CN108696149A - 牵引变流器及其控制、故障处理和载波移相方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种牵引变流器及其控制、故障处理和载波移相方法，所述牵引变流器包括分别与牵引变压器的二次侧绕组连接的第一预充电回路和第二预充电回路，与第一预充电回路串联连接的第一重四象限整流器模块，与第二预充电回路串联连接的第二重四象限整流器模块，输入端分别与第一重四象限整流器模块的输出端和第二重四象限整流器模块的输出端连接的中间直流电压回路，输入端与中间直流电压回路的输出端连接的第一牵引逆变器模块、第二牵引逆变器模块和辅助逆变系统。本发明牵引变流器可以单重四象限整流器模块运行，单个牵引逆变器模块运行，鲁棒性强，故障率低，体积、成本减小。

Description

牵引变流器及其控制、故障处理和载波移相方法
技术领域
本发明属于轨道车辆牵引变流技术领域，涉及轨道车辆牵引变流装置，具体地说，涉及一种可单重四象限运行的牵引变流器及其控制、故障处理和载波移相方法。
背景技术
城际动车组是为城际铁路“量身打造”，专门服务于城市群和大都市圈的新型快捷交通工具，有“都市圈里的快捷使者”之称。城际动车组是在继承高速动车组技术平台的基础上，融合了城轨地铁的车辆技术，具有“速度快、起停快”等特点，有效满足城市群内的快速通勤需求。同时，许多城市群客流量较小，而又同样具有快速通勤需求，运营使用标准8编组动车组不免浪费运能，增加运营成本。因此，短编(通常为4编)城际动车组应运而成。使用短编动车组既可以充分利用运能，又可以缩短发车间隔，满足用户需求；短编动车组也可以重联运行，单次载客量加倍，满足部分城市群大运量的需求。
由于现有动车组(标准8编组)动力车数较多，或者动车/拖车比高，丢失一个动力车对车辆运营的影响较小。但是由于短编动车组动力车数少，一旦有动车损失动力，列车会降速运行甚至停车。严重影响列车到达的准确性，甚至会影响其他车辆的运行。牵引变流器是动车组关键部件之一，安装在动车组动力车底部，其主要功能是转换交流制和直流制间的电能量，把来自接触网上的AC25kV转换为0-1400V的三相交流电，通过矢量控制实现对交流牵引电动机起动、制动、调速控制。同时，还可以通过辅助逆变电路的控制，实现3AC380V的辅助交流输出，带动整车空调等负载。
现有的牵引变流器，其主电路简图参见图1，由图1可知，两重四象限整流器模块通过低感母排与牵引逆变器模块连接，四象限整流器模块、牵引逆变器模块和辅助逆变系统共用一个中间直流环节。若其中有一重四象限整流器模块发生故障，就会使牵引变流器整机故障停机，该动力车损失全部动力。
此外，还有一类牵引变流器，其主电路简图参见图2，由图2可知，单重四象限整流器模块通过低感母排与单个牵引逆变器模块相连，组成1套牵引子系统，每个牵引变流器由2套子系统组成，辅助逆变系统可以在2套牵引子系统内自由切换。此方案可以实现单重四象限运行，降低模块故障对车辆动力损失的影响。另外，当某一重四象限故障时，辅助逆变系统可以切换到另一重四象限运行，保证辅助负载的正常工作。但是，由于2套子系统完全独立，每套子系统均需要独立的采样检测回路(包括中间直流环节电压传感器等)、故障检测回路(包括中间直流环节接地检测回路等)等。辅助系统在两套子系统内的切换实现也需要增加多个接触器来实现。此类牵引变流器，器件数量变多，占用空间大，增加了重量，致使成本增加，且牵引变压器启动时的噪声大，导致网侧电流谐波大。更为关键的是，此类牵引变流器的鲁棒性较差，中间直流环节相关器件数量的增多会导致故障率变高，电容器的容量变化也会对系统产生更严重的影响。
发明内容
本发明针对现有牵引变流器存在的鲁棒性差、故障率高等上述问题，提供了一种鲁棒性强、故障率低、可单重四象限运行的牵引变流器及其控制、故障处理和载波移相方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种可单重四象限运行的牵引变流器，包括分别与牵引变压器的二次侧绕组连接的第一预充电回路和第二预充电回路，与所述第一预充电回路串联连接的第一重四象限整流器模块，与所述第二预充电回路串联连接的第二重四象限整流器模块，输入端分别与所述第一重四象限整流器模块的输出端和所述第二重四象限整流器模块的输出端连接的中间直流电压回路，输入端与所述中间直流电压回路的输出端连接的第一牵引逆变器模块，输入端与所述中间直流电压回路的输出端连接的第二牵引逆变器模块，以及输入端与所述中间直流电压回路的输出端连接的辅助逆变系统。
优选的，所述第一预充电回路包括主接触器K1、预充电接触器AK1和预充电电阻R11，预充电接触器AK1和预充电电阻R11串联连接后与所述主接触器K1并联连接。
优选的，所述第二预充电回路包括主接触器K2、预充电接触器AK2和预充电电阻R12，预充电接触器AK2和预充电电阻R12串联连接后与所述主接触器K2并联连接。
进一步的，所述辅助逆变系统包括辅助逆变器模块和辅助预充电回路，所述辅助预充电回路连接于所述辅助逆变器模块的输入端与所述中间直流电压回路的输出端之间。
进一步的，所述辅助逆变系统还包括降压电路和滤波电路，所述降压电路的输入端与所述辅助逆变器模块输出端连接，所述降压电路的输出端与所述滤波电路的输入端连接，所述滤波电路的输出端输出3相交流电。
进一步的，所述牵引变流器还设有四象限载波移相角度。
为了达到上述目的，本发明另提供了一种牵引变流器的四象限整流器模块控制方法，含有以下步骤：第一重四象限整流器模块和第二重四象限整流器模块无故障时，车速超过10km/h后由第一重四象限整流器模块或第二重四象限整流器模块单重运行切换为两重四象限整流器模块并联运行；车速小于7km/h时，两重四象限整流器模块并联运行切换至第一重四象限整流器模块或第二重四象限整流器模块单重运行；第一重四象限整流器模块或第二重四象限整流器模块故障时，牵引变流器自动切换为第二重四象限整流器模块或第一重四象限整流器模块工作。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种牵引变流器的故障处理方法，含有以下步骤：当任意一个牵引逆变器模块故障时，故障牵引逆变器模块切除，另一个牵引逆变器模块和辅助逆变系统可以正常工作；若任意一重四象限整流器模块故障时，封闭故障四象限流器模块脉冲，断开故障四象限整流器模块对应的主接触器，封锁对应故障四象限整流器模块的牵引逆变器模块脉冲，将该牵引逆变器模块切除，另一个牵引逆变器模块和辅助逆变系统可以正常工作。
为了达到上述目的，本发明又提供了一种牵引变流器的四象限载波移相方法，含有以下步骤：牵引变流器检测列车网络生命信号，判断网络是否正常工作，若网络正常工作，计算列车编组内正常工作的牵引变流器总数，由网络信号确定变流器自身是第几个变流器，根据预设的载波移相角度表确定载波移相角，输出载波移相角度；若网络工作异常，通过硬线信号确定牵引变流器的自身位置，根据预设的载波移相角度表确定载波移相角，输出载波移相角度。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
(1)本发明提供的牵引变流器，设计有两个预充电回路，同时使两重四象限整流器模块、两个牵引逆变器模块和一个辅助逆变系统共用一个中间直流电压回路，当一重四象限整理器模块发生故障时，牵引变流器可以单重四象限整流器模块运行，单个牵引逆变器模块和辅助逆变系统可正常工作，鲁棒性强，故障率低，体积、成本减小。
(2)本发明提供的牵引变流器，两重四象限整流器模块采用主从并网切换的控制思路，根据车速滞环调节，车辆高低速运行时，可实现从两重四象限整流器模块运行到单重四象限整流器模块运行的双向切换；当车辆低速运行时，自动切换至单重四象限整流器模块工作，能够降低四象限整流器模块的损耗，还可以减小牵引变压器的工作噪音，提高乘客乘车的舒适度。
(3)本发明提供的牵引变流器，采用架控方式，两个牵引逆变器模块也可以独立运行，一个牵引逆变器模块发生故障时，故障牵引逆变器模块切除，另一个牵引逆变器模块和辅助逆变系统可以正常工作，任意一重四象限整流器模块故障时，对应故障四象限整流器模块的牵引逆变器模块切除，另一个牵引逆变器模块和辅助逆变系统可以正常工作，最大限度的减小动力损失。
(4)本发明提供的牵引变流器，还设计有四象限载波移相角，通过在线实时调整载波移相角度，使得牵引变流器无论处在正常运行工况还是故障运行工况，列车低速启动还是高速运行，都能够尽可能的减小网侧谐波。
附图说明
图1-2为现有牵引变流器主电路结构简图。
图3为本发明牵引变流器主电路的结构简图。
图4为本发明实施例牵引变流器的电路原理图。
图5为本发明实施例牵引变流器的四象限整流器模块控制方法的流程图。
图6为本发明实施例牵引变流器的故障处理方法的流程图。
图7为本发明实施例牵引变流器的四象限载波移相方法的流程图。
图中，1、牵引变压器，2、第一预充电回路，3、第二预充电回路，4、第一重四象限整流器模块，5、第二重四象限整流器模块，6、中间直流电压回路，7、第一牵引逆变器模块，8、第二牵引逆变器模块，9、辅助逆变系统，91、辅助逆变器模块，92、辅助预充电回路，93、降压电路，94、滤波电路，K1-K2、主接触器，AK1-AK2、预充电接触器，R11-R12、预充电电阻。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参见图3、图4，本发明一实施例提供了一种可单重四象限运行的牵引变流器，包括分别与牵引变压器1二次侧绕组连接的第一预充电回路2和第二预充电回路3，与所述第一预充电回路2串联连接的第一重四象限整流器模块4，与所述第二预充电回路3串联连接的第二重四象限整流器模块5，输入端分别与所述第一重四象限整流器模块4的输出端和所述第二重四象限整流器模块5的输出端连接的中间直流电压回路6，输入端与所述中间直流电压回路6的输出端连接的第一牵引逆变器模块7，输入端与所述中间直流电压回路6的输出端连接的第二牵引逆变器模块8，以及输入端与所述中间直流电压回路6的输出端连接的辅助逆变系统9。
继续参见图4，为了实现对中间直流电压回路6的充电，所述第一预充电回路2包括主接触器K1、预充电接触器AK1和预充电电阻R11，预充电接触器AK1和预充电电阻R11串联连接后与所述主接触器K1并联连接。当牵引变流器检测到网压正常且牵引变流器无故障后，等待司机闭合主断路器VCB，牵引变流器检测到主断路器VCB闭合后，开始进入预充电过程，预充电接触器AK1闭合，中间直流电压回路6的电压在预充电电阻R11限流下，经第一重四象限整理器模块4的不控整流，电压开始升高，当中间直流电压回路6的电压上升至0.85倍牵引变压器的二次侧绕组峰值电压后，主接触器K1或/和主接触器K2闭合，预充电完成，第一重四象限整流器模块4或/和第二重四象限整流器模块5开始启动工作。
继续参见图4，为了实现对中间直流电压回路6的充电，所述第二预充电回路3包括主接触器K2、预充电接触器AK2和预充电电阻R12，预充电接触器AK2和预充电电阻R12串联连接后与所述主接触器K2并联连接。当牵引变流器检测到网压正常且牵引变流器无故障后，等待司机闭合主断路器VCB，牵引变流器检测到主断路器VCB闭合后，开始进入预充电过程，预充电接触器AK2闭合，中间直流电压回路6的电压在预充电电阻R12限流下，经第二重四象限整理器模块5的不控整流，电压开始升高，当中间直流电压回路6的电压上升至0.85倍牵引变压器的二次侧绕组峰值电压后，主接触器K2或/和K1闭合，预充电完成，第二重四象限整流器模块5或/和第一重四象限整流器4开始启动工作。
继续参见图4，作为上述牵引变流器的优选实施方式，所述辅助逆变系统9包括辅助逆变器模块91和辅助预充电回路92，所述辅助预充电回路92连接于所述辅助逆变器模块91的输入端与所述中间直流电压回路6的输出端之间。
继续参见图4，为了提高辅助逆变器模块的调制比，减小死区影响，作为上述牵引变流器的优选实施方式，所述辅助逆变系统9还包括降压电路93和滤波电路94，所述降压电路93的输入端与所述辅助逆变器模块91的输出端连接，所述滤波电路94的输入端与所述降压电路93的输出端连接，所述滤波电路的输出端输出3相交流电。辅助逆变器输出三相交流电通过降压电路降压，并通过滤波电路滤除高次谐波，提高波形质量。
为了降低牵引变压器启动时的噪音，减小网侧电流谐波，作为上述牵引变流器的优选实施方式，所述牵引变流器还设有四象限载波移相角度。通过在线实时调整载波移相角度，从而减小网侧电流谐波。
本发明上述牵引逆变器两重四象限整流器模块、两个牵引逆变器模块、一个辅助逆变系统共用中间直流电压回路。当某一重四象限整流器模块发生故障后，另一重四象限整流器模块正常运行，辅助逆变系统可以满功率正常工作，保证空调娱乐等系统的正常工作，满足乘客需求。同时故障四象限整流器模块对应的牵引逆变器模块切除，另一个牵引逆变器模块可以正常满功率工作，最大限度的减小动力损失。
本发明另提供了一种牵引变流器的四象限整流器模块控制方法，含有以下步骤：第一重四象限整流器模块和第二重四象限整流器模块无故障时，车速超过10km/h后由第一重四象限整流器模块或第二重四象限整流器模块单重运行切换为两重四象限整流器模块并联运行；车速小于7km/h时，两重四象限整流器模块并联运行切换至第一重四象限整流器模块或第二重四象限整流器模块单重运行；第一重四象限整流器模块或第二重四象限整流器模块故障时，牵引变流器自动切换为第二重四象限整流器模块或第一重四象限整流器模块工作。本发明采用主从控制方式，即第一重四象限整流器模块为主四象限，第二重四象限整流器模块为从四象限；或者第二重四象限变流器模块为主四象限，第一重四象限变流器模块为从四象限。
参见图5，以第一重四象限变流器模块为主四象限，第二重四象限变流器模块为从四象限为例对本发明四象限变流器模块控制方法进行说明。其具体步骤如下：
S11、预充电完成后，启动第一重四象限变流器模块正常工作，设定第一重四象限变流器模块载波移相角。
S12、判断车速是否大于10km/h。
S13、若车速小于或等于10km/h，则返回步骤S12；若车速大于10km/h，则启动第二重四象限变流器模块正常工作，设定第二重四象限变流器模块载波移相角。
S14、判断车速是否小于7km/h。
S15、若车速大于或等于7km/h，则返回步骤S14；若车速小于7km/h，则第二重四象限变流器模块停止工作，返回步骤S12。
本发明上述控制方法采用主从并网切换控制，根据车速滞环调节，并网切换，实现两重四象限工作与单重四象限工作的相互切换。当车辆低速运行时，单重四象限整流器模块工作可以降低四象限整流器模块的损耗，还可以减小牵引变压器的工作噪音，提高乘客乘车的舒适度。由此可见，牵引变流器是否为单重四象限运行与列车速度、四象限整流器故障情况相关。
参见图6，本发明还提供了一种牵引变流器的故障处理方法，含有以下步骤：
S21、当任意一个牵引逆变器模块故障时，故障牵引逆变器模块切除，另一个牵引逆变器模块和辅助逆变系统可以正常工作。
S22、若任意一重四象限变流器模块故障时，封闭故障四象限流器模块脉冲，断开故障四象限变流器模块对应的主接触器，封锁对应故障四象限整流器模块的牵引逆变器模块脉冲，将该牵引逆变器模块切除，另一个牵引逆变器模块和辅助逆变系统可以正常工作。
上述故障处理方法中，步骤S21和S22的顺序不分先后，可以互换，也可以两个步骤同时进行处理。
本发明上述故障处理方法能够最大限度的减小动力损失。
参见图7，本发明又提供了一种牵引变流器的四象限载波移相方法，含有以下步骤：
S31、牵引变流器检测列车网络生命信号，判断网络是否正常工作。
S32、若网络正常工作，计算列车编组内正常工作的牵引变流器总数，由网络信号确定变流器自身是第几个变流器，根据预设的载波移相角度表确定载波移相角，输出载波移相角度。
S33、若网络工作异常，通过硬线信号确定牵引变流器的自身位置，根据预设的载波移相角度表确定载波移相角，输出载波移相角度。
上述载波移相方法中，步骤S32和S33的顺序可以互换。所述载波移相角度表详见表1。
表1
本发明上述载波移相方法，通过设计载波移相角度，并将载波移相角度汇总成表，进行载波移相运行时，可以直接查表，输出载波移相角度，减小网侧谐波。
上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可单重四象限运行的牵引变流器，其特征在于，包括分别与牵引变压器的二次侧绕组连接的第一预充电回路和第二预充电回路，与所述第一预充电回路串联连接的第一重四象限整流器模块，与所述第二预充电回路串联连接的第二重四象限整流器模块，输入端分别与所述第一重四象限整流器模块的输出端和所述第二重四象限整流器模块的输出端连接的中间直流电压回路，输入端与所述中间直流电压回路的输出端连接的第一牵引逆变器模块，输入端与所述中间直流电压回路的输出端连接的第二牵引逆变器模块，以及输入端与所述中间直流电压回路的输出端连接的辅助逆变系统。
2.如权利要求1所述的可单重四象限运行的牵引变流器，其特征在于，所述第一预充电回路包括主接触器K1、预充电接触器AK1和预充电电阻R11，预充电接触器AK1和预充电电阻R11串联连接后与所述主接触器K1并联连接。
3.如权利要求2所述的可单重四象限运行的牵引变流器，其特征在于，所述第二预充电回路包括主接触器K2、预充电接触器AK2和预充电电阻R12，预充电接触器AK2和预充电电阻R12串联连接后与所述主接触器K2并联连接。
4.如权利要求1或3所述的可单重四象限运行的牵引变流器，其特征在于，所述辅助逆变系统包括辅助逆变器模块和辅助预充电回路，所述辅助预充电回路连接于所述辅助逆变器模块的输入端与所述中间直流电压回路的输出端之间。
5.如权利要求4所述的可单重四象限运行的牵引变流器，其特征在于，所述辅助逆变系统还包括降压电路和滤波电路，所述降压电路的输入端与所述辅助逆变器模块的输出端连接，所述降压电路的输出端与所述滤波电路的输入端连接，所述滤波电路的输出端输出3相交流电。
6.如权利要求1或5所述的可单重四象限运行的牵引变流器，其特征在于，所述牵引变流器还设有四象限载波移相角度。
7.一种如权利要求1至6任意一项所述牵引变流器的四象限整流器模块控制方法，其特征在于，含有以下步骤：第一重四象限整流器模块和第二重四象限整流器模块无故障时，车速超过10km/h后由第一重四象限整流器模块或第二重四象限整流器模块单重运行切换为两重四象限整流器模块并联运行；车速小于7km/h时，两重四象限整流器模块并联运行切换至第一重四象限整流器模块或第二重四象限整流器模块单重运行；第一重四象限整流器模块或第二重四象限整流器模块故障时，牵引变流器自动切换为第二重四象限整流器模块或第一重四象限整流器模块工作。
8.一种如权利要求3至6任意一项所述牵引变流器的故障处理方法，其特征在于，含有以下步骤：当任意一个牵引逆变器模块故障时，故障牵引逆变器模块切除，另一个牵引逆变器模块和辅助逆变系统可以正常工作；若任意一重四象限整流器模块故障时，封闭故障四象限整流器模块脉冲，断开故障四象限整流器模块对应的主接触器，封锁对应故障四象限整流器模块的牵引逆变器模块脉冲，将该牵引逆变器模块切除，另一个牵引逆变器模块和辅助逆变系统可以正常工作。
9.一种如权利要求6所述牵引变流器的四象限载波移相方法，其特征在于，含有以下步骤：牵引变流器检测列车网络生命信号，判断网络是否正常工作，若网络正常工作，计算列车编组内正常工作的牵引变流器总数，由网络信号确定变流器自身是第几个变流器，根据预设的载波移相角度表确定载波移相角，输出载波移相角度；若网络工作异常，通过硬线信号确定牵引变流器的自身位置，根据预设的载波移相角度表确定载波移相角，输出载波移相角度。
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