CN110834550B - 车辆交流电传动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及交流电传动系统，具体为车辆交流电传动系统。解决现有重型轨道车的传动方式存在的缺陷和问题。该系统包括牵引系统和辅助系统；牵引系统由第一和第二牵引系统构成；第一和第二牵引系统结构相同，都包括一台柴油机，一台永磁同步发电机，一台四象限牵引整流器，牵引逆变器，和异步牵引电机；辅助系统包括辅助系统直流母线，辅助系统直流母线上连接有辅助逆变器；第一牵引系统的整流器的直流母线经过第一DC/DC变换器及第一投切开关与辅助系统直流母线相连；第二牵线系统的整流器的直流母线经过第二DC/DC变换器及第二投切开关与辅助系统直流母线相连。本发明特别适用于GCD‑1000Ⅱ重型轨道车，也适用于其它车辆。

Description

车辆交流电传动系统
技术领域
本发明涉及交流电传动系统，具体为车辆交流电传动系统。
背景技术
重型轨道车，适用于铁路施工和工务部门在提速区段的牵引作业及高速运行，亦可用作调车作业、人员运送、现场检查的公务用车，可为铁路施工、工程机械、铁路抢险提供动力电源。
目前，重型轨道车的传动方式通常为液力、AC/DC直流传动或单柴油机+电励磁发电机组模式AC/DC/AC异步交流传动。
液力传动：存在传动效率较低，污染泄露问题。
AC/DC 直流电力传动：牵引电动机为直流电机，和异步交流电机相比存在制造、维护成本高和最高转速受换向器限制等不足。辅助设备采用皮带和机械传动，故障率高，效率低，噪音大。
交流传动一：辅助系统采用辅发电机供电，故障率较高，噪音大。一台电励磁同步发电机组通过牵引逆变器拖动四台异步牵引电机，在轨道车单机和轻载运行时相比两台小功率柴油机发电机组单机运行油耗较高，且相比两台小功率柴油机造价成本高。电阻制动采用接触器控制方式，制动转矩响应较为弛缓。
交流传动二：
采用两台等功率电励磁同步发电机组，分别拖动两台牵引电机，电励磁发电机需要两台励磁控制装置，调试复杂，故障率较高，体积庞大，且励磁碳刷和滑环需定期检查更换，产生的噪音污染较高。牵引变流器采用不可控整流+两电平逆变电路拓扑，母线电压控制精度较低，逆变器输出谐波含量较高，电机发热量大。辅助逆变器只有一路CVCF定频输出，无法满足变频负载的需求。
发明内容
本发明解决现有重型轨道车的传动方式存在的上述缺陷和问题，提供一种车辆交流电传动系统。该车辆交流电传动系统适用于重型轨道车，特别是GCD-1000Ⅱ重型轨道车，也适用于其它车辆。
本发明是采用如下技术方案实现的：车辆交流电传动系统，包括牵引系统和辅助系统；牵引系统由第一牵引系统和第二牵引系统构成；第一和第二牵引系统结构相同，都包括一台（500KW）柴油机，柴油机拖动永磁同步发电机，永磁同步发电机的输出连接四象限牵引整流器，四象限牵引整流器的输出直流母线上连接有（三电平）牵引逆变器，牵引逆变器带动异步牵引电机，牵引逆变器的输入直流侧配置有制动电阻柜；辅助系统包括辅助系统直流母线，辅助系统直流母线上连接有辅助逆变器；第一牵引系统的四象限牵引整流器的输出直流母线经过第一DC/DC变换器及第一投切开关与辅助系统直流母线相连；第二牵线系统的四象限牵引整流器的输出直流母线经过第二DC/DC变换器及第二投切开关与辅助系统直流母线相连。工作时，根据行车需要可自由组合和切换单、双柴油发电机组，达到节省燃油经济运行；两台DC/DC变换器通过投切开关的控制互为备份冗余；第一和第二投切开关同时闭合，通过两台DC/DC变换器共用直流母线，单发电机组工况下可通过直流母线馈电实现能量互馈，向第一和第二牵引系统的异步牵引电机同时供电，提高机车起动脱困能力。
进一步，第一和第二牵引系统的四象限牵引整流器的输出直流母线上连接有两台（三电平）牵引逆变器，每台牵引逆变器带动一台异步牵引电机，这样，有四台异步牵引电机。辅助系统直流母线上连接有两台辅助逆变器，一台为CVCF辅助逆变器，另一台为VVVF辅助逆变器。辅助系统直流母线上还连接有蓄电池充电机。
本发明相比现有技术带来如下技术效果：
1、交流电力传动 传动效率较液力传动高5%-10%，无污染泄露问题。
2、交流电力传动，异步交流电机与直流电机相比制造简单可实现免维护，并且因交流电机无换向器和碳刷，所以转速不受换向器限制。
3、采用永磁同步发电机组效率较电励磁同步提高1-3%，提高了单位功率的发电量，且取消了外部电励磁控制系统，实现免维护和降低制造成本。
4、采用两台小功率内燃永磁发电机组，相比一台同等功率电励磁同步发电机组，两台小功率柴油机发电机组可以实现单机、组合运行且具有冗余性，燃油经济性更好，可靠性更高，同功率两台小功率柴油机和一台等功率但柴油机相比，造价成本更低。
5、牵引辅助变流器采用主辅一体化结构，牵引变流器采用四象限整流拓扑，逆变器采用三电平拓扑，输出谐波含量相对两电平较低，波形品质更优，牵引电机发热量更小，电机低转速转矩脉震更小。
6、辅助系统DC/DC电源变化器采用BUCK单向全桥三电平拓扑结构和软开关高频控制技术，提高系统效率5%，同时取消了辅助发电机，减小由辅助发电机产生的噪音污染。
7、辅助逆变器采用CVCF定频50HZ输出和VVVF变频0-50HZ两路输出,能分别满足辅助设备的定频负载和变频负载工作需求。
8、共用直流母线，在单发电机组工况下，DC/DC变换器工作在四象限模式，辅助系统将稳定的DC550v电压，通过DC/DC实现一套直流母线DC650V-1800V电压能量向另一套直流母线能量互馈，实现了牵引系统的冗余功能，提高机车起动工况的脱困能力。
9、辅助系统DC/DC电源变换器通过隔离切换互为备份冗余。
10、本发明适用于重型轨道车，特别是GCD-1000Ⅱ重型轨道车，也适用于其它车辆。
附图说明
图1为本发明所述车辆交流电传动系统的电路原理图。
具体实施方式
车辆交流电传动系统，2×500KW柴油永磁发电机组取代原1×1000KW电励磁柴油发电机组。
双柴油机工作模式：
两台500KW柴油机分别拖动两台500KW永磁同步发电机，四象限整理器控制永磁同步发电机输出电压和功率，使其根据柴油机转速输出484～1072V三相交流电压，然后分别供给4台三电平牵引逆变器。
单柴油机工作模式：
1台500KW柴油机拖动1台500KW永磁主发电机，四象限整理器控制永磁发电机输出电压和功率，使其根据柴油机转速输出484～1072V三相交流电压，然后分别供给2台三电平牵引逆变器。实现经济运行模式。
永磁同步发电机分别输出三相交流电压经四象限整流桥整流成650～1800V直流电压，再由4台逆变器变换成0～1040V、0～100Hz的调频调压三相交流电压，分别供给两台转向架上的4台牵引电机，从而完成牵引控制；电阻制动模式：制动斩波器导通，接通制动电阻，逆变器控制牵引电机转换为发电机工作模式，逆变器控制牵引电机输出电压和转矩，制动斩波器控制施加在制动电阻的电流，从而实现制动控制；在牵引工况时，若系统直流母线电压大于门槛电压时，制动斩波器开通，通过制动电阻泄放母线过电压能量。
每个逆变器输入端设有隔离接触器，实现逆变器故障工况下与直流母线的隔离。辅助回路采用和牵引逆变器共用直流母线方式，通过DC/DC电源变换器和两台CVCF/VVVF辅助逆变器供电方案。其他如电压传感器、电流传感器提供给TCU信号，作为控制和保护之用。
功能详述：
1.1牵引系统
组成：永磁同步发电机、四象限牵引整流器、三电平牵引逆变器、电阻制动柜、异步牵引电机。
1.1.1永磁同步发电机：额定功率2×500KW，额定转速1800rpm,输出电压范围0-1072V AC.采用1800rpm高速永磁发电机，三相绕组输出端安装3个电流传感器，及时反馈主发电机电流状况，给整车控制提供讯息。
工作原理：柴油机拖动永磁同步发电机，根据司机控制的需求，在各档位（1-8档位）下依据各档位转速（800-1800转）和系统输出电压需求（LCU给定），在四象限整流器控制下输出484～1072V交流电压，为牵引系统提供能量。
1.1.2四象限牵引整流器：输入电压0-1072V AC ,额定功率2×500KW.永磁发电机系统需要通过四象限整流装置调节输出电压和功率，系统采用两套四象限牵引整流器，整流装置安装在牵引辅助一体化变流柜中。
工作原理：永磁同步发电机输出的三相交流电压经四象限牵引整流器整流为6脉波直流电压，为牵引逆变器提供各档位需求下的±2%Ue变化率的（650～1800V）恒定直流电压。整流器输出端安装2个电压传感器，1个传感器为牵引控制装置TCU提供准确电压计算参考。第2个传感器采用3/4不等分法接地检测法，为系统提供精确接地电压参考。
1.1.3牵引逆变器：三电平牵引逆变+斩波拓扑，输入电压1800Vdc 功率4×250KW，轴流风机风冷结构，采用3300V 800A 等级IGBT，防护等级IP54.
工作原理：根据司机不同手柄档位需求，逆变器输出0～1040V、0～100Hz三相（三电平波形）电压和频率可调交流电压，（相对普通两电平逆变器，输出波形谐波含量更少，波形正弦度更好，电机脉震更小发热量更小些）驱动牵引电机。低转速下恒转矩控制，进入额定点后恒功率控制。当中间直流电压高于设定的1950V门槛时，斩波管开通进行过电压保护。电压低于1700V时斩波管关断，将能量消耗在电阻制动柜中。
1.1.4电阻制动柜：内装4组制动电阻带单元，额定总功率850KW 额定电压1800VDC，冷却风机采用380v/50HZ定频供电，强迫风冷。
工作原理：根据司机控制器电阻制动指令需求，这时机车牵引电机工作在发电工况，制动斩波管控制开通，将牵引电机产生的能量通过直流电网和制动接触器消耗在电阻制动柜上，同时在牵引电机上产生制动力矩，实现机车电阻制动。同时，电阻制动工况，机车辅助系统也由母线制动能量提供电源，此时需要斩波管调整开通频率调节稳定母线电压。
1.1.5异步牵引电机：额定功率4×225KW，额定电压AC 1040V，通过对逆变器的矢量控制，异步电机按照设计好的牵引制动特性，输出恒转矩、恒功率，产生牵引或制动转矩。
工作原理：牵引逆变器根据牵引、制动指令向牵引电机输入频率和电压可调的三相电源，电机根据输入电流的大小和相序以及频率的大小产生响应转矩、转向和转速驱动机车。
1.2辅助系统
1.2.1DC/DC辅助电源变换器：额定功率240KW， DC/DC变换器采用BUCK全桥拓扑结构，其中高压侧采用三电平拓扑，采用软开关控制技术，开关频率30kHz,隔离变压器体积小，效率高。输入额定电压DC1800v，输出额定电压DC550V 。向辅助系统母线提供恒压直流电源。
工作原理：DC/DC变换器和牵引逆变器共用DC 1800V直流母线，DC/DC变换器自身具有超强的调节能力，在母线电压从DC650V-1800V变化过程中，始终保持DC550v 稳定输出，为VVVF辅助逆变器和CVCF辅助逆变器提供稳定直流电压，保证辅助逆变器稳定输入电压。在单发电机组工况下，DC/DC变换器工作在四象限模式，辅助系统将稳定的DC550v电压，通过DC/DC实现一套直流母线DC650V-1800V电压能量向另一套直流母线能量互馈，实现了牵引系统的冗余功能。
1.2.2CVCV辅助逆变器：额定功率45KW,额定输入电压DC 550V,输出恒频恒压380v/50HZ工频电源.
工作原理：CVCF辅助逆变器从DC/DC变换器输出端直流侧DC550V取电，通过自身控制系统控制逆变器输出稳定的380v/50HZ工频电源。向工频负载供电。
1.2.3 VVVF辅助逆变器：额定功率185KW，额定输入电压DC550V，输出0-50HZ,0-380V恒压频比电源。向变频负载供电。
1.2.4辅助系统直流母线上还连接有蓄电池充电机。

Claims (10)

1.一种车辆交流电传动系统，包括牵引系统和辅助系统；牵引系统由第一牵引系统和第二牵引系统构成；第一和第二牵引系统结构相同，都包括一台柴油机，柴油机拖动永磁同步发电机，永磁同步发电机的输出连接四象限牵引整流器，四象限牵引整流器的输出直流母线上连接有牵引逆变器，牵引逆变器带动异步牵引电机，牵引逆变器的输入直流侧配置有制动电阻柜；辅助系统包括辅助系统直流母线，辅助系统直流母线上连接有辅助逆变器；其特征在于，第一牵引系统的四象限牵引整流器的输出直流母线经过第一DC/DC变换器及第一投切开关与辅助系统直流母线相连；第二牵线系统的四象限牵引整流器的输出直流母线经过第二DC/DC变换器及第二投切开关与辅助系统直流母线相连。
2.根据权利要求1所述的车辆交流电传动系统，其特征在于，第一和第二牵引系统的四象限牵引整流器的输出直流母线上连接有两台牵引逆变器，每台牵引逆变器带动一台异步牵引电机。
3.根据权利要求1或2所述的车辆交流电传动系统，其特征在于，牵引逆变器为三电平牵引逆变器。
4.根据权利要求1或2所述的车辆交流电传动系统，其特征在于，辅助系统直流母线上连接有两台辅助逆变器，一台为CVCF辅助逆变器，另一台为VVVF辅助逆变器。
5.根据权利要求4所述的车辆交流电传动系统，其特征在于，辅助系统直流母线上还连接有蓄电池充电机。
6.根据权利要求1或2所述的车辆交流电传动系统，其特征在于，DC/DC变换器采用BUCK单向全桥三电平拓扑结构和软开关高频控制技术。
7.根据权利要求6所述的车辆交流电传动系统，其特征在于，软开关频率30kHz。
8.根据权利要求1或2所述的车辆交流电传动系统，其特征在于，牵引逆变器输入端设有隔离接触器。
9.根据权利要求1或2所述的车辆交流电传动系统，其特征在于，永磁同步发电机：额定功率500KW，额定转速1800rpm,输出电压范围0-1072V AC；四象限牵引整流器：额定功率2×500KW；牵引逆变器：功率250KW，轴流风机风冷结构，采用3300V 800A 等级IGBT，防护等级IP54；电阻制动柜：额定总功率850KW ，强迫风冷；异步牵引电机：额定功率225KW；DC/DC变换器：额定功率240KW，输入额定电压DC1800v，输出额定电压DC550V。
10.根据权利要求4所述的车辆交流电传动系统，其特征在于，CVCF辅助逆变器：额定功率45KW,额定输入电压DC 550V,输出恒频恒压380v/50HZ工频电源；VVVF辅助逆变器：额定功率185KW，额定输入电压DC550V，输出0-50HZ,0-380V恒压频比电源。
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