CN111162681A - 交-直-交型直驱永磁牵引变流器及其控制方法、系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种交‑直‑交型直驱永磁牵引变流器及其控制方法、系统，包括：第一预充电电路、第二预充电电路、第一四象限整流器、第二四象限整流器、以及第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥，其中第一四象限整流器的输入端与第一预充电电路连接，输出端分别与第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥连接；第二四象限整流器的输入端与第二预充电电路连接，输出端分别与第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥连接；第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥分别用于与各自对应的电机连接。本发明实施例提高了系统的可靠性。

Description

交-直-交型直驱永磁牵引变流器及其控制方法、系统

技术领域

本发明涉及自动控制技术，尤其涉及一种交-直-交型直驱永磁牵引变流器及其控制方法、系统。

背景技术

近年来电气化铁路朝着高速、大功率的方向发展。大功率的直驱永磁同步牵引系统以高效节能的优点受到了轨道交通行业的密切关注和广泛应用。

传统的大功率牵引变流器由预充电电路、四象限整流器、中间直流回路和三相逆变桥构成。来自牵引变压器的单相交流电通过预充电电路供给四象限整流器，四象限整流器将单相交流电变换成直流电供给中间直流回路，三相逆变桥将直流电再变换为电压和频率可调的三相交流电供给牵引电机。

传统牵引变流器在电路发生故障时，牵引变流器就无法正常工作，系统缺少可靠性。

发明内容

本发明实施例提供一种交-直-交型直驱永磁牵引变流器及其控制方法、系统，以克服当交-直-交型直驱永磁牵引变流器电路出现故障时，电路直接无法工作，系统缺少可靠性的情况。

第一方面，本发明实施例提供一种交-直-交型直驱永磁牵引变流器，包括：

第一预充电电路、第二预充电电路、第一四象限整流器、第二四象限整流器、以及第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥，其中

所述第一四象限整流器的输入端与所述第一预充电电路连接，输出端分别与所述第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥连接；

所述第二四象限整流器的输入端与所述第二预充电电路连接，输出端分别与所述第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥连接；

所述第一三相逆变桥、所述第二三相逆变桥和所述第三三相逆变桥分别用于与各自对应的电机连接。

在一种可能的设计中，所述第一预充电电路包括第一电阻、第一预充电接触器和第一主接触器，所述第一电阻的一端与所述第一主接触器的一端连接，所述第一电阻的另一端与所述第一预充电接触器的一端连接，且所述第一主接触器的另一端与所述第一预充电接触器的另一端连接；

所述第二预充电电路包括第二电阻、第二预充电接触器和第二主接触器，所述第二电阻的一端与所述第二主接触器的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述第二预充电接触器的一端连接，且所述第二主接触器的另一端与所述第二预充电接触器的另一端连接。

在一种可能的设计中，所述第一四象限整流器的输出端通过第一母线电容分别与所述第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥连接；

所述第二四象限整流器的输出端通过第二母线电容分别与所述第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥连接。

在一种可能的设计中，所述交-直-交型直驱永磁牵引变流器还包括：第一工作接触器、第二工作接触器以及第三工作接触器；所述第一工作接触器、所述第二工作接触器、所述第三工作接触器均分别与所述第一母线电容、所述第二母线电容、所述第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥连接。

在一种可能的设计中，所述交-直-交型直驱永磁牵引变流器还包括：第一隔离接触器、第二隔离接触器以及第三隔离接触器；

所述第一隔离接触器的一端与所述第一三相逆变桥连接，另一端用于与电机连接；

所述第二隔离接触器的一端与所述第二三相逆变桥连接，另一端用于与电机连接；

所述第三隔离接触器的一端与所述第三三相逆变桥连接，另一端用于与电机连接。

第二方面，本发明实施例提供一种交-直-交型直驱永磁牵引变流器控制方法，包括：

在所述交-直-交型直驱永磁牵引变流器启动后，启动所述第一预充电电路、所述第二预充电电路的预充电功能；

在预充电功能完成后，控制所述第一四象限整流器和所述第二四象限整流器启动；

控制所述第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥工作，以启动电机。

在一种可能的设计中，所述启动所述第一预充电电路、所述第二预充电电路的预充电功能，包括：

控制所述第一预充电接触器和所述第二预充电接触器闭合，在第一中间直流母线电压和第二中间直流母线电压上升至预设电压时，控制所述第一主接触器、所述第二主接触器闭合预设时间，断开所述第一预充电接触器和所述第二预充电接触器；

其中，所述第一中间直流母线电压等于所述第二中间直流母线电压。

在一种可能的设计中，所述在预充电功能完成后，控制所述第一四象限整流器和所述第二四象限整流器同时工作，包括：

在预充电功能完成后，控制所述第一四象限整流器和所述第二四象限整流器启动；

在所述第一四象限整流器和所述第二四象限整流器启动后，控制所述第一中间直流母线电压、第二中间直流母线电压稳定在设定电压。

在一种可能的设计中，所述控制所述第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥工作，以启动电机，包括：

控制所述第一工作接触器、所述第二工作接触器以及所述第三工作接触器闭合；

控制所述第一三相逆变桥、所述第二三相逆变桥和所述第三三相逆变桥启动；

控制所述第一隔离接触器、所述第二隔离接触器以及所述第三隔离接触器闭合。

第三方面，本发明实施例提供一种直驱永磁牵引变流系统，包括：控制器和如第一方面所述的交-直-交型直驱永磁牵引变流器；

所述控制器用于执行如上第二方面以及第二方面各种可能的设计中任一所述的方法。

本发明实施例提供的交-直-交型直驱永磁牵引变流器及其控制方法、系统，通过包括第一预充电电路、第二预充电电路、第一四象限整流器、第二四象限整流器、以及第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥，其中所述第一四象限整流器的输入端与所述第一预充电电路连接，输出端分别与所述第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥连接；所述第二四象限整流器的输入端与所述第二预充电电路连接，输出端分别与所述第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥连接。有效实现了交-直-交型直驱永磁牵引变流器的启动和停止控制，并且在启动之前通过自检的环节，为后续操作交-直-交型直驱永磁牵引变流器的启动和停止控制提供了有效的保证，通过设置两路预充电电路和两个四象限整流器，避免了当电路发生故障时，牵引变流器直接无法工作的问题，提高了系统的稳定性。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的交-直-交型直驱永磁牵引变流器的电路图；

图2为本发明实施例提供的交-直-交型直驱永磁牵引变流器控制方法的流程图一；

图3为本发明实施例提供的交-直-交型直驱永磁牵引变流器控制方法的流程图二；

图4为本发明实施例提供的交-直-交型直驱永磁牵引变流器控制方法的时序图；

图5为本发明提供的交-直-交型直驱永磁牵引变流器的系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的交-直-交型直驱永磁牵引变流器的电路图，如图1所示，本实施例提供的交-直-交型直驱永磁牵引变流器包括：第一预充电电路10、第二预充电电路20、第一四象限整流器30、第二四象限整流器40、以及第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90；其中，

第一四象限整流器30的输入端与第一预充电电路10连接，输出端分别与第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90连接；

第二四象限整流器40的输入端与第二预充电电路20连接，输出端分别与第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90连接；

第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90分别用于与各自对应的电机连接。

其中，预充电电路为牵引变流器电路进行预充电，达到有效保护牵引变流器电路中器件的目的，因为在接通电源的瞬间，输入电流是一个较大的值，若没有预充电电路，瞬间过大电流的输入有可能会造成电路中的器件损坏，通过设置预充电电路，可以保证电路中的部分器件两端电压稳定缓慢上升，从而防止上电瞬间电流过大导致器件损坏。

四象限整流器是将交流电转换成直流电的一种新型整流器，本发明实施例中输入电流为交流电，该交流电经过四象限整流器被转换成直流电作为下一个器件的输入。

三相逆变桥将四象限整流器输出的直流电转换为三相交流电输出，对应图1中三相逆变桥的三个输出端，三个输出端从上至下依次分别为U相、V相和W相。

本发明实施例中设置了两路预充电电路，分别为第一预充电电路10和第二预充电电路20，同时设置有两个四象限整流器，分别为第一四象限整流器30、第二四象限整流器40，从而形成了两路工作电路。一路工作电路将输入交流电转换为直流电，同时为第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90供应直流电，另一路工作电路同样将输入交流电转换为直流电，同时为第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90供应直流电。

其中，当两路工作电路正常工作时，第一预充电电路10和第二预充电电路20同时工作，为牵引逆变器进行预充电，同样地，第一四象限整流器30和第二四象限整流器40同时工作，将输入的交流电转换为直流电输出给三路三相逆变桥。

其中当第一预充电电路10出现故障时，由第二预充电电路20单独执行预充电功能，当第二预充电电路20出现故障时，由第一预充电电路10单独执行预充电功能，两路预充电电路的工作是独立的。同样地，若有一路工作电路中的四象限整流器出现故障，则牵引系统的功率降到一半，出现故障的工作电路的四象限整流器停止工作，由另一路工作电路的四象限整流器执行将交流电转换为直流电的功能。

本发明实施例提供的交-直-交型直驱永磁牵引变流器，包括：第一预充电电路、第二预充电电路、第一四象限整流器、第二四象限整流器、以及第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥，通过第一四象限整流器的输入端与第一预充电电路连接，输出端分别与第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥连接；第二四象限整流器的输入端与第二预充电电路连接，输出端分别与第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥连接；第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥分别用于与各自对应的电机连接。通过设置两路工作电路，每路工作电路包括预充电电路和四象限整流器，两路工作电路之间独立工作，当有一路出现故障时另一路继续工作，确保牵引变流器的运作不受故障电路的影响，有效避免了当电路发生故障时，牵引变流器直接无法工作的问题，从而提高了系统的可靠性。

在上述实施例的基础上，第一预充电电路10包括第一电阻R1、第一预充电接触器Km1和第一主接触器Km2，第一电阻R1的一端与第一主接触器Km2的一端连接，第一电阻R1的另一端与第一预充电接触器Km1的一端连接，且第一主接触器Km2的另一端与第一预充电接触器Km2的另一端连接；

第二预充电电路20包括第二电阻R2、第二预充电接触器Km3和第二主接触器Km4，第二电阻R2的一端与第二主接触器Km4的一端连接，第二电阻R2的另一端与第二预充电接触器Km3的一端连接，且第二主接触器Km4的另一端与第二预充电接触器Km3的另一端连接。

预充电电路与交流电的输入端相连接，为牵引变流器进行预充电，避免电路中的器件损坏，其中电阻起到限流的作用，即对预充电电流的大小进行限制，避免上电瞬间产生较大的输入电流损坏电路器件，其中预充电接触器和主接触器共同作用，来控制预充电的开始和结束。以第一预充电电路10为例进行说明，第二预充电电路20类似，本实施例此处不再赘述。

具体的，预充电开始之前，第一预充电接触器Km1和第一主接触器Km2都是断开的，当第一预充电接触器Km1闭合时，输入电流经过第一电阻R1和闭合的第一预充电接触器Km1，开始为牵引变流器进行预充电，之后第一主接触器Km2闭合，其次第一预充电接触器Km1断开，预充电功能完成，此时输入电流经过闭合的第一主接触器Km2，为牵引变流器提供正常的交流电，以便于牵引变流器开始执行后续操作。

其中，第一四象限整流器30的输出端通过第一母线电容50分别与第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90连接；

第二四象限整流器40的输出端通过第二母线电容60分别与第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90连接。

其中，将四象限整流器输出的直流电压称为中间直流母线电压，第一母线电容50和第二母线电容60对中间直流母线电压起到支撑作用，该支撑作用会使电路的波动得到改善，并且电容的容值越大，中间直流母线电压的波动也就越小。此时稳定后的直流电作为三相逆变桥的输入电流，为三相逆变桥进行供电。

其中，牵引变流器还包括第一工作接触器K1、第二工作接触器K2以及第三工作接触器K3；第一工作接触器K1、第二工作接触器K2、第三工作接触器K3均分别与第一母线电容50、第二母线电容60、第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90连接。

其中，牵引变流器还包括第一隔离接触器K4、第二隔离接触器K5以及第三隔离接触器K6；第一隔离接触器K4的一端与第一三相逆变桥70连接，另一端用于与电机连接；第二隔离接触器K5的一端与第二三相逆变桥80连接，另一端用于与电机连接；第三隔离接触器K6的一端与第三三相逆变桥90连接，另一端用于与电机连接。

其中，工作接触器控制三相逆变桥输入端直流电流的输入，当工作接触器闭合时，直流电输入三相逆变桥，牵引变流器正常执行相应功能。隔离接触器控制三相逆变桥输出端的交流电，当隔离接触器闭合时，三相逆变桥转换后的三相交流电输出到电机，从而驱动电机工作。此处以第一工作接触器K1和第一隔离接触器K4为例进行说明，第二工作接触器K2、第三工作接触器K3、第二隔离接触器K4以及第三隔离接触器K6类似，本实施例此处不再赘述。

具体的，第一工作接触器K1负责三相逆变桥的输入连接，初始状态下第一工作接触器K1断开，当第一工作接触器K1闭合后，母线电容改善后的直流电经过第一工作接触器K1，作为三相逆变桥的输入电流为三相逆变桥供电，其中第一隔离接触器K4负责三相逆变桥的输出连接，初始状态下第一隔离接触器K4断开，当第一隔离接触器K4闭合后，三相逆变桥将转换后的三相交流电经过第一隔离接触器K4，驱动电机运行。

可选地，该牵引变流器还包括多个电压传感器、多个电流传感器、多个温度传感器、多个压力传感器和多个绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)及其驱动板卡检测。

其中电流传感器和电压传感器用来检测各个节点的电流或者电压值，具体的，第一四象限整流器30的一个输入端连接有电流传感器TA1，第二四象限整流器40的一个输入端连接有电流传感器TA2，电流传感器TA1、TA2分别用于第一、第二四象限整流器10、20的输入电流检测。第一三相逆变桥70的输出端连接有电流传感器TA11、TA12，其中TA11用于第一三相逆变桥70的U相电流检测，TA12用于第一三相逆变桥70的V相电流检测，第二三相逆变桥80的输出端连接有电流传感器TA21、TA22，其中TA21用于第二三相逆变桥80的U相电流检测，TA22用于第二三相逆变桥80的V相电流检测，第三三相逆变桥90的输出端连接有电流传感器TA31、TA32，其中TA31用于第三三相逆变桥90的U相电流检测，TA32用于第三三相逆变桥90的V相电流检测。第一四象限整流器30的输出端连接有电压传感器TV1，第二四象限整流器40的输出端连接有电压传感器TV2，具体地，电压传感器TV1用于第一四象限整流器30的输出电压检测，电压传感器TV2用于第二四象限整流器40的输出电压检测。第一三相逆变桥70的输入端连接有电压传感器TV11，第二三相逆变桥80的输入端连接有电压传感器TV21，第三三相逆变桥90的输入端连接有电压传感器TV31，电压传感器TV11、TV21、TV31分别用于第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80、第三三相逆变桥90的输入端的电压检测。

其中温度传感器用来检测电路中器件的温度，具体地，第一四象限整流器30和第二四象限整流器内部各有一个温度传感器，第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90内部各有一个温度传感器。

其中压力传感器用来检测电路中器件的受到的冷却液的压力，其中冷却液是四象限整流器和三相逆变桥内部用来为器件降温的液体，具体地，第一四象限整流器30和第二四象限整流器内部各有一个压力传感器，第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90内部各有一个压力传感器。

其中IGBT及其驱动板卡检测用来检测IGBT和驱动板卡能否正常工作，具体地，第一四象限整流器30和第二四象限整流器40内部各有4个IGBT及其驱动板卡检测，第一三相逆变桥70、第一三相逆变桥80和第一三相逆变桥90内部各有6个IGBT及其驱动板卡检测。

牵引变流器在进行工作之前要进行自检，自检主要是为了保证电路中的器件可以正常使用，牵引变流器电路开始工作之后若电路中出现故障，再回头查找出现问题的器件比较麻烦，因此在工作之前的自检是很有必要的。牵引变流器的自检主要包括接触器自检、电流传感器自检、电压传感器自检、温度传感器自检、压力传感器自检和IGBT及其驱动板卡检测。

其中接触器的自检具体为预充电电路自检、工作接触器自检和隔离接触器自检，接触器自检的具体内容是：控制器向自检器件发送“接触器命令信号”，接收到信号的自检器件向TCU发送“状态反馈信号”。此控制器可以为牵引控制单元(Traction ControllUnit，TCU)、微控制器等具有控制功能的设备，本实施例以TCU为例进行说明，自检器件例如可以为预充电接触器、主接触器、工作接触器和隔离接触器。若TCU检测到“接触器命令信号”和“状态反馈信号”不一致且超过1000ms，则判定该自检器件“自检失败”，否则判定该自检器件“自检成功”。

首先要对预充电电路进行自检，预充电电路的自检具体包括预充电接触器的自检和主接触器的自检，当预充电接触器和主接触器中有一个被判定“自检失败”时，则该路预充电电路被判定“自检失败”。其中，当第一预充电电路10和第二预充电电路20中有一路自检失败，而另一路自检成功时，TCU上报对应的预充电“警告信号”；当第一预充电电路10和第二预充电电路20两路都自检失败时，TCU上报对应的预充电“警告信号”，同时再上报一个预充电“故障信号”。

其次还需要进行工作接触器和隔离接触器的自检，以保证牵引变流器能够正常工作，自检的具体操作同上述所示，此处不再赘述。具体的，第一、第二、第三工作接触器K1、K2、K3和第一、第二、第三隔离接触器K4、K5、K6都要进行自检，当TCU判定第一工作接触器K1和第二隔离接触器K4中有任一个“自检失败”时，则第一工作接触器K1、第一隔离接触器K4及第一三相逆变桥70禁止工作，同时TCU上报“1路接触器警告”；当TCU判定第二工作接触器K2和第二隔离接触器K5中有任一个“自检失败”时，则第二工作接触器K2、第二隔离接触器K5及第二三相逆变桥80禁止工作，同时TCU上报“2路接触器警告”；当TCU判定第三工作接触器K3和第三隔离接触器K6中有任一个“自检失败”时，则第三工作接触器K3、第三隔离接触器K6及第三三相逆变桥90禁止工作，同时TCU上报“3路接触器警告”；若TCU同时上报“1路接触器警告”、“2路接触器警告”、“3路接触器警告”，则TCU再上报一个“接触器故障信号”。

其中，若TCU上报一个预充电“故障信号”或一个“接触器故障信号”时，则TCU判定该牵引变流器的接触器自检失败。

牵引变流器的自检还包括电流传感器自检和电压传感器自检，电流传感器自检和电压传感器自检是各传感器在初始状态下的检测，即在传感器还未接收到电流或电压时进行检测，以确保在后续进行电流、电压检测时的测量值是准确的，电流传感器自检和电压传感器自检的具体内容是：在传感器初始状态下，控制器检测传感器的初始值1024次，并对1024次检测到的传感器初始值求平均值，若求得的平均值超过该传感器最大使用量程的5％时，则TCU判定该传感器“自检故障”。此控制器可以为牵引控制单元(TractionControll Unit，TCU)、微控制器等具有控制功能的设备，本实施例以TCU为例进行说明。传感器例如可以为电流传感器TA1、TA2、TA11、TA12、TA21、TA22、TA31、TA32，电压传感器TV1、TV2、TV11、TV21、TV31。,此处将电流传感器自检和电压传感器自检的具体内容称为零飘值检测，将求得的平均值称为零飘值，电流传感器自检和电压传感器自检故障包括传感器本身故障以及传感器通道存在问题，这些传感器故障都可以由零飘值来进行反映，若该传感器零飘值不超过对应传感器最大使用量程的5％，则该零飘值可以作为该传感器的零点值，这样可以提高该传感器的测量准确度；若传感器零飘值超过对应传感器最大使用量程的5％，则TCU判定该传感器“传感器自检异常”，并上报相对应的传感器故障。

牵引变流器的自检还包括温度传感器自检，温度传感器自检的具体内容是：温度传感器检测到的温度数值超过预设温度范围，则TCU判定该传感器“温度传感器自检异常”，并上报相对应的传感器故障，其中预设温度范围是设定的保证器件不出现故障的温度范围，本实施例对预设温度范围不进行具体限定。

牵引变流器的自检还包括压力传感器自检，压力传感器自检的具体内容为：在初始状态，即器件没有压力的情况下，压力传感器输出4mA电流信号，若检测压力传感器输出的电流信号接近0mA，则TCU判定该传感器“压力传感器自检异常”，并上报相对应的传感器故障。

牵引变流器的自检还包括IGBT及其驱动板卡检测，IGBT及其驱动板卡检测的具体内容为：若检测到IGBT及其驱动板卡为‘1’信号，则TCU判定IGBT及其驱动板卡正常，若检测到其为‘0’信号，则TCU判定该IGBT及其驱动板卡“自检异常”，并上报相对应的IGBT及其驱动板卡故障。

本发明实施例提供的交-直-交型直驱永磁牵引变流器，通过设置该牵引变流器电路，有效实现了交-直-交型牵引变流器的电路运作，最终为电机供电驱动电机工作，在这个过程中还通过牵引变流器工作前的接触器自检、电流传感器自检、电压传感器自检、温度传感器自检、压力传感器自检和TGBT及其驱动板卡检测，有效保证电路开始工作之前器件都是可以正常工作的，避免了当正常启动操作中电路故障发生时再回头找问题的麻烦。

图2为本发明实施例提供的交-直-交型直驱永磁牵引变流器控制方法的流程图一；

S201、在交-直-交型直驱永磁牵引变流器启动后，启动第一预充电电路、第二预充电电路的预充电功能；

其中交-直-交型直驱永磁牵引变流器启动之后，首先启动牵引变流器的预充电功能，即交流电经过第一预充电电路10和第二预充电电路20为牵引变流器电路进行预充电，以保证电路中的器件不会因为瞬间过大的输入电流而损坏。当第一预充电电路10和第二预充电电路20都正常工作时，第一预充电电路10和第二预充电电路20一起为牵引变流器执行预充电功能，当第一预充电电路10和第二预充电电路20中有一路出现故障时，另一路独立工作为牵引变流器进行预充电，同时上报电路对应的故障代码，此时电路的预充电功能不受影响。

S202、在预充电功能完成后，控制第一四象限整流器和第二四象限整流器同时工作；

其中四象限整流器将输入的交流电转换为直流电为电路后续器件供电。预充电功能完成之后，第一预充电电路10和第二预充电电路20断开，电源正常为牵引变流器电路供应交流电，电源供应的交流电作为第一四象限整流器30和第二四象限整流器40的输入电流，第一四象限整流器30和第二四象限整流器40将输入的交流电转换为直流电，作为牵引变流器电路器件的输入电源。当第一四象限整流器30和第二四象限整流器40都正常工作时，第一四象限整流器30和第二四象限整流器40一起执行将交流电转换为直流电的功能，当第一四象限整流器30和第二四象限整流器40中有一个出现故障时，故障四象限整流器停止工作，由另一个四象限整流器单独执行将交流电转换为直流电的功能，此时牵引系统功率降到一半运行。

S203、控制第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥工作，以启动电机。

其中三相逆变桥将输入的直流电转换为交流电以驱动电机工作。具体的，第一四象限整流器30和第二四象限整流器40转换后的直流电作为第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90的输入，第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90将输入的直流电转换为交流电驱动各自对应的电机工作。

本发明实施例提供的交-直-交型直驱永磁牵引变流器控制方法，在交-直-交型直驱永磁牵引变流器启动后，启动第一预充电电路、第二预充电电路的预充电功能；在预充电功能完成后，控制第一四象限整流器和第二四象限整流器同时工作；控制第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥工作，以启动电机；该牵引变流器有效实现了交-直-交型牵引变流器驱动电机工作的功能，并且通过设置两路预充电电路和两个四象限整流器，保证当有一路预充电电路出现故障时另一路继续为牵引变流器执行预充电功能，当有一个四象限整流器出现故障时另一个四象限整流器继续执行将交流电转换为直流电的功能，确保牵引变流器的运作不受故障电路的影响，有效避免了当电路发生故障时，牵引变流器直接无法工作的问题，从而提高了系统的可靠性。

下面采用详细的实施例，对本发明实施例提供的交-直-交型直驱永磁牵引变流器控制方法进行详细说明。

在具体实现过程中，牵引变流器首先需要完成自检，其次需要机车提供的一些信号来满足牵引变流器启动的条件，具体自检过程在上述实施例中进行了介绍，此处不再赘述，自检完成并且TCU判定自检成功后，牵引变流器进入启动前的准备工作，启动前的准备工作具体包括：接收主断信号和接收方向手柄信号。其中主断信号由主断路器发出，主断路器是指用以接通和切断电力机车电源的总开关，当主断信号为“1”时，表示接通电力机车电源的总开关，当主断信号为“0”时，切断电力机车电源的总开关，也就是说首先牵引变流器所在的机车要接通电源，牵引变流器接收到主断信号为“1”。其中方向手柄信号有机车控制室给出，机车要启动之前，需要机车控制室将机车的方向手柄放下，此时牵引变流器接收到来自机车控制室的方向手柄信号，牵引变流器接收到主断信号和方向手柄信号之后，牵引变流器的启动条件满足，准备工作完成，就可以进入下一步的具体牵引变流器启动操作了。

在牵引变流器自检以及启动准备工作完成后，可以启动牵引变流器，在牵引变流器启动后，该牵引变流器的实现方式如图3所示。

图3为本发明实施例提供的交-直-交型直驱永磁牵引变流器控制方法的流程图二；

S301、在交-直-交型直驱永磁牵引变流器启动后，控制第一预充电接触器和第二预充电接触器闭合，在第一中间直流母线电压和第二中间直流母线电压上升至预设电压时，控制第一主接触器、第二主接触器闭合预设时间，断开第一预充电接触器和第二预充电接触器；

其中，第一中间直流母线电压等于第二中间直流母线电压。

其中交-直-交型直驱永磁牵引变流器的启动条件成立之后，首先启动牵引变流器的预充电功能，具体地，在第一预充电电路10中，第一预充电接触器Km1闭合，此时第一预充电电路10接通电源，输入的交流电流经第一电阻R1和第一预充电接触器Km1为牵引变流器进行预充电，在第二预充电电路20中，第二预充电接触器Km3闭合，此时第二预充电电路20接通电源，输入的交流电流经第二电阻R2和第二预充电接触器Km3为牵引变流器进行预充电，此时第一中间直流母线电压和第二中间直流母线电压稳定上升，待第一中间直流母线电压和第二中间直流母线电压达到预设电压时，第一路预充电电路10中第一主接触器Km2闭合，第二路预充电电路20中第二主接触器Km4闭合，其中预设电压是设定的预充电过程中第一中间直流母线电压和第二直流母线电压要到达的电压值，可根据实际情况有不同的设计，本实施例对预设电压的设定不做特别限制，此处以预设电压为输入电压有效值的1.1倍为例，即第一中间直流母线电压和第二中间直流母线电压达到输入电压有效值的1.1倍时，第一主接触器Km2和第二主接触器Km4闭合，当第一主接触器Km2到达闭合预设时间时，断开第一预充电接触器Km1，当第二主接触器Km4到达闭合预设时间时，断开第二预充电接触器Km2，其中闭合预设时间是设定的控制第一主接触器Km2和第二主接触器Km4闭合的时间，可根据实际情况有不同的设计，本实施例对闭合预设时间不做特别限制，此处以预设时间为100ms为例，即第一主接触器Km2到达100ms时，断开第一预充电接触器Km1，第二主接触器Km4到达100ms时，断开第二预充电接触器Km3。

其中，第一预充电电路10和第二预充电电路20的执行预充电功能没有严格的时序关系，二者可以有先后，也可以同时执行。本领域技术人员可以理解，由于第一母线电容50和第二母线电容60为并联连接，所以第一预充电电路10对牵引变流器进行预充电时，会导致第一直流母线电压和第二直流母线电压同时上升且电压值相等，第二预充电电路20对牵引变流器进行预充电时，同样会导致第一直流母线电压和第二直流母线电压同时上升且电压值相等，也就是说，任意的单独一路预充电电路就可以完成预充电的功能，其中第一直流母线电压等于第二直流母线电压。

S302、在预充电功能完成后，控制第一四象限整流器和第二四象限整流器启动；

预充电功能完成之后，TCU给定启动指令，控制第一四象限整流器30和第二四象限整流器40启动，此时输入的交流电正常输入给四象限整流器，四象限整流器将输入的交流电转换为直流电为后续电路供应直流电。其中第一四象限整流器30和第二四象限整流器40独立工作，正常情况下第一四象限整流器30和第二四象限整流器40同时工作将输入的交流电转换为直流电，当有一个四象限整流器出现故障时，该故障四象限整流器停止工作，牵引变流器功率降到一半运行，由另一个未发生故障的四象限整流器单独完成将交流电转换为直流电的工作。

S303、在第一四象限整流器和第二四象限整流器启动后，控制第一中间直流母线电压、第二中间直流母线电压稳定在设定电压。

具体地，预充电功能执行时，第一中间直流母线电压和第二中间直流母线电压稳定上升到预设电压，第一主接触器Km2和第二主接触器Km4闭合，第一预充电接触器Km1和第二预充电接触器Km3断开，此时预充电功能完成，预充电功能完成之后，第一中间直流母线电压和第二中间直流母线电压继续保持稳定上升，直到第一四象限整流器30和第二四象限整流器40启动，此时第一中间直流母线电压、第二中间直流母线电压稳定在设定电压，其中设定电压是设定的最终第一中间直流母线电压要到达的电压值，可根据实际情况有不同的设计，本实施例对预设电压的设定不做特别限制，第一中间直流母线电压、第二中间直流母线电压稳定在设定电压后在整个牵引变流器启动过程中不再发生变化。

S304、控制第一工作接触器、第二工作接触器以及第三工作接触器闭合；

具体地，第一四象限整流器30和第二四象限整流器40启动的同时，TCU控制第一工作接触器K1、第二工作接触器K2以及第三工作接触器K3闭合，闭合之后就可以将四象限整流器变换之后的直流电供应给后续电路。

S305、控制第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥启动；

第一工作接触器K1闭合之后，第一四象限整流器30和第二四象限整流器40转换后的直流电作为第一三相逆变桥70的输入电源为第一三相逆变桥70供电，此时牵引变流器还需要接收到来自机车的级位信号，其中级位信号是指档位信号，由机车控制室给出，接收到级位信号并且检测到电压传感器TV11的电压信号之后，第一三相逆变桥70启动条件满足，TCU给定第一三相逆变桥70的启动指令，完成第一三相逆变桥70的启动。

第二工作接触器K2闭合之后，第一四象限整流器30和第二四象限整流器40转换后的直流电作为第二三相逆变桥80的输入电源为第二三相逆变桥80供电，此时牵引变流器还需要接收到来自机车的级位信号，接收到级位信号并且检测到电压传感器TV21电压信号之后，第二三相逆变桥80启动条件满足，TCU给定第二三相逆变桥80的启动指令，完成第二三相逆变桥80的启动。

第三工作接触器K3闭合之后，第一四象限整流器30和第二四象限整流器40转换后的直流电作为第三三相逆变桥90的输入电源为第三三相逆变桥90供电，此时牵引变流器还需要接收到来自机车的级位信号，接收到级位信号并且检测到电压传感器TV31电压信号之后，第三三相逆变桥90启动条件满足，TCU给定第三三相逆变桥90的启动指令，完成第三三相逆变桥90的启动。

S306、控制第一隔离接触器、第二隔离接触器以及第三隔离接触器闭合。

第一三相逆变桥70启动的同时，TCU给定第一隔离接触器K4闭合命令，控制第一隔离接触器K4闭合，闭合之后第一三相逆变桥70发脉冲，将转换后的三相交流电输出给对应的电机，驱动电机运行。

第二三相逆变桥80启动的同时，TCU给定第二隔离接触器K5闭合命令，控制第二隔离接触器K5闭合，闭合之后第二三相逆变桥80发脉冲，将转换后的三相交流电输出给对应的电机，驱动电机运行。

第三三相逆变桥90启动的同时，TCU给定第三隔离接触器K6闭合命令，控制第三隔离接触器K6闭合，闭合之后第三三相逆变桥90发脉冲，将转换后的三相交流电输出给对应的电机，驱动电机运行。此时交-直-交型直驱永磁牵引变流器启动成功。

其中，当交-直-交型直驱永磁牵引变流器需要停止工作时，首先取消级位信号，TCU取消给定第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90的启动指令，给定第一隔离接触器K4、第二隔离接触器K5和第三隔离接触器K6断开命令，其次机车控制室将方向手柄回中位，即取消方向手柄信号，然后给定主断信号为“0”，也就是说主断路器切断电力机车电源的总开关，此时主断信号为“0”以及接收不到方向手柄信号，牵引变流器的启动条件不满足，同时第一工作接触器K1、第二工作接触器K2和第三工作接触器K3断开，第一四象限整流器30和第二四象限整流器40停止工作，第一主接触器Km2和第二主接触器Km4断开，母线电压缓慢下降，直至为0，此时牵引变流器停止成功。

其中，在牵引变流器正常工作的过程中，上述介绍的当级位信号归0时，TCU取消给定第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90的启动指令，给定第一隔离接触器K4、第二隔离接触器K5和第三隔离接触器K6断开命令，此时第一四象限整流器30和第二四象限整流器40仍保持正常工作。上述介绍的机车控制室将方向手柄回中位，即取消方向手柄信号，此时第一四象限整流器30和第二四象限整流器40仍正常工作，也就是说在级位信号归0和方向手柄回中位时，第一四象限整流器30和第二四象限整流器40保持正常工作，避免了四象限不必要的启动、停止动作。

在牵引变流器正常工作过程中，若由于其他严重故障，或者车辆进库停车，或者需要正常停车等原因时，则通过TCU控制主断信号为‘0’，四象限整流器才停止工作，这样避免了四象限整流器在牵引变流器正常工作过程中的频繁启动、停止动作；

其中，在牵引变流器正常工作的过程中，当有三相逆变桥或电机出现轻度故障并且该故障是可恢复故障时，则该三相逆变桥停止工作，对应的隔离接触器断开，等待该故障恢复后，该三相逆变桥和对应的隔离接触器恢复正常工作，并且在此过程中，其他无故障的三相逆变桥正常工作。下面以第一三相逆变桥70为例进行具体介绍，当第一三相逆变桥70出现问题时出现轻度故障并且该故障是可恢复故障时，则第一三相逆变桥70停止工作，对应的第一隔离接触器K4断开，等待该故障恢复后，第一三相逆变桥70和第一隔离接触器K4恢复正常工作，在第一三相逆变桥70出现故障时，第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90保持正常工作不受影响。第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90出现轻度故障时的情况与第一三相逆变桥70类似，此处不再赘述。

在牵引变流器正常工作的过程中，当有三相逆变桥或电机出现严重故障时，为防止故障扩大，TCU控制该三相逆变桥对应的工作接触器和隔离接触器断开，其他无故障的三相逆变桥正常工作。下面以第一三相逆变桥70为例进行具体介绍，当第一三相逆变桥70出现严重故障，则第一三相逆变桥70对应第一工作接触器K1和第一隔离接触器K4断开，第一三相逆变桥70停止工作，第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90保持正常工作，电路不受影响。第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90出现严重故障时的情况与第一三相逆变桥70类似，此处不再赘述。

下面以时序图为例对牵引变流器的启动停止控制过程再进行详细的介绍。

图4为本发明实施例提供的交-直-交型直驱永磁牵引变流器控制方法的时序图；

如图4所示，在第一时序中首先TCU自检变为高电平，表示TCU自检完成。第二时序中主断信号变为高电平，表示此时机车控制室给出主断信号为“1”。第三时序中方向手柄信号变为高电平，即机车将方向手柄放下，牵引控制器接收到方向手柄信号。第四时序中牵引变流器判断启动条件是否成立，即主断信号为“1”并且接收到方向手柄信号，条件满足后牵引变流器启动条件成立变为高电平。第五时序中预充电接触器变为高电平，具体地，即第一预充电接触器Km1和第二预充电接触器Km3闭合，此时第一预充电电路10和第二预充电电路20启动，开始执行预充电功能，预充电功能开始后，中间直流母线电压开始上升。第六时序中，主接触器变为高电平，具体地即第一中间直流母线电压和第二中间直流母线电压上升到预设电压时，第一主接触器Km2和第二主接触器Km4闭合，当第一主接触器Km2和第二主接触器Km4闭合到达闭合预设时间时，第一预充电接触器Km1和第二预充电接触器Km3断开，对应第七时序，此时预充电结束。第八时序中四象限整流器启动命令和工作接触器变为高电平，表示此时TCU控制第一四象限整流器30和第二四象限整流器40启动，第一四象限整流器30和第二四象限整流器40将输入的交流电转换为直流电，同时第一工作接触器K1、第二工作接触器K2和第三工作接触器K3闭合，在第八时序中，中间直流母线电压上升到达设定电压并且在启动过程中不再发生变化。第九时序中，级位信号、三相逆变桥启动命令和隔离接触器变为高电平，其中TCU给定级位信号，三相逆变桥启动条件满足，具体地，第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90启动，同时第一隔离接触器K4、第二隔离接触器K5以及第三隔离接触器K6闭合，第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90将输入的直流电转换为交流电输出给电机驱动电机工作。交-直-交型直驱永磁牵引变流器启动成功。

当交-直-交型直驱永磁牵引变流器需要停止时，控制过程同样对应图4，其中第十时序级位信号、三相逆变桥启动命令和隔离接触器变为低电平，具体地，即取消级位信号，TCU取消给定第一三相逆变桥70、第二三相逆变桥80和第三三相逆变桥90的启动指令，给定第一隔离接触器K4、第二隔离接触器K5和第三隔离接触器K6断开命令。第十一时序中，方向手柄信号变为低电平，即机车控制室将方向手柄回中位，即取消方向手柄信号，此时牵引变流器的启动条件不满足，对应第十二时序，同时第一工作接触器K1、第二工作接触器K2和第三工作接触器K3断开，第一四象限整流器30和第二四象限整流器40停止工作，第一主接触器Km2和第二主接触器Km4断开，母线电压缓慢下降，直至为0，此时牵引变流器停止成功。

本实施例通过提供交-直-交型直驱永磁牵引变流器的控制方法，有效实现了交-直-交型直驱永磁牵引变流器的启动和停止控制，并且在启动之前通过自检的环节，有效避免了当电路发生故障时难以排查的问题，通过设置两路预充电电路、两个四象限整流器和三个三相逆变桥，并且各器件之间具有独立性，确保了牵引变流器的正常工作不受故障电路的影响，有效避免了当电路发生故障时，整个牵引变流器直接无法工作的问题，从而提高了系统的可靠性。

图5为本发明提供的交-直-交型直驱永磁牵引变流器的系统结构示意图，如图5所示，本发明实施例的交-直-交型直驱永磁牵引变流器系统50包括：控制器501和上述发明实施例所述的交-直-交型直驱永磁牵引变流器502；其中

控制器501用于执行上述实施例中图2和图3任一所述的方法。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过控制器中的程序指令和相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一控制器中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种交-直-交型直驱永磁牵引变流器，其特征在于，包括：第一预充电电路、第二预充电电路、第一四象限整流器、第二四象限整流器、以及第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥，其中

所述第一四象限整流器的输入端与所述第一预充电电路连接，输出端分别与所述第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥连接；

所述第二四象限整流器的输入端与所述第二预充电电路连接，输出端分别与所述第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥连接；

所述第一三相逆变桥、所述第二三相逆变桥和所述第三三相逆变桥分别用于与各自对应的电机连接。

2.根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述第一预充电电路包括第一电阻、第一预充电接触器和第一主接触器，所述第一电阻的一端与所述第一主接触器的一端连接，所述第一电阻的另一端与所述第一预充电接触器的一端连接，且所述第一主接触器的另一端与所述第一预充电接触器的另一端连接；

所述第二预充电电路包括第二电阻、第二预充电接触器和第二主接触器，所述第二电阻的一端与所述第二主接触器的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述第二预充电接触器的一端连接，且所述第二主接触器的另一端与所述第二预充电接触器的另一端连接。

3.根据权利要求2所述的变流器，其特征在于，所述第一四象限整流器的输出端通过第一母线电容分别与所述第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥连接；

所述第二四象限整流器的输出端通过第二母线电容分别与所述第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥连接。

4.根据权利要求3所述的变流器，其特征在于，还包括：第一工作接触器、第二工作接触器以及第三工作接触器；所述第一工作接触器、所述第二工作接触器、所述第三工作接触器均分别与所述第一母线电容、所述第二母线电容、所述第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥连接。

5.根据权利要求4所述的变流器，其特征在于，还包括：第一隔离接触器、第二隔离接触器以及第三隔离接触器；

所述第一隔离接触器的一端与所述第一三相逆变桥连接，另一端用于与电机连接；

所述第二隔离接触器的一端与所述第二三相逆变桥连接，另一端用于与电机连接；

所述第三隔离接触器的一端与所述第三三相逆变桥连接，另一端用于与电机连接。

6.一种交-直-交型直驱永磁牵引变流器控制方法，其特征在于，应用于如权利要求5所述的交-直-交型直驱永磁牵引变流器，所述方法包括：

在所述交-直-交型直驱永磁牵引变流器启动后，启动所述第一预充电电路、所述第二预充电电路的预充电功能；

在预充电功能完成后，控制所述第一四象限整流器和所述第二四象限整流器启动；

控制所述第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥工作，以启动电机。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述启动所述第一预充电电路、所述第二预充电电路的预充电功能，包括：

控制所述第一预充电接触器和所述第二预充电接触器闭合，在第一中间直流母线电压和第二中间直流母线电压上升至预设电压时，控制所述第一主接触器、所述第二主接触器闭合预设时间，断开所述第一预充电接触器和所述第二预充电接触器；

其中，所述第一中间直流母线电压等于所述第二中间直流母线电压。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在预充电功能完成后，控制所述第一四象限整流器和所述第二四象限整流器同时工作，包括：

在预充电功能完成后，控制所述第一四象限整流器和所述第二四象限整流器启动；

在所述第一四象限整流器和所述第二四象限整流器启动后，控制所述第一中间直流母线电压、第二中间直流母线电压稳定在设定电压。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制所述第一三相逆变桥、第二三相逆变桥和第三三相逆变桥工作，以启动电机，包括：

控制所述第一工作接触器、所述第二工作接触器以及所述第三工作接触器闭合；

控制所述第一三相逆变桥、所述第二三相逆变桥和所述第三三相逆变桥启动；

控制所述第一隔离接触器、所述第二隔离接触器以及所述第三隔离接触器闭合。

10.一种直驱永磁牵引变流系统，其特征在于，所述系统包括控制器和如权利要求5所述的交-直-交型直驱永磁牵引变流器；

所述控制器用于执行权利要求6至9任一项所述的交-直-交型直驱永磁牵引变流器控制方法。

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