CN111756269A - 一种旅客列车直流供电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及旅客列车供电装置，具体为一种旅客列车直流供电装置。解决现有的基于IGBT器件的四象限整流的列车直流供电装置存在的输出电流振荡、所需的滤波电感、电容的自身体积和重量巨大的问题。一种旅客列车直流供电装置，包括变压器、基于IGBT器件的四象限整流器和BUCK斩波器，四象限整流器从变压器的其中一个副边取电，四象限整流器的直流输出端与BUCK斩波器的输入端相连，BUCK斩波器的输出端作为旅客列车直流供电装置的输出。BUCK斩波器内的开关器件S1采用SiC器件。四象限+BUCK斩波器的主电路拓扑，消除了单四象限拓扑结构输出电压的二次脉动，输出电压更加稳定，重载时不会出现输出电流大幅度振荡的情况。

Description

一种旅客列车直流供电装置
技术领域
本发明涉及旅客列车供电装置，具体为一种旅客列车直流供电装置。
背景技术
旅客列车直流供电装置一般安装于列车机车内部，为客车提供直流电源，是客车空调、蓄电池、供氧机、暖气等设备的电源。旅客列车直流供电装置输出的直流电压的品质直接影响供电系统中后级用电设备的可靠、稳定运行，因此提高旅客列车直流供电装置的电压品质对旅客列车供电系统意义重大。
随着开关器件和机车电传动系统的发展，列车直流供电装置由原先的晶闸管整流发展到基于IGBT器件的四象限整流，这一变化提高了列车直流供电装置输出直流电压的品质，但是四象限整流在保证输出直流电压确定的情况下，输入电压范围无法提高，存在重载时输入电压波动导致列车供电系统电流振荡的问题；且四象限整流需要较大的变压器二次侧漏感，变压器绕组自身漏感往往无法满足这种需要，因此需要额外在变压器二次绕组串联电感。
另一方面，目前高原用旅客列车出现机车双电源供电的情况，这种机车在接触网失电后，由备用柴发机组进行供电。双电源机车的备用柴发机组供电时，发电机的输出电压发生变化，后级整流器输出直流电压跟随变化；另外，为了满足牵引电传动系统的工作特性，发电机的输出电压往往需要在不同电压等级变化，这就需要列车直流供电装置能够适应这种电压的变化。
再者，为了输出满足输出标准要求的直流电压，需要在四象限整流输出加LC滤波装置。目前所用的四象限整流的列车直流供电装置所需的滤波电感、电容的参数较大，参数较大尤其导致电抗器自身体积和重量巨大，而列车机车要求的配重较货运机车大大减小，因此大的电抗器为机车的配重提出了严峻的考验。
发明内容
本发明解决现有的基于IGBT器件的四象限整流的列车直流供电装置存在的上述缺陷和问题，提供一种改进的旅客列车直流供电装置。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种旅客列车直流供电装置，包括变压器、基于IGBT器件的四象限整流器和BUCK斩波器，四象限整流器从变压器的其中一个副边取电（变压器列供绕组），四象限整流器的直流输出端与BUCK斩波器的输入端相连，BUCK斩波器的输出端作为旅客列车直流供电装置的输出。四象限整流器将变压器交流电整流到较高的中间直流电压（如700V），BUCK斩波器将直流电压斩波到所需电压（如DC600V）为客车提供直流电源。由于后级的BUCK斩波器能够确保输出直流电压的品质，因此对四象限输出电压波动的要求减小（如四象限输出波动50V时斩波输出依然可以满足使用和标准的要求），因此四象限整流器后的滤波电容参数需求很小，能减小体积和重量。
进一步地，BUCK斩波器内的开关器件S1采用SiC器件，SiC器件的开关频率可以达到10K以上，高开关频率的使用使得BUCK斩波器内的电感和电容参数需求大大减小，能减小体积和重量。
再进一步，变压器的另一个副边绕组为机车辅助变流器供电，当旅客列车直流供电装置位于接触网、备用柴发机组双电源供电的机车上时，备用柴发机组的直流电压经隔离接触器与BUCK斩波器的输入端相连；这样，BUCK斩波器将备用柴发机组的直流电压斩波到所需电压等级的直流电机（如，DC600V）为客车供电；同时，四象限整流器工作于逆变工况，将直流回路电压变换为交流电压输送到与四象限整流器相连的变压器副边绕组，经过变压器的另一个副边绕组向机车辅助变流器供电，减少了柴发机组到辅助变流器的接线及隔离接触器。
本发明技术方案带来的有益效果：
1．四象限+BUCK斩波器的主电路拓扑，消除了单四象限拓扑结构输出电压直接供电时的二次脉动，列车直流供电装置的输出电压更加稳定，重载时不会出现输出电流大幅度振荡的情况。
2． BUCK斩波器的开关器件S1采用SiC器件，开关频率可达10kHz，开关频率的提高使得输出滤波电感和电容的参数大大减小，整个系统的体积、重量得到极大减小，实现了系统的小型化和轻量化。
3．本发明的列车直流供电装置能够满足双电源机车的使用，尤其能够满足柴发机组输出电压变化的情况。
4．柴发机组供电时，列车直流供电装置的四象限整流器工作于逆变模式，并通过变压器向机车辅助变流器提供电能，在系统中省去了三相整流输出到辅助变流器的接线及其隔离接触器，使得整个系统更为简单。
5． 由于四象限整流器输出电压提高，系统设计时可以提高整流器的输入电压，电压的提高在相同功率情况下使得电流减小，对于整流器器件选型具有重要意义，对于400kW容量的列车供电装置，可以实现单管整流（单四象限拓扑需要并联IGBT开关管）。
附图说明
图1为本发明列车直流供电装置的电路拓扑图；
图2为本发明列车直流供电装置用于双电源机车的电路拓扑图。
具体实施方式
结合附图对本发明进一步描述如下：
图1为本发明列车直流供电装置的电路拓扑， 对于电力机车，列供绕组从机车变压器的列供绕组取电，经过四象限整流器整流为700V（本值也可根据设计需要调整）中间直流电压，再由BUCK斩波器将Udc降压到DC600V输出，即Uout。图中整流器采用IGBT实现四象限控制，开关频率1250Hz，为了提高控制的开关频率斩波器开关器件S1采用碳化硅器件，开关频率10kHz。在四象限整流器与BUCK斩波器之间连接有滤波电容C1。
本发明实例的列车直流供电装置的功率为400kW，基于斩波器高开关频率的原因，斩波器的电感L和电容C 2的参数值分别为L=0.1mH，C 2=10mF。本设计参数相较于现有四象限拓扑的列车直流供电装置所需的输出滤波电感（1.2mH）和滤波电容32mF明显减小，对体积和重量起决定性影响的电抗器的参数呈数量级减小，这对系统小型化和轻量化意义重大。
图2为本发明列车直流供电装置用于双电源机车的应用实例，双电源机车具备接触网和备用柴发机组两路电源，正常情况下机车从接触网取电；当没有接触网或者接触网异常无法供电时，机车启动备用柴发机组为整车提供所需的电能。
接触网供电时，牵引变流器、辅助变流器和列车直流供电装置分别从机车变压器T二次侧各自的绕组取电，柴发机组不工作，图中隔离开关断开。列车直流供电装置将变压器二次侧列供绕组输出的交流电经过四象限整流器整流到DC700V，再经过BUCK斩波器输出DC600V稳定电压。柴发机组供电时，三相整流器将发电机发出的直流电压整流为直流电压为整车供电，该直流电压被输送到列车直流供电装置的中间直流回路，由于柴发机组在不同工况、不同档位下输出电压不同，因此三相整流器输送到列车直流供电装置中间直流回路的电压也不同。此时列车直流供电装置的四象限整流器和BUCK斩波器作为两个独立的单元分别实现功能：BUCK斩波器将中间直流电压斩波为DC600V为客车提供电压；四象限整流器工作在逆变工况，将直流电压逆变为50Hz交流电输出到变压器绕组，通过变压器电磁耦合，电能被输出到变压器辅助绕组，为辅助变流器供电。

Claims (7)

1.一种旅客列车直流供电装置，其特征在于，包括变压器、基于IGBT器件的四象限整流器和BUCK斩波器，四象限整流器从变压器的其中一个副边取电，四象限整流器的直流输出端与BUCK斩波器的输入端相连，BUCK斩波器的输出端作为旅客列车直流供电装置的输出。
2.根据权利要求1所述的一种旅客列车直流供电装置，其特征在于，在四象限整流器与BUCK斩波器之间连接有滤波电容C1。
3.根据权利要求1或2所述的一种旅客列车直流供电装置，其特征在于，BUCK斩波器内的开关器件S1采用SiC器件。
4.根据权利要求3所述的一种旅客列车直流供电装置，其特征在于，四象限整流器的输出电压为DC700V，BUCK斩波器的输出为DC600V。
5.根据权利要求4所述的一种旅客列车直流供电装置，其特征在于，四象限整流器的IGBT的开关频率1250Hz，BUCK斩波器的开关器件S1的开关频率10kHz。
6.根据权利要求5所述的一种旅客列车直流供电装置，其特征在于，功率为400kW，BUCK斩波器的电感L和电容C 2的参数值分别为L=0.1mH，C 2=10mF。
7.根据权利要求6所述的一种旅客列车直流供电装置，其特征在于，变压器的另一个副边绕组为机车辅助变流器供电，当旅客列车直流供电装置位于接触网、备用柴发机组双电源供电的机车上时，备用柴发机组的直流电压经隔离接触器与BUCK斩波器的输入端相连。
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