CN109177820A - 一种带锁相环的动车组牵引传动系统及网压中断判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于动车组牵引传动系统领域，涉及一种带锁相环的动车组牵引传动系统及网压中断判别方法，该方法在动车组牵引传动系统中设置锁相环，计算相角与实际相角的差值来判别网压中断。所述动车组牵引传动系统包括：受电弓、牵引变压器、单相四象限变流器、控制器、牵引逆变器和牵引电机，动车组通过受电弓从交流供电网取电，牵引变压器将交流电变换为较低电压供给单相四象限变流器，单相四象限变流器输出直流电供给牵引逆变器，牵引逆变器的输出用于驱动牵引电机。控制器用于控制单相四象限变流器的直流输出，同时实现电压电流同相位，还对网压中断等故障做出保护处理。本发明所述方法，可以完成对网压中断的快速检测，提升动车组运行的可靠性。

Description

一种带锁相环的动车组牵引传动系统及网压中断判别方法

技术领域

本发明属于动车组牵引传动系统领域，涉及一种牵引传动系统中供电侧中断的判别保护技术，尤其涉及一种带锁相环的动车组牵引传动系统及基于相角辅助判断的网压中断判别方法。

背景技术

随着我国经济水平及人口数量的不断提升，人们对铁路运输的需求越来越大。动车组具有快捷方便、干净舒适和安全可靠等优良特性，现如今已经成为人们出行的首选方案。

如今动车组牵引传动系统一般由受电弓、主断路器、牵引变压器、单相四象限变流器、控制器、牵引逆变器和牵引电机等组成，动车组通过受电弓从交流电网侧取电，牵引变压器将交流电压变换为较低的电压等级供给单相四象限变流器，单相四象限变流器转换的直流电供给牵引逆变器，牵引逆变器将直流电压转化为三相交流电压以驱动牵引电机。

在动车组运行时，经常会发生受电弓脱离接触网而造成牵引变压器网侧电压暂时中断的现象。这无疑影响了动车组的安全运行。为提升动车组的运行可靠性，需要采用一种及时可靠的网压中断判别方法，本发明提出一种带锁相环的动车组牵引传动系统及利用网侧电压相角的方法快速判别网侧电压中断，以对动车组进行及时保护。

发明内容

本发明提出一种带锁相环的动车组牵引传动系统及利用实时检测牵引变压器一次侧电压相角的方法快速判别动车组牵引传动系统网侧电压中断，以对动车组进行及时保护，具体技术方案如下：

一种带锁相环的动车组牵引传动系统，包括：受电弓、牵引变压器、网侧变流器、控制器、牵引逆变器和牵引电机；

所述受电弓与牵引变压器的一次侧连接，所述牵引变压器的二次侧与网侧变流器的输入端连接，所述网侧变流器的输出端与牵引逆变器的输入端连接，所述牵引逆变器的输出端与牵引电机连接；

所述受电弓用于动车组从交流供电网受电；

所述牵引变压器用于将交流电压降压后，供给网侧变流器；

所述网侧变流器用于将交流电整流为直流电，供给牵引逆变器；

所述控制器与网侧变流器连接，采用电压电流双闭环d-q解耦控制方式，对网侧变流器进行延时，以输出期望的直流电供给牵引变压器；

所述牵引逆变器将直流电转化为三相交流电，以驱动牵引电机；

所述牵引电机连接于牵引逆变器的交流输出端，是整个牵引传动系统的动力源；

在所述牵引变压器一次侧设置锁相环，用于实时监测牵引变压器一次侧处交流电压的相角。

在上述技术方案的基础上，所述网侧变流器为单相四象限变流器。

在上述技术方案的基础上，所述锁相环包括两个比较单元、PI调节器、ωt模块、dq变换模块和延时90°模块；

单相交流电压E_α输入延时90°模块，输出β轴电压分量E_β；

单相交流电压E_α作为α轴电压分量，与β轴电压分量E_β输入dq变换模块；

dq变换模块输出d轴电压分量E_d和q轴电压分量E_q；

q轴电压分量E_q与给定参考电压值E_q*输入第一个比较单元进行求和运算；

所述第一个比较单元的输出端与PI调节器的输入端连接；

所述PI调节器的输出端输出偏差角度Δωt；

由当前锁相环设置处电网的交流电压频率计算出当前锁相环设置处的实时相角角度的旋转角速度2πf，其中f为电网的交流电压频率；

偏差角度Δωt与实时相角角度的旋转角速度2πf输入第二个比较单元进行求和运算，输出ωt；ωt经过三角函数运算输出sinωt和cosωt；sinωt和cosωt输入dq变换模块的输入端。

一种应用上述带锁相环的动车组牵引传动系统的网压中断判别方法，包括以下步骤：

A、通过动车组牵引传动系统的牵引变压器一次侧设置的锁相环，实时监测牵引变压器一次侧处交流电压的相角；

B、当锁相环锁住的相角和正常运行时的相角有较大差别时，判断网压中断。

本发明提出一种带锁相环的动车组牵引传动系统，并利用实时检测牵引变压器一次侧电压相角的方法快速判别网压中断，以对动车组进行及时保护。具体地，本发明提供的利用网侧电压相角快速判别网侧电压中断的方法能够：

1、快速识别因受电弓脱离电网等原因造成的网侧电压中断故障。

2、及时地对网侧电压中断故障采取保护措施，避免了故障过程中网侧变流器的过流，延长了器件的使用寿命，提升了整个系统的稳定性。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为本发明动车组牵引传动系统结构示意图；

图2为本发明动车组牵引传动系统控制器的d-q轴解耦电压电流双闭环控制框图；

图3为本发明动车组牵引传动系统锁相环控制原理示意图；

图4为本发明动车组牵引传动系统锁相环设置结构示意图；

图5为本发明锁相环检测的正常相角和非正常相角比较示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍。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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为本发明动车组牵引传动系统结构示意图，本发明实施例中的动车组牵引传动系统包括：受电弓、主断路器(图1中未示)、牵引变压器、单相四象限变流器、控制器(图1中未示)、牵引逆变器和牵引电机。动车组通过受电弓从交流供电网取电，并通过钢轨回流；牵引变压器将交流电压变换为较低的电压等级供给单相四象限变流器，单相四象限变流器转换的直流电供给牵引逆变器，牵引逆变器将直流电压转化为三相交流电压以驱动牵引电机。

进一步地，图2为本发明动车组牵引传动系统控制器的d-q轴解耦电压电流双闭环控制框图。图2中表示出了网侧变流器采取电压电流双闭环控制策略，电压指令(电压给定值)U_dc-ref根据实际牵引逆变器的需要给定，电压给定值U_dc-ref与实际直流电压值U_dc通过PI调节器(图示为电压环控制器)输出d轴电流给定值I_d-ref；电流环的d轴输入为d轴电流给定值I_d-ref和网侧电流(四象限变流器交流侧电流)I_S经过坐标变换得到的d轴分量I_d(又称为d轴电流反馈值)，所述电流环的q轴输入为q轴电流给定值I_q-ref和网侧电流I_S经过坐标变换得到的q轴分量I_q(又称为q轴电流反馈值)。所述电流环的d轴输出U_d和q轴输出U_q经反坐标变换得到调制电压U_S，最后通过PWM脉宽调制模块输出驱动脉冲，实现对四象限变流器的控制。

进一步地，图3为本发明动车组牵引传动系统锁相环控制原理示意图。锁相环用于锁住牵引变压器一次侧交流电压的实时相角。

首先将单相交流电压E_α变换到α-β坐标系下，具体过程为：对单相交流电压E_α采用延时90度相角的方式，产生电压E_β。锁住的实时相角用于Park变换。

再将α-β坐标系下的交流电压E_α和E_β进一步变换到d-q坐标系下，形成d轴电压分量E_d和q轴电压分量E_q。锁相环相角的初始值为0，当锁相环监测到牵引变压器一次侧交流电压后，则以一定的步进角增加相角值。所述步进角根据交流电流的工频50HZ，并且结合程序进行计算。在锁相环稳定状态下，锁住的实时相角角度的旋转角速度等于2π倍交流电压频率，与q轴电压分量E_q比较的给定参考电压值E_q*为0。

可通过PI调节器控制E_q＝0，不断输出相角的改变值，如此便可以逐渐锁住相角，得到正确的网压相角。

所述网压中断相角判别的原理如下：锁相环工作原理为：不断地周期性累计采样周期内dq坐标系旋转的角度和令E_q＝0，经过PI调节器计算出偏差角度Δωt，从而实现锁定电压相位和网压同相的功能。网压中断前，锁相环锁定的相位是牵引变压器一次侧相位，由于电网的交流电压频率稳定为50Hz±0.5Hz，因此网压中断前Δωt近似为零。当网压中断后，接触网电压丢失，电网的交流电压频率发生变化，锁相环实际计算出的相位是单相四象限变流器交流侧电压反射到牵引变压器一次侧的电压相位，因此Δωt也将发生明显变化。

进一步地，图4为本发明动车组牵引传动系统锁相环设置结构示意图。动车组牵引传动系统通过设置在牵引变压器一次侧的锁相环实时监测牵引变压器一次侧处交流电压的瞬时相角，当受电弓脱离交流供电网时，会产生网压中断。此时锁相环监测的电压将不是交流供电网传送的交流电压，而是通过单相四象限变流器逆变回来的交流电压，此时锁住的相角和动车组牵引传动系统正常运行时的相角有较大差别。如图5中所示，实线为动车组牵引传动系统正常运行时监测的正常相角，虚线为网压中断时监测的非正常相角。根据动车组牵引传动系统正常运行时监测的正常相角与网压中断时监测的非正常相角的差值Δθ，则可对网压是否中断进行判定，从而快速采取保护措施。

显然，本发明的上述实施例的原理阐述仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里没有对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种带锁相环的动车组牵引传动系统，其特征在于，包括：受电弓、牵引变压器、网侧变流器、控制器、牵引逆变器和牵引电机；

所述受电弓与牵引变压器的一次侧连接，所述牵引变压器的二次侧与网侧变流器的输入端连接，所述网侧变流器的输出端与牵引逆变器的输入端连接，所述牵引逆变器的输出端与牵引电机连接；

所述受电弓用于动车组从交流供电网受电；

所述牵引变压器用于将交流电压降压后，供给网侧变流器；

所述网侧变流器用于将交流电整流为直流电，供给牵引逆变器；

所述控制器与网侧变流器连接，采用电压电流双闭环d-q解耦控制方式，对网侧变流器进行延时，以输出期望的直流电供给牵引变压器；

所述牵引逆变器将直流电转化为三相交流电，以驱动牵引电机；

所述牵引电机连接于牵引逆变器的交流输出端，是整个牵引传动系统的动力源；

在所述牵引变压器一次侧设置锁相环，用于实时监测牵引变压器一次侧处交流电压的相角。

2.如权利要求1所述的带锁相环的动车组牵引传动系统，其特征在于：所述网侧变流器为单相四象限变流器。

3.一种应用权利要求1-2任一权利要求所述的带锁相环的动车组牵引传动系统进行网压中断判断的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、通过动车组牵引传动系统的牵引变压器一次侧设置的锁相环，实时监测牵引变压器一次侧处交流电压的相角；

B、当锁相环锁住的相角和正常运行时的相角有较大差别时，判断网压中断。