谐波。

6.根据权利要求5所述的交直传动机车无火回送供电装置，其特征在于：所述交流电流处理模块（4）的输出端设置有短路保护电路；所述短路保护电路包括快速熔断器F1。

7.根据权利要求6所述的交直传动机车无火回送供电装置，其特征在于：所述交流电处理模块（22）的输出端还设置有电压电流采集电路，通过所述电压电流采集电路采集所述交流电处理模块（22）输出的电压、电流信号，并反馈给所述逆变模块（21）以控制输出。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的交直传动机车无火回送供电装置，其特征在于：所述直流斩波降压模块（12）的输出端设置有并联连接的分流电阻R1、滤波电容C1；所述直流斩波降压模块（12）的输出端还设置有电压采集电路，通过所述电压采集电路采集所述直流斩波降压模块（12）的输出电压，并反馈给所述直流斩波降压模块（12）以控制输出。

9.根据权利要求1～7中任意一项所述的交直传动机车无火回送供电装置，其特征在于：还包括用于进行加热处理的加热支路（3），所述加热支路（3）分别与所述励磁控制支路（1）、供电输出支路（2）并联连接；所述加热支路（3）设置有温度开关KT1。

10.根据权利要求1～7中任意一项所述的交直传动机车无火回送供电装置，其特征在于：所述供电装置还设置有控制开关，通过所述控制开关控制接入或断开所述供电装置。

11.利用权利要求1～10中任意一项所述交直传动机车无火回送供电装置的供电控制方法，其特征在于包括：

当机车速度达到预设启动阈值时，控制所述励磁控制支路（1）接入所述蓄电池电源模块（11）进行供电；所述直流斩波降压模块（12）输出电压达到预设电压值时，控制励磁控制支路（1）接入直流电机励磁绕组、供电输出支路（2）接入直流电机，牵引电机进入发电状态；启动所述供电输出支路（2）中逆变模块（21）将牵引电机输出的直流电逆变为交流电，经过所述交流电处理模块（22）后控制输出供电电压给各供电负载，并给所述电源模块（1）进行充电；

当机车速度低于预设关闭阈值时，控制关闭所述直流斩波降压模块（12）、所述逆变模块（21），供电输出支路（2）停止供电；

当机车发生故障时，控制断开所述励磁控制支路（1）、供电输出支路（2）。

12.根据权利要求11所述的供电控制方法，其特征在于：所述当机车速度达到预设启动阈值时，具体通过控制闭合第四开关KM4控制接入所述蓄电池电源模块（11）；所述当机车速度达到预设启动阈值时，具体通过闭合第三开关KM3控制励磁控制支路（1）接入直流电机励磁绕组；所述当机车速度达到预设启动阈值时，具体通过闭合第一开关KM1控制供电输出支路（2）接入直流电机；所述当机车速度达到预设启动阈值时，具体通过闭合第二开关KM2控制输出供电电压。

13.根据权利要求11或12所述的供电控制方法，其特征在于：当机车所处环境的温度低于预设温度值时，控制启动加热支路（3）进行加热。