CN107627860B - 一种实现无火回送的外接供电装置和方法 - Google Patents
一种实现无火回送的外接供电装置和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种无火回送装置(1)和方法，该装置是一种外接供电装置，包括第一逆变器(11)、第二逆变器(12)、控制模块(13)、DC/DC变换器(14)、蓄电池(15)、第一开关(41)和第二开关(42)；第一逆变器(11)一端通过开关(41)连接主牵引变流器(21)与主牵引电机(31)之间的接点(51)，另一端连接直流母线；蓄电池(15)连接DC/DC变换器(14)的一端；DC/DC变换器(14)的另一端连接直流母线；第二逆变器(12)的一端连接直流母线，另一端通过第二开关(42)连接车载辅助设备(32)与车载辅助逆变器(22)之间的接点(52)。该装置(1)为独立于机车外部的装置，通过蓄电池(15)提供主牵引电机(31)的预励磁，并通过主牵引电机(31)的制动模式即发电机模式将机械能转换为电能，可在列车无火回送时为机车辅助负载提供能量，无须利用车载蓄电池的能量，无须对车体本身进行改造，即连即用。
Description
技术领域
本申请涉及轨道交通领域和电力电子技术领域，尤其是一种适用于轨道交通车辆的无火回送的方法和装置，以及一种对车辆无火回送时变流供电的装置。
背景技术
在轨道交通领域，列车一般采用主辅一体变流器，如图1所示，主牵引变流器连接驱动车辆的主电机M，辅助变流器连接辅助负载以及蓄电池，辅助负载包括空调、照明、控制系统等。所谓主辅一体变流器，即列车的主牵引系统和辅助系统的电力均来自同一个直流电源，可为图1中的AC/DC变流器，当列车主牵引系统因发生故障等原因无法工作时，不能从电网侧获得能量，辅助系统无输入能量，空调、照明、控制系统等设备无法工作。
当列车主牵引系统因发生故障等原因无法工作时，或处于检修状态，需要将列车拖至维修厂修理，这一过程就是机车无火回送。所谓机车无火回送，是指将机车附挂到另一辆机车后，被其拖行的故障机车自身不工作，即电力不升弓，内燃不起机，蒸汽不点火。在机务部门的机车附挂安全措施中，无论是内燃机车，还是电力机车，都有一整套机车无火回送的操作方法和安全控制措施。《和谐机车回送管理办法》中规定，接车乘务员在机车回送途中，严禁升弓，一律按无动力回送办理，在途中，辅助系统的电能来源仅依靠机车自带的蓄电池，由于蓄电池容量有限，要求不得长时间开启机车照明设备，以防止机车蓄电池亏电。列车在被拖回维修厂的过程中，由于辅助设备不能正常工作，导致制动系统的压缩机不能正常工作，无法提供列车电气制动所需能量，给行车带来很大的安全隐患。此外，由于照明、通讯、监控、空调等设备不能长时间从蓄电池取电，所以长时间的无火回送过程中，车辆乘务人员如司机的舒适度极低。
现有技术中为了解决上述问题，给出了一些解决方案。例如，图2示出了申请号为CN201610935995.X的发明专利申请。该现有技术公开的装置包括：110V蓄电池、预充电单元、位于上部的主牵引逆变器、牵引电机、位于下部的辅助逆变器，以及辅助负载。该110V蓄电池与预充电单元连接，预充电单元与中间直流母线连接，中间直流母线与主牵引逆变器连接，主牵引逆变器与牵引电机连接，中间直流母线还与辅助逆变器连接，辅助逆变器连接辅助负载。该现有技术还公开了一种由蓄电池提供励磁能量、通过机车电机制动给辅助供电的无火回送方法。
上述现有技术的装置和方法的出发点是：虽然列车在无火回送时电力不升弓，无法从接触网获得电能，但是此时机车附挂于其他正常运行的机车后面，牵引电机处于被牵引的状态，如果利用蓄电池的直流电能通过主牵引逆变器变流从而对牵引电机进行励磁，就可以在制动模式下(即牵引电机工作在发电机状态下)将机械能转换为电能，此时如果改变主牵引逆变器的工作状态，使得主牵引逆变器工作在整流工况，就可以将这一部分电能整流为中间直流母线上的直流电能，维持直流侧电压稳定，然后驱动辅助逆变器工作，将中间直流母线上的直流电能逆变为辅助负载额定工作的电压制式，为辅助负载即辅助设备正常工作提供能量。这样就解决了无火回送时辅助设备无法工作的问题。
上述方法能一定程度上解决辅助设备无法工作的问题。然而上述方法和装置具有一定的局限性。即，这种方法集成在列车的控制系统中。而对于已投入运营而不包含此模块的机车来说，进行改造的成本较大，且容易对已有系统造成影响。此外，由于在预励磁中使用了车载蓄电池，即动力电池，容易造成动力电池亏电等影响动力电池寿命的行为。也即，上述无火回送装置和方法由于需要改变机车内部结构，不适用于已经生产出来的机车。因此，研发一种适应性强，位于机车外部，可应用于任何厂家的机车的无火回送装置和方法是十分必要的。
发明内容
针对现有技术和设备存在的问题，本申请提供了一种方便、可移植、适用性强的无火回送方法和装置。适用于图1中车载变流装置及类似装置的电力机车的辅助变流。解决了电力机车无火回送时辅助设备无法工作的问题。
本申请的核心思想是：机车无火回送时，不利用车载动力电池，而是利用独立的无火回送装置自带的蓄电池，仍能达到现有技术中的无火回送模块的功能。此装置独立于机车的控制系统，对外只有两个接口，分别接于主牵引电机与辅助负载，因而适用于所有电力机车。本装置的两个接口中，第一接口与主牵引电机引出线相连，第二接口与辅助设备输入接口相连，通过本申请的单独的无火回送装置对车载变流装置进行预励磁、整流、逆变等电能变换。
本申请提供了一种无火回送装置，是一种实现无火回送的外接供电装置，包括：第一逆变器、第二逆变器、控制模块、DC/DC变换器、蓄电池、第一开关和第二开关；第一逆变器的第一端通过第一开关连接主牵引变流器与主牵引电机之间的第一接点。第一逆变器的第二端连接第一直流母线。蓄电池输出端连接DC/DC变换器的第一端。DC/DC变换器的第二端连接第一直流母线。第二逆变器的输入端连接第一直流母线。第二逆变器的输出端通过第二开关连接辅助负载与车载辅助逆变器之间的第二接点，控制模块由蓄电池供电，控制模块分别为DC/DC变换器、第一逆变器和第二逆变器提供控制信号；所述无火回送装置为独立于机车外部的一个装置。
作为一种优选的方案，在第二逆变器的输出端与第二开关之间连接滤波器。第二逆变器的输出端连接滤波器，滤波器的输出端通过第二开关连接辅助负载与车载辅助逆变器之间的第二接点。
作为一种优选的方案，在第一直流母线处设置电容，以提供稳定的母线电压。
作为一种优选的方案，电容设置在第一逆变器的第二端，或者设置在DC/DC变换器的第二端，或者设置在第二逆变器的输入端。
作为一种优选的方案，在第一逆变器的第二端设置第一电容，在DC/DC变换器的第二端设置第二电容，在第二逆变器的输入端设置第三电容。
本申请还提供一种无火回送方法，是一种实现无火回送的外接供电方法，所述方法包括：将第一逆变器的第一端通过第一开关连接至主牵引变流器与主牵引电机之间的第一接点，将第一逆变器的第二端连接至第一直流母线，将蓄电池的输出端连接至DC/DC变换器的第一端，将DC/DC变换器的的第二端连接至第一直流母线，将第二逆变器的输入端连接至第一直流母线，将第二逆变器的输出端通过第二开关连接至辅助负载与车载辅助逆变器之间的第二接点，控制模块由蓄电池供电，分别为DC/DC变换器、第一逆变器和第二逆变器提供控制信号,其中，第一逆变器、第二逆变器、控制模块、DC/DC变换器、蓄电池、第一开关和第二开关均独立于机车外部。
本申请的无火回送装置和方法的技术效果是：是一种实现无火回送的外接供电装置和方法，适用于所有电力机车无火回送时的能量反馈装置，所述装置的接口简单清晰，有独立的控制模块与蓄电池，安装拆卸方便，维修简单。
附图说明
图1是现有技术的车载变流装置。
图2是现有技术的无火回送模块的示意图。
图3是本申请的无火回送装置的第一实施方式的示意图以及其应用于车载变流装置的示意图。
图4是本申请的无火回送装置的第二实施方式的示意图以及其应用于车载变流装置的示意图。
图5是本申请的无火回送装置的第三实施方式的示意图以及其应用于车载变流装置的示意图。
图6是本申请的无火回送装置的第四实施方式的示意图以及其应用于车载变流装置的示意图。
图7是本申请装置系统流程图和启动流程图。
具体实施方式
以下将结合图3对本申请的第一实施方式的无火回送装置进行说明。
本申请的无火回送装置1是一种实现无火回送的外接供电装置，包括：第一逆变器11、第二逆变器12、控制模块13、DC/DC变换器14、蓄电池15、第一开关41和第二开关42；第一逆变器11的第一端通过第一开关41连接主牵引变流器21与主牵引电机31之间的第一接点51。第一逆变器11的第二端连接第一直流母线。蓄电池15输出端连接DC/DC变换器14的第一端。DC/DC变换器14的第二端连接第一直流母线。第二逆变器12的输入端连接第一直流母线。第二逆变器12的输出端通过第二开关42连接辅助负载32与车载辅助逆变器22之间的第二接点52，控制模块13由蓄电池15供电，控制模块13分别为DC/DC变换器14、第一逆变器11和第二逆变器12提供控制信号；所述无火回送装置1为独立于机车外部的无火回送装置，所述装置通过蓄电池15提供主牵引电机31的预励磁，并通过主牵引电机31的制动模式即发电机模式将机械能转换为电能，从而可以在列车无火回送时为辅助负载提供能量，系统无须利用车载蓄电池的能量，无须对车体本身进行改造，即连即用。
本申请第一实施方式的独立的无火回送装置与机车的连接接口只有第一接点51和第二接点52。第一接点51为主牵引变流器21与主牵引电机31之间的接点，第二接点52为辅助负载32与车载辅助逆变器22之间的接点。
接下来解释各模块的工作原理、连接方式、具体的实现方案。需要说明的是，下述具体的实现方案和连接方式仅为优选方案，而不是必需的。
第一逆变器11的作用为：(1)在主牵引电机31励磁阶段，将直流母线上的直流电逆变为三相交流电，对主牵引电机31励磁，其中直流母线上的直流电由蓄电池15经DC/DC变换器14升压得到；(2)在主牵引电机31处于发电状态，即为负载提供电能的工况时，将主牵引电机31所发的交流电整流为直流电，维持直流母线电压，并能够给蓄电池15提供能量。第一逆变器11的拓扑结构优选采用三相全桥拓扑，器件选型为耐压1200V耐流120A的IGBT开关管，控制算法优选采用无速度传感器的矢量控制，通过电压闭环为后级算法提供转矩，维持直流侧电压恒定。
第二逆变器12的作用为将直流侧电压逆变为三相交流电，从而提供给辅助设备。拓扑结构优选采用三相全桥拓扑，器件优选IGBT开关管，控制算法优选采用双闭环的SPWM控制。
DC/DC变换器14的作用为：(1)在主牵引电机31励磁阶段，DC/DC变换器14将蓄电池15的电压升至直流母线电压，并维持直流母线电压，直流母线电压优选为600V；(2)当主牵引电机31处于制动发电工况时，DC/DC变换器14反向流动给蓄电池15充电至满。DC/DC变换器14优选隔离型双向DC/DC变换器，高压侧器件优选碳化硅(SiC)MOSFET,低压侧器件优选硅(Si)MOSFET。
蓄电池15的作用是在主牵引电机31处于励磁阶段，为DC/DC变换器14提供能量输入。蓄电池15优选110V锂电池。
以下将结合图4对本申请的第二实施方式的无火回送装置进行说明。
在第二实施方式中，在第二逆变器12的输出端与第二开关42之间连接滤波器19。第二逆变器12的输出端连接滤波器19，滤波器19的输出端通过第二开关42连接辅助负载32与车载辅助逆变器22之间的第二接点52。滤波器19的作用为将第二逆变器12输出的脉冲交流电压滤波为三相正弦电压。滤波器19优选为LC滤波器。
以下将结合图5对本申请的第三实施方式的无火回送装置进行说明。
在第三实施方式中，在第一直流母线处设置电容16，以提供稳定的母线电压。需要说明的是，电容16可以设置在第一逆变器11的第二端，可以设置在DC/DC变换器14的第二端，可以设置在第二逆变器12的输入端，也可以设置在第一直流母线侧。上述四种电路连接关系均等效为设置在第一直流母线侧。此外，第三实施方式也可以包含第二实施方式中的滤波器19。
以下将结合图6对本申请的第四实施方式的无火回送装置进行说明。
在第四实施方式中，在第一逆变器11的第二端设置第一电容16，在DC/DC变换器14的第二端设置第二电容18，在第二逆变器12的输入端设置第三电容17，即将电容分散设置在与第一直流母线相连的部件侧，以提供稳定的母线电压。此外，第四实施方式也可以包含第二实施方式中的滤波器19。
本申请还提供一种无火回送方法，是一种实现无火回送的外接供电方法，所述方法包括：将第一逆变器11的第一端通过第一开关41连接至主牵引变流器21与主牵引电机31之间的第一接点51，将第一逆变器11的第二端连接至第一直流母线，将蓄电池15的输出端连接至DC/DC变换器14的第一端，将DC/DC变换器的14的第二端连接至第一直流母线，将第二逆变器12的输入端连接至第一直流母线，将第二逆变器12的输出端通过第二开关42连接至辅助负载32与车载辅助逆变器22之间的第二接点52，控制模块13由蓄电池供电，分别为DC/DC变换器14、第一逆变器11和第二逆变器12提供控制信号,其中，第一逆变器11、第二逆变器12、控制模块13、DC/DC变换器14、蓄电池15、第一开关41和第二开关42均独立于机车外部。由第一逆变器11、第二逆变器12、控制模块13、DC/DC变换器14、蓄电池15、第一开关41和第二开关42组成的无火回送装置通过蓄电池15提供主牵引电机31的预励磁，并通过主牵引电机31的制动模式即发电机模式将机械能转换为电能，从而可以在列车无火回送时为辅助负载提供能量，无须利用车载蓄电池的能量，无须对车体本身进行改造，即连即用。
图7给出了本申请的无火回送装置和方法的系统流程图和启动流程图。
本申请是一种无火回送装置和方法，是适用于所有电力机车无火回送时的能量反馈装置和方法。装置接口简单清晰，有独立的控制模块与蓄电池，安装拆卸方便，维修简单，本申请的保护范围不局限于上述实物，凡是利用本独立装置和方法为机车无火回送提供能量的装置和方法都属于本申请的保护范围。
Claims (9)
1.一种实现无火回送的外接供电装置，其特征在于，包括：第一逆变器(11)、第二逆变器(12)、控制模块(13)、DC/DC变换器(14)、蓄电池(15)、第一开关(41)和第二开关(42)；第一逆变器(11)的第一端通过第一开关(41)连接主牵引变流器(21)与主牵引电机(31)之间的第一接点(51)；第一逆变器(11)的第二端连接第一直流母线；蓄电池(15)输出端连接DC/DC变换器(14)的第一端；DC/DC变换器(14)的第二端连接第一直流母线；第二逆变器(12)的输入端连接第一直流母线；第二逆变器(12)的输出端通过第二开关(42)连接辅助负载(32)与车载辅助逆变器(22)之间的第二接点(52)，控制模块(13)由蓄电池(15)供电，控制模块(13)分别为DC/DC变换器(14)、第一逆变器(11)和第二逆变器(12)提供控制信号；无火回送装置(1)独立于机车外部，通过蓄电池(15)提供主牵引电机(31)的预励磁，并通过主牵引电机(31)的制动模式将机械能转换为电能，在列车无火回送时为辅助负载(32)提供能量，并给蓄电池(15)提供能量。
2.如权利要求1所述的实现无火回送的外接供电装置，其特征在于：所述无火回送装置与机车的连接接口为第一接点(51)和第二接点(52)，其中第一接点(51)为主牵引变流器(21)与主牵引电机(31)之间的接点，第二接点(52)为辅助负载(32)与车载辅助逆变器(22)之间的接点。
3.如权利要求1或2所述的实现无火回送的外接供电装置，其特征在于：在第二逆变器(12)的输出端与第二开关(42)之间连接滤波器(19)；第二逆变器(12)的输出端连接滤波器(19)，滤波器(19)的输出端通过第二开关(42)连接辅助负载(32)与车载辅助逆变器(22)之间的接点(52)。
4.如权利要求1或2所述的实现无火回送的外接供电装置，其特征在于：在第一直流母线处设置电容(16)，以提供稳定的母线电压；或者将电容(16) 设置在第一逆变器(11)的第二端；或者将电容(16)设置在DC/DC变换器(14)的第二端；或者将电容(16)设置在第二逆变器(12)的输入端。
5.如权利要求1或2所述的实现无火回送的外接供电装置，其特征在于：在第一逆变器(11)的第二端设置第一电容(16)，并且在DC/DC变换器(14)的第二端设置第二电容(18)，并且在第二逆变器(12)的输入端设置第三电容(17)。
6.如权利要求1或2所述的实现无火回送的外接供电装置，其特征在于：在主牵引电机(31)励磁阶段，第一逆变器(11)将第一直流母线上的直流电逆变为三相交流电，对主牵引电机(31)励磁，其中第一直流母线上的直流电由蓄电池(15)经DC/DC变换器(14)升压得到；在主牵引电机(31)处于发电状态，即为负载提供电能的工况时，第一逆变器(11)将主牵引电机(31)所发的交流电整流为直流电，维持直流母线电压。
7.如权利要求1或2所述的实现无火回送的外接供电装置，其特征在于：第二逆变器(12)将直流侧电压逆变为三相交流电，从而提供给辅助设备。
8.如权利要求1或2所述的实现无火回送的外接供电装置，其特征在于：DC/DC变换器(14)为双向DC/DC变换器，在主牵引电机(31)励磁阶段，DC/DC变换器(14)将蓄电池(15)的电升压至第一直流母线电压，维持第一直流母线电压；当在主牵引电机(31)处于发电状态，即为负载提供电能的工况时，DC/DC变换器(14)反向流动给蓄电池(15)充电直至充满。
9.一种利用如权利要求1-8任一项所述的实现无火回送的外接供电装置实现无火回送的外接供电方法，其特征在于，所述方法包括：将第一逆变器(11)的第一端通过第一开关(41)连接至主牵引变流器(21)与主牵引电机(31)之间的接点(51)，将第一逆变器(11)的第二端连接至第一直流母线，将蓄电池(15)的输出端连接至DC/DC变换器(14)的第一端，将DC/DC变换器(14)的第二端连接至第一直流母线，将第二逆变器(12)的输入端连接至第一直流母线，将第二逆变器(12)的输出端通过第二开关(42)连接至辅助负载(32)与车载辅助逆变器(22)之间的接点(52)，控制模块(13)由蓄电池(15)供电，分别为DC/DC变换器(14)、第一逆变器(11)和第二逆变器(12)提供控制信号，其中，第一逆变器(11)、第二逆变器(12)、控制模块(13)、DC/DC变换器(14)、蓄电池(15)、第一开关(41)和第二开关(42)均独立于机车外部，所述无火回送装置通过蓄电池(15)提供主牵引电机(31)的预励磁，并通过主牵引电机(31)的制动模式将机械能转换为电能，在列车无火回送时为辅助负载提供能量。
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