CN113043847B - 一种电力机车的变流系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电力机车的变流系统，包括牵引主电路和负载供电电路；负载供电电路包括电路结构相同的机车辅助负载供电电路和客车负载供电电路，各负载供电电路包括升压单元、高频逆变单元、高频隔离变压器、整流单元、中间支撑回路、逆变单元；牵引主电路包括若干个由成对的单轴电路构成的转向架主电路；成对的两个单轴电路的中间直流母线通过一对并联线并接，以便负载供电电路取电；并联线上的取电点与两个单轴电路的中间直流正母线之间分别设置有隔离开关，以便在任一单轴电路故障时断开对应的隔离开关。本申请可同时为机车辅助负载和客车负载供电，提高了变流系统的安全性与可用性，有利于设备物料的简统化、平台化应用和设备降本。

Description

一种电力机车的变流系统

技术领域

本申请涉及牵引变流技术领域，特别涉及一种电力机车的变流系统。

背景技术

现有技术中，电力机车的辅助负载供电和客车负载供电是完全独立分开的。其中，机车辅助负载的供电从牵引电路的中间直流回路取电，经逆变变换，再经工频隔离变压器后给机车辅助负载提供三项交流电源。隔离变压器能避免前端的异常高压传递到负载，能使负载用电更加安全可靠。

而客车负载的供电一般是从牵引变压器次边独立绕组取电，经整流后给客车提供直流电源，客车端通过逆变变换，再经过隔离变压器后给客车负载供电。由此，客车负载的供电需要在牵引变压器增加绕组，并且需要单独设置一个列车供电柜，且每节客车还需要增加逆变装置。整个供电系统设备较多而分散，不利于变流装置平台化、小型化设计。

此外，也有一些对客车负载的供电如AC380V供电是通过大功率柴油发电机提供三项交流电源直接给客车端负载使用。这样也存在运用成本高、环境污染大、占用体积大等缺点，而且大部分AC380V列车需要加挂空调发电车，发电车更加需要占用一节列车编组位置，并需要专人维护，导致设备和人力成本都较高。

由此可见，现有技术中辅助负载供电和客车负载供电独立分开的模式，造成了整个供电系统设备的体积和重量较大，不仅不利于小型化与轻量化发展，而且耗费较多设备和人力成本。鉴于此，提供一种解决上述技术问题的方案，已经是本领域技术人员所亟需关注的。

发明内容

本申请的目的在于提供一种电力机车的变流系统，以便有效改善系统的电路结构设计，实现产品物料的简统化和轻量化，降低设备硬件成本与人力成本。

为解决上述技术问题，一方面，本申请公开了一种电力机车的变流系统，包括为牵引电机供电的牵引主电路以及为负载供电的负载供电电路；

所述牵引主电路包括若干个结构相同的转向架主电路；每个所述转向架主电路包括成对的两个结构相同的单轴电路；其中，成对的两个所述单轴电路的中间直流母线通过一对并联线并接，以便机车辅助负载供电电路和客车负载供电电路均从所述并联线上取电；成对的两个所述单轴电路的中间直流正母线与其并联线上的取电点之间分别设置有隔离开关，以便在任一所述单轴电路故障时断开对应的所述隔离开关而进行电路保护；

所述机车辅助负载供电电路和所述客车负载供电电路的电路结构相同，均包括依次连接的升压单元、高频逆变单元、高频隔离变压器、整流单元、中间支撑回路、逆变单元；所述逆变单元的输出端与机车辅助负载或者客车负载连接。

可选地，每个所述单轴电路包括与牵引变压器的各副边依次连接的整流模块与逆变模块，所述逆变模块的输出端与对应的牵引电机连接。

可选地，所述逆变模块还用于：

在所述电力机车过分相区而处于制动工况下时，将所述牵引电机输出的三相交流电反向整流为直流电，以便通过所述并联线为机车辅助负载和客车负载供电。

可选地，一个所述机车辅助负载供电电路中的所述升压单元的输入端，与一个所述客车负载供电电路中的所述升压单元的输入端，串联在一对并联线上的取电点之间。

可选地，在所述机车辅助负载供电电路与所述客车负载供电电路中，所述高频隔离变压器的一次侧串联有谐振电感且并联有谐振电容，以便基于谐振实现一次侧开关元器件的零电压开通和小电流关断。

可选地，在所述机车辅助负载供电电路与所述客车负载供电电路中，所述高频隔离变压器的二次侧串联有二极管，以便实现零电流开关。

可选地，在所述机车辅助负载供电电路与所述客车负载供电电路中，所述中间支撑回路包括串联在正负直流母线之间的两个等值的均压电阻；以及分别与两个所述均压电阻并联的支撑电容；两个所述支撑电容的连接点作为负载的三相四线制供电线中的中位点。

可选地，在所述机车辅助负载供电电路与所述客车负载供电电路中，还包括连接在所述逆变单元与负载之间的滤波单元。

可选地，所述滤波单元为LLC滤波单元。

可选地，所述高频逆变单元、所述整流单元均采用全桥结构。

本申请所提供的电力机车的变流系统所具有的有益效果是：本申请中机车辅助负载供电电路和客车负载供电电路的电路结构设计相同，且都从牵引主电路的中间直流回路取电，避免了为客车负载供电电路而增设牵引变压器绕组和客车车厢的逆变装置，有利于设备物料的简统化和平台化应用，便于进行器件维护更换，极大降低了设备硬件成本与人力成本。并且，在构成一个转向架主电路的两重单轴电路之间，设置有位于中间直流回路的隔离开关，可有效防止单重故障情况下问题的进一步恶化，有效提高了电路安全性和可用性。

附图说明

为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。

图1为本申请实施例公开的一种电力机车的变流系统的电路结构图；

图2为本申请实施例公开的一种负载供电电路的电路结构图。

具体实施方式

本申请的核心在于提供一种电力机车的变流系统，以便有效改善系统的电路结构设计，实现产品物料的简统化和轻量化，降低设备硬件成本与人力成本。

为了对本申请实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行介绍。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

当前技术中，电力机车的辅助负载供电和客车负载供电是完全独立分开的。其中，机车辅助负载的供电从牵引电路的中间直流回路取电，经逆变变换，再经工频隔离变压器后给机车辅助负载提供三项交流电源。隔离变压器能避免前端的异常高压传递到负载，能使负载用电更加安全可靠。

而客车负载的供电一般是从牵引变压器次边独立绕组取电，经整流后给客车提供直流电源，客车端通过逆变变换，再经过隔离变压器后给客车负载供电。由此，客车负载的供电需要在牵引变压器增加绕组，并且需要单独设置一个列车供电柜，且每节客车还需要增加逆变装置。整个供电系统设备较多而分散，不利于变流装置平台化、小型化设计。

此外，也有一些对客车负载的供电如AC380V供电是通过大功率柴油发电机提供三项交流电源直接给客车端负载使用。这样也存在运用成本高、环境污染大、占用体积大等缺点，而且大部分AC380V列车需要加挂空调发电车，发电车更加需要占用一节列车编组位置，并需要专人维护，导致设备和人力成本都较高。

由此可见，现有技术中辅助负载供电和客车负载供电独立分开的模式，造成了整个供电系统设备的体积和重量较大，不仅不利于小型化与轻量化发展，而且耗费较多设备和人力成本。鉴于此，本申请提供了一种电力机车的变流系统，可有效解决上述问题。

参见图1所示，本申请实施例公开了一种电力机车的变流系统，主要包括为牵引电机供电的牵引主电路以及为负载供电的负载供电电路20；

牵引主电路包括若干个结构相同的转向架主电路10；每个转向架主电路10包括成对的两个结构相同的单轴电路100；其中，成对的两个单轴电路100的中间直流母线通过一对并联线并接，以便机车辅助负载供电电路和客车负载供电电路均从并联线上取电；成对的两个单轴电路100的中间直流正母线与其并联线上的取电点之间分别设置有隔离开关，以便在任一单轴电路故障时断开对应的隔离开关而进行电路保护；

机车辅助负载供电电路和客车负载供电电路的电路结构相同，均包括依次连接的升压单元、高频逆变单元、高频隔离变压器、整流单元、中间支撑回路、逆变单元；逆变单元的输出端与机车辅助负载或者客车负载连接。

具体地，如图1所示，变流系统的牵引主电路采用整流+逆变模式构成单轴电路100，为一台牵引电机供电；两重整流+逆变的单轴电路构成了一个转向架的转向架主电路10。在每个单轴电路100中，从牵引电压器的副边绕组即次边绕组取电，整流模块将输入的单相交流电流整流为直流电，逆变模块再将直流电压逆变为电压和频率可调的三相交流电供给牵引电机。

在构成一个转向架主电路的两轴电路中，两个中间直流正母线通过一根并联线并接，该并联线与负载供电电路20的连接点，即为正取电点，输出正取电电压U_d+；两个中间直流负母线也通过一根并联线并接，该并联线与负载供电电路的连接点，即为负取电点，输出正取电电压U_d-。其中，负载供电电路20包括为机车辅助负载供电的机车辅助负载供电电路以及为客车负载供电的客车负载供电电路。两根并联线输出的直流电压可同时供机车辅助负载供电电路和客车负载电路使用。

此外，本申请还在并联线上设置了两个隔离开关QS1和QS2，分别用于控制正取电点与两轴的中间直流母线之间的通断。正常情况下QS1和QS2保持闭合，当A轴因故障需要隔离时，则可断开QS1，从而保证B轴的牵引电机以及机车辅助负载、客车负载均能正常供电。类似地，当B轴因故障需要隔离时，可断开QS2，从而保证A轴的牵引电机以及机车辅助负载和客车负载均能正常供电。

而在现有技术中传统的电力机车变流装置中，一个转向架两轴电路的中间直流回路是直接互相连通的，当某一轴电路上功率模块故障时，易导致电路上能量都向故障模块涌入，使得模块完全损坏。由此，大部分模块故障或中间直流回路故障，便需要隔离整个转向架即两轴电路的功率模块，直接失去一整个转向架的动力，且从该架中间回路取电的辅助回路也要被隔离，大大降低了机车可用性。而本申请为两轴电路的并联线所设置的隔离开关，可有效解决该问题。

参见图2，图2为本申请实施例公开的一种负载供电电路20的电路结构图。

作为一种具体实施例，本申请实施例所提供的电力机车的变流系统在上述内容的基础上，机车辅助负载供电电路与客车负载供电电路均包括依次连接的升压单元201、高频逆变单元202、高频隔离变压器203、整流单元204、中间支撑回路205、逆变单元206。

值得一提的是，现有技术中机车辅助供电和客车负载供电的隔离变压器均为工频变压器，连接方式为三角/星形，体积和重量较大。故此，本申请中将机车辅助负载供电电路和客车负载供电电路均采用高频隔离方案，所使用的高频逆变单元202和高频隔离变压器203均工作在高频段，从而可有效降低变压器体积和重量，有利于变流装置的小型化和轻量化。同时，机车辅助负载供电电路和客车负载供电电路的电路结构完全相同，更加有利于设备物料的简统化、平台化应用和设备降本。

可见，本申请所提供的电力机车的变流系统，机车辅助负载供电电路和客车负载供电电路的电路结构设计相同，且都从牵引主电路的中间直流回路取电，避免了为客车负载供电电路而增设牵引变压器绕组和客车车厢的逆变装置，有利于设备物料的简统化和平台化应用，便于进行器件维护更换，极大降低了设备硬件成本与人力成本。并且，在构成一个转向架主电路的两重单轴电路之间，设置有位于中间直流回路的隔离开关，可有效防止单重故障情况下问题的进一步恶化，有效提高了电路安全性和可用性。

作为一种具体实施例，如图1所示的电力机车的变流系统在上述内容的基础上，每个单轴电路100包括与牵引变压器101的各副边依次连接的整流模块102与逆变模块103，逆变模块103的输出端与对应的牵引电机连接。

并且进一步地，整流模块102可具体为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)整流模块，逆变模块103可具体为VVVF(Variable Voltage and Variable Frequency，变频调速)逆变模块。

作为一种具体实施例，逆变模块103还用于：在电力机车过分相区而处于制动工况下时，将牵引电机输出的三相交流电反向整流为直流电，以便通过并联线为机车辅助负载和客车负载供电。由此，当机车过分相区时，基于逆变模块103的反向整流可使客车负载在过分相区间依旧不断电，提高乘客舒适性。

作为一种具体实施例，本申请实施例所提供的电力机车的变流系统在上述内容的基础上，一个机车辅助负载供电电路中的升压单元201的输入端，与一个客车负载供电电路中的升压单元201的输入端串联在一对并联线上的取电点之间。

具体地，机车辅助负载供电电路和客车负载供电电路中的升压单元201可采用如图2所示的Boost电路。

牵引主电路的中间回路间并联线上的取电点，具体可通过电感L1与采用两级串联的Boost电路相连，将前端电压变换为稳定直流电压。在接入高频逆变单元202连接到高频隔离变压器203的一次侧；高频隔离变压器203的二次侧连接到整流单元204；中间支撑回路205连接到整流单元204的直流端以便对中间电压进行稳压；逆变单元206将直流电逆变成三项交流电，以供机车辅助负载或者客车负载使用。

作为一种具体实施例，本申请实施例所提供的电力机车的变流系统在上述内容的基础上，在辅助负载供电电路与客车负载供电电路中，高频隔离变压器203的一次侧串联有谐振电感Lr且并联有谐振电容Cr，以便基于谐振实现一次侧开关元器件的零电压开通和小电流关断。

作为一种具体实施例，本申请实施例所提供的电力机车的变流系统在上述内容的基础上，在辅助负载供电电路与客车负载供电电路中，高频隔离变压器203的二次侧串联有二极管，以便实现零电流开关。

具体地，本申请实施例通过实现高频隔离变压器203一次侧元件的零电压开通、小电流关断，以及零电流开关，能极大降低元件的开关损耗，提高产品可靠性。

作为一种具体实施例，本申请实施例所提供的电力机车的变流系统在上述内容的基础上，在辅助负载供电电路与客车负载供电电路中，中间支撑回路205包括串联在正负直流母线之间的两个等值的均压电阻；以及分别与两个均压电阻并联的等值的支撑电容；两个支撑电容的连接点作为负载的三相四线制供电线中的中位点。

具体地，大小相同的均压电阻和支撑电容将中间电压均分，引出中位点即N点，能满足负载的三项四线制的N线要求。

作为一种具体实施例，本申请实施例所提供的电力机车的变流系统在上述内容的基础上，在机车辅助负载供电电路与客车负载供电电路中，还包括连接在逆变单元206与负载之间的滤波单元207。进一步地，作为一种具体实施例，在上述内容的基础上，滤波单元207可具体为如图2所示的LLC滤波单元207。

作为一种具体实施例，本申请实施例所提供的电力机车的变流系统在上述内容的基础上，在机车辅助负载供电电路与客车负载供电电路中，高频逆变单元202、整流单元204均可采用全桥结构。当然，本领域技术人员也可根据实际应用情况而选择采用其他电路拓扑结构，本申请对此并不限定。

本申请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。对于实施例公开的设备而言，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。

还需说明的是，在本申请文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电力机车的变流系统，其特征在于，包括为牵引电机供电的牵引主电路以及为负载供电的负载供电电路；

所述牵引主电路包括若干个结构相同的转向架主电路；每个所述转向架主电路包括成对的两个结构相同的单轴电路；其中，成对的两个所述单轴电路的中间直流母线通过一对并联线并接，以便机车辅助负载供电电路和客车负载供电电路均从所述并联线上取电；成对的两个所述单轴电路的中间直流正母线与其并联线上的取电点之间分别设置有隔离开关，以便在任一所述单轴电路故障时断开对应的所述隔离开关而进行电路保护；

所述机车辅助负载供电电路和所述客车负载供电电路的电路结构相同，均包括依次连接的升压单元、高频逆变单元、高频隔离变压器、整流单元、中间支撑回路、逆变单元；所述逆变单元的输出端与机车辅助负载或者客车负载连接。

2.根据权利要求1所述的电力机车的变流系统，其特征在于，每个所述单轴电路包括与牵引变压器的各副边依次连接的整流模块与逆变模块，所述逆变模块的输出端与对应的牵引电机连接。

3.根据权利要求2所述的电力机车的变流系统，其特征在于，所述逆变模块还用于：

在所述电力机车过分相区而处于制动工况下时，将所述牵引电机输出的三相交流电反向整流为直流电，以便通过所述并联线为机车辅助负载和客车负载供电。

4.根据权利要求1所述的电力机车的变流系统，其特征在于，一个所述机车辅助负载供电电路中的所述升压单元的输入端，与一个所述客车负载供电电路中的所述升压单元的输入端，串联在一对并联线上的取电点之间。

5.根据权利要求4所述的电力机车的变流系统，其特征在于，在所述机车辅助负载供电电路与所述客车负载供电电路中，所述高频隔离变压器的一次侧串联有谐振电感且并联有谐振电容，以便基于谐振实现一次侧开关元器件的零电压开通和小电流关断。

6.根据权利要求5所述的电力机车的变流系统，其特征在于，在所述机车辅助负载供电电路与所述客车负载供电电路中，所述高频隔离变压器的二次侧串联有二极管，以便实现零电流开关。

7.根据权利要求4所述的电力机车的变流系统，其特征在于，在所述机车辅助负载供电电路与所述客车负载供电电路中，所述中间支撑回路包括串联在正负直流母线之间的两个等值的均压电阻；以及分别与两个所述均压电阻并联的支撑电容；两个所述支撑电容的连接点作为负载的三相四线制供电线中的中位点。

8.根据权利要求4所述的电力机车的变流系统，其特征在于，在所述机车辅助负载供电电路与所述客车负载供电电路中，还包括连接在所述逆变单元与负载之间的滤波单元。

9.根据权利要求8所述的电力机车的变流系统，其特征在于，所述滤波单元为LLC滤波单元。

10.根据权利要求1至9任一项所述的电力机车的变流系统，其特征在于，所述高频逆变单元、所述整流单元均采用全桥结构。

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