CN109120160B - 一种牵引变流装置 - Google Patents

Abstract

一种牵引变流装置，其包括：预充电电路，其与牵引变压器的牵引绕组连接，用于对牵引变流装置的直流回路中的支撑电容进行充电；集成化变流器模块，其与预充电电路连接，用于对预充电电路传输来的交流电进行交‑直转换以及直‑交转换，得到适用于牵引电机的直流电；隔离接触器，其设置在集成化变流器模块的输出端与牵引电机的连接端口之间，用于在集成化变流器模块发生故障时将集成化变流器模块与牵引电机隔离。本装置内部集成有隔离接触器，其能够在牵引变流装置内部出现故障时将牵引变流装置与永磁同步电机隔离。该装置采用了集成化变流器模块，其能够使得整个装置的体积更小、重量更轻、系统更加可靠。

Description

一种牵引变流装置

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，具体地说，涉及一种牵引变流装置。

背景技术

20世纪80年代，随着大功率可关断的电力半导体的出现，以及微机技术的应用，使鼠笼式感应电动机的可用性大大增加，使得交流电力机车以其大功率、宽泛的调速控制和维护简单等特点迅速占据了轨道交通行业的新“宠儿”。随着轨道交通市场的快速发展，客户对于交流电力机车的可靠性、可用性不断提出更高的要求，并且对牵引系统的重量、体积等有更高的要求。相对于异步电机，永磁同步电机体积小、重量轻，并具有效率高、启动转矩大、提高电网的品质因数等优点。永磁电机以高效率、高功率密度、强过载能力等优点受到轨道交通牵引系统研发人员的高度重视。德国、法国、日本等轨道交通强国纷纷展开永磁同步牵引系统的研制。

相较于三相异步电机，由于永磁同步电机的励磁特性，因此列车在高速运行时，如果牵引变流器的IGBT元件发生短路等故障，那么如果永磁同步牵引电机仍处于发电状态，变流器模块将被短路，从而使得故障进一步扩大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种牵引变流装置，所述装置包括：

预充电电路，其与牵引变压器的牵引绕组连接，用于对牵引变流装置的直流回路中的支撑电容进行充电；

集成化变流器模块，其与所述预充电电路连接，用于对所述预充电电路传输来的交流电进行交-直转换以及直-交转换，得到适用于牵引电机的直流电；

隔离接触器，其设置在所述集成化变流器模块的输出端与所述牵引电机的连接端口之间，用于在所述集成化变流器模块发生故障时将所述集成化变流器模块与所述牵引电机隔离。

根据本发明的一个实施例，所述装置包括多个隔离接触器，各个隔离接触器分别设置在所述集成化变流器模块的各个输出端与所述牵引电机的各个连接端口之间。

根据本发明的一个实施例，所述牵引变流装置包括柜体，所述柜体由上至下分为四个区域，其中，第一区域内布置有所述集成化变流器模块中的斩波电阻、电压传感器和/或放电电阻组件。

根据本发明的一个实施例，所述牵引变流装置还包括：

传动控制电路，其与所述预充电电路、集成化变流器模块和/或隔离接触器连接，用于对所述预充电电路、集成化变流器模块和/或多个隔离接触器的工作状态进行控制。

根据本发明的一个实施例，所述传动控制电路布置在所述第一区域内。

根据本发明的一个实施例，所述集成化变流器模块包括整流器、中间直流回路、牵引逆变器以及辅助逆变器，其中，所述中间直流回路的输入端与所述整流器的输出端连接，所述牵引逆变器和辅助逆变器的输入端与所述中间直流回路的输出端连接。

根据本发明的一个实施例，所述集成化变流器模块包括有多个支撑电容器，所述多个支撑电容器集中布置在所述柜体的第三区域中，所述集成化变流器的其它器件布置在所述柜体的第二区域中。

根据本发明的一个实施例，所述牵引变流装置中的支撑电容之间以及功率开关器件之间均采用低感母排连接。

根据本发明的一个实施例，所述牵引变流装置中的各个器件采用左右对称的方式排布。

本发明所提供的牵引变流装置内部集成有隔离接触器，其能够在牵引变流装置内部出现故障时将牵引变流装置与永磁同步电机隔离。在安装空间受限的情况下，牵引变流装置与隔离接触器的一体化设计有助于改善整个牵引变流装置的结构布置和安全空间的合理化。该牵引变流装置采用了集成化变流器模块，其能够使得整个装置的体积更小、重量更轻、系统更加可靠。

同时，目前我国轨道交通领域，变流器大多采用3300V电压等级的IGBT器件。而本发明所提供的牵引变流装置采用了具有更高电压等级的IGBT元件来满足不断提升的功率要求。更高低压的IGBT元件可以在更低的结温下工作，并且其能够适当增加牵引变流装置的功率密度，从而提高了牵引变流装置的功率和集成度。

本发明所提供的牵引变流装置采用无二次谐振回路设计，各个轴之间回路完全独立，从而使得单轴牵引系统故障不会影响其它轴正常功能工作，从而有助于充分利用牵引系统的功率。

此外，该牵引变流装置的电容器采用了集中布置的方式，电容之间以及功率开关器件之间全部采用低感母排来连接，这样大大降低了电气连接的杂散电感，增强了变流装置工作的稳定性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

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的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的牵引变流装置的电路结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的牵引变流装置的电路原理图；

图3是根据本发明一个实施例的牵引变流装置的前视图；

图4是根据本发明一个实施例的牵引变流装置的后视图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

在目前的轨道交通领域，大功率电力机车牵引电机大多采用的是三相异步电机，三相异步电机启动转矩不大，且启动电流很大，功率因数较低。相比较而言，永磁同步电机体积小、重量轻，并具有效率高、启动转矩大、能够提高电网的品质因数等优点。由于永磁同步电机的永久励磁特性，列车在高速运行时，如果牵引变流器的IGBT元件发生短路等故障时，永磁同步牵引电机仍处于发电状态，这时电机的反电势会对变流器内部造成损坏。

针对现有牵引变流装置所存在的上述问题，本实施例提供了一种新的牵引变流装置，图1示出了本实施例中该牵引变流装置的电路结构示意图。

如图1所示，本实施例所提供的牵引变流装置101连接在变压器100以及永磁电机105之间，其中，该牵引变流装置101优选地包括：预充电电路102、集成化变流器模块103以及隔离接触器104。

为了更加清楚地阐述本发明所提供的牵引变流装置101的结构、原理以及优点，以下结合图1所示的牵引变流装置的电路结构示意图以及图2所示的牵引变流装置的电路原理图来对该牵引变流装置作进一步地说明。

如图1和图2所示，本实施例中，牵引变流装置101包括了两条结构相同的供电支路，其中，这两条供电支路的输入端分别与牵引变压器的两个次级线圈对应连接，从而接收次级线圈所传输来的交流电。

由于上述两条供电支路的结构相同，因此为了描述的简便，以下以其中一条供电支路为例来对该牵引变流装置进行描述。具体地，如图2所示，本实施例中，牵引变流装置101的其中一条供电支路的两个输入端(即端口1.1和端口1.2)分别与牵引变压器100的次级线圈的两个端口连接。本实施例中，牵引变流装置101的输入端和输出端优选地采用电连接压塑件来实现。当然，在本发明的其它实施例中，牵引变流装置101的输入端和输出端还可以采用其它合理的器件或结构来实现，本发明不限于此。

预充电电路102包括：第一接触器KW3A、第二接触器KW1A以及充电电阻R1A。其中，第一接触器KW3A与充电电阻R1A串联形成的电路与第二接触器KW1A并联。牵引变压器100的次级线圈(即牵引绕组)所输出的电压首先经过第一接触器KW3A以及充电电阻R1A来对牵引变流装置101的直流回路中的支撑电容进行充电。在充电完成后，第二接触器KW1A闭合，从而使得第一接触器KW3A与充电电阻R1A组成的导电回路短接。预充电电路102能够有效防止由于大电流对直流回路中的支撑电容所噪声的冲击。

如图2所示，本实施例中，集成变流器模块103优选地包括：整流器、中间直流回路以及逆变器。其中，整流器优选地采用四象限PWM整流器，在牵引工况时，预充电电路102所传输来的单相工频电网电压会通过整流器整流为例如3600V的直流电压，而逆变器则会将该直流电压逆变为三相VVVF电压而传输给相应的永磁电机105，从而驱动永磁电机105运行。

本实施例中，中间直流回路优选地包括：若干支撑电容Cd、第一放电电阻R2A、第二放电电阻R3A以及过压斩波电路(包括过压斩波电阻Rch1A以及开关电路)。其中，第一放电电阻R2A的第一端与整流器的输出端正极连接，第二放电电阻R3A的第一端与第一放电电阻R2A的第二端连接，第二放电电阻R3A的第二端与整流器的输出端负极连接。过压斩波电路能够实现中间直流回路的过电压抑制以及停机后的快速放电。本实施例中，每架的两重逆变器优选地共用一路斩波电阻。

支撑电容能够有效稳定中间直流电压，其能够提供瞬时能量的交换，从而与电源以及电机负载实现无功功率的交换。当牵引变流装置停机或出现故障时，中间直流回路中的放电电阻能够将中间回路中的电容所存储的能量以热量形式释放出来，从而保证了牵引变流装置以及操作人员的安全。

本实施例中，牵引变流装置101优选地还包括有传动控制电路106。其中，传动控制电路106同时与预充电电路102、集成化变流器模块103以及隔离接触器104连接，其能够对预充电电路102、集成化变流器模块103以及隔离接触器104的工作状态进行控制。

为了实现传动控制电路106对预充电电路102、集成化变流器模块103以及隔离接触器104的有效控制，本实施例中，如图2所示，预充电电路102、集成化变流器模块103以及隔离接触器104的相关回路中还设置有电流传感器和电压传感器。

具体地，电流传感器LH1A、LH3A以及LH4A集成在集成化变流器模块103内部。其中，电流传感器LH1A与牵引变流装置的输入端负极连接，其用于检测牵引变流装置101的输入电流，并将检测到的输入电流数据传输至传动控制电路106。而电流传感器LH3A以及LH4A分别设置在牵引变流装置的输出端，用于检测牵引变流装置101的相应输出端口的输出电流，并将检测到的输出电流数据传输至传动控制电路106。

电压传感器VH2A以及VH3A用于检测中间直流回路电压，电压传感器VH1A则用于检测第一放电电阻R2A两端的电压(即中间直流回路的半电压)。传动控制电路106能够根据电压传感器所传输来的中间直流回路电压数据来对整流器进行控制，同时，其还能够根据电压传感器VH1A所传输来的中间直流回路的半电压数据判断中间直流回路是否存在接地情况。其中，当中间直流回路存在接地情况时，传动控制装置106则会生成相应的接触器控制信号，来控制相应的隔离接触器来切断中间直流回路与永磁电机之间的电连接。

需要指出的是，本实施例，根据实际需要，中间直流回路中还可以配置有电压指示灯，该电压指示灯能显示中间直流回路的电压值情况，以便于在中间直流回路存在电压异常时向维修人员发出相应指示信息。

逆变器与中间直流回路直接连接，逆变器能够将中间支路回路所传输来的直流电逆变为电压和频率可调的交流电，并将所生成的交流电传输给相应的永磁电机105，以驱动永磁电机105运行，从而实现机车的牵引工作。

本实施例中，集成化变流器模块103还包括有辅助变流器。如图2所示，辅助变流器的输入端与集成化变流器模块103中某一支路中的中间直流回路的输出端连接，辅助变流器同样能够将中间直流回路传输来的直流电逆变为电压和频率可调的交流电，并将生成的交流电传输给相应的机车辅助负载，从而驱动机车辅助负载的运行。

需要指出的是，在本发明的其它实施例中，牵引变流装置101所包含的供电支路的数量还可以为其它合理值(例如一条或三条以上等)，本发明不限于此。

图3和图4分别示出了本实施例所提供的牵引变流装置的前视图和后视图。本实施例中，牵引变流装置101的各个器件均设置在柜体中，其中，该柜体优选地由铝合金采用焊铆结合的方式来实现。相较于现有的钢制柜体，铝合金柜体能够大大降低柜体的整体重量，同时，铝合金柜体不仅能够保证足够的结构强度、疲劳寿命以及行车安全，还能够有效减低振动对变流装置内部器件的影响。柜体内设置有控制插头14，控制插头14能够实现牵引变流装置与机车之间的通讯以及控制和保护。

结合图3和图4可以看出，本实施例所提供的牵引变流装置包括有水冷系统6，水冷系统6用于变流器模块的冷却，其能够将功率器件工作时产生的热量通过冷却液带出变流装置，从而保证功率器件的正常运行。本实施例中，水冷系统6优选地包括有水温检测装置和/或水压检测装置，通过水温检测装置所检测到的水温数据以及水压检测装置所检测到的水压数据能够更好的对该水冷系统进行保护。本实施例中，牵引变流装置101还包括有内循环风机12，内循环风机12能够有效防止柜体内部出现局部过热现象，从而保证柜体内部的均温性。

本实施例中，牵引变流装置的柜体由上至下优选地分为了四个区域。其中，传动控制电路1、斩波电阻2(即过压斩波电阻Rch1)、电压传感器3(包括电压传感器VH1A、VH2A以及VH3A以及其它支路中的相应电压传感器)以及放电电阻组件4(包括第一放电电阻R2A、第二放电电阻R3A以及其它支路中的相应放电电阻)布置在柜体的第一区域中。

传动控制电路1是牵引变流装置的核心控制单元，其主要用于实现机车的牵引/制动特性控制、逻辑控制以及故障保护，实现对PWM整流装置、CVCF逆变装置、VVVF逆变装置以及交流异步牵引电机的实时控制、黏着利用控制，从而满足机车在动力性能、故障运行、救援能力以及预期的运行速度等方面的要求。

需要指出的是，本实施例中，传动控制电路1的布置充分从电磁兼容性屏蔽角度考虑，传动控制电路1优选地放置于密闭空间内，从而有效防止外部控制单元产生干扰。同时，传动控制电路1的控制回路和供电回路走线是分开的，这样能够有效避免产生信号串扰从而影响控制精度。

如图3和图4所示，本实施例中，集成化变流器模块103中的支撑电容10设置在柜体的第三区域中，而集成化变流器模块103中的其它器件则设置在柜体的第二区域中。具体地，本实施例中，集成化变流器模块103中的GIBT芯片优选地直接焊接在水冷系统的水冷板上。相较于现有的变流装置，本实施例所提供的牵引变流装置取消了传统的IGBT基板，这样不仅提高了散热效率，还能够有效减小装置的体积以及重量。本实施例中，柜体的第三区域中还布置有内循环风机12。

交流电传动系统通常一般采用电力电容器作为中间回路滤波环节，支撑电容器因容量和体积限制，往往需要由多个电容器并联实现。而为了能与整流或逆变单元尽快进行瞬时能量交换，以减少对直流电压的纹波冲击，支撑电容器往往需要靠近开关桥臂布置，因此支撑电容器往往分散布置在各个功率单元内。

由于功率单元在不同的工作状态下，开关切换状态不同，这也就会使不同模块上电容器的电压存在电位差，从而引起电容器之间相互倒能，进而诱发母排、电容器过热等现象，严重时可能导致炸裂、冲开柜门事故。如果牵引变流装置采用钢结构柜体，那么则可能产生局部涡流引起发热。因此，现有的牵引变流装置中的电容器很可能引起变流装置的柜体发热，从而给整个系统造成不利的影响，严重时甚至可能引发电容器以及相关线路烧损等故障。

针对现有变流装置所存在的上述问题，本实施例中，支撑电容10采用了集中布置的方式，这样并联的电容器之间的振荡电流可以通过集中式布置的方式而有效减小。支撑电容集中布置能够有效减小电容器之间相互到能现象，从而使得谐振电流减小，降低电容器、连接母排以及空气的温度。

预充电电路102(包括充电电阻7、短接接触器8以及充电接触器9)、隔离接触器11设置在柜体的第四区域中。

对于牵引变流装置来说，并联的支撑电容之间的振荡现象与其在变流装置中的布置方法以及连接方式息息相关，同时，支撑电容器与开关器件的连接方式还会对开关器件关断时的过电压造成很大的影响。

本实施例中，牵引变流装置101中的各个用电器件之间(例如支撑电容之间以及功率开关器件之间)均采用低感母排连接。低感母排能够有效降低主电路的杂散电感以及集肤效应，从而有助于提高电路的电气性能，增强牵引变流装置工作的稳定性。

需要指出的是，本实施例所提供的牵引变流装置优选地采用了对阵布局的方式。当然，在本发明的其它实施例中，牵引变流装置中的各个器件还可以在柜体中采用其它合理的方式进行布置，本发明不限于此。

从上述描述中可以看出，本实施例所提供的牵引变流装置内部集成有隔离接触器，其能够在牵引变流装置内部出现故障时将牵引变流装置与永磁同步电机隔离。在安装空间受限的情况下，牵引变流装置与隔离接触器的一体化设计有助于改善整个牵引变流装置的结构布置和安全空间的合理化。本实施例中，该牵引变流装置采用了集成化变流器模块，其能够使得整个装置的体积更小、重量更轻、系统更加可靠。

同时，目前我国轨道交通领域，变流器大多采用3300V电压等级的IGBT器件。而本实施例所提供的牵引变流装置采用了具有更高电压等级的IGBT元件来满足不断提升的功率要求。更高低压的IGBT元件可以在更低的结温下工作，并且其能够适当增加牵引变流装置的功率密度，从而提高了牵引变流装置的功率和集成度。

本实施例中，该牵引变流装置采用无二次谐振回路设计，各个轴之间回路完全独立，从而使得单轴牵引系统故障不会影响其它轴正常功能工作，从而有助于充分利用牵引系统的功率。

此外，该牵引变流装置的电容器采用了集中布置的方式，电容之间以及功率开关器件之间全部采用低感母排来连接，这样大大降低了电气连接的杂散电感，增强了变流装置工作的稳定性。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (5)

1.一种牵引变流装置，其特征在于，

所述牵引变流装置包括两条结构相同的供电支路，其中一条供电支路包括：

预充电电路，其与牵引变压器的牵引绕组连接，用于对牵引变流装置的中间直流回路中的支撑电容进行充电；

集成化变流器模块，其与所述预充电电路连接，用于对所述预充电电路传输来的交流电进行交-直转换以及直-交转换，得到适用于牵引电机的交流电，所述集成化变流器模块中的中间直流回路采用无二次谐振回路设计，两条供电支路之间回路完全独立；

隔离接触器，其设置在所述集成化变流器模块的输出端与所述牵引电机的连接端口之间，用于在所述集成化变流器模块发生故障时将所述集成化变流器模块与所述牵引电机隔离；

所述牵引变流装置还包括：

传动控制电路，其分别与所述预充电电路、集成化变流器模块和隔离接触器连接，用于对所述预充电电路、集成化变流器模块和隔离接触器的工作状态进行控制；

柜体，所述柜体由上至下分为四个区域，其中，第一区域内布置有所述传动控制电路、所述集成化变流器模块中的斩波电阻、电压传感器和放电电阻组件，所述传动控制电路放置于密闭空间内；

所述集成化变流器模块包括有多个支撑电容，所述多个支撑电容集中布置在所述柜体的第三区域中，所述集成化变流器模块的其它器件布置在所述柜体的第二区域中；

隔离接触器、预充电电路的充电电阻、短接接触器以及充电接触器设置在柜体的第四区域中。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述牵引变流装置包括多个隔离接触器，各个隔离接触器分别设置在所述集成化变流器模块的各个输出端与所述牵引电机的各个连接端口之间。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述集成化变流器模块包括整流器、中间直流回路、牵引逆变器以及辅助逆变器，其中，所述中间直流回路的输入端与所述整流器的输出端连接，所述牵引逆变器和辅助逆变器的输入端分别与所述中间直流回路的输出端连接。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述牵引变流装置中的支撑电容之间以及功率开关器件之间均采用低感母排连接。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述牵引变流装置中的各个器件采用左右对称的方式排布。

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