CN112721747A - 一种多制式供电的动车牵引变流系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多制式供电的动车牵引变流系统及控制方法，系统包括：控制器、前端输入电路和后端功率电路；其中，前端输入电路包括：交流电输入模块、直流电输入模块和内燃机发电机输入模块；其中：前端输入电路与后端功率电路相连；控制器分别为前端输入电路和后端功率电路提供控制信号，并基于控制信号控制交流模式、直流模式和内燃模式三种供电制式输入，以及控制后端功率电路的输出。本发明包含单相交流供电、内燃发电机供电和直流供电三种供电制式，且各供电制式之间可以自由组合，满足了不同的需求。

Description

一种多制式供电的动车牵引变流系统及控制方法

技术领域

本发明涉及牵引变流技术领域，尤其涉及一种多制式供电的动车牵引变流系统及控制方法。

背景技术

目前，随着动车市场的不断开拓，对适应多种供电制式的动车牵引变流器提出了新要求。一方面要求设备结构的小型轻量化，同时也要求变流器具有更高的安全性和可靠性。目前多流制变流器主要分为两种：一种是包含交流输入和直流输入两种供电制式的变流器，其中还包括交流输入和直流输入的不同电压等级和频率；另一种则是包含交流输入和发电机输入两种供电制式的变流器。

因此，如何有效的开发一种适应多制式供电下工作的牵引系统，以满足不同的需求，是一项亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多制式供电的动车牵引变流系统，包含单相交流供电、内燃发电机供电和直流供电三种供电制式，且各供电制式之间可以自由组合，满足了不同的需求。

本发明提供了一种多制式供电的动车牵引变流系统，包括：控制器、前端输入电路和后端功率电路；其中，所述前端输入电路包括：交流电输入模块、直流电输入模块和内燃机发电机输入模块；其中：

所述前端输入电路与所述后端功率电路相连；

所述控制器分别为所述前端输入电路和所述后端功率电路提供控制信号，并基于所述控制信号控制交流模式、直流模式和内燃模式三种供电制式输入，以及控制所述后端功率电路的输出。

优选地，所述交流电输入模块包括：牵引变压器、第一短接接触器KM1、第二短接接触器KM2、第一充电接触器KM3、充电电阻R1和第一接触器QS1；其中：

所述第一短接接触器KM1的一端与所述牵引变压器相连，所述第一短接接触器KM1的另一端与所述后端功率电路相连；

所述第一接触器QS1的一端与所述牵引变压器相连，所述第一接触器QS1的另一端与所述后端功率电路相连；

所述第二短接接触器KM2的一端与所述牵引变压器相连，所述第二短接接触器KM2的的另一端与所述后端功率电路相连；

所述第一充电接触器KM3的一端与第一短接接触器KM1的一端和所述牵引变压器相连，所述第一充电接触器KM3的另一端与所述充电电阻R1的一端相连；

所述充电电阻R1的另一端与所述第一短接接触器KM1的另一端和所述后端功率电路相连。

优选地，所述直流电输入模块包括：直流输入、第二接触器QS2、第一短接接触器KM1和所述充电电阻R1；其中：

所述第二接触器QS2的一端与所述直流输入相连，所述第二接触器QS2的另一端与所述第一接触器QS1的另一端和所述后端功率电路相连。

优选地，所述内燃机发电机输入模块包括：内燃发动机、第三短接接触器KS1和第二充电接触器KS2；其中：

所述第三短接接触器KS1的一端与所述内燃发动机相连，所述第三短接接触器KS1的另一端与所述后端功率电路相连；

所述第二充电接触器KS2的一端与所述内燃发动机相连，所述第二充电接触器KS2的另一端与所述充电电阻R1的一端和所述后端功率电路相连。

优选地，所述后端功率电路包括：主变流器、辅助变流器和充电机。

优选地，所述主变流器包括：第一四象限模块、第二四象限模块、中间回路组件、第一逆变模块和第二逆变模块；其中：

所述第一四象限模块和所述第二四象限模块分别与所述中间回路组件相连；

所述中间回路组件分别与所述第一逆变模块和所述第二逆变模块相连。

优选地，所述辅助变流器包括：辅变模块，其中：

所述辅变模块前端与所述中间回路组件相连。

优选地，所述系统还包括：第一牵引电机、第二牵引电机、辅助负载和直流负载；其中：

所述第一牵引电机与所述第一逆变模块相连；

所述第二牵引电机与所述第二逆变模块相连；

所述辅助负载模块与所述辅变模块相连；

所述直流负载与所述充电机相连。

优选地，所述系统还包括：冷却系统。

优选地，所述冷却系统包括：水泵、第一冷却风机和第二冷却风机。

一种多制式供电的控制方法，应用于多制式供电的动车牵引变流系统，其中，所述多制式供电的动车牵引变流系统包括：控制器、前端输入电路和后端功率电路；其中，所述前端输入电路包括：交流电输入模块、直流电输入模块和内燃机发电机输入模块；所述方法包括：

所述控制器分别为所述前端输入电路和所述后端功率电路提供控制信号；

所述控制器基于所述控制信号控制交流模式、直流模式和内燃模式三种供电制式输入，以及控制所述后端功率电路的输出。

优选地，所述交流电输入模块包括：牵引变压器、第一短接接触器KM1、第二短接接触器KM2、第一充电接触器KM3、充电电阻R1和第一接触器QS1；所述直流电输入模块包括：直流输入、第二接触器QS2、第一短接接触器KM1和所述充电电阻R1；所述内燃机发电机输入模块包括：内燃发动机、第三短接接触器KS1和第二充电接触器KS2；所述控制器基于所述所述控制信号控制交流模式、直流模式和内燃模式三种供电制式输入，包括：

所述控制器基于所述控制信号控制所述第二接触器QS2闭合、控制所述第一短接接触器KM1闭合、控制所述第二短接接触器KM2闭合、控制所述第一接触器QS1断开，以及控制控制所述第三短接接触器KS1断开，以控制交流模式输入；

所述控制器基于所述控制信号控制所述第二接触器QS2断开、控制所述第一短接接触器KM1闭合、控制所述第二短接接触器KM2断开、控制所述第一接触器QS1闭合，以及控制控制所述第三短接接触器KS1断开，以控制直流模式输入；

所述控制器基于所述控制信号控制所述第二接触器QS2断开、控制所述第一短接接触器KM1断开、控制所述第二短接接触器KM2断开、控制所述第一接触器QS1断开，以及控制控制所述第三短接接触器KS1闭合，以控制内燃模式输入。

综上所述，本发明公开了一种多制式供电的动车牵引变流系统，包括：控制器、前端输入电路和后端功率电路；其中，前端输入电路包括：交流电输入模块、直流电输入模块和内燃机发电机输入模块；其中：前端输入电路与后端功率电路相连；控制器分别为前端输入电路和后端功率电路提供控制信号，并基于控制信号控制交流模式、直流模式和内燃模式三种供电制式输入，以及控制后端功率电路的输出。本发明包含单相交流供电、内燃发电机供电和直流供电三种供电制式，且各供电制式之间可以自由组合，满足了不同的需求。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明公开的一种多制式供电的动车牵引变流系统的结构示意图；

图2为本发明公开的一种硬线互锁方式示意图；

图3为本发明公开的一种三制式变流器工作模式示意图；

图4为本发明公开的三种输入制式硬线互锁连接示意图；

图5为本发明公开的一种多制式供电的控制方法的方法流程图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明公开的一种多制式供电的动车牵引变流系统的结构示意图，所述系统包括：控制器、前端输入电路和后端功率电路；其中，前端输入电路包括：交流电输入模块、直流电输入模块和内燃机发电机输入模块；其中：

前端输入电路与所述后端功率电路相连；

控制器分别为前端输入电路和后端功率电路提供控制信号，并基于控制信号控制交流模式、直流模式和内燃模式三种供电制式输入，以及控制后端功率电路的输出；

所述交流电输入模块包括：牵引变压器、第一短接接触器KM1、第二短接接触器KM2、第一充电接触器KM3、充电电阻R1和第一接触器QS1；其中：

第一短接接触器KM1的一端与牵引变压器相连，第一短接接触器KM1的另一端与后端功率电路相连；

第一接触器QS1的一端与牵引变压器相连，第一接触器QS1的另一端与后端功率电路相连；

第二短接接触器KM2的一端与牵引变压器相连，第二短接接触器KM2的的另一端与后端功率电路相连；

第一充电接触器KM3的一端与第一短接接触器KM1的一端和牵引变压器相连，第一充电接触器KM3的另一端与充电电阻R1的一端相连；

充电电阻R1的另一端与第一短接接触器KM1的另一端和后端功率电路相连；

所述直流电输入模块包括：直流输入、第二接触器QS2、第一短接接触器KM1和充电电阻R1；其中：

第二接触器QS2的一端与直流输入相连，第二接触器QS2的另一端与第一接触器QS1的另一端和后端功率电路相连；

所述内燃机发电机输入模块包括：内燃发动机、第三短接接触器KS1和第二充电接触器KS2；其中：

第三短接接触器KS1的一端与内燃发动机相连，第三短接接触器KS1的另一端与后端功率电路相连；

第二充电接触器KS2的一端与内燃发动机相连，第二充电接触器KS2的另一端与充电电阻R1的一端和后端功率电路相连；

所述后端功率电路包括：主变流器、辅助变流器和充电机；

所述主变流器包括：第一四象限模块、第二四象限模块、中间回路组件、第一逆变模块和第二逆变模块；其中：

所述第一四象限模块和所述第二四象限模块分别与所述中间回路组件相连；

所述中间回路组件分别与所述第一逆变模块和所述第二逆变模块相连；

所述辅助变流器包括：辅变模块，其中：辅变模块前端与中间回路组件相连；

所述系统还包括：第一牵引电机、第二牵引电机、辅助负载和直流负载；其中：

第一牵引电机与第一逆变模块相连；

第二牵引电机与第二逆变模块相连；

辅助负载模块与辅变模块相连；

直流负载与充电机相连；

所述系统还包括：冷却系统，冷却系统包括：水泵、第一冷却风机和第二冷却风机。

本实施例公开的多制式供电的动车牵引变流系统中的交流电输入模块、直流电输入模块和内燃机发电机输入模块共用充电电阻R1，且流电输入模块和直流电输入模块共用第一短接接触器KM1。

本实施例公开的多制式供电的动车牵引变流系统的工作原理为：

在交流电输入模式时，第一四象限模块和第二四象限模块通过第一充电接触器KM3，充电电阻R1以及第一短接接触器KM1和第二短接接触器KM2组成的充电短接回路接收交流电压，并将其整流成中间1800V直流电压。直流电压一部分输出到第一逆变模块和第二逆变模块，经第一逆变模块和第二逆变模块调制后分别驱动第一牵引电机和第二牵引电机，另一部分则输出到辅变模块带动列车上的辅助负载。同时，辅变模块输出的三相电压，经充电机变换后，输出DC110V为蓄电池和直流负载供电。其中，变流器中间直流环节设置了中间直流回路组件，包含支撑电容滤波、中间电压检测、接地检测、过压斩波等功能。且在直流供电模式和内燃发电机供电模式下，中间直流回路组件可以共用。

在直流电输入模式时，通过控制器控制闭合第一接触器QS1和第一短接接触器KM1输入直流电压，此时第一四象限模块和第二四象限模块不工作，直流电压直接通过四象限模块，输出到中间回路组件，并经第一逆变模块、第二逆变模块和辅变模块进行电能变换后，驱动牵引系统工作。同时，直流电输入模式和交流电输入模式通过第二接触器QS2实现有效的分离，防止供电电源间的短路。

在内燃发电机输入模式时，三相交流电压通过第二充电接触器KS2、充电电阻R1以及第三短接接触器KS1组成的充电短接回路输出到第一四象限模块和第二四象限模块，并利用第一四象限模块和第二四象限模块中的反并联二极管进行不可控整流，进而输出直流电压到第一逆变模块、第二逆变模块和辅变模块，驱动牵引系统正常工作。

对于多制式输入的牵引变流系统，为了保证系统的安全性和可靠性，需要增加三种供电制式间的硬线互锁功能，以防止各制式供电电源间发生短路故障。一般采用主回路接触器(如图1中的KM1，KM2，QS1，QS2，KS1)控制线圈中串入与其互锁的接触器的常闭触点方式来实现硬线互锁，如图2所示。

按照图2所示方式，三种供电制式实现两两硬线互锁，则至少需要共6组常闭触点。而由于系统各接触器自带的辅助触点资源有限，且增加辅助触点数目也不利于系统可靠性的提高。以下将结合三制式变流器主电路结构特点，对各供电制式主回路接触器的动作状态进行梳理，以此利用有限的硬件资源，完成硬线互锁逻辑的构建。结合以上分析，本发明的三制式变流器工作模式可总结如图3所示。

其中，图3中，接触器状态1、2、3分别如表1所示：

表1各供电模式下的接触器状态

表1中，C为Close，表示接触器主触点处于闭合状态，O为Open，表示接触器主触点处于断开状态。各接触器均由图1中的控制器进行控制。

由表1可以看出：

第一短接接触器KM1在交流模式和直流模式下均会闭合，在内燃模式下会断开，第三短接接触器KS1的状态则刚好与第一短接接触器KM1相反。因此可先将交流模式和直流模式合为一组交直流模式，并利用第一短接接触器KM1、第三短接接触器KS1的辅助触点实现交直流模式和内燃模式的硬线互锁连接；

第一接触器QS1和第二短接接触器KM2为交流模式的主回路接触器，第二接触器QS2为直流模式的主回路接触器。因此可利用第一接触器QS1和第二接触器QS2的辅助触点实现交流模式和直流模式的硬线互锁连接。

根据以上分析，最后形成的硬线互锁连接如图4所示，利用图4所述方式，当某一种供电模式工作时，其他两种供电模式的主回路接触器线圈无法得电，故主回路接触器无法闭合。因此只需要用到4组常闭触点，即可实现三种输入制式之间的硬线互锁功能，有效节约了系统的硬件资源。

综上所述，本发明提供的多制式供电的动车牵引变流系统，可同时满足交流模式、直流模式和内燃模式三种类型的供电制式，且可根据线路供电情况，实行各供电制式的自由组合。本发明提供的多制式供电的动车牵引变流系统，利用有限的硬件资源，实现了三种供电制式间的硬线互锁，节约了系统硬件资源的同时，有效提高了变流器的安全性和可靠性。

如图5所示，为本发明公开的一种多制式供电的控制方法的流程图，所述方法应用于多制式供电的动车牵引变流系统，其中，如图1所示，所述多制式供电的动车牵引变流系统包括：控制器、前端输入电路和后端功率电路；其中，所述前端输入电路包括：交流电输入模块、直流电输入模块和内燃机发电机输入模块；所述方法包括：

S501、控制器分别为前端输入电路和所述后端功率电路提供控制信号；

S502、控制器基于控制信号控制交流模式、直流模式和内燃模式三种供电制式输入，以及控制后端功率电路的输出。

本实施例公开的多制式供电的控制方法的工作原理与上述如图1所示的多制式供电的动车牵引变流系统的工作原理相同，在此不再赘述。

本说明书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。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种多制式供电的动车牵引变流系统，其特征在于，包括：控制器、前端输入电路和后端功率电路；其中，所述前端输入电路包括：交流电输入模块、直流电输入模块和内燃机发电机输入模块；其中：

所述前端输入电路与所述后端功率电路相连；

所述控制器分别为所述前端输入电路和所述后端功率电路提供控制信号，并基于所述控制信号控制交流模式、直流模式和内燃模式三种供电制式输入，以及控制所述后端功率电路的输出。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述交流电输入模块包括：牵引变压器、第一短接接触器KM1、第二短接接触器KM2、第一充电接触器KM3、充电电阻R1和第一接触器QS1；其中：

所述第一短接接触器KM1的一端与所述牵引变压器相连，所述第一短接接触器KM1的另一端与所述后端功率电路相连；

所述第一接触器QS1的一端与所述牵引变压器相连，所述第一接触器QS1的另一端与所述后端功率电路相连；

所述第二短接接触器KM2的一端与所述牵引变压器相连，所述第二短接接触器KM2的的另一端与所述后端功率电路相连；

所述第一充电接触器KM3的一端与第一短接接触器KM1的一端和所述牵引变压器相连，所述第一充电接触器KM3的另一端与所述充电电阻R1的一端相连；

所述充电电阻R1的另一端与所述第一短接接触器KM1的另一端和所述后端功率电路相连。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在，所述直流电输入模块包括：直流输入、第二接触器QS2、第一短接接触器KM1和所述充电电阻R1；其中：

所述第二接触器QS2的一端与所述直流输入相连，所述第二接触器QS2的另一端与所述第一接触器QS1的另一端和所述后端功率电路相连。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述内燃机发电机输入模块包括：内燃发动机、第三短接接触器KS1和第二充电接触器KS2；其中：

所述第三短接接触器KS1的一端与所述内燃发动机相连，所述第三短接接触器KS1的另一端与所述后端功率电路相连；

所述第二充电接触器KS2的一端与所述内燃发动机相连，所述第二充电接触器KS2的另一端与所述充电电阻R1的一端和所述后端功率电路相连。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述后端功率电路包括：主变流器、辅助变流器和充电机。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述主变流器包括：第一四象限模块、第二四象限模块、中间回路组件、第一逆变模块和第二逆变模块；其中：

所述第一四象限模块和所述第二四象限模块分别与所述中间回路组件相连；

所述中间回路组件分别与所述第一逆变模块和所述第二逆变模块相连。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述辅助变流器包括：辅变模块，其中：

所述辅变模块前端与所述中间回路组件相连。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：第一牵引电机、第二牵引电机、辅助负载和直流负载；其中：

所述第一牵引电机与所述第一逆变模块相连；

所述第二牵引电机与所述第二逆变模块相连；

所述辅助负载模块与所述辅变模块相连；

所述直流负载与所述充电机相连。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：冷却系统。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述冷却系统包括：水泵、第一冷却风机和第二冷却风机。

11.一种多制式供电的控制方法，其特征在于，应用于多制式供电的动车牵引变流系统，其中，所述多制式供电的动车牵引变流系统包括：控制器、前端输入电路和后端功率电路；其中，所述前端输入电路包括：交流电输入模块、直流电输入模块和内燃机发电机输入模块；所述方法包括：

所述控制器分别为所述前端输入电路和所述后端功率电路提供控制信号；

所述控制器基于所述控制信号控制交流模式、直流模式和内燃模式三种供电制式输入，以及控制所述后端功率电路的输出。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述交流电输入模块包括：牵引变压器、第一短接接触器KM1、第二短接接触器KM2、第一充电接触器KM3、充电电阻R1和第一接触器QS1；所述直流电输入模块包括：直流输入、第二接触器QS2、第一短接接触器KM1和所述充电电阻R1；所述内燃机发电机输入模块包括：内燃发动机、第三短接接触器KS1和第二充电接触器KS2；所述控制器基于所述所述控制信号控制交流模式、直流模式和内燃模式三种供电制式输入，包括：

所述控制器基于所述控制信号控制所述第二接触器QS2闭合、控制所述第一短接接触器KM1闭合、控制所述第二短接接触器KM2闭合、控制所述第一接触器QS1断开，以及控制控制所述第三短接接触器KS1断开，以控制交流模式输入；

所述控制器基于所述控制信号控制所述第二接触器QS2断开、控制所述第一短接接触器KM1闭合、控制所述第二短接接触器KM2断开、控制所述第一接触器QS1闭合，以及控制控制所述第三短接接触器KS1断开，以控制直流模式输入；

所述控制器基于所述控制信号控制所述第二接触器QS2断开、控制所述第一短接接触器KM1断开、控制所述第二短接接触器KM2断开、控制所述第一接触器QS1断开，以及控制控制所述第三短接接触器KS1闭合，以控制内燃模式输入。

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