CN107070255A - 一种牵引动力装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种牵引动力装置，包括：整流器、牵引逆变器以及辅助变流单元；其中，整流器连接列车上的牵引变压器二次侧绕组，用于将牵引变压器二次侧绕组的单相交流电整流成直流电；牵引逆变器用于将直流电逆变成频率幅值可控的交流电以用来牵引电机；辅助变流单元包括斩波器、中频隔离DC/DC变流器、辅助逆变器以及正弦滤波器；斩波器用于对直流电进行调压；中频隔离DC/DC变流器用于对斩波器输出的直流电压进行中频逆变，生成中频的方波电压，并对中频的方波电压进行隔离变压后整流为低压直流电；辅助逆变器用于将低压直流电逆变为三相工频交流电；正弦滤波器连接辅助逆变器，用于对三相工频交流电进行滤波，生成正弦的三相交流电供给列车的交流负载。

Description

一种牵引动力装置
技术领域
本发明涉及轨道交通车载设备，尤其涉及高速动车组、城际动车组的牵引动力装置。
背景技术
牵引动力单元为高速动车组和城际动车组的核心零部件，它为列车提供动力和车载电源。图1为现有的牵引动力单元的结构示意图。如图1所示，牵引动力单元的输入为牵引变压器的二次侧绕组的单相交流电，通过整流器转换为直流电，然后通过牵引逆变器逆变成三相变频变压交流电，送给牵引电机，实现牵引和电制动。辅助逆变器将直流电逆变成三相交流电，经工频变压器实现变压和隔离，经电感、电容构成的正弦滤波器滤波后，得到工频三相交流电为列车的所有交流设备供电。充电机通常也可以作为牵引动力单元的一部分，其将直流电通过DC/DC变换，成110V直流电，作为列车的控制电输出。
但是，在现有的这种牵引动力单元的实现中，工频变压器的体积和重量非常可观，也通常是辅助变流器的最大单体部件。并且，功率等级越高，工频变压器的体积重量越大，对辅助变流器的机械设计、安装、重心控制等方面都造成挑战。而且，重量大的辅助变流器不利于车辆的轻量化和节能减排。另外，现有的这种动力单元中，充电机的输入电压通常比较高，例如可能为1800Vdc或3600Vdc，因此充电机是一个高压设备，如果其直接做DC/DC变换到110Vdc，电压差距很大，对充电机的要求比较高。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
本发明实施例提供一种牵引动力装置，以解决现有的牵引动力单元体积重量较大，且成本难度较高的问题。
为了达到上述目的，本发明实施例提供一种牵引动力装置，包括：整流器、牵引逆变器以及辅助变流单元；其中，所述整流器连接列车上的牵引变压器二次侧绕组，用于将所述牵引变压器二次侧绕组的单相交流电整流成直流电；所述牵引逆变器连接所述整流器，用于将所述直流电逆变成频率幅值可控的交流电以用来牵引电机；所述辅助变流单元包括斩波器、中频隔离DC/DC变流器、辅助逆变器以及正弦滤波器；所述斩波器连接所述整流器，用于对所述直流电进行调压；所述中频隔离DC/DC变流器连接所述斩波器，用于对所述斩波器输出的直流电压进行中频逆变，生成中频的方波电压，并对所述中频的方波电压进行隔离变压后整流为低压直流电；所述辅助逆变器连接所述中频隔离DC/DC变流器，用于将所述低压直流电逆变为三相工频交流电；所述正弦滤波器连接所述辅助逆变器，用于对所述三相工频交流电进行滤波，生成正弦的三相交流电供给列车的交流负载。
进一步地，在一实施例中，所述整流器为一台或多台；当所述整流器为多台时，并联连接于所述牵引变压器二次侧绕组，且每一个整流器对应连接一套牵引变压器二次侧绕组。
进一步地，在一实施例中，所述牵引逆变器为一台，用于控制多台电机。
进一步地，在一实施例中，所述牵引逆变器为多台，每一台牵引逆变器用于控制一台或多台电机。
进一步地，在一实施例中，所述斩波器为升压斩波器或降压斩波器，数量为一个或多个；当所述斩波器为多个时，所述多个斩波器串联连接并采用均压控制。
进一步地，在一实施例中，所述中频隔离DC/DC变流器包括中频逆变器、中频变压器以及中频整流器；所述中频逆变器用于对所述斩波器输出的直流电压进行中频逆变，生成中频的方波电压；所述中频变压器用于对所述中频的方波电压进行隔离变压；所述中频整流器用于对隔离变压后的方波电压进行整流，生成所述低压直流电。
进一步地，在一实施例中，还包括充电机；所述充电机连接所述中频隔离DC/DC变流器，用于将所述低压直流电进行DC/DC转换，作为列车的控制电。
本发明实施例的牵引动力单元所产生的有益效果如下：牵引动力单元中集成了牵引变流器和中频化辅助变流器，系统集成度很高；提高了辅助变流器的工作频率，显著提高轻量化水平；利用斩波器应对输入电压大范围变化，使得直流电压较低或较高时，辅助变流器部分均可以正常工作；利用斩波器的级联，使得斩波器和中频隔离DC/DC变流器可以采用较低电压等级的器件，工作频率可以进一步得到提高；斩波器和中频隔离DC/DC变流器协同工作，使直流电降压到一个较低直流电压水平，从而使得辅助逆变器和充电机都成了低压设备，显著降低了其设计难度和成本；辅助变流器采用模块化的设计，可方便的根据不同需求进行裁剪或者扩容。例如，可以通过斩波模块的串联适应更高电压，中频隔离DC/DC变流器的并联实现扩容，辅助逆变器的并联实现扩容。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的牵引动力装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种牵引动力装置的结构示意图；
图3为本发明实施例的多个斩波器输入串联的结构示意图；
图4为本发明实施例的中频隔离DC/DC变流器的结构示意图；
图5为本发明实施例1的牵引动力装置的具体实施例的电路结构图；
图6为本发明实施例2的牵引动力装置的具体实施例的电路结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。
下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。
本发明揭示一种牵引动力单元，实现牵引变流器和辅助变流器的集成设计，实现轻量化、小型化和集成化程度高的目的。
图2为本发明实施例的一种牵引动力装置的结构示意图。如图2所示，包括：整流器、牵引逆变器以及辅助变流单元；
其中，所述整流器连接列车上的牵引变压器二次侧绕组，用于将所述牵引变压器二次侧绕组的单相交流电整流成直流电；
所述牵引逆变器连接所述整流器，用于将所述直流电逆变成频率幅值可控的交流电以用来牵引电机；
所述辅助变流单元包括斩波器、中频隔离DC/DC变流器、辅助逆变器以及正弦滤波器；
所述斩波器连接所述整流器，用于对所述直流电进行调压；
所述中频隔离DC/DC变流器连接所述斩波器，用于对所述斩波器输出的直流电压进行中频逆变，生成中频的方波电压，并对所述中频的方波电压进行隔离变压后整流为低压直流电；
所述辅助逆变器连接所述中频隔离DC/DC变流器，用于将所述低压直流电逆变为三相工频交流电；
所述正弦滤波器连接所述辅助逆变器，用于对所述三相工频交流电进行滤波，生成正弦的三相交流电供给列车的交流负载。
在本实施例中，整流器将牵引变压器二次侧绕组的单相交流电整流成直流电。整流器可以是一台，也可以是多台并联，每台对应一套牵引变压器二次侧绕组。整流器中可集成斩波桥臂，实现制动斩波或过压保护功能。
在本实施例中，牵引逆变器将直流电逆变成频率幅值可控的交流电用来牵引电机。可以是一台逆变器控制4台电机，也可以是两台逆变器分别控制2台电机，也可以是四台逆变器，分别控制一台电机。
在本实施例中，辅助变流单元主要可以分为四部分，斩波器，中频隔离变流器，辅助逆变器，正弦滤波器。
动力单元的中间回路额定直流母线电压通常为1800V、3000V、3300V或3600V等，作为牵引逆变器和辅助变流器的输入直流电压。然而由于运行工况较复杂，中间直流电压并不总是工作在额定电压，例如，在整流器处于不控整流时，直流电压将显著低于额定直流母线电压，例如一半额定电压；而在制动工况时中间直流电压通常将高于额定电压。
直流输入连接到斩波器进行调压，输出直流电压作为中频隔离DC/DC变流器的输入。在直流电压大范围变化时，斩波器也可以确保辅助变流器部分正常工作。本发明中，斩波器可以为升压斩波器，也可以为降压斩波器；可以采用单个斩波器，也可以采用多级斩波器输入串联。如图3所示，当采用多个斩波器串联时，采用均压控制，确保每个单元通过的功率均等。
在本实施例中，中频隔离DC/DC变流器的工作频率可在5kHz～100kHz范围内，根据主要部件的能力，通常可设置为18kHz～25kHz范围内，相对于工频50Hz或60Hz而言，称之为中频。中频隔离变流器首先进行中频的单相逆变，将直流电压逆变为中频交流电。经过中频变压器降压以后，再整流、滤波得到低压直流电600Vdc～700Vdc，也可以固定在650Vdc。中频隔离DC/DC变流器采用LLC谐振技术，同时实现其中的逆变器和整流器的半导体器件的软开关。
如图4所示，所述中频隔离DC/DC变流器包括中频逆变器、中频变压器以及中频整流器；所述中频逆变器用于对所述斩波器输出的直流电压进行中频逆变，生成中频的方波电压，所述中频变压器用于对所述中频的方波电压进行隔离变压，所述中频整流器用于对隔离变压后的方波电压进行整流，生成所述低压直流电。
在本实施例中，辅助逆变器的输入直流电压650Vdc，经过辅助逆变器逆变成三相PWM调制的方波电压。由于电压等级低，所以逆变器的开关频率可以显著提高到几kHz到十几kHz。相比之下，传统方案中辅助逆变器的输入电压在1800Vdc或者3600Vdc，开关频率通常在几百Hz到1.5kHz。
在本实施例中，正弦滤波器采用电感，电容，构成正弦滤波器，将输入的三相PWM方波电压滤波后，得到正弦的三相交流电。正弦滤波器可以是LC结构的滤波器，也可以是LCL结构的滤波器。由于辅助逆变器的工作频率显著提高，对正弦滤波器的需求显著降低。因此需要的电感和电容远小于传统技术。
在另一实施例中，牵引动力装置还包括有充电机，其输入连接到中频隔离DC/DC变流器的输出上。因为充电机的输入是低压直流电，因此极大的降低了对充电机的设计难度，可以显著的提高充电机的紧凑程度。
图5和图6为本发明牵引动力装置的两个具体实施例的电路结构图。具体实施方式如下：
本实施例的牵引动力单元中包含两套完全一致的整流器1.7和2.7和两套完全一致的逆变器1.12和2.12，其直流母线都连接在一起。辅助变流器单元包括了两套斩波器8和9，其中图5所示实施例采用升压斩波器，图6所示实施例采用降压斩波器，两套中频隔离DC/DC变流器12和13，一套辅助逆变器5，一套正弦滤波器6，一套充电机17。
1、牵引变压器有两套二次侧绕组，分别通过电缆连接到动力单元的输入接口1.1和2.1，然后分别通过开关和预充电电路1.2和2.2，连接到整流器1.7和2.7的交流输入。
开关和预充电电路1.2由主开关1.3，预充电开关1.4和预充电电阻器1.5构成。预充电的过程是，整流器1.7不启动，预充电开关1.4首先闭合，牵引变流器的输入电压通过预充电电阻器1.5，对牵引变流器的直流支撑电容1.6进行充电。预充电完成后，主接触器1.3闭合，预充电过程结束。
开关和预充电电路2.2的构成与功能与1.2完全一致。
2、整流器1.7由两部分并联组成，单相整流桥1.8和一个制动斩波模块1.9构成。单相整流桥包含四个开关管。制动斩波模块包含两个开关管和一个制动电阻器1.10。
单相整流桥的四个开关管配合工作，对单相交流输入进行整流，得到一个稳定可控的直流电压作为输出。
制动斩波模块的功能是对直流电压进行主动放电。
整流器2.7与1.7结构功能完全一致。两个整流器可以协同工作，通过载波移相技术降低牵引变压器一次侧的电流谐波。
3、整流器1.7和2.7的直流输出都连接到直流支撑电容1.6上，作为动力单元的直流母线。直流支撑电容1.6的作用是储能、滤波。
4、牵引逆变器1.12和2.12的直流输入都连接到直流支撑电容1.6上。其分别进行逆变输出，作为机组的电机输出1.13和2.13。每个牵引逆变器驱动两台并联的电机，实现“架控”。
5、直流母线通过直流输出端子1.11，连接到辅助变流器单元的输入。
6、图5所示实施例的升压斩波单元8和9为两个完全相同的电路单元，其可以只采用一个桥臂，也可以采用更多桥臂并联，以提高容量或提高等效开关频率。
图5所示实施例的升压斩波单元8的桥臂中点，通过直流电抗7连接到直流母线1.11的正极上。升压斩波单元8的桥臂负母线，连接到升压斩波单元9的桥臂中点上。升压斩波单元9的负母线连接到直流母线1.11的负极。从而实现了升压斩波单元8和9的输入串联结构。
图5所示实施例的升压斩波单元8和9的开关管可以通过交错技术，实现更高的等效开关频率，从而减少直流电抗7上的电流谐波，从而减少其体积重量。
图5所示实施例的升压斩波单元8和9通过协同控制，实现其输出电压的均压。
7、图6所示实施例的降压斩波单元8和9为两个完全相同的电路单元，其可以只采用一个桥臂，也可以采用更多桥臂并联，以提高容量或等效开关频率。
图6所示实施例的输入端口1.11的电压由两个相同的电容串联均压，降压斩波单元8和9分别以两个电容电压为输入，实现降压斩波单元的输入串联结构。
图6所示实施例的降压斩波单元8和9的桥臂中点分别通过直流电抗7.1和7.2连接到直流电容10和11上。
图6所示实施例的降压斩波单元8和9通过协同控制，实现输出电压的均压。
8、斩波单元8的直流输出连接到直流电容10上，然后连接到中频隔离DC/DC变流器12的直流输入上。
斩波单元9的直流输出连接到直流电容11上，然后连接到中频隔离DC/DC变流器13的直流输入上。
9、中频隔离DC/DC变流器12中，逆变器12.1将直流输入的直流电，逆变成中频方波电压。施加到谐振电容器12.2和中频变压器12.3的原边串联形成的支路上。中频整流器12.4的桥臂中点，连接到中频变压器12.3的副边绕组上，将中频的交流电压整流为直流电压，作为中频隔离DC/DC变流器12的输出。
中频变压器12.3的原边漏感和激磁电感，和谐振电容器12.2，通过逆变器12.1的开关频率和两个谐振频率的配合，使得变压器原边逆变电路工作在零电压软开关状态，整流二极管桥12.4工作在零电流软开关状态，在完成电压转换的同时提高了系统效率。
中频隔离DC/DC变流器13的工作原理与12完全相同。
10、中频隔离DC/DC变流器12和13的输出母线并联，然后连接到低压直流支撑电容14上。
11、低压直流支撑电容14构成了中频化辅助变流器的低压直流母线，连接到辅助逆变器5上。辅助逆变器5将直流电压逆变成为三相工频交流电，然后连接到正弦滤波器6。正弦滤波器6由交流电抗器6.1和交流滤波电容器6.2组成。滤波电容器连接到输出接触器7上，然后连接到动力单元的输出15，为负载提供380V/50Hz三相交流电。
12、低压直流母线也连接到充电机17的输入上。充电机17将输入电压转换为110V直流电压，连接到动力单元的输出18，为负载提供110V直流电。
本发明实施例的牵引动力单元所产生的有益效果如下：
1、牵引动力单元中集成了牵引变流器和中频化辅助变流器，系统集成度很高；
2、提高了辅助变流器的工作频率，显著提高轻量化水平；
3、利用斩波器应对输入电压大范围变化，使得直流电压较低或较高时，辅助变流器部分均可以正常工作；
4、利用斩波器的级联，使得斩波器和中频隔离DC/DC变流器可以采用较低电压等级的器件，工作频率可以进一步得到提高；
5、斩波器和中频隔离DC/DC变流器协同工作，使直流电降压到一个较低直流电压水平，从而使得辅助逆变器和充电机都成了低压设备，显著降低了其设计难度和成本；
6、辅助变流器采用模块化的设计，可方便的根据不同需求进行裁剪或者扩容。例如，可以通过斩波模块的串联适应更高电压，中频隔离DCDC变流器的并联实现扩容，辅助逆变器的并联实现扩容。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种牵引动力装置，其特征在于，包括：整流器、牵引逆变器以及辅助变流单元；
其中，所述整流器连接列车上的牵引变压器二次侧绕组，用于将所述牵引变压器二次侧绕组的单相交流电整流成直流电；
所述牵引逆变器连接所述整流器，用于将所述直流电逆变成频率幅值可控的交流电以用来牵引电机；
所述辅助变流单元包括斩波器、中频隔离DC/DC变流器、辅助逆变器以及正弦滤波器；
所述斩波器连接所述整流器，用于对所述直流电进行调压；
所述中频隔离DC/DC变流器连接所述斩波器，用于对所述斩波器输出的直流电压进行中频逆变，生成中频的方波电压，并对所述中频的方波电压进行隔离变压后整流为低压直流电；
所述辅助逆变器连接所述中频隔离DC/DC变流器，用于将所述低压直流电逆变为三相工频交流电；
所述正弦滤波器连接所述辅助逆变器，用于对所述三相工频交流电进行滤波，生成正弦的三相交流电供给列车的交流负载。
2.根据权利要求1所述的牵引动力装置，其特征在于，所述整流器为一台或多台；当所述整流器为多台时，并联连接于所述牵引变压器二次侧绕组，且每一个整流器对应连接一套牵引变压器二次侧绕组。
3.根据权利要求1所述的牵引动力装置，其特征在于，所述牵引逆变器为一台，用于控制多台电机。
4.根据权利要求1所述的牵引动力装置，其特征在于，所述牵引逆变器为多台，每一台牵引逆变器用于控制一台或多台电机。
5.根据权利要求1所述的牵引动力装置，其特征在于，所述斩波器为升压斩波器或降压斩波器，数量为一个或多个；
当所述斩波器为多个时，所述多个斩波器串联连接并采用均压控制。
6.根据权利要求1所述的牵引动力装置，其特征在于，所述中频隔离DC/DC变流器包括中频逆变器、中频变压器以及中频整流器；
所述中频逆变器用于对所述斩波器输出的直流电压进行中频逆变，生成中频的方波电压；
所述中频变压器用于对所述中频的方波电压进行隔离变压；
所述中频整流器用于对隔离变压后的方波电压进行整流，生成所述低压直流电。
7.根据权利要求1-6任一项所述的牵引动力装置，其特征在于，还包括充电机；
所述充电机连接所述中频隔离DC/DC变流器，用于将所述低压直流电进行DC/DC转换，作为列车的控制电。
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