CN112953259A - 一种双层动车及其牵引辅助变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双层动车及其牵引辅助变流器，包括充电短接组件、牵引功率模块、辅变模块、辅变输出滤波组件、支撑电容组件、控制机箱和低压组件、传感器，可在25kV/50Hz和15kV/16.7Hz两种供电模式下实现两重独立的牵引电机控制及一路辅助负载供电。变流器柜体沿X轴分为第一重高压电气腔、第二重高压电气腔和低压控制腔，第一重高压电气腔和第二重高压电气腔沿Y轴均分为第一层和第二层，高压器件布局按电路原理使能量在结构上从上至下传递，减少线路损耗，通过区分腔室并将腔室分层使柜体布局紧凑，达到小型化、轻量化的目的。

Description

一种双层动车及其牵引辅助变流器
技术领域
本发明涉及动车技术领域，特别涉及一种双层动车及其牵引辅助变流器。
背景技术
随着全球经济发展，铁路运输能力提升势在必行。双层动车能在不改变既有线路及既有列车开行方案的情况下，提升至少20％的载客能力，尤其是在欧洲地面铁路网占多数的地段，对车高限制小，双层动车是提升铁路运输能力的优选方案。
但随着双层动车载客量的提升，对整车布局及牵引设备重量提出了更高的要求。同时，欧洲铁路供电制式25kV/50Hz和15kV/16.7Hz并存，如何提供一种双层动车用牵引辅助变流器，即满足在两种供电制式下运行，又减小体积和重量，是本技术领域人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种双层动车用牵引辅助变流器，合理布局，以减小体积。本发明还提供了一种具有上述双层动车用牵引辅助变流器的双层动车。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种双层动车用牵引辅助变流器，其包括：
柜体，所述柜体沿X轴方向分为第一重高压电气腔、第二重高压电气腔和低压控制腔，且所述第一重高压电气腔和第二重高压电气腔沿Y轴方向均分为第一层和第二层，所述X轴方向和所述Y轴方向为水平面上相交的两个方向；
所述第一重高压电气腔的第一层由顶端到底端依次安装并依次连接有第一整流进线、第一充电短接组件、第一牵引功率模块、辅变模块、辅变输出滤波组件的一部分和辅变出线；所述第一重高压电气腔的第二层由顶端到底端依次安装并依次连接有第一支撑电容组件和所述辅变输出滤波组件的另一部分；
所述第二重高压电气腔的第一层由顶端到底端依次安装并依次连接有第二整流进线、第二充电短接组件、第二牵引功率模块和逆变出线；所述第二重高压电气腔的第二层连接有第二支撑电容组件；
所述第一重高压电气腔的第一层和第二层之间或所述第二重高压电气腔的第一层和第二层之间设置有风机组件；
所述低压控制腔内设置有控制机箱和低压组件。
优选的，上述的双层动车用牵引辅助变流器中，所述第一重高压电气腔的第二层由顶端到底端依次安装并依次连接有第一斩波组件、所述第一支撑电容组件和所述辅变输出滤波组件的另一部分；
所述第二重高压电气腔的第二层由顶端到底端依次安装并依次连接有第二斩波组件和所述第二支撑电容组件。
优选的，上述的双层动车用牵引辅助变流器中，所述第一牵引功率模块和第二牵引功率模块均包括电连接的整流模块和逆变模块。
优选的，上述的双层动车用牵引辅助变流器中，所述第一支撑电容组件通过第一低感母排与所述第一牵引功率模块电连接；
所述第二支撑电容组件通过第二低感母排与所述第二牵引功率模块电连接。
优选的，上述的双层动车用牵引辅助变流器中，所述第一牵引功率模块的整流模块与逆变模块沿所述柜体的高度方向上下布置，且通过中间直流回路串联连接；
所述逆变模块与所述辅变模块并排布置且通过所述中间直流回路并联连接。
优选的，上述的双层动车用牵引辅助变流器中，还包括：位于所述逆变模块与所述整流模块之间，且与所述逆变模块并联的全压传感器，所述全压传感器电连接在所述中间直流回路上；
一端电连接所述中间直流回路，另一端接地的半电压传感器。
优选的，上述的双层动车用牵引辅助变流器中，所述辅变输出滤波组件为LC滤波器。
优选的，上述的双层动车用牵引辅助变流器中，所述整流模块和所述逆变模块均采用输出端并联的相模块，且所述整流模块的相模块和所述逆变模块的相模块的X轴方向尺寸均为700-800mm，Y轴方向尺寸均为220-300mm，高度尺寸均为200-280mm。
优选的，上述的双层动车用牵引辅助变流器中，所述低压组件包括电压传感器、电流传感、温度传感器和压力传感器。
一种双层动车，包括双层动车用牵引辅助变流器，其中，所述双层动车用牵引辅助变流器为上述所述的双层动车用牵引辅助变流器，且所述双层动车用牵引辅助变流器采用25kV/50Hz和15kV/16.7Hz双流制供电。
本发明提供的一种双层动车用牵引辅助变流器，通过区分腔室并将腔室设置为分层结构使柜体空间利用率高，布局紧凑，达到小型化、轻量化的目的，此外，进线采用上进下出，接线距离短。
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为本发明实施例中公开的变流器电路示意图；
图2为本发明实施例中公开的变流器俯视布局图；
图3为本发明实施例中公开的变流器第一层正视布局图；
图4为本发明实施例中公开的变流器第二层正视布局图；
图5为本发明实施例中公开的变流器电压传感器连接图。
具体实施方式
本发明公开了一种双层动车用牵引辅助变流器，根据电路拓扑合理布局，以减小体积。本发明还公开了一种具有上述双层动车用牵引辅助变流器的双层动车。
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-图5所示，本申请还公开了一种双层动车用牵引辅助变流器，包括柜体和电器元件，该柜体沿X轴方向分为第一重高压电气腔1、第二重高压电气腔2和低压控制腔3，并且第一重高压电气腔1和第二重高压电气腔2沿Y轴方向均分为第一层和第二层，上述涉及到的X轴方向和Y轴方向为水平面上相交的两个方向。本申请中将柜体内部划分为三个腔体，具体的，第一重高压电气腔1和第二重高压电气腔2的结构和电路均完全独立，但是第一重高压电气腔1和第二重高压电气腔2之间并不是隔离的，而是连通的布置。
具体的，上述的第一重高压电气腔1的第一层由顶端到底端依次安装并依次连接有第一整流进线、第一充电短接组件、第一牵引功率模块、辅变模块、辅变输出滤波组件的一部分和辅变出线，即将柜体内电器元件与主电路走向一致布置，可以使柜体内接线距离最短，减少线缆降低损耗并减轻重量；而第一重高压电气腔1的第二层由顶端到底端依次安装并依次连接有第一斩波组件、第一支撑电容组件和辅变输出滤波组件的另一部分。为减小体积重量，本申请中的牵引辅助变流器取消了二次滤波回路，同时为适应25kV/50Hz和15kV/16.7Hz双流制供电，采用分前后两层设计，使支撑电容离功率模块距离最近，可为更大更多的电容提供空间，根据电路拓扑合理布局提高空间利用率。本申请中的辅变输出滤波组件含有的器件较多，为合理利用空间，因此，在第一重高压电气腔1的第一层和第二层均有布置，本领域技术人员可以理解的是，可根据电路的走向或器件的尺寸进行设置，且均在保护范围内。
同理，上述的第二重高压电气腔2的第一层由顶端到底端依次安装并依次连接有第二整流进线、第二充电短接组件、第二牵引功率模块和逆变出线，如此设置，可使柜体内电器元件与主电路走向一致布置，保证柜体内接线距离最短，减少线缆降低损耗并减轻重量。第二重高压电气腔2的第二层由顶端到底端依次安装并依次连接有第二斩波组件和第二支撑电容组件。
上述的斩波组件还可放置于第二层的柜顶，方便维护和散热。
为了对牵引辅助变流器内的电器元件进行进一步冷却，在第一重高压电气腔1的第一层和第二层之间或第二重高压电气腔2的第一层和第二层之间设置有风机组件。对于风机组件的具体安装位置可根据不同需要进行设置，优选的，设置在第二重高压电气腔2的第一层和第二层之间，使柜体在第一层和第二层之间形成风道，由风机带动气流在第一层和第二层之间循环，从而冷却柜体内电器元件，避免局部过热。
上述的低压控制腔内设置有控制机箱和低压组件，控制机箱及低压组件为变流器柜体右侧平铺放置，减少了机箱占用体积，同时控制线从右侧顶部进入变流器，高低压完全隔离。
在实际中，上述的第一斩波组件和第二斩波组件也可不安装在柜体内，当第一斩波组件和第二斩波组件不安装在柜体内时，可不考虑两者的安装位置，直接在上述方案中取消即可。
本申请中的双层动车用牵引辅助变流器通过区分腔室并将腔室设置为分层结构使柜体布局紧凑，达到小型化、轻量化的目的。
具体的实施例中，上述的双层动车用牵引辅助变流器中的第一牵引功率模块和第二牵引功率模块均包括电连接的整流模块和逆变模块。工作时，外部交流电首先通过充电短接组件给支撑电容充电，然后通过整流模块将交流整成直流，再通过逆变模块输出三相交流给牵引电机供电。斩波组件连至逆变模块及中间直流回路负极，当中间直流电压过高时，可通过斩波放电将电压拉低。辅变模块从第一重主回路中间直流取电，通过辅变输出滤波组件后直接给辅变负载供电，同时给柜内风机组件供电。
优选的实施例中，上述的第一支撑电容组件通过第一低感母排与第一牵引功率模块电连接；第二支撑电容组件通过第二低感母排与第二牵引功率模块电连接。采用低感母排将支撑电容与牵引功率模块连接，使支撑电容与牵引功率模块连接路径最短，杂散电感小。
进一步的实施例中，上述的第一牵引功率模块的整流模块与逆变模块沿柜体的高度方向上下布置，且通过中间直流回路串联连接；并且逆变模块与辅变模块并排布置且通过中间直流回路并联连接。此处公开了一种整流模块、逆变模块和辅变模块的连接以及布置方式，在实践中也可采用其他布置方式，且均在保护范围内。
更进一步的实施例中，为减小体积重量，本申请中将辅变输出滤波组件设置为LC滤波，采用LC滤波较隔离变压器滤波输出方案降重超50％，但变流器牵引中间直流回路与辅变输出滤波组件无隔离，即辅变输出采用LC滤波时，中间直流回路与辅变负载之间电流直接流动，使得对辅变输出接地故障检测要求高，即辅变输出接地不能影响牵引主回路。
该双层动车用牵引辅助变流器采用中间直流回路上连接全电压传感器与半电压传感器实现主回路的接地检测。全压传感器高压端连接在中间直流回路的正负上；半电压传感器一端电连接中间直流回路，另一端接地。一般情况下，控制机箱可通过半电压与全电压比较及电压波形的频率可分别判断中间直流接地故障、整流输入接地故障、逆变输出接地故障、辅变输出接地故障，对于具体的判断条件可根据实际需要进行设置，优选的，将获取的电压和频率与对应模块的预设参数比较，当大于预设参数则判定为接地故障。但本发明中辅变模块开关频率较高，为避免误判断，在进行电压比较前需对半电压进行滤波。
具体的实施例中，上述的整流模块和逆变模块均采用输出端并联的相模块，对于整流模块和逆变模块设置的相模块的个数可根据实际需要进行设置，且均在保护范围内，采用相模块沿高度依次布置可减小牵引功率模块的体积，同时减小牵引功率模块与支撑电容之间的杂散电感。具体的，整流模块的相模块和逆变模块的相模块可互换，即可将整流模块的相模块替换为逆变模块的相模块，即整流模块和逆变模块的位置互换。
本申请中提供了一种相模块的具体尺寸，例如：整流模块的相模块和逆变模块的相模块的X轴方向尺寸均为700-800mm，Y轴方向尺寸均为220-300mm，高度尺寸均为200-280mm。在实际中可根据不同的需要选择相模块的具体尺寸，且均在保护范围内。
在上述技术方案的基础上，本申请中涉及到的传感器组件包括电压传感器、电流传感、温度传感器和压力传感器。对于电压传感器、电流传感、温度传感器和压力传感器为现有技术中的牵引辅助变流器内的传感器，其功能可参照现有技术，主要为实现对牵引辅助变流器的控制检测及故障诊断与保护。
本申请的核心仅在于将低压组件设置在低压控制腔3内，实现高低压的分区。
此外，本申请还公开了一种双层动车，包括双层动车用牵引辅助变流器，其中，该双层动车用牵引辅助变流器为上述实施中公开的双层动车用牵引辅助变流器，因此，具有该双层动车用牵引辅助变流器的双层动车也具有上述所有技术效果，在此不再一一赘述。本申请中的双层动车用牵引辅助变流器采用25kV/50Hz和15kV/16.7Hz双流制供电，并取消了二次滤波回路，因此支撑电容容值较大。
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)

1.一种双层动车用牵引辅助变流器，其特征在于，包括：
柜体，所述柜体沿X轴方向分为第一重高压电气腔(1)、第二重高压电气腔(2)和低压控制腔(3)，且所述第一重高压电气腔(1)和第二重高压电气腔(2)沿Y轴方向均分为第一层和第二层，所述X轴方向和所述Y轴方向为水平面上相交的两个方向；
所述第一重高压电气腔(1)的第一层由顶端到底端依次安装并依次连接有第一整流进线、第一充电短接组件、第一牵引功率模块、辅变模块、辅变输出滤波组件的一部分和辅变出线；所述第一重高压电气腔(1)的第二层由顶端到底端依次安装并依次连接有第一支撑电容组件和所述辅变输出滤波组件的另一部分；
所述第二重高压电气腔(2)的第一层由顶端到底端依次安装并依次连接有第二整流进线、第二充电短接组件、第二牵引功率模块和逆变出线；所述第二重高压电气腔(2)的第二层安装有第二支撑电容组件；
所述第一重高压电气腔(1)的第一层和第二层之间或所述第二重高压电气腔(2)的第一层和第二层之间设置有风机组件；
所述低压控制腔(3)内设置有控制机箱和低压组件。
2.根据权利要求1所述的双层动车用牵引辅助变流器，其特征在于，
所述第一重高压电气腔(1)的第二层由顶端到底端依次安装并依次连接有第一斩波组件、所述第一支撑电容组件和所述辅变输出滤波组件的另一部分；
所述第二重高压电气腔(2)的第二层由顶端到底端依次安装并依次连接有第二斩波组件和所述第二支撑电容组件。
3.根据权利要求1所述的双层动车用牵引辅助变流器，其特征在于，所述第一牵引功率模块和第二牵引功率模块均包括电连接的整流模块和逆变模块。
4.根据权利要求3所述的双层动车用牵引辅助变流器，其特征在于，所述整流模块和逆变模块均为相模块，且所述第一重高压电气腔(1)和所述第二重高压电气腔(2)均包含两个所述整流模块及两个所述逆变模块，所述第一牵引功率模块和第二牵引功率模块分别对应驱动一台电机。
5.根据权利要求3所述的双层动车用牵引辅助变流器，其特征在于，所述第一支撑电容组件通过第一低感母排与所述第一牵引功率模块电连接，所述第一支撑电容组件与所述第一牵引功率模块沿Y轴方向相对布置；
所述第二支撑电容组件通过第二低感母排与所述第二牵引功率模块电连接，所述第二支撑电容组件与所述第二牵引功率模块沿Y轴方向相对布置。
6.根据权利要求3所述的双层动车用牵引辅助变流器，其特征在于，所述第一牵引功率模块的整流模块与逆变模块沿所述柜体的高度方向上下布置，且通过中间直流回路串联连接；
所述辅变模块位于所述第一重高压电气腔(1)的所述逆变模块下方，且通过所述中间直流回路并联连接。
7.根据权利要求6所述的双层动车用牵引辅助变流器，其特征在于，还包括：位于所述逆变模块与所述整流模块之间，且与所述逆变模块并联的全压传感器，所述全压传感器电连接在所述中间直流回路上；
一端电连接所述中间直流回路，另一端接地的半电压传感器。
8.根据权利要求7所述的双层动车用牵引辅助变流器，其特征在于，所述控制机箱通过全电压传感器和半电压传感器采集波形，并判断是否存在中间直流接地故障、整流输入接地故障、逆变输出接地故障和辅变输出接地故障。
9.根据权利要求6所述的双层动车用牵引辅助变流器，其特征在于，所述辅变输出滤波组件为LC滤波。
10.根据权利要求3所述的双层动车用牵引辅助变流器，其特征在于，所述整流模块的相模块和所述逆变模块的相模块可互换，且所述整流模块的相模块和所述逆变模块的相模块的X轴方向尺寸均为700mm-800mm，Y轴方向尺寸均为220mm-300mm，高度尺寸均为200mm-280mm。
11.根据权利要求1所述的双层动车用牵引辅助变流器，其特征在于，所述传感器检测单元包括电压传感器、电流传感、温度传感器和压力传感器。
12.一种双层动车，包括双层动车用牵引辅助变流器，其特征在于，所述双层动车用牵引辅助变流器为如权利要求1-11任一项所述的双层动车用牵引辅助变流器，且所述双层动车用牵引辅助变流器采用25kV/50Hz和15kV/16.7Hz双流制供电。
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