CN110752632A - 采用双向充电机实现列车无火回送的装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用双向充电机实现列车无火回送的装置及其控制方法；所述装置包括：输入变换单元，用于为牵引逆变单元和辅助逆变单元供电；中间直流单元，用于电路电能的存储和释放；牵引逆变单元，用于为辅助逆变单元供电；辅助逆变单元，用于为辅助负载供电，同时为双向充电机供电，以及为电机提供励磁；双向充电机，用于为蓄电装置供电，以及为辅助逆变单元提供输入能量；电机，用为辅助负载提供能量；蓄电装置，用于在列车正常运行时或无火回送中间电压建立后，接收双向充电机的充电以存储能量；在无火回送建立过程中，输出直流电压经双向充电机反向变换成交流电压以释放能量。本发明基于双向充电机实现无火回送，不增加额外设备。

Description

采用双向充电机实现列车无火回送的装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及动力机车技术领域，特别是指一种采用双向充电机实现列车无火回送的装置及其控制方法。

背景技术

当列车出现受电弓发生故障无法从电网取电、司控器发生故障无法正常牵引运行等情况时，可通过其他车辆拖拽救援的方式回送至目的地。回送过程中，若被救援列车在救援列车不提供电源的情况下能实现无火回送的自我供电，维持被救援列车辅助负载(空调、照明、换气装置等设备)正常运行，将能最大限度的维持被救援列车旅客乘车的舒适环境，缓解乘务人员及司机的工作压力。

在现有技术中，列车上一般会单独设置有用于实现无火回送的无火回送单元，这样的设计实质上增加了列车上的额外设备。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种采用双向充电机实现列车无火回送的装置及其控制方法，基于双向充电机实现无火回送，不增加额外设备。

基于上述目的，本发明提供了一种采用双向充电机实现列车无火回送的装置，包括：输入变换单元、中间直流单元、牵引逆变单元、辅助逆变单元、双向充电机、电机和蓄电装置；

所述输入变换单元，用于将受电弓传输的电压变换成稳定的中间直流电压，为所述牵引逆变单元和所述辅助逆变单元供电；

所述中间直流单元，用于电路电能的存储和释放；

所述牵引逆变单元，用于在无火回送时将所述电机发出的三相交流电变换成稳定的中间直流电压，为所述辅助逆变单元供电；

所述辅助逆变单元，用于在列车正常运行时或无火回送中间电压建立后，将中间直流电压变换成三相交流电压并变换成辅助负载的额定电压，为辅助负载供电，同时为所述双向充电机供电；在无火回送建立过程中，将所述双向充电机反向变换的电压升压后整流成中间直流电压，为所述电机提供励磁；

所述双向充电机，用于在列车正常运行时或无火回送中间电压建立后，将所述辅助逆变单元输出的交流电压正向变换成稳定的直流电压，为所述蓄电装置供电；在无火回送建立过程中，将所述蓄电装置的直流电压反向变换成交流电压，为所述辅助逆变单元提供输入能量；

所述电机，用于在无火回送时，为所述牵引逆变单元提供三相交流电压，经过变换后为辅助负载提供能量；

所述蓄电装置，用于在列车正常运行时或无火回送中间电压建立后，接收所述双向充电机的充电以存储能量；在无火回送建立过程中，输出直流电压经所述双向充电机反向变换成交流电压以释放能量。

在一些实施方式中，所述输入变换单元包括：输入开关和输入变换装置；所述输入开关用于接入和隔离受电弓传输的电压；所述输入变换装置用于将受电弓传输的电压变换成稳定的中间直流电压。

在一些实施方式中，所述辅助逆变单元包括：辅助逆变器和辅助变压器；在列车正常运行时或无火回送中间电压建立后，所述辅助逆变器用于将中间直流电压变换成三相交流电压，所述辅助变压器用于将三相交流电压变换成辅助负载的额定电压；在无火回送建立过程中，所述辅助变压器用于将所述双向充电机反向变换的电压升压，所述辅助逆变器用于将升压后的所述电压整流成中间直流电压。

在一些实施方式中，所述装置还包括：设置在所述辅助逆变单元与辅助负载之间的输出开关，所述输出开关用于接入和隔离辅助负载。

在一些实施方式中，所述蓄电装置为蓄电池或超级电容。

在一些实施方式中，所述装置还包括：传动控制单元，用于对所述输入变换单元、所述中间直流单元、所述牵引逆变单元、所述辅助逆变单元和所述双向充电机进行信号采集和工作控制。

另一方面，本发明还提供了一种如上任意一项所述的采用双向充电机实现列车无火回送的装置的控制方法，包括：

列车正常运行工况：

控制所述输入变换单元将受电弓输入电电压变换成稳定的中间直流电压，使所述中间直流电压经所述牵引逆变单元变换后为所述电机供电，驱动所述电机运行，使所述电机处于电动机状态；使所述中间直流电压经所述辅助逆变器逆变成交流电压并降压后为辅助负载供电，同时为实施双向充电机供电，并经所述双向充电机的变换成稳定的直流电压，为蓄电装置供电，使蓄电装置存储能量；

列车处于被救援过程中无火回送建立工况：

当施救列车拖拽被救援列车运行，共同达到运行速度V时，与受电弓和辅助负载隔离；当运行速度V大于阈值速度Vthd时，控制所述双向充电机启动，将蓄电装置的电压进行方向变换成三相交流电压，再经过所述辅助逆变单元升压和整流后为所述中间直流单元的充电，同时启动所述牵引逆变单元进行励磁，为所述电机提供励磁磁场，使所述电机进入发电机状态；

列车处于被救援过程中无火回送建立完成工况：

维持与受电弓的隔离；控制所述牵引逆变单元将所述电机发出的三相电压转换成稳定的中间直流电压，控制所述辅助逆变单元将所述中间直流电压逆变成三相交流电压后降压变换成辅助负载的额定电压，并接入辅助负载为辅助负载供电；同时，控制所述双向充电机由反向状态变换为正向状态，将所述辅助逆变单元输出的电压变换为所述蓄电装置的额定电压，为所述蓄电装置充电。

从上面所述可以看出，本发明提供的采用双向充电机实现列车无火回送的装置及其控制方法，利用特定设计的采用双向充电机的电路拓扑结构及控制方案，实现列车无火回送发电，为列车在回送过程中的辅助负载供电。在列车正常运行过程时，列车从弓网取电，经过电压变换为双向充电机供电，双向充电机正向变换将输入电压变换蓄电装置额定电压，为蓄电装置充电；在无火回送过程中，当被救援的列车被拖拽至一定速度时，利用被救援列车的双向充电机将蓄电装置的电压进行反向变换，通过变流器的辅助变压器升压，再通过辅助逆变器整流变换为中间直流电压，然后启动牵引逆变单元为牵引电机提供励磁，牵引电机进入发电机状态，为辅助负载提供电源，以此维持故障列车辅助负载正常运行，让被施救列车能顺利运行至目的地，最大限度的维持被救援列车旅客乘车的舒适环境，缓解乘务人员及司机的工作压力。

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使用的附图作简单地介绍，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的附图。

图1为本发明实施例的采用双向充电机实现列车无火回送的装置的电路拓扑结构示意图；

图2为本发明实施例中列车正常运行工况时的电能流向示意图；

图3为本发明实施例中列车处于被救援过程中无火回送建立时的电能流向示意图；

图4为本发明实施例中示意图列车处于被救援过程中无火回送建立完成时的电能流向示意图；

图5为本发明实施例的控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种采用双向充电机实现列车无火回送的装置，参考图1，为本发明实施例的采用双向充电机实现列车无火回送的装置的电路拓扑结构示意图。所述的采用双向充电机实现列车无火回送的装置，包括：输入变换单元1、中间直流单元2、牵引逆变单元3、辅助逆变单元4、双向充电机5、电机6和蓄电装置7；本发明实施例的装置的输入是经过受电弓001传输的电压，装置的输出向辅助负载002供电。具体的，上述各单元的功能如下：

输入变换单元1，将受电弓001传输的电压变换成稳定的中间直流电压，为所述牵引逆变单元3和所述辅助逆变单元4供电。

具体的，输入变换单元1包括：输入开关k1和输入变换装置101。输入开关k1与受电弓001相连，用于接入和隔离受电弓001传输的电压。输入变换装置101用于将受电弓001传输的电压变换成稳定的中间直流电压。

中间直流单元2，用于电路电能的存储和释放。

牵引逆变单元3，在列车在进行无火回送时将电机6发出的三相交流电变换成稳定的中间直流电压，为辅助逆变单元4供电。

辅助逆变单元4，在列车正常运行时或无火回送中间电压建立后，将中间直流电压变换成三相交流电压并变换成辅助负载002的额定电压，为辅助负载002供电，同时为双向充电机5供电；在无火回送建立过程中，将双向充电机5反向变换的电压升压后整流成中间直流电压，为电机6提供励磁。

具体的，辅助逆变单元4包括：辅助逆变器401和辅助变压器402。其中，在列车正常运行时或无火回送中间电压建立后，辅助逆变器401用于将中间直流电压变换成三相交流电压，辅助变压器402用于将三相交流电压变换成辅助负载002的额定电压；在无火回送建立过程中，辅助变压器402用于将双向充电机5反向变换的电压升压，辅助逆变器401用于将升压后的所述电压整流成中间直流电压。

需要说明的是，在一些实施例中，若输入电压较低，则可以省去辅助变压器402。

双向充电机5，双向充电机5具有双向变换功能，在列车正常运行时或者无火回送中间电压建立后，可将辅助逆变单元4输出的交流电压正向变换成稳定的直流电压，为蓄电装置7供电；在列车无火回送建立过程中，双向充电机5可将蓄电装置7的直流电压反向变换成交流电压，为辅助逆变单元4提供输入能量。

电机6，在无火回送时，电机6作为发电机使用，为牵引逆变单元3提供三相交流电压，经过变换后为辅助负载002提供能量，使得无火回送时辅助负载002能维持正常运行。

蓄电装置7，在列车正常运行时或者无火回送中间电压建立后，双向充电机5为蓄电装置7充电，蓄电装置7存储能量；在列车无火回送建立过程中，蓄电装置7的直流电压经双向充电机5反向变换成交流电压，释放能量。蓄电装置7可以选用蓄电池或超级电容，在本发明实施例中，蓄电装置7为蓄电池。

进一步的，参考图1，在本实施例中，所述的采用双向充电机实现列车无火回送的装置还包括：设置在辅助逆变单元4与辅助负载002之间的输出开关k2，输出开关k2用于接入和隔离辅助负载002。

进一步的，参考图1，在本实施例中，所述的采用双向充电机实现列车无火回送的装置还包括：用于对本实施例中前述各单元进行信号采集和工作控制的传动控制单元8。具体的，传动控制单元8是本实施例的装置的控制部件，可以采集电网电压、中间直流单元的电压、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，实现对输入开关K1、输入变换单元1、牵引逆变单元3、辅助逆变单元4、双向充电机5、输出开关K2等单元的控制。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了如上述实施例所述的采用双向充电机实现列车无火回送的装置的控制方法。

本实施例中，列车控制过程分为三个阶段，第①阶段为列车处于正常运行工况，列车能正常运行，不需要其他车辆救援，这时将电网的电压变换后为蓄电池存储能量；第②阶段为列车处于救援过程中无火回送建立工况，此时蓄电池通过反向充电机为电机提供励磁所需的能量；第③阶段为列车处于救援过程中无火回送建立完成工况，此时电机处于发电机状态，为辅助负载提供电能，维持辅助负载在救援过程中正常运行。

①列车正常运行工况

参考图1和图2，其中，列车正常运行工况时的电能流向如图2所示。传动控制单元8控制输入开关K1和输出开关K2闭合，输入变换装置101将受电弓001输入电电压变换成稳定的中间直流电压，一方面经过牵引逆变单元3变换后为电机6供电，电机6处于电动机状态，驱动电机6运行；另一方面经过辅助逆变器401逆变成交流电压，经过辅助变压器402降压后为辅助负载002供电，同时为双向充电机5供电，经过双向充电机5的变换成稳定的直流电压，为蓄电装置7供电，蓄电装置7存储能量。

②列车处于被救援过程中无火回送建立工况

参考图1和图3，其中，列车处于被救援过程中无火回送建立时的能量流向如图3所示。施救列车拖拽被救援列车运行，共同达到运行速度V。传动控制单元8控制输入开关K1和输出开关K2断开，当运行速度V大于阈值速度Vthd(Vthd为救援工况启动无火回送救援发电的速度阈值)时，传动控制单元8控制双向充电机5启动，将蓄电装置7的电压进行方向变换成三相交流电压，再经过辅助变压器402升压和辅助逆变器401整流，为中间直流单元2充电，同时传动控制单元8启动牵引逆变单元3进行励磁，为电机6提供励磁磁场，电机6进入发电机状态。

③列车处于被救援过程中无火回送建立完成工况

参考图1和图4，其中，列车处于被救援过程中无火回送建立完成时的能量流向如图4所示。传动控制单元8控制输入开关K1维持断开状态。电机6进入发电机状态后，牵引逆变单元3将电机6发出的三相电压转换成稳定的中间直流电压，此时传动控制单元8控制辅助逆变器401由之前的整流状态转换为逆变状态，将中间直流电压逆变成三相交流电压，再经过辅助变压器402降压，变换成辅助负载002的额定电压。此时传动控制单元8控制输出开关k2闭合，为辅助负载002供电，维持辅助负载002正常运行。同时，传动控制单元8控制双向充电机5由反向状态变换为正向状态，将辅助变压器402输出的电压变换为蓄电装置7的额定电压，为蓄电装置7充电。

综合上述三个不同的工况，本实施例的控制方法整体上的控制流程可参考图5所示。

由上述实施例可见，本发明的采用双向充电机实现列车无火回送的装置及其控制方法，利用特定设计的采用双向充电机的电路拓扑结构及控制方案，实现列车无火回送发电，为列车在回送过程中的辅助负载供电。在列车正常运行过程时，列车从弓网取电，经过电压变换为双向充电机供电，双向充电机正向变换将输入电压变换蓄电装置额定电压，为蓄电装置充电；在无火回送过程中，当被救援的列车被拖拽至一定速度时，利用被救援列车的双向充电机将蓄电装置的电压进行反向变换，通过变流器的辅助变压器升压，再通过辅助逆变器整流变换为中间直流电压，然后启动牵引逆变单元为牵引电机提供励磁，牵引电机进入发电机状态，为辅助负载提供电源，以此维持故障列车辅助负载正常运行，让被施救列车能顺利运行至目的地，最大限度的维持被救援列车旅客乘车的舒适环境，缓解乘务人员及司机的工作压力。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用双向充电机实现列车无火回送的装置，其特征在于，包括：输入变换单元、中间直流单元、牵引逆变单元、辅助逆变单元、双向充电机、电机和蓄电装置；

所述输入变换单元，用于将受电弓传输的电压变换成稳定的中间直流电压，为所述牵引逆变单元和所述辅助逆变单元供电；

所述中间直流单元，用于电路电能的存储和释放；

所述牵引逆变单元，用于在无火回送时将所述电机发出的三相交流电变换成稳定的中间直流电压，为所述辅助逆变单元供电；

所述辅助逆变单元，用于在列车正常运行时或无火回送中间电压建立后，将中间直流电压变换成三相交流电压并变换成辅助负载的额定电压，为辅助负载供电，同时为所述双向充电机供电；在无火回送建立过程中，将所述双向充电机反向变换的电压升压后整流成中间直流电压，为所述电机提供励磁；

所述双向充电机，用于在列车正常运行时或无火回送中间电压建立后，将所述辅助逆变单元输出的交流电压正向变换成稳定的直流电压，为所述蓄电装置供电；在无火回送建立过程中，将所述蓄电装置的直流电压反向变换成交流电压，为所述辅助逆变单元提供输入能量；

所述电机，用于在无火回送时，为所述牵引逆变单元提供三相交流电压，经过变换后为辅助负载提供能量；

所述蓄电装置，用于在列车正常运行时或无火回送中间电压建立后，接收所述双向充电机的充电以存储能量；在无火回送建立过程中，输出直流电压经所述双向充电机反向变换成交流电压以释放能量。

2.根据权利要求1所述的采用双向充电机实现列车无火回送的装置，其特征在于，所述输入变换单元包括：输入开关和输入变换装置；所述输入开关用于接入和隔离受电弓传输的电压；所述输入变换装置用于将受电弓传输的电压变换成稳定的中间直流电压。

3.根据权利要求1所述的采用双向充电机实现列车无火回送的装置，其特征在于，所述辅助逆变单元包括：辅助逆变器和辅助变压器；在列车正常运行时或无火回送中间电压建立后，所述辅助逆变器用于将中间直流电压变换成三相交流电压，所述辅助变压器用于将三相交流电压变换成辅助负载的额定电压；在无火回送建立过程中，所述辅助变压器用于将所述双向充电机反向变换的电压升压，所述辅助逆变器用于将升压后的所述电压整流成中间直流电压。

4.根据权利要求1所述的采用双向充电机实现列车无火回送的装置，其特征在于，还包括：设置在所述辅助逆变单元与辅助负载之间的输出开关，所述输出开关用于接入和隔离辅助负载。

5.根据权利要求1所述的采用双向充电机实现列车无火回送的装置，其特征在于，所述蓄电装置为蓄电池或超级电容。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的采用双向充电机实现列车无火回送的装置，其特征在于，还包括：传动控制单元，用于对所述输入变换单元、所述中间直流单元、所述牵引逆变单元、所述辅助逆变单元和所述双向充电机进行信号采集和工作控制。

7.一种如权利要求1-6任意一项所述的采用双向充电机实现列车无火回送的装置的控制方法，其特征在于，包括：

列车正常运行工况：

控制所述输入变换单元将受电弓输入电电压变换成稳定的中间直流电压，使所述中间直流电压经所述牵引逆变单元变换后为所述电机供电，驱动所述电机运行，使所述电机处于电动机状态；使所述中间直流电压经所述辅助逆变器逆变成交流电压并降压后为辅助负载供电，同时为实施双向充电机供电，并经所述双向充电机的变换成稳定的直流电压，为蓄电装置供电，使蓄电装置存储能量；

列车处于被救援过程中无火回送建立工况：

当施救列车拖拽被救援列车运行，共同达到运行速度V时，与受电弓和辅助负载隔离；当运行速度V大于阈值速度Vthd时，控制所述双向充电机启动，将蓄电装置的电压进行方向变换成三相交流电压，再经过所述辅助逆变单元升压和整流后为所述中间直流单元的充电，同时启动所述牵引逆变单元进行励磁，为所述电机提供励磁磁场，使所述电机进入发电机状态；

列车处于被救援过程中无火回送建立完成工况：

维持与受电弓的隔离；控制所述牵引逆变单元将所述电机发出的三相电压转换成稳定的中间直流电压，控制所述辅助逆变单元将所述中间直流电压逆变成三相交流电压后降压变换成辅助负载的额定电压，并接入辅助负载为辅助负载供电；同时，控制所述双向充电机由反向状态变换为正向状态，将所述辅助逆变单元输出的电压变换为所述蓄电装置的额定电压，为所述蓄电装置充电。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述输入变换单元包括：输入开关和输入变换装置；所述输入开关用于接入和隔离受电弓传输的电压；所述输入变换装置用于将受电弓传输的电压变换成稳定的中间直流电压。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述辅助逆变单元包括：辅助逆变器和辅助变压器；在列车正常运行时或无火回送中间电压建立后，所述辅助逆变器用于将中间直流电压变换成三相交流电压，所述辅助变压器用于将三相交流电压变换成辅助负载的额定电压；在无火回送建立过程中，所述辅助变压器用于将所述双向充电机反向变换的电压升压，所述辅助逆变器用于将升压后的所述电压整流成中间直流电压。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述采用双向充电机实现列车无火回送的装置还包括：设置在所述辅助逆变单元与辅助负载之间的输出开关，所述输出开关用于接入和隔离辅助负载。

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