CN109712784A - 提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的方法及变压器 - Google Patents

Abstract

提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的方法及变压器，通过提高城轨变流器应急电源变压器的散热性能，以及提高各部件的绝缘性能，防止城轨变流器应急电源烧毁。所述的提高城轨变流器应急电源变压器的散热性能是采用多个独立的子变压器进行功率的传输，并将变压器原边、副边的功率器件直接贴合到铝外壳上，直接将热导到外壳，提高变流器应急电源变压器的整体散热性能；所述提高各部件的绝缘性能是在变压器底部磁芯、原边副边、原边都进行绝缘加固处理，并增加线圈与引脚的爬电距离，以此提高变压器的整体绝缘性能。本发明通过改善变压器的散热性能和绝缘性能，能够有效避免城轨变流器应急电源烧毁。

Description

提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的方法及变压器

技术领域

本发明涉及一种城轨车辆部件的改进，具体涉及一种提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的方法及变压器，该种提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的方法及变压器具有更好的防止应急电源烧毁的性能；属于城轨车辆部件制造技术领域。

背景技术

城轨牵引变流应急供电系统是为车载蓄电池故障的情况下为牵引变流系统提供临时电源；其中，应急电源是城轨牵引变流应急供电系统中的关键部件，能够保证车辆在长时间停放或蓄电池出现故障时进行应急供电，以确保列车行车安全。目前，我们国内由于应急电源不同于传统电源的设计理念，设计难度大，特别是此电源实际应用中工况复杂，所以我们国内城轨牵引变流应急供电系统中的应急电源多采取国外电源，主要品牌为瑞典powerbox，德国庚罗等。然而powerbox等国外电源在国内城轨变流器的应用环境中出现大量“水土不服”的现象，即应急电源启动时烧毁等现象。

在实际使用中我们发现，在国内的城轨市场中，由于我们国内电网电能质量问题，导致目前所有城轨变流器均大范围出现应急电源无法启动，空载待机过热，应急启动时烧毁等情况，如广州神铁牵引设备有限公司提出，在广州地铁9号线上的他们的变流器应急电源无法使用，其产品为powerbox公司的进口电源，上电时烧坏应急电源，且目前无法解决。因此即便是进口电源，虽说价格高昂，由于在国内的环境中使用，也会频频出现故障，且一旦出现问题，国外电源供应商的服务往往不能及时提供修理服务，很难保证及时进行更换，从而影响车辆的正常运行；所以目前市场急需能解决问题且价格低廉的国产化产品。

通过专利检索没发现有与本发明相同技术的专利文献报道，与本发明有一定关系的专利主要有以下几个：

1、专利申请号为CN201810597115，名称为“一种轨道交通应急电源系统与控制方法”，申请人为：西南交通大学的发明专利申请，该专利公开了一种轨道交通应急电源系统与控制方法，属于轨道交通供电技术领域；本发明方法主要包括动车组应急电源系统匹配设计与混合动力能量控制方法，该应急电源系统主要包括燃料电池系统、储能装置和能量控制器等。匹配设计主要根据动车组应急模式下运行线路、车辆参数下的功率与能量为约束条件，以体积成本为目标函数进行匹配设计，得出一种动车组应急电源系统的方案。

2、专利申请号为CN201610780526，名称为“应急电源装置以及具有其的轨道式列车”，申请人为：中车青岛四方机车车辆股份有限公司的发明专利申请，该专利公开了一种应急电源装置以及具有其的轨道式列车，应急电源装置包括：移动电源；供电接口，与移动电源电连接，供电接口为主断路器接口、辅助空气压缩机接口、辅助电源接口以及受电弓接口中的至少一个；控制电路，设置在移动电源与供电接口连接的电路上，用于控制电路的通断。

3、专利申请号为CN201520543290，名称为“一种轨道交通车辆中应急电源装置”，申请人为：北京九方宏信交通装备有限公司的实用新型专利申请，该专利公开了一种轨道交通车辆中应急电源装置，包括逆变器，逆变器的输入端设置有保护电路，逆变器还连接有用于控制逆变器输出的控制器，控制器包括DSP控制模块，DSP控制模块连接有模拟量输入处理模块、开关量输入处理模块和开关量输出处理模块；模拟量输入处理模块，用于采集和变换逆变器的输入电压、经由DSP控制模块控制后的中间电压和逆变器的输出电压；开关量输入处理模块，用于对逆变器中IGBT的输入信号进行处理，并监测应急电源装置的运行状态；开关量输出处理模块，用于交流电控制输出，同时实时监控逆变器输出状态，通过DSP控制模块进行扫描监控。以解决现有技术中存在的维护难度大，供电不统一，输出电压不稳定的问题。

4、专利申请号为CN201610780526，名称为“应急电源装置以及具有其的轨道式列车”，申请人为：中车青岛四方机车车辆股份有限公司的发明专利申请，该专利公开了一种应急电源装置以及具有其的轨道式列车，应急电源装置包括：移动电源；供电接口，与移动电源电连接，供电接口为主断路器接口、辅助空气压缩机接口、辅助电源接口以及受电弓接口中的至少一个；控制电路，设置在移动电源与供电接口连接的电路上，用于控制电路的通断。

通过对上述这些专利的仔细分析，这些专利虽然都涉及到应急供电系统或应急电源，也提出了一些改进技术方案，但通过仔细分析，所提出的这些关于应急供电系统的应急电源都没有有效解决应急电源无法启动，空载待机过热，应急启动时烧毁，在国内的环境中使用，应急电源也会频频出现故障的问题，因此仍有待进一步加以研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种新的防止城轨变流器应急电源空载待机过热，应急启动时烧毁的方法及其应急电源，有效解决目前在国内的城轨市场中，由于我们国内电网电能质量问题，导致目前所有城轨变流器均大范围出现应急电源无法启动，空载待机过热，应急启动时烧毁等问题。

针以上述问题，本发明提出的技术方案是：一种提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的方法，通过提高城轨变流器应急电源变压器的散热性能，以及提高各部件的绝缘性能，防止城轨变流器应急电源烧毁。

进一步地，所述的提高城轨变流器应急电源变压器的散热性能是采用多个独立的子变压器进行功率的传输，并将变压器原边、副边的功率器件直接贴合到铝外壳上，直接将热导到外壳，提高变流器应急电源变压器的整体散热性能。

进一步地，所述的采用多个独立的子变压器进行功率的传输是通过采用分散组合的变压器结构形式，将变压器的发热通过多个分散的小变压器进行分散散热，提高整个组合变压器的散热效率，并以此来提高城轨变流器应急电源变压器的散热性能。

进一步地，所述的采用分散组合的变压器结构形式是采用将城轨变流器应急电源的变压器拆分成多个独立的子变压器组合结构；并将多个子变压器通过多级级联方式组合起来，通过多个多级级联方式组合起来的子变压器来传输功率，形成一种多级级联形式的城轨变流器应急电源变压器。

进一步地，所述的提高各部件的绝缘性能是在变压器底部磁芯、原边副边、原边都进行绝缘加固处理，并增加线圈与引脚的爬电距离，以此提高变压器的整体绝缘性能。

进一步地，所述的在变压器底部磁芯、原边副边、原边都进行绝缘加固处理是在变压器底部磁芯全部包2-3层胶带，原边副边均用3-4层绝缘线，原边用3-4层绝缘线再套整条铁氟龙套管。

进一步地，所述的在变压器底部磁芯、原边副边、原边都进行绝缘加固处理是变压器的骨架靠近引脚边设置一个挡墙，以此来增加线圈与引脚的爬电距离。

一种提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的变压器，包括变压器，及其控制部件，所述的变压器是由拆分成多个独立的子变压器组合构成；并将变压器原边、副边的功率器件直接贴合到铝外壳上，提高变流器应急电源变压器的整体散热性能；且变压器底部磁芯、原边副边、原边都进行绝缘加固处理，并增加线圈与引脚的爬电距离，以此提高变压器的整体绝缘性能。

进一步地，所述的多个子变压器通过多级级联方式组合起来，通过多个多级级联方式组合起来的子变压器来传输功率，形成一种多级级联形式的城轨变流器应急电源变压器；所述的多个子变压器多级级联数根据变压器的输入电压所确定，以保证每一级子变压器处理的电压在400V以下。

进一步地，变压器底部磁芯、原边副边、原边都进行绝缘加固处理是在变压器底部磁芯全部包2-3层胶带，原边副边均用3-4层绝缘线，原边用3-4层绝缘线再套整条铁氟龙套管。

本发明的优点是：

本发明通过将变压器进行分散来进行散热，这样具有以下一些优点：

1、采用多个独立的变压器来传输功率，一个变压器的最高变换电压控制在440V以下，440V这是一个非常普通的开关电源输入电压，这样可以大大减少变压器的发热；

2、在高频又高压的工作环境下变压器的绝缘是很容易损坏的，如果使用一个变压器来变换2200V的电压，里面的绝缘是非常难处理的且很容易出现绝缘损坏的问题。在同等的体积下，用多个变压器的方案能传递更多的能量且获得更高的转换效率；

3、使用多个变压器的方案变压器的发热是分散的，而采用一个变压器方案的发热是集中的。在可以灌胶的情况下可能没有那么明显，因为胶是比较好的一个导热体，可以把变压器的发热导到周围，但是在不允许灌胶的条件下会非常明显，集中的发热会导致一个很高的温升；

4、变压器控制电路中选用800V的Mosfet充分考虑了最高输入电压情况下的输出端短路时的电压应力，否则可以选用更低耐压的开关管，开关管的导通损耗比较小，才0.45欧姆电阻, W12NK90Z的导通电阻为0.88欧姆 ，加上因为温度的上升内阻也会继续增加，实际的导通损耗大约为900V Mosfet 的三分之一左右；

5、变压器控制电路中选用金膜电容来做均压电容相对于电解电容的体积要小很多，耐压的规格也有很多的选择，不像电解电容的耐压规格要是大于450V的选择面就很窄了，金膜电容的耐压从63V-2000V 有非常多的规格可以选择；

6、按照90%的效率, 连续输出功率440W 来计算，有44W的热要损耗到电源里面；采用5个独立的变压器分散散热, 每一个变压器传输88W，温升会很低。

附图说明

图1为本发明的系统的结构框图；

图2为本发明的5级串联变压器的变换电路图；

图3为本发明的滤波处理电路图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做一步的描述：

实施例一

如图1所示，一种提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的变压器，包括变压器，及其控制部件，所述的变压器是由拆分成多个独立的子变压器组合构成；并将变压器原边、副边的功率器件直接贴合到铝外壳上，提高变流器应急电源变压器的整体散热性能；且变压器底部磁芯、原边副边、原边都进行绝缘加固处理，并增加线圈与引脚的爬电距离，以此提高变压器的整体绝缘性能。

进一步地，所述的多个子变压器通过多级级联方式组合起来，通过多个多级级联方式组合起来的子变压器来传输功率，形成一种多级级联形式的城轨变流器应急电源变压器；所述的多个子变压器多级级联数根据变压器的输入电压所确定为5个，为5级串联变压器，以保证在输入电压在2000V时，每一级子变压器处理的电压在400V以下（如附图2所示）。

进一步地，变压器底部磁芯、原边副边、原边都进行绝缘加固处理是在变压器底部磁芯全部包2-3层胶带，原边副边均用3-4层绝缘线，原边用3-4层绝缘线再套整条铁氟龙套管。一种提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的方法，通过提高城轨变流器应急电源变压器的散热性能，以及提高各部件的绝缘性能，防止城轨变流器应急电源烧毁。

进一步地，所述的在变压器底部磁芯、原边副边、原边都进行绝缘加固处理是变压器的骨架靠近引脚边设置一个2-3mm的挡墙，以此来增加线圈与引脚的爬电距离。

进一步地，所述的5级串联变压器的五级参数相同的反激变换器原边串联， 副边并联输出；五级反激变换器采用同步驱动，即五个变换器的时序相同；原边采用5个电容分压，每一级变换器处理的电压为400V；5级串联变压器的占空比一致，变换器的参数也一致，等效加在5个电容两端的负载也是一致的， 所以5个电容的电压基本相等；电解电容与压条之间有5mm 左右的电气间隙。

进一步地，输入电源将经过滤波处理（如附图3所示），当DC输入之间有很大的电压跳变时，C1要跟随输入电压的变化而产生一个很大的充放电电流,尤其是跟C1的容量有很大的关系。82N的电容相对来说比较小，电流不会有那么大；同时RT3 NTC 电阻在开机的状态可以限制浪涌电流，当通过电流时会发热，这个阻值会随着温度的升高而降低，从而可以有效保护热敏电阻不会损坏，PCB板也不会因为电阻的温度过高而烧黄，烧黑。三个保险丝串联使用，当回路出现大的电流时会熔断。R1/R3是保险电阻，当DC/DC变换回路出问题时，也可以断开主回路，但C1的大电流就不会流过保险电阻。电路中的均压电容采用金膜电容630V/335，提高均压的可靠性。

进一步地，在实际中的参数还是会有一些小的差异，比如变压器的电感量， 开关管的结电容等等。假设某一个电容的负载偏重，那么此电容上的电压也会下降，负载会自动减轻，有一个自动调节的功能。输出空载，小载采用MCU 降频处理，提高PWM的占空比，减少器件特性差异导致不均压；针对多级串联的同步驱动，PCB板的走线也很重要，要尽可能做到驱动回路走线一致，达到良好的均压效果。

很显然，在不脱离本发明所述原理的前提下，作出的若干改进或修饰都应视为本发明的保护范围。

根据上述实施例的描述，可以知道，本发明还涉及一种提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的方法，通过提高城轨变流器应急电源变压器的散热性能，以及提高各部件的绝缘性能，防止城轨变流器应急电源烧毁。

进一步地，所述的提高城轨变流器应急电源变压器的散热性能是采用多个独立的子变压器进行功率的传输，并将变压器原边、副边的功率器件直接贴合到铝外壳上，直接将热导到外壳，提高变流器应急电源变压器的整体散热性能。

进一步地，所述的采用多个独立的子变压器进行功率的传输是通过采用分散组合的变压器结构形式，将变压器的发热通过多个分散的小变压器进行分散散热，提高整个组合变压器的散热效率，并以此来提高城轨变流器应急电源变压器的散热性能。

进一步地，所述的采用分散组合的变压器结构形式是采用将城轨变流器应急电源的变压器拆分成多个独立的子变压器组合结构；并将多个子变压器通过多级级联方式组合起来，通过多个多级级联方式组合起来的子变压器来传输功率，形成一种多级级联形式的城轨变流器应急电源变压器。

进一步地，所述的提高各部件的绝缘性能是在变压器底部磁芯、原边副边、原边都进行绝缘加固处理，并增加线圈与引脚的爬电距离，以此提高变压器的整体绝缘性能。

进一步地，所述的在变压器底部磁芯、原边副边、原边都进行绝缘加固处理是在变压器底部磁芯全部包2-3层胶带，原边副边均用3-4层绝缘线，原边用3-4层绝缘线再套整条铁氟龙套管。

进一步地，所述的在变压器底部磁芯、原边副边、原边都进行绝缘加固处理是变压器的骨架靠近引脚边设置一个挡墙，以此来增加线圈与引脚的爬电距离。

本发明的优点是：

本发明通过将变压器进行分散来进行散热，这样具有以下一些优点：

1、采用多个独立的变压器来传输功率，一个变压器的最高变换电压控制在440V以下，440V这是一个非常普通的开关电源输入电压，这样可以大大减少变压器的发热；

2、在高频又高压的工作环境下变压器的绝缘是很容易损坏的，如果使用一个变压器来变换2200V的电压，里面的绝缘是非常难处理的且很容易出现绝缘损坏的问题。在同等的体积下，用多个变压器的方案能传递更多的能量且获得更高的转换效率；

3、使用多个变压器的方案变压器的发热是分散的，而采用一个变压器方案的发热是集中的。在可以灌胶的情况下可能没有那么明显，因为胶是比较好的一个导热体，可以把变压器的发热导到周围，但是在不允许灌胶的条件下会非常明显，集中的发热会导致一个很高的温升；

4、变压器控制电路中选用800V的Mosfet充分考虑了最高输入电压情况下的输出端短路时的电压应力，否则可以选用更低耐压的开关管，开关管的导通损耗比较小，才0.45欧姆电阻, W12NK90Z的导通电阻为0.88欧姆 ，加上因为温度的上升内阻也会继续增加，实际的导通损耗大约为900V Mosfet 的三分之一左右；

5、变压器控制电路中选用金膜电容630V/335来做均压电容相对于电解电容的体积要小很多，耐压的规格也有很多的选择，不像电解电容的耐压规格要是大于450V的选择面就很窄了，金膜电容的耐压从63V-2000V 有非常多的规格可以选择；

6、按照90%的效率, 连续输出功率440W 来计算，有44W的热要损耗到电源里面；采用5个独立的变压器分散散热, 每一个变压器传输88W，温升会很低。

Claims (10)

1.一种提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的方法，其特征在于，通过提高城轨变流器应急电源变压器的散热性能，以及提高各部件的绝缘性能，防止城轨变流器应急电源烧毁。

2.根据权利要求1所述的提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的方法，其特征在于，所述的提高城轨变流器应急电源变压器的散热性能是采用多个独立的子变压器进行功率的传输，并将变压器原边、副边的功率器件直接贴合到铝外壳上，直接将热导到外壳，提高变流器应急电源变压器的整体散热性能。

3.根据权利要求2所述的提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的方法，其特征在于，所述的采用多个独立的子变压器进行功率的传输是通过采用分散组合的变压器结构形式，将变压器的发热通过多个分散的小变压器进行分散散热，提高整个组合变压器的散热效率，并以此来提高城轨变流器应急电源变压器的散热性能。

4.根据权利要求3所述的提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的方法，其特征在于，所述的采用分散组合的变压器结构形式是采用将城轨变流器应急电源的变压器拆分成多个独立的子变压器组合结构；并将多个子变压器通过多级级联方式组合起来，通过多个多级级联方式组合起来的子变压器来传输功率，形成一种多级级联形式的城轨变流器应急电源变压器。

5.根据权利要求1所述的提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的方法，其特征在于，所述的提高各部件的绝缘性能是在变压器底部磁芯、原边副边、原边都进行绝缘加固处理，并增加线圈与引脚的爬电距离，以此提高变压器的整体绝缘性能。

6.根据权利要求5所述的提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的方法，其特征在于，所述的在变压器底部磁芯、原边副边、原边都进行绝缘加固处理是在变压器底部磁芯全部包2-3层胶带，原边副边均用3-4层绝缘线，原边用3-4层绝缘线再套整条铁氟龙套管。

7.根据权利要求5所述的提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的方法，其特征在于，所述的在变压器底部磁芯、原边副边、原边都进行绝缘加固处理是在变压器的骨架靠近引脚边设置一个挡墙，以此来增加线圈与引脚的爬电距离。

8.一种提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的变压器，包括变压器，及其控制部件，所述的变压器是由拆分成多个独立的子变压器组合构成；并将变压器原边、副边的功率器件直接贴合到铝外壳上，提高变流器应急电源变压器的整体散热性能；且变压器底部磁芯、原边副边、原边都进行绝缘加固处理，并增加线圈与引脚的爬电距离，以此提高变压器的整体绝缘性能。

9.根据权利要求8所述的提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的变压器，其特征在于，所述的多个子变压器通过多级级联方式组合起来，通过多个多级级联方式组合起来的子变压器来传输功率，形成一种多级级联形式的城轨变流器应急电源变压器；所述的多个子变压器多级级联数根据变压器的输入电压所确定，以保证每一级子变压器处理的电压在400V以下。

10.根据权利要求8所述的提高城轨变流器应急电源变压器整体性能的变压器，其特征在于，变压器底部磁芯、原边副边、原边都进行绝缘加固处理是在变压器底部磁芯全部包2-3层胶带，原边副边均用3-4层绝缘线，原边用3-4层绝缘线再套整条铁氟龙套管。