CN109421539B - 一种列车救援供电装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道交通领域，具体公开了一种列车救援供电装置及其控制方法。装置包括牵引变压器、牵引变流器以及传动控制单元，牵引变流器包括至少两个独立轴控电路；独立轴控电路包括依次连接的高压电器开关单元、整流单元、中间直流单元以及逆变单元；高压电器开关单元的输入端与牵引变压器的次边绕组连接；逆变单元的输出端连接牵引电机；其中一个独立轴控电路的高压电器单元的输入端还分别通过供电隔离开关分别连接列车救援供电装置的轮对以及故障列车的辅助供电系统。本发明能自动识别救援工况下施救列车和故障列车是否可以在较大的坡道上正常牵引运行，并自动完成对施救列车正常牵引和救援供电模式的切换，通用性广、成本低。

Description

一种列车救援供电装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，更具体地，涉及一种列车救援供电装置及其控制方法。

背景技术

列车因受电弓发生故障无法从电网取电或司控器发生故障无法正常牵引运行时，只能通过其他车辆救援的方式回送至目的地。救援回送过程中，若施救列车能向故障列车正常供电，维持故障列车辅助负载(空调、照明、换气装置等设备)正常运行，将能最大限度的维持故障列车旅客乘的舒适环境，缓解乘务人员及司机的工作压力。

现有的救援供电技术方案存在以下缺点：

(1)现有技术方案的装置无法通过施救列车直接为故障列车供电，只能利用施救列车拖行故障列车或拖行故障列车达到一定速度后，故障列车利用自身装置和控制方案维持辅助负载运行。因此，现有方案故障列车辅助负载如需救援回送时正常运行，需要故障列车增加额外的设备。

(2)施救列车拖行故障列车达到一定速度后，故障列车利用自身装置和控制方案维持辅助负载运行的方案，当故障列车速度在静止至救援发电最低速度阈值之间时，故障列车辅助供电系统无法工作，这将导致故障列车的辅助负载无法投入工作，这段时期将严重影响故障列车救援回送过程中乘坐的舒适性。

本文中，CI：Convertor Inverter牵引变流器；DCU：Drive Control Uint传动控制单元。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种能有效提供列车救援的同时，通用性广、成本低的列车救援供电装置。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种列车救援供电装置，包括牵引变压器、牵引变流器以及传动控制单元；所述牵引变流器包括至少两个独立轴控电路；所述独立轴控电路包括依次连接的高压电器开关单元、整流单元、中间直流单元以及逆变单元；所述高压电器开关单元的输入端与牵引变压器的次边绕组连接，输出端连接整流单元；所述逆变单元的输出端连接牵引电机；其中一个独立轴控电路的高压电器单元的输入端还分别通过供电隔离开关分别连接施救列车的轮对以及故障列车的辅助供电系统；

所述高压电器开关单元用于电网电压经牵引变压器降压后的供电电压对牵引变流器的独立轴控电路的引入和隔离；所述整流单元用于利用牵引变压器的次边绕组及整流单元进行斩波升压，将交流电整流为直流电，使中间直流单元的电压稳定在额定中间直流电压；所述中间直流单元用于独立轴控电路电能的存储和释放；所述逆变单元用于从中间直流单元取电，将直流电逆变为变压变频的交流电；所述传动控制单元用于采集电网电压、中间直流单元电压、列车速度、各开关状态、司机控制指令信号，通过对这些信号的综合判断，实现对供电隔离开关、高压电器开关单元、整流单元和逆变单元的控制。

优选地，所述独立轴控电路为两个或三个。

优选地，其中一个独立轴控电路的高压电器单元的负输入端通过供电隔离开关连接施救列车的轮对，正输入端通过供电隔离开关连接故障列车的辅助供电系统。

优选地，所述其中一个独立轴控电路的高压电器单元的正输入端通过供电隔离开关连接施救列车的轮对，负输入端通过供电隔离开关连接故障列车的辅助供电系统。

本发明的救援供电装置依托列车牵引变流器(以下简称CI)及供电布线方式来实现。在列车救援过程中，将施救列车牵引变压器的一个次边绕组负线或正线接地，利用施救列车和故障列车的轮对及钢轨做负线或正线接地回流，牵引变压器的次边绕组至CI的高压电器开关单元之间电路引出的救援供电正线或负线将牵引变压器降压后的电网电压输出至故障列车辅助供电系统，以此维持故障列车辅助负载正常运行。

本发明的另一目的在于提供一种应用了上述列车救援供电装置的控制方法，包括以下步骤：

S1.发送救援供电指令给传动控制单元，控制施救列车升起受电弓给救援供电装置供电；

S2.传动控制单元检测电网电压供电正常后，控制其中一个独立轴控电路给故障列车的辅助供电系统供电，并封锁该独立轴控电路的牵引功能，其余轴控电路用于牵引；

本发明采用了利用其中一独立轴控电路的次边绕组给故障列车救援供电，该轴牵引必须切除的方案，避免了该轴次边绕组至高压电器开关单元的接地对该轴牵引控制的影响及该轴次边绕组至高压电器开关单元接地救援供电、该轴牵引同时牵引运行整流单元斩波次边绕组升压产生谐波对救援供电品质的影响；

S3.根据救援工况，判断施救列车的速度及牵引力大小是否满足救援要求；

S4.根据施救列车的速度及牵引力大小，自动控制供电隔离开关的断合及投入运行的整流单元、逆变单元的数量以实现独立轴控电路的牵引封锁和正常牵引功能的转换。

本发明控制方案通过综合判断施救列车速度及牵引力大小，自动控制施救列车供电隔离开关的断合及投入运行的牵引变流器的整流单元、逆变单元的数量，在救援运行全过程中尽可能维持给故障列车辅助供电系统供电的情况下，仅在较大的坡道上短时间恢复施救列车正常牵引运行、切除给故障列车辅助供电系统的供电的方式，让施救列车和故障列车能顺利运行至目的地。

优选地，所述步骤S3中，当前工况为静态工况时，通过判断司机牵引手柄级位是否已达最大值且持续T时间，以及救援供电装置速度是否仍低于速度V，来判断当前牵引力是否满足施救列车和故障列车在当前坡道上的正常牵引前行；其中，T为静态工况下独立轴控电路牵引封锁转换为正常牵引的时间阈值，V为静态工况下独立轴控电路牵引封锁转换为正常牵引的速度阈值。

优选地，所述步骤S3中，当前工况为动态工况时，通过判断司机牵引手柄级位是否已达最大值且施救列车速度是否从大于V的速度降至速度V，来判断当前牵引力是否满足施救列车和故障列车在当前坡道上的正常牵引前行；其中，V为静态工况下独立轴控电路从牵引封锁转换为正常牵引的速度阈值。

优选地，所述步骤S4中，若当前的牵引力大小不能实现施救列车和故障列车在当前坡道上的正常牵引前行，控制为故障列车辅助供电系统供电的独立轴控电路断开为故障列车辅助供电系统的供电，切换到为施救列车牵引功能，实现从牵引封锁转换为正常牵引。

优选地，当施救列车和故障列车驶离坡道区域，将连接有隔离开关的独立轴控电路重新为故障列车辅助供电系统供电，并断开此独立轴控电路的牵引功能，实现从正常牵引转换为牵引封锁。

优选地，当施救列车运行速度大于Vthd，且独立轴控电路同时牵引运行距离达S，则判断施救列车及故障列车已驶离坡道区域；其中，Vthd为救援工况独立轴控电路正常牵引转换为独立轴控电路牵引封锁的速度阈值，S为救援工况独立轴控电路正常牵引转换为独立轴控电路牵引封锁的距离阈值，S＝既有线路坡道的最大实际长度+施救列车长度+故障列车长度。

本发明的有益效果：

本发明的CI采用完全独立轴控的主电路，将施救列车牵引变压器的一个次边绕组负线接地，利用施救列车和故障列车的轮对及钢轨做负线接地回流，次边绕组至高压电器开关单元引出的救援供电正线将牵引变压器降压后的电网电压输出至故障列车辅助供电系统，维持故障列车辅助负载正常运行的方案实施救援，这种接地回流方案可节省施救列车和故障列车的救援负线大线，能有效降低列车重量、成本及布线难度。

本发明控制方法能自动识别救援工况下施救列车和故障列车是否可以在较大的坡道上正常牵引运行，并自动完成对施救列车正常牵引和救援供电模式的切换，完全无需人工干预，能最大限度的维持旅客乘车的舒适环境，缓解乘务人员及司机的工作压力。并且，在静态工况，本发明救援供电装置及控制方案能持续维持为故障列车辅助供电系统供电。

附图说明

图1为实施例1救援供电的电路拓扑结构及供电布线示意图。

图2为实施例2救援供电的电路拓扑结构及供电布线示意图。

图3为静态工况救援供电控制流程图。

图4为动态工况救援供电控制流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种列车救援供电装置。

列车救援供电装置作为施救列车的组成部分，包括牵引变压器、CI以及传动控制单元；CI电路拓扑结构及供电布线如图1所示。施救列车的CI由两个完全独立轴控电路组成，分为一轴和二轴；每个独立轴控电路均包括高压电器开关单元、整流单元、中间直流单元、逆变单元。二轴独立轴控电路增加了供电隔离开关、牵引变压器的次边绕组至CI的高压电器开关单元之间电路引出的救援供电正线。高压电器单元的负输入端通过供电隔离开关连接施救列车的轮对，高压电器单元的正输入端通过供电隔离开关连接故障列车的辅助供电系统。

高压电器开关单元，用于电网电压经牵引变压器降压后的供电电压对CI两个完全独立轴控的电路的引入和隔离。整流单元，利用牵引变压器的次边绕组及整流模块进行斩波升压，将交流电整流为直流电，使中间直流单元的电压稳定在额定中间直流电压。中间直流单元，用于CI两个完全独立轴控电路电能的存储和释放。逆变单元，从中间直流单元取电，将直流电逆变为变压变频的交流电，按照司机的操作方式通过逆变单元控制电机运行。供电隔离开关及牵引变压器的二轴次边绕组至CI的高压电器开关单元2之间电路引出的救援供电正线，用于二轴次边绕组交流电对故障列车辅助供电系统供电的引入和隔离。DCU是CI的控制装置，用于采集电网电压、中间直流单元电压、列车速度、各开关状态、司机控制指令信号，通过对这些信号的综合判断，实现对供电隔离开关、高压电器开关单元、整流单元和逆变单元的控制。

施救列车正常运行工况时，供电隔离开关1、2处于断开状态，二轴次边绕组交流电不对外供电输出。施救列车救援供电运行工况时，供电隔离开关1、2处于闭合状态，牵引变压器的二轴次边绕组交流电利用施救列车和故障列车的轮对及钢轨做负线接地回流，牵引变压器的二轴次边绕组至CI的高压电器开关单元2之间电路引出的救援供电正线将牵引变压器降压后的电网电压输出至故障列车辅助供电系统，维持故障列车辅助负载正常运行。

本实施例无需故障列车增加额外设备，适用性广，其利用施救列车和故障列车的轮对构成回路的布线方式有效降低了成本。

实施例2

如图2所示，实施例2与实施例1的不同之处在于，CI包括三个独立轴控电路，分为一轴、二轴、三轴；牵引变压器的三轴次边绕组交流电利用施救列车和故障列车的轮对及钢轨做正线接地回流，牵引变压器的二轴次边绕组至CI的高压电器开关单元2之间电路引出的救援供电负线将牵引变压器降压后的电网电压输出至故障列车辅助供电系统，维持故障列车辅助负载正常运行。

本实施例利用三轴为故障列车辅助供电系统供电，一轴、二轴用于牵引，完全能满足救援的需求。

实施例3

本实施例提供一种应用了实施例1列车救援供电装置的控制方法，包括以下步骤：

S1.发送救援供电指令给传动控制单元，控制施救列车升起受电弓给救援供电装置供电；

S2.传动控制单元检测电网电压供电正常后，控制其中一个独立轴控电路给故障列车的辅助供电系统供电，并封锁该独立轴控电路的牵引功能，其余轴控电路用于牵引；

S3.根据救援工况，判断施救列车的速度及牵引力大小是否满足救援要求；

S4.根据施救列车的速度及牵引力大小，自动控制供电隔离开关的断合及投入运行的整流单元、逆变单元的数量以实现独立轴控电路的牵引封锁和正常牵引功能的转换。

本发明控制方案通过综合判断施救列车速度及牵引力大小，自动控制施救列车供电隔离开关的断合及投入运行的牵引变流器的整流单元、逆变单元的数量，在救援运行全过程中尽可能维持给故障列车辅助供电系统供电的情况下，仅在较大的坡道上短时间恢复施救列车正常牵引运行、切除给故障列车辅助供电系统的供电的方式，让施救列车和故障列车能顺利运行至目的地。

具体地，在静态工况下，施救列车CI的二轴，即连接了供电隔离开关的独立轴控电路，与其连接的牵引变压器的次边绕组至CI的高压电器开关单元2之间电路引出的救援供电正线与故障列车相应接口连接完毕后，司机发送“救援供电”指令给CI控制装置DCU，同时施救列车司机升受电弓，给施救列车供电，施救列车的牵引供电和给故障列车供电控制方案如下：

一、给故障列车供电控制

施救列车DCU检测到电网电压供电正常后，控制供电隔离开关1、2处于闭合状态，高压电器开关2处于断开状态，整流单元2与逆变单元2处于封锁状态。二轴次边绕组交流电利用施救列车和故障列车的轮对及钢轨做负线接地回流，牵引变压器的二轴次边绕组至CI的高压电器开关单元2之间电路引出的救援供电正线将牵引变压器降压后的电网电压输出至故障列车辅助供电系统，维持故障列车辅助负载正常运行。

二、施救列车牵引供电控制

施救列车DCU检测到电网电压供电正常后，控制一轴高压电器开关单元1的开关闭合给中间直流单元充电1，充电完成，整流单元1启动，将中间直流单元电压1稳定在额定电压后，逆变单元1启动，按照司机手柄级位控制电机1牵引施救列车和故障列车运行。

救援供电运行过程中，为避免二轴次边绕组至高压电器开关单元2负线接地对二轴牵引控制的影响，同时为了避免二轴次边绕组至高压电器开关单元2负线接地救援供电、二轴牵引同时牵引运行二轴整流单元斩波次边绕组升压产生谐波对救援供电品质的影响，施救列车实质采用了利用二轴次边绕组给故障列车救援供电，二轴牵引必须切除的方案。此方案对于图1所示CI主电路，会导致救援供电运行过程中施救列车损失一半的动力，当故障列车静止或运行在较大的坡道上时，施救列车可能无法同时牵引拖动施救列车和故障列车正常运行。本发明能自动识别救援工况下施救列车和故障列车是否可以在较大的坡道上正常牵引运行，并自动完成对施救列车正常牵引和救援供电模式的切换，完全无需人工干预。对于这种情况，本发明针对静态工况和动态工况分别采用不同的控制方法。

如图3所示，救援供电静态工况下，施救列车启动时，一轴用于牵引，二轴牵引封锁。当施救列车和故障列车静止在较大的坡道时，若DCU检测到司机牵引手柄级位已达最大值且持续T时间，施救列车速度仍低于速度V，DCU控制供电隔离开关1、2处于断开状态，停止向故障列车辅助系统供电；DCU控制二轴高压电器开关单元2的开关闭合给中间直流单元充电2，充电完成，整流单元2启动，将中间直流单元电压2稳定在额定电压后，逆变单元2启动；DCU按照司机手柄级位控制电机1和2同时牵引施救列车和故障列车。其中T为救援供电静态工况下二轴牵引封锁转换为正常牵引的时间阈值，V为救援供电静态工况下二轴牵引封锁转换为正常牵引的速度阈值。

当施救列车运行速度大于Vthd，且救援列车一轴和二轴同时牵引运行距离达S后，DCU判断施救列车及故障列车已驶离较大坡道区域；DCU将立即封锁二轴整流单元2和逆变单元2，控制高压电器开关单元2开关处于断开状态，再次控制供电隔离开关1/2处于闭合状态，利用二轴次边绕组给故障列车辅助供电系统供电。其中，Vthd为救援工况二轴正常牵引转换为二轴牵引封锁的速度阈值，S为救援工况二轴正常牵引转换为二轴牵引封锁的距离阈值，S＝既有线路坡道的最大实际长度+施救列车长度+故障列车长度。

如图4所示，救援供电动态工况下，正常运行时，施救列车一轴用于牵引，二轴牵引封锁。当施救列车和故障列车运行至较大的坡道时，若DCU检测到司机牵引手柄级位已达最大值且施救列车速度从大于V的速度降至速度V后，DCU控制供电隔离开关1/2处于断开状态，停止向故障列车辅助系统供电；DCU控制二轴高压电器开关单元2的开关闭合给中间直流单元充电2，充电完成，整流单元2启动，将中间直流单元电压2稳定在额定电压后，逆变单元2启动，DCU按照司机手柄级位控制电机1和2同时牵引施救列车和故障列车。其中，V为静止救援工况下二轴牵引封锁转换为正常牵引的速度阈值。

当施救列车和故障列车运行速度大于Vthd，且列车一轴和二轴同时牵引运行距离达S后，DCU判断施救列车及故障列车已驶离大坡道区域，DCU将立即封锁二轴整流单元2和逆变单元2，控制高压电器开关单元2开关处于断开状态，再次控制供电隔离开关1/2处于闭合状态，利用二轴次边绕组给故障列车辅助供电系统供电。其中，Vthd为救援工况二轴正常牵引转换为二轴牵引封锁的速度阈值，S为救援工况二轴正常牵引转换为二轴牵引封锁的距离阈值，S＝既有线路坡道的最大实际长度+施救列车长度+故障列车长度。

本发明控制方案中，在正常线路上能够正常牵引故障列车实施救援，即便线路上有较大上坡，也能在实现牵引运行的同时，避免故障列车辅助供电系统长时间的断电，断电时长只需两个动力轴以较大速度同时牵引施救列车和故障列车超过S距离所需时间即可。因此，本发明的电路拓扑结构和控制方法可以在救援回送绝大部分时间内的保证给故障列车辅助供电系统稳定供电，特别是在静态工况下，本发明救援供电装置及控制方案能持续维持为故障列车辅助供电系统供电。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种列车救援供电装置，包括牵引变压器、牵引变流器以及传动控制单元，其特征在于，所述牵引变流器包括至少两个独立轴控电路；所述独立轴控电路包括依次连接的高压电器开关单元、整流单元、中间直流单元以及逆变单元；所述高压电器开关单元的输入端与牵引变压器的次边绕组连接，输出端连接整流单元；所述逆变单元的输出端连接牵引电机；其中一个独立轴控电路的高压电器单元的输入端还分别通过供电隔离开关分别连接列车救援供电装置的轮对以及故障列车的辅助供电系统；

所述高压电器开关单元用于电网电压经牵引变压器降压后的供电电压对牵引变流器的独立轴控电路的引入和隔离；所述整流单元用于利用牵引变压器的次边绕组及整流单元进行斩波升压，将交流电整流为直流电，使中间直流单元的电压稳定在额定中间直流电压；所述中间直流单元用于独立轴控电路电能的存储和释放；所述逆变单元用于从中间直流单元取电，将直流电逆变为变压变频的交流电；所述传动控制单元用于采集电网电压、中间直流单元电压、列车速度、各开关状态、司机控制指令信号，通过对这些信号的综合判断，实现对供电隔离开关、高压电器开关单元、整流单元和逆变单元的控制。

2.根据权利要求1所述的列车救援供电装置，其特征在于，所述独立轴控电路为两个或三个。

3.根据权利要求1所述的列车救援供电装置，其特征在于，其中一个独立轴控电路的高压电器单元的负输入端通过供电隔离开关连接列车救援供电装置的轮对，正输入端通过供电隔离开关连接故障列车的辅助供电系统。

4.根据权利要求1所述的列车救援供电装置，其特征在于，所述其中一个独立轴控电路的高压电器单元的正输入端通过供电隔离开关连接列车救援供电装置的轮对，负输入端通过供电隔离开关连接故障列车的辅助供电系统。

5.一种应用了权利要求1至4任意一项所述列车救援供电装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.发送救援供电指令给传动控制单元，控制施救列车升起受电弓给救援供电装置供电；

S2.传动控制单元检测电网电压供电正常后，控制其中一个独立轴控电路给故障列车的辅助供电系统供电，并封锁该独立轴控电路的牵引功能，其余轴控电路用于牵引；

S3.根据救援工况，判断施救列车的速度及牵引力大小是否满足救援要求；

S4.根据施救列车的速度及牵引力大小，自动控制供电隔离开关的断合及投入运行的整流单元、逆变单元的数量以实现独立轴控电路的牵引封锁和正常牵引功能的转换。

6.根据权利要求5所述列车救援供电装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，当前工况为静态工况时，通过判断司机牵引手柄级位是否已达最大值且持续T时间，以及施救列车速度是否仍低于速度V，来判断当前牵引力是否满足施救列车和故障列车在当前坡道上的正常牵引前行；其中，T为静态工况下独立轴控电路牵引封锁转换为正常牵引的时间阈值，V为静态工况下独立轴控电路牵引封锁转换为正常牵引的速度阈值。

7.根据权利要求5所述列车救援供电装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，当前工况为动态工况时，通过判断司机牵引手柄级位是否已达最大值且施救列车速度是否从大于V的速度降至速度V，来判断当前牵引力是否满足施救列车和故障列车在当前坡道上的正常牵引前行；其中，V为静态工况下独立轴控电路从牵引封锁转换为正常牵引的速度阈值。

8.根据权利要求6或7所述列车救援供电装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，若当前的牵引力大小不能实现施救列车和故障列车在当前坡道上的正常牵引前行，控制为故障列车辅助供电系统供电的独立轴控电路断开为故障列车辅助供电系统的供电，切换到为施救列车牵引功能，实现从牵引封锁转换为正常牵引。

9.根据权利要求8所述列车救援供电装置的控制方法，其特征在于，当施救列车和故障列车驶离坡道区域，将连接有隔离开关的独立轴控电路重新为故障列车辅助供电系统供电，并断开此独立轴控电路的牵引功能，实现从正常牵引转换为牵引封锁。

10.根据权利要求8所述列车救援供电装置的控制方法，其特征在于，当施救列车运行速度大于Vthd，且独立轴控电路同时牵引运行距离达S，则判断施救列车及故障列车已驶离坡道区域；其中，Vthd为救援工况独立轴控电路正常牵引转换为独立轴控电路牵引封锁的速度阈值，S为救援工况独立轴控电路正常牵引转换为独立轴控电路牵引封锁的距离阈值，S＝既有线路坡道的最大实际长度+施救列车长度+故障列车长度。

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