CN111082672A - 一种牵引变流器电路 - Google Patents

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张义
饶艺伟
李学明
梁兴元
刘毅
陈志博
范荣辉
范斌
陈侃
冯秋实
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Abstract

本申请公开了一种牵引变流器电路，包括辅助变流回路和多重完全相互独立的主变流回路；各重主变流回路包括依次连接的预充电模块、四象限整流模块、中间直流回路和逆变模块；预充电模块用于对牵引变流器电路的预充电过程和正常工作过程进行开关控制；四象限整流模块将输入的交流电整定为直流电并输入至中间直流回路；中间直流回路包括用于稳压的支撑电容；辅助变流回路包括连接的多工位隔离开关和辅助逆变模块；多工位隔离开关用于与任意一重主变流回路的中间直流回路切换连接，以便为辅助逆变模块取电。本申请采用了全独立轴控式和主辅一体化结构，有效提高了牵引变流器的可用性和可靠性，并降低了设备的体积和重量。

Description

一种牵引变流器电路
技术领域
本申请涉及机车牵引传动技术领域，特别涉及一种牵引变流器电路。
背景技术
随着国民经济的稳定增长，我国的交通运输业特别是轨道交通运输也蓬勃发展、日益繁忙。
牵引变流器是机车传动系统的核心部件，其性能对运营效率有着巨大的影响作用。通过牵引变流器电路，可将电源的电能先后经整流、逆变变换后生成合适频率和大小的交流电供给机车使用。一般地，机车中的牵引变流器电路包括给牵引电机供电的主变流回路和给辅助负载等供电的辅助变流回路。现有的机车牵引变流器中有采用将多重主变流回路共用中间直流回路的结构，使得各主变流回路间相互耦合影响，一旦某个主变流回路中的功率模块发生故障，则需要对其他主变流回路中的功率模块也进行封锁，降低了可用性并影响了机车的正常运行。并且，现有技术中还普遍采用主辅分离的结构，即分别为辅助变流回路和主变流回路单独供电，这无疑增加了供电用牵引变压器的使用数量，使得整个牵引变流器设备的体积和重量都较大。
由此可见，采用何种牵引变流器，以便有效提高其可用性和可靠性，并减小设备的体积和重量，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种牵引变流器电路，以便有效提高牵引变流器的可用性和可靠性，并减小设备的体积和重量。
为解决上述技术问题，本申请提供一种牵引变流器电路，包括辅助变流回路和多重完全相互独立的主变流回路；
各重所述主变流回路包括依次连接的预充电模块、四象限整流模块、中间直流回路和逆变模块；所述预充电模块用于对所述牵引变流器的预充电过程和正常工作过程进行开关控制；所述四象限整流模块将输入的交流电整定为直流电并输入至所述中间直流回路；所述中间直流回路包括用于稳压的支撑电容；所述逆变模块将所述中间直流回路输出的直流电逆变为供牵引电机使用的三相交流电；
所述辅助变流回路包括依次连接的多工位隔离开关和辅助逆变模块；所述多工位隔离开关与任意一重所述主变流回路的所述中间直流回路切换连接，以便为所述辅助逆变模块取电；所述辅助逆变模块将输入的直流电逆变为供辅助负载使用的三相交流电。
可选地，包括三重所述主变流回路，所述多工位隔离开关为三工位隔离开关。
可选地，所述四象限整流模块包括输出端并联的两个相模块；各个所述相模块包括串联的两个IGBT，两个所述IGBT的公共端作为所述相模块的输入端；两个所述相模块的输入端分别作为所述四象限整流模块的正输入端和负输入端。
可选地，所述中间直流回路包括连接在所述中间直流回路的两输入端之间的二次谐波吸收单元，所述二次谐波吸收单元包括串联的电抗器和谐振电容。
可选地，所述中间直流回路包括接地检测单元；
所述接地检测单元包括第一电压传感器、连接在所述中间直流回路的两输入端之间的串联的两个电阻、以及连接在所述中间直流回路的两输入端之间的串联的两个电容；所述第一电压传感器的一端与所述中间直流回路的正输入端连接，另一端分别与两个所述电阻的公共端和两个所述电容的公共端连接。
可选地，所述中间直流回路包括电压检测单元；所述电压检测单元包括连接在所述中间直流回路的两输出端之间的第二电压传感器。
可选地，所述逆变模块包括并联的过压斩波桥臂和三相桥式逆变单元；所述过压斩波桥臂包括两个串联的IGBT。
可选地，所述中间直流回路包括斩波单元；所述斩波单元包括串联的斩波电流传感器和斩波电阻，所述斩波电流传感器的另一端与所述过压斩波桥臂中两个所述IGBT的公共端连接，所述斩波电阻的另一端与所述中间直流回路的负输出端连接。
可选地，各个所述主变流回路还包括电流检测单元；所述电流检测单元包括与所述四象限整流模块的负输入端连接的输入电流传感器以及与所述逆变模块的输出端连接的输出电流传感器。
可选地，所述辅助变流回路还包括连接在所述辅助逆变模块和所述辅助负载之间的滤波模块，用于对输入至所述辅助负载的三相交流电进行滤波。
本申请所提供的牵引变流器电路包括辅助变流回路和多重完全相互独立的主变流回路；各重所述主变流回路包括依次连接的预充电模块、四象限整流模块、中间直流回路和逆变模块；所述预充电模块用于对所述牵引变流器的预充电过程和正常工作过程进行开关控制；所述四象限整流模块将输入的交流电整定为直流电并输入至所述中间直流回路；所述中间直流回路包括用于稳压的支撑电容；所述逆变模块将所述中间直流回路输出的直流电逆变为供牵引电机使用的三相交流电；所述辅助变流回路包括依次连接的多工位隔离开关和辅助逆变模块；所述多工位隔离开关与任意一重所述主变流回路的所述中间直流回路切换连接，以便为所述辅助逆变模块取电；所述辅助逆变模块将输入的直流电逆变为供辅助负载使用的三相交流电。
可见，相比于现有技术，本申请所提供的牵引变流器电路，采用了全独立的轴控式结构，由不共用中间直流回路的多重主变流回路分别对各个牵引电机供电，有效避免了各重主变流回路间的耦合影响，可在部分主变流回路故障的情况下实现牵引力的容灾输出，提高了牵引变流器的可用性和可靠性。同时，本申请所提供的牵引变流器电路还采用了主辅一体化结构，利用多工位隔离开关由主变流回路的中间直流回路中为辅助变流回路取电，从而无需为辅助变流回路设置独立的变压器供电，有效降低了设备的体积和重量，提高了牵引变流器的综合性能。
附图说明
为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。
图1为本申请所提供的一种牵引变流器电路的结构框图；
图2为本申请所提供的一种牵引变流器电路的电路结构图；
图3为本申请所提供的一种四象限整流模块的电路结构图；
图4为本申请所提供的一种逆变模块的电路结构图。
图1至图4中的附图标记如下：
1-主变流回路、2-辅助变流回路、11-预充电模块、12-四象限整流模块、13-中间直流回路、14-逆变模块、15-电流检测单元、21-多工位隔离开关、22-辅助逆变模块、23-滤波模块、131-稳压单元、132-二次谐波吸收单元、133-接地检测单元、134-斩波单元。
具体实施方式
本申请的核心在于提供一种牵引变流器电路，以便有效提高牵引变流器的可用性和可靠性，并减小设备的体积和重量。
为了对本申请实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参考图1，图1为本申请所提供的一种牵引变流器电路的结构框图，主要包括辅助变流回路2和多重完全相互独立的主变流回路1；
各重主变流回路1包括依次连接的预充电模块11、四象限整流模块12、中间直流回路13和逆变模块14；预充电模块11用于对牵引变流器的预充电过程和正常工作过程进行开关控制；四象限整流模块12将输入的交流电整定为直流电并输入至中间直流回路13；中间直流回路13包括用于稳压的支撑电容Cd；逆变模块14将中间直流回路13输出的直流电逆变为供牵引电机使用的三相交流电；
辅助变流回路2包括依次连接的多工位隔离开关21和辅助逆变模块22；多工位隔离开关21与任意一重主变流回路1的中间直流回路13切换连接，以便为辅助逆变模块22取电；辅助逆变模块22将输入的直流电逆变为供辅助负载使用的三相交流电。
如图1所示，本申请所提供的牵引变流器电路具体采用了不共用中间直流回路的全独立轴控式结构，每一重主变流回路1驱动控制一个牵引电机，各重主变流回路1之间完全相对独立，即采用独立的变压器副边绕组供电，并且彼此之间不存在直接线路连接关系，并不共用中间直流回路，而是各自形成独立的中间直流回路13。
当某一重主变流回路出现故障时，可利用该重主变流回路1中预充电模块11的开关控制作用将该重主变流回路1与其供电电源断开，并封锁相应的四象限整流模块12和逆变模块14，从而将该重故障的主变流回路1隔离出来，保障其他重主变流回路1正常工作。由此，可有效避免现有技术中一重主变流回路1接地故障而需隔离与其共用中间直流回路13的其他几重主变流回路1的情况，保障机车的正常牵引输出，有效提高了牵引变流器的可用性和可靠性。
中间直流回路13中的支撑电容Cd可以有效改善整流后的电路中的波动情况，而且，支撑电容Cd的容值越大，中间直流回路13中母线电压的波动就越小。并且，当后续负载有周期性的峰值电流需求时，支撑电容Cd还可以短暂地提供大电流来维持输出的稳定。
此外，本申请所提供的牵引变流器电路具体还采用了主辅一体化的结构。辅助变流回路2借助于多工位隔离开关21，从某一重主变流回路1的中间直流回路13中取电供给辅助负载，无需为其单独设置独立的供电电源。由于供电用的变压器副边线圈一般体积较大，因此，采用主辅一体的结构设计可有效减少牵引变流器的体积和重量。
其中，多工位隔离开关21在同一时间只能处于一种工位状态，即只能接通其中一个主变流回路1的中间直流回路13与后端的辅助逆变模块22连接，因此既可保障辅助变流回路2的可用性，也可有效确保各重主变流回路1之间相互隔离。
需要说明的是，本申请所提供的牵引变流器中的主变流器回路1为多个，不限于图1中所示出的两个，本领域技术人员可以根据实际应用中机车牵引系统的需要而自行选择使用。
可见，本申请所提供的牵引变流器电路，采用了全独立的轴控式结构，由不共用中间直流回路13的多重主变流回路1分别对各个牵引电机供电，有效避免了各重主变流回路1间的耦合影响，可在部分主变流回路1故障的情况下实现牵引力的容灾输出，提高了牵引变流器的可用性和可靠性。同时，本申请所提供的牵引变流器电路还采用了主辅一体化结构，利用多工位隔离开关21由主变流回路的中间直流回路13中为辅助变流回路2取电，从而无需为辅助变流回路2设置独立的变压器供电，有效降低了设备的体积和重量，提高了牵引变流器的综合性能。
请参考图2，图2为本申请所提供的一种牵引变流器电路的电路结构图。
在上述实施例的基础上，如图2所示，本申请所提供的牵引变流器电路具体可包括三重主变流回路1，多工位隔离开关21为三工位隔离开关。
具体地，在图2中，接触网25kV通过主断路器K与牵引变压器连接，牵引变压器的三个副边绕组分别用于给牵引变流器的三重主变流回路1供电。不妨将用于给牵引电机M1供电的主变流回路1称为第一重主变流回路，用于给牵引电机M2供电的主变流回路1称为第二重主变流回路，用于给牵引电机M3供电的主变流回路1称为第三重主变流回路。
如图2所示，三工位隔离开关21包括三组(共六个)开关，每组开关分别与一重主变流回路的中间直流回路的正输入端和负输入端连接。具体地，开关QS1和开关QS4分别与第一重主变流回路的中间直流回路的正输入端和负输入端连接；开关QS2和开关QS5分别与第二重主变流回路的中间直流回路的正输入端和负输入端连接；开关QS3和开关QS6分别与第三重主变流回路的中间直流回路的正输入端和负输入端连接。
当三工位隔离开关21工作在开关QS1和开关QS4均闭合(开关QS2、QS5、QS3、QS6均断开)的第一工位时，辅助变流回路2从第一重主变流回路的中间直流回路取电；当第一重主变流回路故障时，可切换连接为开关QS2和开关QS5均闭合(开关QS1、QS4、QS3、QS6均断开)的第二工位，从第二重主变流回路的中间直流回路取电，或者开关QS3和开关QS6均闭合(开关QS1、QS4、QS2、QS5均断开)的第三工位，从第三重主变流回路的中间直流回路取电。
如图2所示，预充电模块11用于对牵引变流器的预充电过程和正常工作过程进行开关控制，包括主接触器KM1、预充电接触器KM2和预充电电阻Ri。主接触器KM1的第一端与预充电接触器KM2的第一端连接，并作为预充电模块11的输入端与牵引变压器的副边绕组连接，预充电接触器KM2的第二端与预充电电阻Ri的第一端连接，预充电电阻Ri的第二端与主接触器KM1的第二端连接，并作为预充电模块的输出端与四象限整流模块的正输入端连接。
在牵引变流器预充电阶段，预充电接触器KM2闭合，主接触器KM1断开，预充电电阻Ri起到限流的作用。当预充电完成后，即在牵引变流器正常工作期间，主接触器KM1闭合，预充电接触器KM2优选断开。进一步地，还可将主接触器KM1和预充电接触器KM2设置为互锁状态。
请参考图3，图3为本申请所提供的一种四象限整流模块的电路结构图。
如图3所示，本申请所提供的牵引变流器电路，在上述内容的基础上，作为一种优选实施例，四象限整流模块12包括输出端并联的两个相模块；各个相模块包括串联的两个IGBT，两个IGBT的公共端作为相模块的输入端；两个相模块的输入端分别作为四象限整流模块12的正输入端和负输入端。
具体地，如图3所示，本申请所提供的四象限整流模块12采用了相模块并联驱动技术。相模块4QC1和相模块4QC2均包括两个串联的IGBT元件，并构成了桥式整流结构实现整流输出。相模块4QC1中两IGBT元件的公共端作为四象限整流模块12的正输入端，通过预充电模块11与该重主变流回路1的变压器副边绕组的一端连接；相模块4QC2中两IGBT元件的公共端作为四象限整流模块12的负输入端，与该重主变流回路1的变压器副边绕组的另一端连接。
相模块4QC1和相模块4QC2的同极输出端具体可通过复合低感母排连接，作为四象限整流模块的正输出端Ud+和负输出端Ud-。复合低感母排可有效降低线路中的杂散电感，提高输出的精确度。
此外，在实际应用中，可对相模块进行模块集成化生产，以便于用户使用。相比于现有技术中普遍采用的四桥八(IGBT)元件的整流结构，本申请所提供的基于两个相模块的四象限整流模块结构更为简单，减少了IGBT的使用数量和单个相模块内IGBT的集成数量，降低了每个相模块的重量和体积，不仅具有更好的散热性能，而且还提高了IGBT并联工作的一致性，并降低了单个IGBT炸损造成的二次损坏的损坏程度，更加便于更换维护。
如图2所示，支撑电容Cd构成了中间直流回路中的稳压单元131。
此外，本申请所提供的牵引变流器电路，在上述内容的基础上，作为一种优选实施例，中间直流回路13包括连接在中间直流回路13的两输入端之间的二次谐波吸收单元132，二次谐波吸收单元132包括串联的电抗器L和谐振电容CL。
具体地，由于整流后的直流电压中还会存在有一定的谐波成分，特别是占比最大的二次谐波电压分量，如此会给支撑电容Cd带来较大冲击，容易造成支撑电容失效，严重时还会令四象限整流模块12的IGBT元件因过压而损坏。由此，本申请还可以为主变流回路1设置二次谐波吸收单元132，以吸收中间直流回路13中的谐波成分，提高电能质量并降低电路安全风险。
如图2所示，本申请所提供的牵引变流器电路，在上述内容的基础上，作为一种优选实施例，中间直流回路13包括接地检测单元133；接地检测单元133包括第一电压传感器、连接在中间直流回路13的两输入端之间的串联的两个电阻、以及连接在中间直流回路13的两输入端之间的串联的两个电容；第一电压传感器的一端与中间直流回路13的正输入端连接，另一端分别与两个电阻的公共端和两个电容的公共端连接。
具体地，当主变流回路1中的某部分故障例如意外接地后，第一电压传感器所测得的电压值将会发生变化，依次可实现故障检测。当然，不同模块不同部位发生故障，第一电压传感器测得电压值的变化情况也不相同，本领域技术人员可以根据实际情况自行分析判断。
本申请所提供的牵引变流器电路，在上述内容的基础上，作为一种优选实施例，中间直流回路13包括电压检测单元；电压检测单元包括连接在中间直流回路的两输出端之间的第二电压传感器。
具体地，通过第二电压传感器可直接对中间直流回路中的直流电压进行检测。特别地，为了确保测量结果的准确性，可设置多个所说的第二电压传感器进行冗余测量。
请参考图4，图4为本申请所提供的一种逆变模块的电路结构图。
如图4所示，本申请所提供的牵引变流器电路，在上述内容的基础上，作为一种优选实施例，逆变模块14包括并联的过压斩波桥臂和三相桥式逆变单元；过压斩波桥臂包括两个串联的IGBT。
具体地，如图4所示的左一桥臂为所说的过压斩波桥臂。左二、左三、左四桥臂构成三相桥式逆变单元，各桥臂的输出端分别与牵引电机的U、V、W相输入端连接。
过压斩波桥臂的上IGBT和下IGBT的公共端作为过压斩波输出端，可外接斩波电阻，以便在主变流回路运行停止、上IGBT开通时进行放电，泄放中间直流回路13的残余能量。
如图2所示，本申请所提供的牵引变流器电路，在上述内容的基础上，作为一种优选实施例，中间直流回路13包括斩波单元134；斩波单元134包括串联的斩波电流传感器CT1和斩波电阻Rch，斩波电流传感器CT1的另一端与过压斩波桥臂中两个IGBT的公共端连接，斩波电阻Rch的另一端与中间直流回路13的负输出端连接。
具体地，也可更换斩波电流传感器CT1与斩波电阻Rch的相对位置，即将斩波电阻Rch的另一端与过压斩波桥臂的过压斩波输出端连接，而将斩波电流传感器CT1的另一端与中间直流回路13的负输出端连接。
如图2所示，本申请所提供的牵引变流器电路，在上述内容的基础上，作为一种优选实施例，各个主变流回路1还包括电流检测单元15；电流检测单元15包括与四象限整流模块12的负输入端连接的输入电流传感器CT3以及与逆变模块14的输出端连接的输出电流传感器CT2。
具体地，对于每一重主变流回路，如图2所示，本申请推荐但不限于设置2个输出电流传感器CT2，分别测量输入至牵引电机的三相交流电中的两相电流，而第三相电流则可以根据测得的输出电流等计算得到，由此进一步减少器件的使用，节省体积和产品成本。
如图2所示，本申请所提供的牵引变流器电路，在上述内容的基础上，作为一种优选实施例，辅助变流回路2还包括连接在辅助逆变模块22和辅助负载之间的滤波模块23，用于对输入至辅助负载的三相交流电进行滤波。
具体地，为了进一步抑制辅助逆变模块22输出的三相交流中的谐波成分，可由滤波模块进行滤波后再输入至辅助负载。本申请所提供的辅助逆变模块22的电路结构可参考主变流回路中的逆变模块，这里就不再赘述。
本申请中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
还需说明的是，在本申请文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种牵引变流器电路，其特征在于，包括辅助变流回路和多重完全相互独立的主变流回路；
各重所述主变流回路包括依次连接的预充电模块、四象限整流模块、中间直流回路和逆变模块；所述预充电模块用于对所述牵引变流器电路的预充电过程和正常工作过程进行开关控制；所述四象限整流模块将输入的交流电整定为直流电并输入至所述中间直流回路；所述中间直流回路包括用于稳压的支撑电容；所述逆变模块将所述中间直流回路输出的直流电逆变为供牵引电机使用的三相交流电；
所述辅助变流回路包括连接的多工位隔离开关和辅助逆变模块；所述多工位隔离开关用于与任意一重所述主变流回路的所述中间直流回路切换连接，以便为所述辅助逆变模块取电；所述辅助逆变模块将输入的直流电逆变为供辅助负载使用的三相交流电。
2.根据权利要求1所述的牵引变流器电路，其特征在于，包括三重所述主变流回路，所述多工位隔离开关为三工位隔离开关。
3.根据权利要求1所述的牵引变流器电路，其特征在于，所述四象限整流模块包括输出端并联的两个相模块；各个所述相模块包括串联的两个IGBT，两个所述IGBT的公共端作为所述相模块的输入端；两个所述相模块的输入端分别作为所述四象限整流模块的正输入端和负输入端。
4.根据权利要求1所述的牵引变流器电路，其特征在于，所述中间直流回路包括连接在所述中间直流回路的两输入端之间的二次谐波吸收单元，所述二次谐波吸收单元包括串联的电抗器和谐振电容。
5.根据权利要求4所述的牵引变流器电路，其特征在于，所述中间直流回路包括接地检测单元；
所述接地检测单元包括第一电压传感器、连接在所述中间直流回路的两输入端之间的串联的两个电阻、以及连接在所述中间直流回路的两输入端之间的串联的两个电容；所述第一电压传感器的一端与所述中间直流回路的正输入端连接，另一端分别与两个所述电阻的公共端和两个所述电容的公共端连接。
6.根据权利要求5所述的牵引变流器电路，其特征在于，所述中间直流回路包括电压检测单元；所述电压检测单元包括连接在所述中间直流回路的两输出端之间的第二电压传感器。
7.根据权利要求1所述的牵引变流器电路，其特征在于，所述逆变模块包括并联的过压斩波桥臂和三相桥式逆变单元；所述过压斩波桥臂包括两个串联的IGBT。
8.根据权利要求7所述的牵引变流器电路，其特征在于，所述中间直流回路包括斩波单元；所述斩波单元包括串联的斩波电流传感器和斩波电阻，所述斩波电流传感器的另一端与所述过压斩波桥臂中两个所述IGBT的公共端连接，所述斩波电阻的另一端与所述中间直流回路的负输出端连接。
9.根据权利要求1至8任一项所述的牵引变流器电路，其特征在于，各个所述主变流回路还包括电流检测单元；所述电流检测单元包括与所述四象限整流模块的负输入端连接的输入电流传感器以及与所述逆变模块的输出端连接的输出电流传感器。
10.根据权利要求9所述的牵引变流器电路，其特征在于，所述辅助变流回路还包括连接在所述辅助逆变模块和所述辅助负载之间的滤波模块，用于对输入至所述辅助负载的三相交流电进行滤波。
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