CN110014854B - 一种变流器及电传动系统 - Google Patents

Abstract

一种变流器，包括：主辅充一体整流电路，其用于与发电机和牵引变压器连接，用于对发电机或牵引变压器传输来的第一交流电进行交‑直转换，得到第一直流电；中间直流电路，其与主辅充一体整流电路连接；主逆变电路，其与中间直流电路连接，用于对中间直流电路传输来的直流电进行直‑交转换，得到第二交流电。该变流器能够有效减小电传动系统的功率损耗、提高电传动系统的效率。同时，该变流器还能够有效降低主逆变电路、辅助逆变电路以、牵引电机及相关参数的匹配难度，这样有助于降低主逆变电路、辅助逆变电路以及牵引电机中关键部件的重量以及体积，并提高电传动系统的效率以及节能度。

Description

一种变流器及电传动系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种变流器及电传动系统。

背景技术

国内轨道交通工程车领域，诸如钢轨打磨车、换咋车以及接触网作业车等都是采用双源制的专用工程车，其多采用柴油动力包加供电网(例如AC25KV、DC150V和DC750V供电网等)的供电方式。

针对内燃动力方面，上述工程车的柴油动力包都是采用柴油机、同步主发励磁发电机和三相不可控整流的电路结构，采用此电路结构的柴油动力包存在体积以及重量大的缺陷。

针对双动力内燃-电力动车组，由于车上空间需要乘坐乘客，因此电传动系统就需要放置在车底，原有的柴油机、同步主发励磁发电机和三相不可控整流电路的电路结构也就无法满足需求。

随着技术的发展，永磁发电机得到推广应用，在轨道交通领域采用永磁发电机替代同步主发励磁发电机的新的柴油动力包集成方式，其体积和重量更小，这也就使得双动力电传动系统设置在车底称为可能。

然而，由于采用三相不可控整流电路，因此永磁发电机的电压及电流不可控制，这也就无法调节电流与电压的相序关系，从而在考虑阻抗以及发热的情况下会使得发电机的重量和体积过大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种变流器，所述变流器包括：

主辅充一体整流电路，其用于与发电机和牵引变压器连接，用于对所述发电机或牵引变压器传输来的第一交流电进行交-直转换，得到第一直流电；

中间直流电路，其与所述主辅充一体整流电路连接；

主逆变电路，其与所述中间直流电路连接，用于对所述中间直流电路传输来的直流电进行直-交转换，得到第二交流电。

根据本发明的一个实施例，所述主辅充一体整流电路包括：

主辅充一体整流器，其用于对接收到的交流电进行交-直转换；

第一开关件，其连接在所述发电机与主辅充一体整流器之间，用于导通或断开所述发电机与主辅充一体整流器之间的电连接；

第二开关件，其连接在所述牵引变压器与主辅充一体整流器之间，用于导通或断开所述牵引变压器与主辅充一体整流器之间的电连接。

根据本发明的一个实施例，所述主辅充一体变流器包括四条结构相同的整流桥臂，所述四条整流桥臂的第一端口分别与所述第二开关件的四个输出端口对应连接，所述四条整流桥臂中三条整流桥臂的第一端口分别与所述第一开关件的三个输出端口对应连接，所述四条整流器的第二端口相互连接，所述四条整流桥臂的第三端口相互连接。

根据本发明的一个实施例，所述主辅充一体变流器的工作模式包括两重四象限整流模式、三相不可控整流模式以及三相全控整流模式。

根据本发明的一个实施例，所述主逆变电路包括多个逆变器，其中，所述多个逆变器的输入端均与所述中间直流电路连接，输出端用于分别与相应的电机对应连接。

根据本发明的一个实施例，所述变流器还包括：

辅助逆变电路，其与所述中间直流电路连接，用于对所述中间直流电路传输来的直流电进行直-交转换，并将得到的交流电传输至与之连接的外部交流负载。

根据本发明的一个实施例，所述辅助逆变电路包括：

辅助逆变器，其与所述中间直流电路连接；

隔离变压器，其与所述辅助逆变器连接；

第三开关件，其与所述隔离变压器连接。

根据本发明的一个实施例，所述变流器还包括：

第四开关件，其与所述辅助逆变电路连接；

DC充电机，其与所述第四开关件连接，用于将所述第四开关件传输来的交流电转换为直流电并传输至相应的外部直流负载。

根据本发明的一个实施例，所述变流器还包括：

第五开关件，其与所述中间直流电路连接，用于将所述中间直流电路传输来的直流电传输至与之连接的外部蓄电池。

本发明还提供了一种电传动系统，所述系统包括：发电机；牵引变压器；以及；如上任一项所述的变流器。

利用主辅充一体整流电路，本发明所提供的变流器可以通过全控整流的方式来生成并输出相应的直流电。相较于现有的采用三相不可控整流电路进行整流的方式，全控整流能够使得直流电压响应更快、波纹更小(例如直流电压响应时间可以小于10ms，纹波可以控制在1％以内)。这样显然极大地提高了直流系统的稳定性，非常适合应用于车辆快速启停的工况。

由于本发明所提供的变流器所生成的中间直流电的电压响应更快、波纹更小，因此相较于现有的变流器，其能够有效减小电传动系统的功率损耗、提高电传动系统的效率。同时，该变流器还能够有效降低主逆变电路、辅助逆变电路以、牵引电机及相关参数的匹配难度，这样有助于降低主逆变电路、辅助逆变电路以及牵引电机中关键部件的重量以及体积，并使得柴油机动力包、主逆变电路、辅助逆变电路以及牵引电机能够工作在最佳区域，从而提高电传动系统的效率以及节能度。

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。本发明的目的和其他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是现有的动车组电传动系统的电路结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的动车组电传动系统的电路结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的主辅充一体整流电路的结构示意图。

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。

图1示出了传动的动车组电传动系统的典型电路结构示意图。

如图1所示，现有的动车组电传动系统采用AC25kV供电方式，牵引传动系统采用“交-直-交”变换的方式得到适合电机使用需求的交流电。具体地，牵引变压器101会将从电网得到的25kV单相交流电转换为AC970V交流电，并将该AC970V交流电作为两重四象限整流模块102的输入。

两重四象限整流模块102对上述AC970V交流电进行整流后得到相应的直流电并将该直流电传输至与之连接的逆变模块103(包括第一逆变单元103a和第二逆变单元103b)。逆变模块103会将整流模块102所传输来的直流电逆变为频率和电压可变的三相交流电，从而为相应的异步牵引电机供电，实现机车的牵引。

现有的动车组电传动系统采用不同的整流模块来对牵引变压器101和柴油动力包所提供的交流电进行整流，该系统通常采用不可控整流方式来对柴油动力包所提供的交流电进行整流。

具体地，如图1所示，柴油动力包包括柴油机104a和永磁发电机104b，柴油机104a能够带动永磁发电机104b产生三相交流电。三相不可控整流模块105与永磁发电机104b连接，其能够对永磁发电机104b所传输来的三相交流电进行不可控整流，并将整流得到的直流电传输至与之连接的逆变模块103。

对于图1所示的现有动车组电传动系统来说，该系统采用三相不可控整流方式来对柴油动力包所提供的交流电进行整流，永磁发电机的电压及电流不可控，这样也就无法调节电流与电压的相序关系。在考虑阻抗以及发热的情况下，该系统会导致永磁发电机的重量以及体积过大。

同时，由于功率变化会导致柴油机转速变化，这样通过三相不可控整流模块将会输出不同的中间电压，额定情况下柴油机转速-发电机输出三相电压-中间直流电压将成线性比例关系。如果按照轨道交通行业通用柴油机1000转/分对应柴油机惰转400转/分，或者1800转/分对应柴油机惰转600转/分，这样会使得中间直流电压的变化范围很大，从而造成中间直流电压控制策略难度大以及控制不稳定的问题。

针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种新的电传动系统，该系统特别适用于动车组。其中，图2示出了本实施例中该电传动系统的电路结构示意图。如图2所示，本实施例所提供的电传动系统包括：永磁发电机201、牵引变压器202以及变流器203。其中，永磁发电机201优选地与柴油机200连接，其能够在柴油机200的驱动下生成三相交流电并将该三相交流电传输至与之连接的变流器203。牵引变压器202通过可控开关K0与电网连接，其能够对接收到的电网传输来的交流电进行降压，并将降压得到的交流电传输至与之连接的变流器203。

本实施例中，变流器203优选地包括：主辅充一体整流电路301、中间直流电路302以及主逆变电路303。主辅充一体整流电路301与永磁发电机201和牵引变压器202连接，其能够对永磁发电机201或牵引变压器202所传输来的第一交流电进行交-直转换，得到第一直流电。

图3示出了本实施例中主辅充一体整流电路301的电路结构示意图。

如图2和图3所示，本实施例中，主辅充一体整流电路301优选地包括：第一开关件301a、第二开关件301b以及主辅充一体整流器301c。本实施例中，主辅充一体整流器301c优选地包括四条结构相同的整流桥臂，各条整流桥臂均包括两个开关单元。

具体地，本实施例中，各条整流桥臂中的开关件优选地为IGBT模块。以其中一条整流桥臂为例，该整流桥臂包括第一IGBT模块VT1和第二IGBT模块VT2。其中，第一IGBT模块VT1的集电极形成该整流桥臂的第二端口，其发射极形成该整流桥臂的第一端口；第二IGBT模块VT2的集电极与第一IGBT模块VT1的发射极连接，其发射极形成该整流桥臂的第三端口。

本实施例中，主辅充一体整流器301c所包含的四条整流桥臂的第二端口相互连接，第三端口同样也相互连接，这样这四个相互连接的第二端口以及四个相互连接的第三端口也就形成了主辅一体整流电路301的输出端正负极。上述四条整流桥臂的第一端口分别与第二开关件301b的四个输出端口连接，这四条整流桥臂中三条整流桥臂的第一端口分别与第一开关件301a的三个输出端口连接。

本实施例中，牵引变压器202包括两组副边，这样牵引变压器202也就包括四个输出端口。由于第二开关件301b与牵引变压器202连接，因此与牵引变压器202的输出端口相对应地，第二开关件301b包括四组输入输出端口(每组输入输出端口分别包含一个输入端口和一个输出端口)，这四组输入输出端口之间通过开关来实现通断。第二开关件301b的四个输出端口分别与主辅充一体整流器301c的四条整流桥臂的第一端口对应连接。

永磁发电机201所输出的交流电为三相交流电，因此第一开关件301a也就包括三组输入输出端口(每组输入输出端口分别包含一个输入端口和一个输出端口)，这三组输入输出端口之间通过开关来实现通断。由于主辅充一体整流器301c包括四条整流桥臂(即等效为四个输入端口)，因此这四条整流桥臂中只需要三条整流桥臂来与第一开关件301a的三个输出端口对应连接。

需要指出的是，在本发明的不同实施例中，第一开关件301a所连接的三条整流桥臂根据实际需要可以进行不同配置，本发明不限于此。

从上述描述中可以看出，本实施例所提供的主辅充一体整流电路301利用八个IGBT模块构成的整流电路进行交-直转换。本实施例中，与主辅一体整流电路301相连的整流控制器(图中未示出)会控制上述主辅充一体整流电路301工作在不同模式。其中，根据实际需要，主辅充一体整流电路301的工作模式可以包括三种工作模式，即两重四象限整流模式、三相不可控整流模式以及三相全控整流模式。

其中，当变流器由供电网提供电能时，第一开关件301a断开且第二开关件301b导通，此时整流控制器可以控制主辅充一体整流电路301中的主辅充一体整流器301c来作为两重四象限整流器来使用，从而将牵引变压器传输来的单相AC970V交流电转换为DC1800V的中间直流电。

而当变流器由永磁发电机201提供电能时，第一开关件301a导通且第二开关件301b断开，此时根据实际需要，此时整流控制器可以控制主辅充一体整流电路301中的主辅充一体整流器301c通过各个IGBT模块中的续流二极管来进行整流(即形成三相不可控整流电路)，或是通过各个IGBT模块来进行整流(即形成三相全控整流电路)。

考虑到电网供电及柴油机动力包两种模式的兼容，一般电网供电的最高速度、启动加速度、剩余加速度及牵引电机的功率等都高于柴油机动力包供电模式，因此动车组电传动系统通常按照电网供电优先设计同时兼顾动力包供电模式。对于现有的动车组电传动系统来说，变流器的中间直流电压变化幅度大以及三相不控整流，永磁发电机的电压及电流不可控制，这导致无法调节电流与电压的相序关系，从而造成电传动系统的功率损耗大、效率低。

同时，变流器的中间直流电压变化幅度过大还会导致辅助逆变模块、牵引逆变模块(即主逆变模块)、牵引电机以及相关参数需要兼容，使得变流器的各个模块匹配性存在很大差异并造成匹配难度过大。为了满足后续中间直流电压能够调整在合理的区间，柴油机就需要在较高转速运行，这会导致柴油机动力包、辅助逆变器、牵引电机等不处于最佳工况，最终导致整个传动系统的节能效果较差。

此外，变流器中间直流电压变化幅度过大还会使得相应的辅助逆变模块、牵引逆变模块以及牵引电机的关键部件的重量和体积需要增大，这也就增大了整个电传动系统的体积和重量。

本实施例中，利用主辅充一体整流电路，变流器可以通过全控整流的方式来生成并输出相应的直流电。其中，相较于现有的采用三相不可控整流电路进行整流的方式，全控整流能够使得直流电压响应更快、波纹更小(例如直流电压响应时间可以小于10ms，纹波可以控制在1％以内)。这样显然极大地提高了直流系统的稳定性，非常适合应用于车辆快速启停的工况。

由于本实施例所提供的变流器所生成的中间直流电的电压响应更快、波纹更小，因此相较于现有的变流器，其能够有效减小电传动系统的功率损耗、提高电传动系统的效率。同时，该变流器还能够有效降低主逆变电路、辅助逆变电路以、牵引电机及相关参数的匹配难度，这样有助于降低主逆变电路、辅助逆变电路以及牵引电机中关键部件的重量以及体积，并使得柴油机动力包、主逆变电路、辅助逆变电路以及牵引电机能够工作在最佳区域，从而提高电传动系统的效率以及节能度。

如图2所示，本实施例中，中间直流电路302优选地包括支撑电容Cd，支撑电容Cd的两端分别与主辅充一体整流电路301的输出端正负极连接。主逆变电路303与中间直流电路302连接，其能够将中间直流电路302所传输来的直流电进行直-交转换，从而得到符合电机用电需求的第二交流电。

需要指出的是，在本发明的不同实施例中，根据实际需要，主逆变电路303可以包括多个逆变器(例如包括第一逆变器303a和第二逆变器303b)。这些逆变器的输入端均与中间直流电路连接，输出端则分别与相应的电机连接，从而驱动电机运行。

如图2所示，本实施例中，可选地，该变流器还包括辅助逆变电路304。辅助逆变电路304与中间直流电路302连接，其能够将中间直流电路302所传输来的直流电逆变转换为交流电，并将转换得到的交流电传输至与之连接的外部交流负载204，从而为外部交流负载204提供电能。

具体地，本实施例中，辅助逆变电路304优选地包括：辅助逆变器304a、隔离变压器304b以及第三开关件304c。其中，辅助逆变器304a与中间直流电路302连接，其用于对中间直流电路302所传输来的直流电进行直-交转换，并将转换得到的交流电传输至与之连接的隔离变压器304b。隔离变压器304b能够对辅助逆变器304a所传输来的交流电进行隔离变压，从而得到符合辅助负载305电压需求的交流电。第三开关件304c连接在隔离变压器304b与辅助负载305之间，其能够根据实际需要导通或断开隔离变压器304b与辅助负载305之间的电连接。

本实施例中，根据实际需要，主逆变电路303中各个逆变器和/或辅助逆变器304a的电路结构可以与主辅充一体整流器301c的电流结构相同，这样也就提高了变流器中整流模块与逆变模块的通用性，有助于降低变流器的维护保障难度，并降低系统风险和经济成本。

本实施例中，可选地，变流器还可以包括第四开关件305和DC充电机306。其中，第四开关件305连接在与辅助逆变电路304与DC充电机306之间，其能够根据实际需要导通或断开辅助逆变电路304与DC充电机306之间的导电回路。当第四开关件305闭合时，助逆变电路304与DC充电机306之间电连接的导电导通，DC充电机306会将接收到的辅助逆变电路304所传输来的交流电转换为直流电并传输至与之连接的外部直流负载206，从而驱动外部直流负载206运行。

此外，可选地，变流器还可以包括第五开关件307。第五开关件307与中间直流电路302连接，其能够将中间直流电路302所传输来的直流电传输至与之连接的蓄电池205，从而为蓄电池205充电。而当柴油机需要启动时，蓄电池205所提供的电能则可以通过中间直流电路302、主辅充一体整流器301c(此时主辅充一体整流器301c作为逆变器使用)以及第一开关件301a传输至永磁发电机201，从而驱动永磁发电机201运行，进而带动柴油机200由零转速达到怠速，实现柴油机启动功能。

当中间直流回路中出线瞬时过压的情况时，本实施例中，主辅充一体整流电路301还可以控制永磁发电机201处于电动机工作模式，这样永磁发电机201也就可以吸收部分直流侧能量并转换成机械能，从而有效减少斩波损耗，提高系统效率。

本实施例中，当车辆处于制动状态时，此时电机208可以作为发电机来生成并输出三相交流电，而此时与电机208连接的主逆变电路303将会在相应控制器的控制下作为整流电路来将电机208所传输来的交流电转换为直流电。本实施例中，根据实际需要，电机208在车辆处于制动状态下所产生的电能既可以通过变流器203以及牵引变压器202传输至电网，也可以通过变流器203传输至制动电路207以由制动电阻207消耗，还可以通过变流器203传输至蓄电池205进行存储。

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 (8)

1.一种变流器，其特征在于，所述变流器包括：

主辅充一体整流电路，其用于与永磁发电机和牵引变压器连接，用于对与柴油机连接的所述永磁发电机或与电网连接的牵引变压器传输来的第一交流电进行交-直转换，得到第一直流电，其中，在中间直流电路出现瞬时过压情况下，所述永磁发电机处于电动机工作模式；

中间直流电路，其与所述主辅充一体整流电路连接；

主逆变电路，其与所述中间直流电路连接，用于对所述中间直流电路传输来的直流电进行直-交转换，得到第二交流电；

第五开关件，其与所述中间直流电路连接，用于将所述中间直流电路传输来的直流电传输至与之连接的蓄电池，其中，当柴油机需要启动时，所述蓄电池所提供的电能通过中间直流电路、主辅充一体整流器以及第一开关件传输至永磁发电机，从而实现柴油机启动功能，所述主辅充一体整流电路包括：

主辅充一体整流器，其用于对接收到的交流电进行交-直转换；

第一开关件，其连接在所述永磁发电机与主辅充一体整流器之间，用于导通或断开所述永磁发电机与主辅充一体整流器之间的电连接；

第二开关件，其连接在所述牵引变压器与主辅充一体整流器之间，用于导通或断开所述牵引变压器与主辅充一体整流器之间的电连接。

2.如权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述主辅充一体整流器包括：四条结构相同的整流桥臂，所述四条整流桥臂的第一端口分别与所述第二开关件的四个输出端口对应连接，所述四条整流桥臂中三条整流桥臂的第一端口分别与所述第一开关件的三个输出端口对应连接，所述四条整流桥臂的第二端口相互连接，所述四条整流桥臂的第三端口相互连接。

3.如权利要求2所述的变流器，其特征在于，

所述主辅充一体整流器的工作模式包括两重四象限整流模式、三相不可控整流模式以及三相全控整流模式。

4.如权利要求1～3中任一项所述的变流器，其特征在于，所述主逆变电路包括多个逆变器，其中，所述多个逆变器的输入端均与所述中间直流电路连接，输出端用于分别与相应的电机对应连接。

5.如权利要求1～3中任一项所述的变流器，其特征在于，所述变流器还包括：

辅助逆变电路，其与所述中间直流电路连接，用于对所述中间直流电路传输来的直流电进行直-交转换，并将得到的交流电传输至与之连接的外部交流负载。

6.如权利要求5所述的变流器，其特征在于，所述辅助逆变电路包括：

辅助逆变器，其与所述中间直流电路连接；

隔离变压器，其与所述辅助逆变器连接；

第三开关件，其与所述隔离变压器连接。

7.如权利要求5所述的变流器，其特征在于，所述变流器还包括：

第四开关件，其与所述辅助逆变电路连接；

DC充电机，其与所述第四开关件连接，用于将所述第四开关件传输来的交流电转换为直流电并传输至相应的外部直流负载。

8.一种电传动系统，其特征在于，所述系统包括：

永磁发电机；

牵引变压器；以及；

如权利要求1～7中任一项所述的变流器。

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