CN112319317B

CN112319317B - 一种空轨车辆高压系统拓扑结构

Info

Publication number: CN112319317B
Application number: CN202011193509.4A
Authority: CN
Inventors: 李鹤群; 王鸿雪; 吕雁文; 于泽人; 任宝兵; 赵立超; 张小玲
Original assignee: CRRC Dalian R&D Co Ltd
Current assignee: CRRC Dalian R&D Co Ltd
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2040-10-30
Also published as: WO2022088340A1; CN112319317A

Abstract

本发明公开了一种空轨车辆高压系统拓扑结构，包括：至少一个配置在有司机室车Mc/无司机室车M侧的第一电路拓扑结构和至少一个配置在拖车T侧的第二电路拓扑结构；第一电路拓扑结构和第二电路拓扑结构是两个相互独立的高压电路，且通过各自的高压直流母线及跨车接口MDC/TDC、交流母线及跨车接口MAC/TAC实现电气连接，从而使得不同车型之间可实现高效连接，根据实际需求调整车辆动拖比及车辆编组数量。

Description

一种空轨车辆高压系统拓扑结构

技术领域

本发明涉及空轨车辆系统技术领域，尤其涉及一种空轨车辆高压系统拓扑结构。

背景技术

空轨系统距今已有一百多年的历史，目前仅有德国、日本和韩国有成网运营的线路。与跨坐式单轨车辆运行于轨道上不同，空轨车辆的转向架位于车体上方的轨道梁内，即空轨车辆的车体是悬挂在轨道梁下的，所以空轨又被称为吊挂式单轨、悬挂式单轨。空轨车辆的车型通常分为Mc车、M车、T车，Mc车为有司机室、牵引电机的动车；M车为无司机室、有牵引电机的动车；T车为无司机室、无牵引电机的拖车。

现有空轨车辆的高压系统拓扑，根据不同供应商的不同技术路线衍生出了很多种，但是主要的系统构成和电气连接与地铁、有轨电车车辆较为相似，基本上由高压电器箱、避雷器、牵引逆变器、辅助逆变器、蓄电池充电机组成，如图5所示，连接方式一般采用将不同车型的电气部件一一相互连接，缺少相互连接的通用接口，不同车型编组连接或拆卸时非常耗时耗力，另外，空轨车辆的客流量受旅游的淡季、旺季影响变化较大，若无法实现灵活编组，不利于运营成本控制。

发明内容

本发明提供一种空轨车辆高压系统拓扑结构，以克服现有的空轨车辆电路拓扑结构缺少相互连接的通用接口，不同车型编组连接或拆卸时非常耗时耗力，导致增加空轨车辆运营成本的技术问题。

本发明一种空轨车辆高压系统拓扑结构，包括：至少一个配置在有司机室车Mc/无司机室车M侧的第一电路拓扑结构和至少一个配置在拖车T侧的第二电路拓扑结构；所述第一电路拓扑结构和所述第二电路拓扑结构是两个相互独立的高压电路，且通过各自的高压直流母线及跨车接口MDC/TDC、交流母线及跨车接口MAC/TAC实现电气连接。

进一步地，n+1个配置在有司机室车Mc/无司机室车M侧的第一电路拓扑结构和n个配置在拖车T侧的第二电路拓扑结构，通过各自的高压直流母线及跨车接口MDC/TDC、交流母线及跨车接口MAC/TAC实现电气连接，n为不小于1的整数。

进一步地，所述第一电路拓扑结构，包括：正线受流器PHP、负线受流器PHN、避雷器ARR、动力单元PU、牵引电机TM、两组M车高压直流母线及跨车接口MDC，以及两组M车交流母线及跨车接口MAC；所述正线受流器PHP用于高压系统取流，分别通过熔断器FU与所述动力单元PU连接以提供直流电源；所述负线受流器PHN用于高压系统回流，分别通过熔断器FU与所述动力单元PU连接；所述正线受流器PHP与所述负线受流器PHN之间连接所述避雷器ARR；所述牵引电机TM连接所述动力单元PU，所述动力单元PU将直流电源转换为交流电源为所述牵引电机TM供电；两组所述M车高压直流母线及跨车接口MDC与所述动力单元PU连接；两组所述M车交流母线及跨车接口MAC独立设置，且通过与所述第二电路拓扑结构的交流母线及跨车接口TAC连接以获得交流电源；所述动力单元PU接有地线。

进一步地，所述动力单元PU，包括：高压电器设备、牵引逆变装置VVVF；所述高压电器设备，包括：隔离开关QS、隔离二极管VD及辅助回路熔断器AFU；所述牵引逆变装置VVVF1和牵引逆变装置VVVF2的输入端的正极连接所述正线受流器PHP，且连接线路上设有所述隔离开关QS1，所述隔离开关QS1连接正线受流器PHP的一端为正极；所述牵引逆变装置VVVF1和牵引逆变装置VVVF2的输入端的负极连接所述负线受流器PHN，且连接线路上设有所述隔离开关QS2；所述隔离开关QS1和隔离开关QS2联动；所述牵引逆变装置VVVF1和牵引逆变装置VVVF2的输出端通过三相电路连接所述牵引电机TM；两组M车高压直流母线及跨车接口MDC的正极连接所述隔离二极管VD的阴极，且连接线路上分别设有辅助回路熔断器AFU；所述隔离二极管VD的阳极连接所述隔离开关QS1负极。

进一步地，所述动力单元PU，还包括：车体电压传感器TV；所述车体电压传感器TV用于检测车体和供电负极之间的电压；所述车体电压传感器TV的一端接地线，另一端与所述M车高压直流母线及跨车接口MDC1的负极连接。

进一步地，所述第二电路拓扑结构，包括：所述辅助电源单元AP，包括：辅助逆变器SIV、蓄电池充电机BC、蓄电池AX及输出接触器KM；所述辅助逆变器SIV用于将输入的直流电源逆变为输出的交流电源；所述蓄电池充电机BC用于为所述蓄电池AX充电；所述辅助逆变器SIV和蓄电池充电机BC的输入端与所述T车高压直流母线及跨车接口TDC连接；所述蓄电池充电机BC的输出端，连接所述蓄电池；所述辅助逆变器SIV的输出端通过三相电路连接所述T车交流母线及跨车接口TAC，所述三相电路上设有所述输出接触器KM，所述输出接触器KM为开关装置。

进一步地，所述动力单元PU设置于动力单元箱内，所述辅助电源单元AP设置于辅助电源箱内；所述动力单元箱和辅助电源箱上设有多个电气接口P/N。

本发明通过至少一个配置在有司机室车Mc/无司机室车M侧的第一电路拓扑结构和至少一个配置在拖车T侧的第二电路拓扑结构，通过各自的高压直流母线及跨车接口MDC/TDC、交流母线及跨车接口MAC/TAC实现电气连接，从而使得不同车型之间可实现高效连接，根据实际需求调整车辆动拖比及车辆编组数量。

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以简单地介绍，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为本发明第一电路拓扑结构和第二电路拓扑结构连接的示意图；

图2为本发明第一电路拓扑结构示意图；

图3为本发明第二电路拓扑结构示意图；

图4为本发明不同车型编组方式的运行速度与运行时间曲线图；

图5为现有技术中的不同车型的电路连接实际图；

图6为本发明与现有技术中的电路拓扑结构布置空间对比图。

附图标号说明：

1、动力单元箱；2、高压电器箱；3、牵引逆变器；4、车顶；5、维护空间。

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。

本实施例提供了一种空轨车辆高压系统拓扑结构，包括：至少一个配置在有司机室车Mc/无司机室车M侧的第一电路拓扑结构和至少一个配置在拖车T侧的第二电路拓扑结构；第一电路拓扑结构和所述第二电路拓扑结构是两个相互独立的高压电路，且通过各自的高压直流母线及跨车接口MDC/TDC、交流母线及跨车接口MAC/TAC实现电气连接。

具体而言，如图1所示，空轨车辆可分为不同的车型，Mc车为有司机室、牵引电机的动车；M车为无司机室、有牵引电机的动车；T车为无司机室、无牵引电机的拖车。不同的车型设有不同的高压电路拓扑结构，其中，Mc车、M车的高压电路拓扑结构为第一电路拓扑结构，T车的高压电路拓扑结构为第二电路拓扑结构，只要将当前车辆的*P1、*N1、*U1、*V1、*W1分别与前车的*P2、*N2、*U2、*V2、*W2连接，将当前车辆的*P2、*N2、*U2、*V2、*W2分别与后车的*P1、*N1、*U1、*V1、*W1连接，便可实现不同车型之间的电气连接。若当前车为“终端”车辆，则无需进行终端一侧的跨车连接器连接。

有人驾驶的情况下，且车辆动力性能满足需求，空轨车辆以“Mc+T”为基本编组单元，其中，Mc车提供动力，T车提供交流母线及跨车接口连接所需的电能。若有双向行驶的要求可改为“Mc1+T+Mc2”，可在两台Mc车之间增加任意数量的M车或T车。在电机性能、车重不变的前提下，动车占比越高，车辆动力性能越好，平均加速度、减速度越大，坡道启动能力越强。

全自动无人驾驶的情况下(列车的入库、唤醒、出库及按交路运行均不需要人为干预)，则车辆不需要设置司机室，可将原Mc车司机室间壁取消，将原司机室的的空间改为客室，这样，车型Mc、M、T就统一精简为了M、T两种。这种车型的精简，对高压系统拓扑无影响，不过编组方式的拓展更加灵活。

基于上述设计需要，在本实施例中，n+1个配置在有司机室车Mc/无司机室车M侧的第一电路拓扑结构和n个配置在拖车T侧的第二电路拓扑结构，通过各自的高压直流母线及跨车接口MDC/TDC、交流母线及跨车接口MAC/TAC实现电气连接，n为不小于1的整数。

具体而言，几种典型的编组方式为“(n+1)”M+“n”T，其中n＝1、2、3…，例如：2M1T(“Mc+T+Mc”)、3M2T(“Mc+T+M+T+Mc”)、4M3T(“Mc+T+M+T+M+T+Mc”),对于这样的编组方式，T车的辅助电源系统从左右相连的两个Mc/M车受流器取流，受流器的工作负荷比较平均，Mc/M车在整个编组中的占比不会太多也不会太少，既不会造成动力性能的浪费，也不会存在车辆动力性能偏低的情况。Mc/M车在整个编组中的占比影响着列车的动力性能，为了排除干扰项，将Mc、M、T车的重量设为相同值，如图4所示，对比3M1T、2M1T、3M2T、2M3T、2M4T这5种编组列车的0-60km/h加速时间，可知Mc/M车在整个编组中的占比越大，加速时间越短，反之越长。

本实施例中，如图2所示，第一电路拓扑结构，包括：正线受流器PHP、负线受流器PHN、避雷器ARR、动力单元PU、牵引电机TM、两组M车高压直流母线及跨车接口MDC，以及两组M车交流母线及跨车接口MAC；正线受流器PHP用于高压系统取流，分别通过熔断器FU与动力单元PU连接以提供直流电源；负线受流器PHN用于高压系统回流，分别通过熔断器FU与动力单元PU连接；正线受流器PHP与负线受流器PHN之间连接避雷器ARR；牵引电机TM连接动力单元PU，动力单元PU将直流电源转换为交流电源为牵引电机TM供电；两组M车高压直流母线及跨车接口MDC与动力单元PU连接；两组M车交流母线及跨车接口MAC独立设置，且通过与第二电路拓扑结构的交流母线及跨车接口TAC连接以获得交流电源；动力单元PU接有地线。

动力单元PU，包括：高压电器设备、牵引逆变装置VVVF；所述高压电器设备，包括：隔离开关QS、隔离二极管VD及辅助回路熔断器AFU；牵引逆变装置VVVF1和牵引逆变装置VVVF2的输入端的正极连接正线受流器PHP，且连接线路上设有隔离开关QS1，隔离开关QS1连接正线受流器PHP的一端为正极；牵引逆变装置VVVF1和牵引逆变装置VVVF2的输入端的负极连接负线受流器PHN，且连接线路上设有隔离开关QS2；隔离开关QS1和隔离开关QS2联动；牵引逆变装置VVVF1和牵引逆变装置VVVF2的输出端通过三相电路连接牵引电机TM；两组M车高压直流母线及跨车接口MDC的正极连接隔离二极管VD的阴极，且连接线路上分别设有辅助回路熔断器AFU；隔离二极管VD的阳极连接隔离开关QS1负极。

动力单元PU，还包括：车体电压传感器TV；车体电压传感器TV用于检测车体和供电负极之间的电压；车体电压传感器TV的一端接地线，另一端与M车高压直流母线及跨车接口MDC1的负极连接。

具体而言，如图2所示，第一电路拓扑结构主要由以下部件组成：

(1)正线受流器PHP1、PHP2：用于高压系统取流，每个受流器回路配备保护熔断器，分别为FU1、FU2，高压DC750V+或DC1500V+从动力单元P1、P2电气接口输入；

(2)负线受流器PHN1、PHN2：用于高压系统回流，每个受流器回路配备保护熔断器FU3、FU4，动力单元通过其N1、N2电气接口向受流器回流；

(3)避雷器ARR：用于防止线路过电压或者操作过电压导致车辆高压设备出现绝缘故障，分别通过动力单元P5、N5电气接口，连接至动力单元内的DC750V+或DC1500V+、DC750V-或DC1500V-线路；

(4)动力单元PU：主要由高压电器设备和牵引逆变装置相关部件组成：

1)两位置双极隔离开关QS：本实施例中，使用双极隔离开关来整合QS1、QS2的功能。两位置双极隔离开关QS分为工作位和隔离位，开关位于工作位时，系统正常向牵引逆变装置、辅助电源装置供电，开关位于隔离位时，开关可将牵引逆变装置、辅助电源箱供电输入的正线和负线同时断开，保证电气隔离，同时将车体与供电负极相连，保证车体与负极(大地)等电位。

2)隔离二极管VD：防止一侧动力单元的高压电源接入到另一侧动力单元的牵引回路中；

3)辅助回路熔断器AFU1、AFU2：实现辅助电源系统的过载与接地保护，防止辅助电源系统及辅助母线出现接地故障而烧损线缆；

4)牵引逆变装置VVVF1、VVVF2：用于将DC750V或DC1500V电源逆变为三相电压，驱动牵引电机前进，由预充电电路、直流电抗器、逆变模块、斩波模块、过压抑制电阻等组成，牵引逆变装置采用架控控制方式，系统冗余特性较好；

5)车体电压传感器TV：用于检测车体(通过动力单元的N6电气接口)和供电负极之间的电压，与传统的城市轨道交通车辆不同，空轨车辆不是采用钢轮钢轨回流，而是采用负极受流器，车体处于浮电状态，若此时发生车体带电(如DC750V或DC1500V正线与车体出现搭接)，车辆到达站台时，人员上下车易出现跨步电压，存在电气和安全隐患；

采用电压传感器检测车体是否带电，可通过两位置双极隔离开关QS的接通和隔离以及受流器的升靴、降靴操作判断故障点；

若将某个Mc/M车的受流靴均进行降靴操作，接地故障消除，那么可以将故障定位到该车。在此基础之上，可进一步对故障进行定位：将该车全部受流靴升起，断开该车的双极隔离开关QS，接地故障消除，那么可以将故障定位到该车双极隔离开关QS的后端电路，否则故障点处于受流器至双极隔离开关QS的这段电路。库用检修时可通过两位置双极隔离开关QS将车体可靠接地，并断开牵引逆变装置、辅助电源系统的供电输入。

(4)牵引电机TM1、TM2、TM3、TM4：用于驱动车辆前进或后退，牵引电机M1、M2均通过动力单元的VU1、VV1、VW1连接至牵引逆变装置VVVF1，牵引电机M3、M4均通过动力单元的VU2、VV2、VW2连接至牵引逆变装置VVVF2；

(5)高压直流母线及跨车接口MDC1包括：MP1、MN1；MDC2包括：MP2、MN2；

(6)交流母线及跨车接口MAC1包括：MU1、MV1、MW1；MAC2包括：MU2、MV2、MW2。

本实施例中，第二电路拓扑结构，包括：辅助电源单元AP，包括：辅助逆变器SIV、蓄电池充电机BC、蓄电池及输出接触器KM；所述辅助逆变器SIV用于将输入的直流电源逆变为输出的交流电源；蓄电池充电机BC用于为蓄电池充电；辅助逆变器SIV和蓄电池充电机BC的输入端与T车高压直流母线及跨车接口TDC连接；蓄电池充电机BC，连接蓄电池的输入端，蓄电池的输出端连接T车交流母线及跨车接口TAC；辅助逆变器SIV的输出端通过三相电路连接T车交流母线及跨车接口TAC，三相电路上设有输出接触器KM，输出接触器KM为开关装置。

具体而言，如图3所示，第二电路拓扑结构主要由以下部件组成：

(1)辅助电源箱由2套辅助逆变器、2套蓄电池充电机、2套蓄电池组及蓄电池组组成。辅助电源箱通过电气接口P7、P8获得输入电源，通过电气接口N7、N8回流。

1)辅助逆变器SIV1、SIV2：将输入的DC750V或DC1500V电源逆变为AC380V交流电源，通过AU1、AV1、AW1电气接口向AC380V交流母线供电，为车载交流负载提供能量来源；

2)蓄电池充电机BC1、BC2：将输入的DC750V或DC1500V电源降压为DC24V或DC110V电源，为车载直流负载提供能量来源，并为蓄电池组充电；

3)输出接触器KM1、KM2：本案所公开的高压系统采用辅助并联输出，即任意一台辅助逆变器启动后，闭合对应的输出接触器，另一台辅助逆变器追踪交流母线的相位启动，并闭合对应的输出接触器；

4)蓄电池：与蓄电池充电机输出端连接。

(2)高压直流母线及跨车接口TDC1包括：TP1、TN1；TDC2包括：TP2、TN2；

(3)交流母线及跨车接口TAC1包括：TU1、TV1、TW1；TAC2包括：TU2、TV2、TW2。

本实施例中，动力单元PU设置于动力单元箱内，辅助电源单元AP设置于辅助电源箱内；动力单元箱和辅助电源箱上设有多个电气接口P/N，在电路拓扑结构高度集成的基础上，将第一电路拓扑结构的动力单元PU和第二电路拓扑结构的辅助电源单元用箱体封装，可进一步利于车顶设备布置，节省空间，减少设备间的电气连接。为了更直观的理解，如图6所示，现有技术中，车顶4上布设的电路拓扑结构中的高压电器箱2和牵引逆变器3是相互独立设置的，二者之间通过电气连接，高压电器箱2和牵引逆变器3的两端都需要一定的维护空间5；本实施例中采用了动力单元箱1将动力器件封装，从而节省了维护空间。

基于上述设计实例，则可知本案对应的整体有益效果：

1、不同车型之间可实现高效连接，根据实际需求调整车辆动拖比及车辆编组数量，从而减少运营成本。

2、电路拓扑结构高度集成，利于车顶设备布置，节省空间，减少设备间的电气连接。

3、辅助逆变器采用输出并联方式，并利用对应的输出接触器KM决定该辅助逆变器是否投入交流母线，系统冗余可靠性更高；

4、采用电压传感器进行车体是否带电检测，并可通过两位置双极隔离开关QS的接通和隔离以及受流器的升靴、降靴操作判断故障点。

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

1.一种空轨车辆高压系统拓扑结构，其特征在于，包括：至少一个配置在有司机室车Mc/无司机室车M侧的第一电路拓扑结构和至少一个配置在拖车T侧的第二电路拓扑结构；所述第一电路拓扑结构和所述第二电路拓扑结构是两个相互独立的高压电路，且通过各自的高压直流母线及跨车接口MDC/TDC、交流母线及跨车接口MAC/TAC实现电气连接；

所述第一电路拓扑结构，包括：

正线受流器PHP、负线受流器PHN、避雷器ARR、动力单元PU、牵引电机TM、两组M车高压直流母线及跨车接口MDC，以及两组M车交流母线及跨车接口MAC；

所述正线受流器PHP用于高压系统取流，分别通过熔断器FU与所述动力单元PU连接以提供直流电源；所述负线受流器PHN用于高压系统回流，分别通过熔断器FU与所述动力单元PU连接；所述正线受流器PHP与所述负线受流器PHN之间连接所述避雷器ARR；所述牵引电机TM连接所述动力单元PU，所述动力单元PU将直流电源转换为交流电源为所述牵引电机TM供电；两组所述M车高压直流母线及跨车接口MDC与所述动力单元PU连接；两组所述M车交流母线及跨车接口MAC独立设置，且通过与所述第二电路拓扑结构的交流母线及跨车接口TAC连接以获得交流电源；所述动力单元PU接有地线；

所述第二电路拓扑结构，包括：

辅助电源单元AP、T车高压直流母线及跨车接口TDC、T车交流母线及跨车接口TAC；

所述辅助电源单元AP，包括：辅助逆变器SIV、蓄电池充电机BC、蓄电池AX及输出接触器KM；

所述辅助逆变器SIV用于将输入的直流电源逆变为输出的交流电源；所述蓄电池充电机BC用于为所述蓄电池AX充电；所述辅助逆变器SIV和蓄电池充电机BC的输入端与所述T车高压直流母线及跨车接口TDC连接；所述蓄电池充电机BC的输出端与蓄电池AX连接；所述辅助逆变器SIV的输出端通过三相电路连接所述T车交流母线及跨车接口TAC，所述三相电路上设有所述输出接触器KM，所述输出接触器KM为开关装置。

2.根据权利要求1所述的一种空轨车辆高压系统拓扑结构，其特征在于，n+1个配置在有司机室车Mc/无司机室车M侧的第一电路拓扑结构和n个配置在拖车T侧的第二电路拓扑结构，通过各自的高压直流母线及跨车接口MDC/TDC、交流母线及跨车接口MAC/TAC实现电气连接，n为不小于1的整数。

3.根据权利要求1所述的一种空轨车辆高压系统拓扑结构，其特征在于，所述动力单元PU，包括：高压电器设备、牵引逆变装置VVVF；所述高压电器设备，包括：隔离开关QS、隔离二极管VD及辅助回路熔断器AFU；

所述牵引逆变装置VVVF1和牵引逆变装置VVVF2的输入端的正极连接所述正线受流器PHP，且连接线路上设有所述隔离开关QS1，所述隔离开关QS1连接正线受流器PHP的一端为正极；所述牵引逆变装置VVVF1和牵引逆变装置VVVF2的输入端的负极连接所述负线受流器PHN，且连接线路上设有所述隔离开关QS2；所述隔离开关QS1和隔离开关QS2联动；所述牵引逆变装置VVVF1和牵引逆变装置VVVF2的输出端通过三相电路连接所述牵引电机TM；两组M车高压直流母线及跨车接口MDC的正极连接所述隔离二极管VD的阴极，且连接线路上分别设有辅助回路熔断器AFU；所述隔离二极管VD的阳极连接所述隔离开关QS1负极。

4.根据权利要求3所述的一种空轨车辆高压系统拓扑结构，其特征在于，所述动力单元PU，还包括：车体电压传感器TV；

所述车体电压传感器TV用于检测车体和供电负极之间的电压；所述车体电压传感器TV的一端接地线，另一端与所述M车高压直流母线及跨车接口MDC1的负极连接。

5.根据权利要求1至4任一所述的一种空轨车辆高压系统拓扑结构，其特征在于，所述动力单元PU设置于动力单元箱内，所述辅助电源单元AP设置于辅助电源箱内；所述动力单元箱和辅助电源箱上设有多个电气接口P/N。