CN111917357B - 牵引变压器与机车供电电路 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种牵引变压器与机车供电电路，牵引变压器包括磁芯；地面供电绕组，围绕所述磁芯，用于连接地面供电网络；牵引绕组，围绕所述地面供电绕组，用于连接机车牵引系统；高压绕组，围绕所述牵引绕组，用于连接电网。本公开的牵引变压器将地面供电绕组集成在牵引变压器中以实现机车在临时供电条件下动车，无需对机车辅助电路进行改造或重新布置设备，无需增加额外的变压器，简化了临时动车电路结构，节约了制造成本。

Description

牵引变压器与机车供电电路

技术领域

本公开涉及电力机车驱动技术领域，具体而言，涉及一种能够应用在临时供电条件下的牵引变压器和应用该牵引变压器的机车供电电路。

背景技术

电力机车在制造工厂和检修运用基地一般由接触网供电，但在某些工况下，如机车要到指定台位进行试验/检修，为保证工作安全，在机车试验/检修工作区高压接触网应该断电，或者该区位没有接触网，此时由于接触网不能给机车供电，就需要通过其它方式进行动车。

相关技术在电力机车车下设置了库内动车电源插座，在接触网不能供电的区位，通过供电电缆和配套插头，将机车试验/检修台附近的电源(根据机车原理及动车需要，可配置直流供电或三相交流供电的机组)引入机车动车插座，通过相应的电路结构和控制方式驱动牵引电机即可实现动车。虽然采用此种方式动车需要引入较长的供电电缆，但是操作简单运行可靠，因此是电力机车最常用的库内动车方式。

采用交流地面电源供电时，机车本身需要配置相应的电路结构，目前常用的电路结构有：(1)采用库内动车专用的升压变压器和整流电路，从地面380V电源供电，整流电路输出直流电压给牵引逆变器供电实现动车，此种电路需要配备专用于库内动车的设备，成本较高；(2)复用辅助输出电路，地面电源通过辅助变压器升压，和辅助变流器整流输出直流电压给牵引逆变器供电实现动车，此种电路只能用于特定辅助电路结构，且需要多路接触器切换电路，上述几种库内动车方式各有自身的特点和不足。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种牵引变压器与机车供电电路，用于至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的动车电路结构复杂且适应性弱的问题。

根据本公开的一个方面，提供一种牵引变压器，包括：

磁芯；

地面供电绕组，围绕所述磁芯，用于连接地面供电网络；

牵引绕组，围绕所述地面供电绕组，用于连接机车牵引系统；

高压绕组，围绕所述牵引绕组，用于连接电网。

在本公开的一种示例性实施例中，还包括：

高压电网连接开关，耦接于所述高压绕组，用于连接所述高压绕组和所述电网，或者切断所述高压绕组和所述电网的连接。

在本公开的一种示例性实施例中，所述高压电网连接开关为电开关。

在本公开的一种示例性实施例中，还包括：

地面供电连接开关，耦接于所述地面供电绕组，用于连接所述地面供电绕组和所述地面供电网络，或者切断所述地面供电绕组和所述地面供电网络的连接。

在本公开的一种示例性实施例中，所述地面供电连接开关为电开关或机械开关。

根据本公开的一个方面，提供一种机车供电电路，包括：

如上述任意一项所述的牵引变压器；

四象限电路，电连接于所述牵引绕组；

中间直流电路，电连接于所述四象限电路；

牵引逆变器电路，电连接于所述中间直流电路；

牵引电机，电连接于所述牵引逆变器电路。

在本公开的一种示例性实施例中，还包括：

预充电电路，连接在所述牵引绕组和所述四象限电路之间。

在本公开的一种示例性实施例中，所述四象限电路工作在可控整流状态。

在本公开的一种示例性实施例中，在所述牵引变压器包括地面供电连接开关且所述地面供电连接开关为电开关时，还包括：

控制器，耦接于所述地面供电连接开关，用于检测所述牵引变压器的高压绕组的电压，并在所述高压绕组的电压低于预设值时控制所述地面供电连接开关导通。

在本公开的一种示例性实施例中，在所述牵引变压器包括高压电网连接开关且所述高压电网连接开关为电开关时，所述控制器还设置为：

在所述高压绕组的电压低于预设值时控制所述高压电网连接开关断开。

本公开实施例通过将地面供电绕组封装在牵引变压器中，使地面供电绕组和牵引绕组构成升压变压器，通过地面供电绕组与牵引绕组之间电磁耦合和机车本身的牵引电路把电能送给牵引电机以实现机车在临时供电条件下动车。本公开的机车供电电路无需对机车辅助电路进行改造或重新布置设备，无需额外增加用于地面供电的变压器，节约了制造成本，同时能够通过牵引变压器的漏感，实现四象限电路可控整流，进而增加升压能力，将电压抬升至超过交流电电压或所需电压，具有更广阔的应用场景。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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是本公开示例性实施例中牵引变压器100的结构示意图。

图2是牵引变压器100的连接示意图。

图3是牵引变压器100的另一种连接示意图。

图4是本公开实施例中一种机车供电电路的电路连接示意图。

图5是本公开实施例中机车供电电路的另一种电路连接示意图。

图6是本公开实施例中机车供电电路的再一种电路连接示意图。

图7是图6所示的机车供电电路中控制器的控制流程图。

图8是图5所示的机车供电电路接入地面供电网络时的电路连接示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

下面结合附图对本公开示例实施方式进行详细说明。

图1是本公开示例性实施例中牵引变压器的结构示意图。

参考图1，牵引变压器100可以包括：

磁芯1；

地面供电绕组2，围绕磁芯1，电连接于地表供电插头；

牵引绕组3，围绕地面供电绕组2，电连接于机车牵引系统；

高压绕组4，围绕牵引绕组3，电连接于电网供电插头。

在本公开的实施例中，磁芯1是铁芯柱，地面供电绕组2、牵引绕组3、高压绕组4分别为最里一层、中间一层和最外一层环绕在磁芯1上。地面供电绕组2电连接于地面电网，高压绕组4电连接于高压接触电网。当高压接触电网无法供电时，高压绕组4没有电源输入，地面供电绕组2通过电磁耦合使牵引绕组3输出电压。可以根据牵引绕组3匝数和地面电源电压选取地面供电绕组2的匝数使地面电源供电和牵引绕组3构成升压变压器输出需要电压。

图2是牵引变压器100的连接示意图。

参考图2，在运行时，牵引变压器100的地面供电绕组2连接地面供电网络002，高压绕组4连接高压电网003，牵引绕组3连接机车牵引系统004。当通过高压电网003向机车牵引系统供电时，高压绕组4通过电磁耦合使牵引绕组3输出电压供电给机车牵引系统004；当通过地面供电网络002向机车牵引系统供电时，地面供电绕组2通过电磁耦合使牵引绕组3输出电压供电给机车牵引系统004。

在高压接触电网不能供电时，工作人员可以把地表供电插头插上牵引变压器，以使地面供电绕组2电连接地面供电网络。该地表供电插头例如可以为活动插头或固定插头。

本公开的牵引变压器通过将地面供电绕组集成封装在牵引变压器中，使地面供电绕组和牵引绕组构成升压变压器，通过地面供电绕组与牵引绕组之间电磁耦合和机车本身的牵引电路把电能送给牵引电机，可以在高压接触电网不能供电时无需通过外接变压器即可实现机车通过地面电网动车，简化电路，降低成本。

图3是牵引变压器100的另一种连接示意图。

参考图3，在一个实施例中，为了提高牵引变压器的安全性，牵引变压器100还可以包括高压电网连接开关41和地面供电连接开关21。高压电网连接开关41耦接于高压绕组4，用于连接高压绕组4和高压电网003，或者切断高压绕组4和高压电网003的连接。地面供电连接开关21耦接于地面供电绕组2，用于连接地面供电绕组2和地面供电网络002，或者切断地面供电绕组2和地面供电网络002的连接。

在本公开实施例中，高压电网连接开关41例如为电开关，地面供电连接开关21例如为电开关或机械开关。

在本公开的实施例中，当高压电网003正常供电时，高压电网连接开关41闭合，地面供电连接开关21断开，高压绕组4通过电磁耦合使牵引绕组3输出电压供电给机车牵引系统004。

当高压电网003无法正常供电时，高压电网连接开关41断开，地面供电连接开关21闭合，地面供电绕组2通过电磁耦合使牵引绕组3输出电压供电给机车牵引系统004。

高压电网连接开关41和地面供电连接开关21的设置目的在于保护牵引变压器100在接通高压电网003时无法接受地面供电网络002的供电，或在接通地面供电网络002时无法接受高压电网003的供电。

图4是本公开实施例中一种机车供电电路的电路连接示意图。

参考图4，机车供电电路200可以包括顺次连接的牵引变压器100、四象限电路6、中间直流电路7、牵引逆变器电路8和牵引电机9。其中，四象限电路6电连接于牵引绕组4与中间直流电路7之间，牵引逆变器电路8电连接于中间直流电路7与牵引电机9之间。在本公开实施例中，四象限电路6既可以工作在可控整流状态，实现电压的进一步提升，也可以工作在不控整流状态。

不同于外接变压器和二极管整流电路供电方式只能实现不控整流，无法对地面供电网络的交流电的电压进行改变以输出给机车牵引系统，在本公开实施例中，地面供电网络变压电路的漏感等于牵引变压器的地面供电绕组2和牵引绕组3的等效漏感，因此四象限电路6能够实现可控整流，将牵引绕组的输入电压抬升至超过地面供电网络的交流电电压或所需的电压。

图5是本公开实施例中机车供电电路的另一种电路连接示意图。

参考图5，在一个实施例中，牵引变压器100与四象限电路6之间还可以电连接预充电电路5，以进一步提高电路的可靠性。

图6是本公开实施例中机车供电电路的再一种电路连接示意图。

参考图5，当牵引变压器100包括地面供电连接开关21和高压电网连接开关41，且地面供电连接开关21与高压电网连接开关41均为电开关时，机车供电电路400中还可以包括控制器10。控制器10耦接于地面供电连接开关21和高压电网连接开关41，用于根据电路电压状态控制地面供电连接开关21和高压电网连接开关41的导通和断开，以实现对电路可靠性的保护。

图7是图6所示的机车供电电路中控制器的控制流程图。

参考图7，机车供电电路400中控制器的控制流程可以包括：

步骤S1，检测牵引变压器的高压绕组的电压是否低于预设值，当检测结果为否时，进入步骤S2；当检测结果为是时，进入步骤S3；

步骤S2，控制高压电网连接开关导通、地面供电连接开关断开，以通过高压电网向机车牵引系统供电；

步骤S3，控制地面供电连接开关导通、高压电网连接开关断开，以通过地面供电网络向机车牵引系统供电。

上述预设值一般参考电力机车受电弓降落状态下接触网电压在机车上感应的残压，或可以由本领域技术人员根据实际情况自行设置。高压绕组的电压低于预设值时说明高压接触电网不能供电，此时可以通过控制器断开高压电网连接开关或使高压电网连接开关保持断开，同时接通地面供电连接开关，使牵引变压器接入地面供电网络。通过使用控制器控制地面供电网络和高压电网的接入，可以较好地保护牵引变压器和机车供电电路的运行安全。

图8是图5所示的机车供电电路接入地面供电网络时的电路连接示意图。

参考图8，预充电电路5耦接于牵引绕组3与四象限电路6之间。预充电电路5可以包括预充电接触器K1、预充电电阻R1、工作接触器K2。预充电接触器K1与预充电电阻R1串联后与工作接触器K2并联。预充电接触器K1和工作接触器K2可以电连接至控制器，受控制器控制实现断开与闭合。

当预充电接触器K1闭合、工作接触器K2断开时，牵引绕组3输出的感应电压通过预充电电阻R1进入四象限电路6。预充电过程结束后，工作接触器K2闭合、预充电接触器K1断开，地面供电网络通过地面供电绕组2、牵引绕组3、工作接触器K2对四象限电路6供电。电流传感器LM1串联在供电回路中监测供电回路电流，当电流异常时断开工作接触器K2进行电路保护。

四象限电路6可以包括第一开关元件Q1、第二开关元件Q2、第三开关元件Q3和第四开关元件Q4。Q1～Q4均可以为带并联二极管的IGBT器件。当四象限电路6工作在不控整流状态时，第一开关元件Q1、第二开关元件Q2、第三开关元件Q3和第四开关元件Q4的控制端均可以不施加驱动脉冲，降低电路损耗；当四象限电路6工作在可控整流状态时，各开关元件的控制端可以受驱动脉冲控制，实现可控整流以抬升输出电压。

中间直流电路7电连接于四象限电路6与牵引逆变器电路8之间，牵引绕组3通过四象限电路6输出电能维持中间直流电路7电压。中间直流电路7可以包括第一电容C1、第一电抗器L1和第二电容C2。第一电抗器L1和第二电容C2串联后与第一电容C1并联。第一电容Cl并联在四象限电路6的输出端，对四象限电路6的输出电压具有稳压和滤波作用，能够稳定四象限电路6输出的直流电压。当四象限电路6工作在可控整流状态时，第一电抗器L1和第二电容C2可以构成串联谐振电路滤除直流电压纹波。

牵引逆变器电路8电连接于中间直流电路7与牵引电机9之间。牵引逆变器电路8可以包括第五开关元件Q5、第六开关元件Q6、第七开关元件Q7、第八开关元件Q8、第九开关元件Q9和第十开关元件Q10。Q5～Q10均可以为带并联二极管的IGBT器件，控制端耦接于控制器，用于受控制器控制实现导通和关断。牵引逆变器电路8用于将中间直流电路7输出的直流电压逆变为电压和频率可调节的三相交流电，用于驱动并联在牵引逆变器电路8输出端的牵引电机9，实现机车动车。当四象限电路6工作在不控整流状态时，控制器仅需控制牵引逆变器电路8，输出一定频率的正弦电压给牵引电机9即可实现动车，控制过程简单。

综上所述，由于无需添加额外变压器和整流器，使用本公开实施例提供的牵引变压器的机车供电电路无需在机车上重新布置设备或改装机车上的电路，极大地简化了线路铺设，能够适用于目前所有交流电力机车，具有广泛的应用前景。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和构思由权利要求指出。

Claims (10)

1.一种牵引变压器，其特征在于，包括：

磁芯；

地面供电绕组，围绕所述磁芯，用于连接地面供电网络；

牵引绕组，围绕所述地面供电绕组，用于连接机车牵引系统；

高压绕组，围绕所述牵引绕组，用于连接电网；

其中，所述地面供电绕组和所述牵引绕组构成升压变压器，以将所述地面供电网络的电能通过所述牵引绕组输送给所述机车牵引系统以实现机车在临时供电条件下动车。

2.如权利要求1所述的牵引变压器，其特征在于，还包括：

高压电网连接开关，耦接于所述高压绕组，用于连接所述高压绕组和所述电网，或者切断所述高压绕组和所述电网的连接。

3.如权利要求2所述的牵引变压器，其特征在于，所述高压电网连接开关为电开关。

4.如权利要求1～3任一项所述的牵引变压器，其特征在于，还包括：

地面供电连接开关，耦接于所述地面供电绕组，用于连接所述地面供电绕组和所述地面供电网络，或者切断所述地面供电绕组和所述地面供电网络的连接。

5.如权利要求4所述的牵引变压器，其特征在于，所述地面供电连接开关为电开关或机械开关。

6.一种机车供电电路，其特征在于，包括：

如权利要求1～5任一项所述的牵引变压器；

四象限电路，电连接于所述牵引绕组；

中间直流电路，电连接于所述四象限电路；

牵引逆变器电路，电连接于所述中间直流电路；

牵引电机，电连接于所述牵引逆变器电路。

7.如权利要求6所述的机车供电电路，其特征在于，还包括：

预充电电路，连接在所述牵引绕组和所述四象限电路之间。

8.如权利要求6所述的机车供电电路，其特征在于，所述四象限电路工作在可控整流状态。

9.如权利要求6～8任一项所述的机车供电电路，其特征在于，在所述牵引变压器包括地面供电连接开关且所述地面供电连接开关为电开关时，还包括：

控制器，耦接于所述地面供电连接开关，用于检测所述牵引变压器的高压绕组的电压，并在所述高压绕组的电压低于预设值时控制所述地面供电连接开关导通。

10.如权利要求9所述的机车供电电路，其特征在于，在所述牵引变压器包括高压电网连接开关且所述高压电网连接开关为电开关时，所述控制器还设置为：

在所述高压绕组的电压低于预设值时控制所述高压电网连接开关断开。

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