CN107888083A - 一种内燃机车交流传动系统主电路功率单元 - Google Patents

一种内燃机车交流传动系统主电路功率单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内燃机车交流传动系统主电路功率单元，包括整流电路、斩波电路和逆变电路；整流电路由三组桥臂并联，组成一个完整的三相整流电路；斩波电路包括三个独立的斩波支路，每条斩波支路由单管和斩波电阻串接而成；一组整流桥臂和一路斩波支路组成一个牵引整流和斩波相模块，三个相模块并联后，再跨接在中间直流环节的直流母线的正负两端；所述中间直流环节连接至逆变电路；逆变电路由三个逆变功率模块并联组成。本发明优化斩波电路的主电路拓扑结构，增加冗余设计，保证系统工作可靠性。并且采用相模块的方式，优化部件选型和系统散热设计。本发明对功率模块进行统型设计，增加功率模块互换性，增加可维护性。

Description

一种内燃机车交流传动系统主电路功率单元
技术领域
本发明属于内燃机车技术领域，涉及内燃机车交流传动系统主电路，尤其是一种内燃机车交流传动系统主电路功率单元。
背景技术
内燃机车交流传动系统为单柴油机组发电，柴油机拖动主发电机，输出三相交流电，经不控整流电路、斩波电路、中间直流环节、逆变电路，驱动牵引电机从而完成机车牵引控制，系统主电路原理如图1所示。
斩波电路的作用是当直流电网发生过压时，开启斩波电路，保持直流电网波动在允许的范围内；在制动过程中牵引电动机转为发电机运行。由于采用二极管不控整流电路，制动过程发出的能量无法回馈电网，所以过压斩波电路也兼具电阻制动的功能，将电能变成制动电阻的热能消耗掉。
现有技术中，内燃机车交流传动系统主电路采用如图2的电路拓扑：整流采用三相二极管不控全桥电路，逆变采用三相全桥可控电路，采用IGBT作为开关器件，采用PWM调制方式。斩波电路采用两个IGBT并联的方式进行分流，满足斩波电路的设计容量要求。
根据主电路的结构，每个变流器由1个整流模块、1个斩波模块和3个逆变模块共同构成机车主电路。3个逆变模块实现相同的功能，因而采用相同的结构设计。整流模块、斩波模块放置于变流器上方，3个逆变功率模块置于变流柜底部，方便和下面的牵引电机相连接，风道在变流柜背部，功率单元的散热器置于风道中。功率单元在变流器中的布局示意如图3所示。由图3可知，作为变流柜的主要发热源，几个功率单元在风道中的布置并不均匀，这将会产生以下问题：
1、由于阻力原因，较多的风量会从左侧阻力最小的地方通过，该位置功率模块需耗散的热量却最小。
2、三个相同的逆变模块前级为不同的功率单元，功能不同导致发热量不同，外形结构不同导致风阻不同，但对于逆变模块的部件选型，必须按照满足最恶劣工况下的工作条件进行设计，导致系统设计余量大。
3、对于一个变流器来说，需设计整流模块、斩波模块、逆变模块三种不同的模块产品，模块的互换性也不好，也增加了产品设计的工作量，另外，为了满足产品设计要求，斩波电路采用IGBT双管并联，再与斩波电阻连接，IGBT器件的并联存在不均流等问题，导致电路可靠性不高。
以上问题带来的结果是增加了整个系统的设计复杂程度和设计容量，也增加了设计成本，而且整个系统的散热设计也不合理，系统的可靠性不高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种内燃机车交流传动系统主电路功率单元。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
这种内燃机车交流传动系统主电路功率单元，包括整流电路、斩波电路和逆变电路；所述整流电路由三组桥臂并联，组成一个完整的三相整流电路；所述斩波电路包括三个独立的斩波支路，每条斩波支路由单管和斩波电阻串接而成；一组整流桥臂和一路斩波支路组成一个牵引整流和斩波相模块，三个相模块并联后，再跨接在中间直流环节的直流母线的正负两端；所述中间直流环节连接至逆变电路；所述逆变电路由三个逆变功率模块并联组成。
进一步，上述整流电路、斩波电路和逆变电路均设置在内燃机车变流柜的柜体中，在柜体中设置有三个相互独立用以散热的风道，每个独立风道中设置有一个牵引整流和斩波相模块和一个逆变功率模块。
进一步，上述逆变功率模块为三相逆变功率单元。
进一步，上述三相逆变功率单元连接有电动机。
进一步，上述三个相互独立的风道结构布局相同。
进一步，上述整流电路的为三相不控整流电路，所述三相不控整流电路连接至斩波电路。
本发明具有以下有益效果：
本发明的内燃机车交流传动系统主电路功率单元采用强迫风冷散热方式，模块化的设计实现了大功率变流装置的高功率密度和高度集成，增加了功率模块的可维护性。整流和斩波采用相模块的功率单元结构方式，均匀布置于变流柜内，模块的统型简化了功率模块的设计；斩波电路采用IGBT单管，并采用支路并联的方式，满足电路容量的同时，也增加了系统冗余，提高了系统的可靠性。
附图说明
图1为内燃机车交流传动系统主电路原理图；
图2为现有技术的主电路拓扑图；
图3为现有技术的功率单元布局示意图；
图4为本发明的主电路拓扑图；
图5为本发明的功率单元布局示意图；
图6为本发明的功率单元柜内布局三维示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图4和图5：本发明的内燃机车交流传动系统主电路功率单元包括整流电路、斩波电路和逆变电路；其中整流电路由三组桥臂并联，组成一个完整的三相整流电路。斩波电路包括三个独立的斩波支路，每条斩波支路由单管和斩波电阻串接而成；一组整流桥臂和一路斩波支路组成一个牵引整流和斩波相模块2，三个相模块并联后，再跨接在中间直流环节的直流母线的正负两端；中间直流环节连接至逆变电路；逆变电路由三个逆变功率模块并联组成。
逆变功率模块为三相逆变功率单元。三相逆变功率单元连接有电动机。本发明的整流电路为三相不控整流电路，三相不控整流电路连接至斩波电路。
如图6所示：本发明的整流电路、斩波电路和逆变电路均设置在内燃机车变流柜的柜体1中，在柜体1中设置有三个相互独立用以散热的风道，每个独立风道中设置有一个牵引整流和斩波相模块和一个逆变功率模块。三个相互独立的风道结构布局相同，均匀的布局方式有利于功率模块的设计选型和散热设计。在本发明风道的实施例中，只有模块的散热器部分才置于三个风道中，模块的其他部件在风道的前部，和风道通过密封条隔离。
综上所述，本发明由图4可以看出，斩波电路采用三个独立的斩波支路，每条支路由单管和斩波电阻串接而成，三个斩波支路并联后，再跨接在直流母线的正负两端。在变流柜的实际布局时，将一个三相整流单元拆成三个独立的桥臂，每组桥臂和一路斩波电路共同组成一个牵引整流和斩波相模块2。整个变流柜包括三个整流和斩波相功率模块2和三个三相逆变功率单元。这样整个变流柜只包括两种类型的模块，设计的统型有利于功率单元的互换，方便安装维护。
本发明遵循绿色设计的理念，综合考虑主电路工作的可靠性、功率单元的散热设计、产品设计成本和安装维护成本等因素，解决了以下问题：
1)优化斩波电路的主电路拓扑结构，增加冗余设计，保证系统工作可靠性。
2)采用相模块的方式，优化部件选型和系统散热设计。
3)对功率模块进行统型设计，增加功率模块互换性，增加可维护性。

Claims (6)

1.一种内燃机车交流传动系统主电路功率单元，其特征在于，包括整流电路、斩波电路和逆变电路；所述整流电路由三组桥臂并联，组成一个完整的三相整流电路；所述斩波电路包括三个独立的斩波支路，每条斩波支路由单管和斩波电阻串接而成；一组整流桥臂和一路斩波支路组成一个牵引整流和斩波相模块(2)，三个相模块并联后，再跨接在中间直流环节的直流母线的正负两端；所述中间直流环节连接至逆变电路；所述逆变电路由独立的三相全桥可控逆变功率模块并联组成。
2.根据权利要求1所述的内燃机车交流传动系统主电路功率单元，其特征在于，所述整流电路、斩波电路和逆变电路均设置在内燃机车变流柜的柜体(1)中，在柜体(1)中设置有三个相互独立用以散热的风道，每个独立风道中设置有一个牵引整流和斩波相模块(2)和一个逆变功率模块。
3.根据权利要求2所述的内燃机车交流传动系统主电路功率单元，其特征在于，所述逆变功率模块为三相全桥可控逆变。
4.根据权利要求3所述的内燃机车交流传动系统主电路功率单元，其特征在于，所述三相逆变功率单元连接有电动机。
5.根据权利要求2所述的内燃机车交流传动系统主电路功率单元，其特征在于，所述三个相互独立的风道结构布局相同。
6.根据权利要求1所述的内燃机车交流传动系统主电路功率单元，其特征在于，所述整流电路为三相不控整流电路，所述三相不控整流电路连接至斩波电路。
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