CN113992049B - 一种牵引变流器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种牵引变流器，其中，柜体内的变流器模块腔室和电抗器腔室分别位于冷却风机的两侧，高压腔室位于冷却风机腔室和电抗器腔室的侧面，柜体上设有能够连通变流器模块腔室的进风口和能够连通电抗器腔室的出风口，变流器模块腔室和冷却风机腔室内分别设有第一通风道和第二通风道，温度检测单元分别布置在变流器模块腔室和电抗器腔室中，传动控制单元根据温度检测单元反馈的数据传输控制信号给风机控制单元，布置在高压腔室内的风机控制单元根据控制信号控制冷却风机的转速。通过合理集成预充电回路、变流器模块和风机等器件实现变流器的小型化，并通过采集重要器件的关键参数实现设备故障预警及健康管理，提高了设备的可维护性。

Description

一种牵引变流器

技术领域

本发明涉及轨道交通设备技术领域，具体涉及一种用于地铁车辆的牵引变流器。

背景技术

随着城市轨道交通的快速发展，地铁车辆对于车载设备的各项性能提出了更高的要求。牵引变流器作为地铁车辆的关键设备，也越来越趋向于轻量化、模块化及智能化的方向发展。目前，地铁车辆牵引系统设备尽可能将相关功能单元集中在一个设备的方案，以提高设备集成度和车下空间的利用率，当前地铁车辆牵引变流器集成度越来越高，较高的集成有利于设备的轻量化和小型化，但与此同时，也会影响维护性和牵引变流器的通用性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种地铁车辆牵引变流器，通过合理集成预充电回路、变流器模块和风机等器件实现变流器的小型化，并通过采用集成化的变流器模块、合理的器件布局及通过采集重要器件的关键参数实现设备故障预警及健康管理，提高了设备的可维护性。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种牵引变流器，包括柜体,其中，柜体内设有布置冷却风机的冷却风机腔室、布置电抗器的电抗器腔室、布置变流器模块的变流器模块腔室和布置预充电单元模块的高压腔室，变流器模块腔室和电抗器腔室分别位于冷却风机的两侧，高压腔室位于冷却风机腔室和电抗器腔室的侧面，柜体上设有能够连通变流器模块腔室的进风口和能够连通电抗器腔室的出风口，变流器模块腔室内设有连通出风口和冷却风机腔室的第一通风道，变流器模块设有散热器，冷却风机腔室内设有连通电抗器腔室的第二通风道；还包括温度检测单元、风机控制单元和传动控制单元，其中，温度检测单元分别布置在变流器模块腔室和电抗器腔室中，用于检测变流器模块和电抗器的的温度并将数据反馈至传动控制单元，传动控制单元根据温度检测单元反馈的数据传输控制信号给风机控制单元，布置在高压腔室内的风机控制单元根据控制信号控制冷却风机的转速。

根据本发明的牵引变流器，通过将冷却风机布置在变流器模块和电抗器之间，可提高冷却风的利用率，减少冷却装置重量、体积和能耗，通过合理集成预充电回路、变流器模块和风机等器件实现变流器的小型化，并通过采用集成化的变流器模块、合理的器件布局提高了设备的可维护性。并且，变流器模块和电抗器中均设置有温度检测单元，用于检测器件温度并将信号反馈至传动控制单元，传动控制单元根据实际工况，对风机控制单元发出指令控制冷却风机转速，进而调节冷却风量的大小保证变流器和电抗器温度达到最佳状态，最终实现冷却风机闭环控制，减少冷却风机耗能。

对于上述技术方案，还可进行如下所述的进一步的改进。

根据本发明的牵引变流器，在一个优选的实施方式中，牵引变流器还包括电压电流检测模块和PHM(Prognostics Health Management)故障预测与健康管理单元。其中，电压电流检测模块布置在高压腔室内，用于检测冷却风机电源的三相电流值并传输给PHM单元，PHM单元用于根据电压电流检测模块和温度检测单元传输的数据与预设数据进行对比对监测冷却风机、第一通风道和第二通风道。

PHM单元通过监测变流器模块和电抗器温度数据及风机电源的三相电流值并对比预先设定值实现对散热系统状态预警，提示使用者对风机或风道等进行维护，实现了散热系统的状态维护的效果。

具体地，PHM单元通过预先布置在变流器模块散热器基板、支撑电容和电抗器内的温度传感器实现分别对IGBT(逆变器)、支撑电容和电抗器温度进行检测，通过对比预先设定值对其状态进行预警，通过传动控制单元接收接触器反馈的闭合和断开次数对接触器剩余寿命进行预测，通过监测风机电源的三相电流值，实现对风机状态监控和故障预警，实现对逆变器重要器件的故障预测与健康管理，并将信息反馈给车辆风机控制单元用于调节风机转速并检测风机状态并反馈至传动控制单元。

具体地，在一个优选的实施方式中，牵引变流器还包括直流电源，变流器模块包括支撑电容、斩波单元和逆变单元，电压电流检测模块包括用于检测直流电源正负极的电流的直流侧电流检测单元、用于检测直流电源的电压的直流侧电压检测单元、用于检测支撑电容两端的电容的中间电压检测单元、用于检测逆变单元的交流输出电流的交流侧电流检测单元和用于检测斩波侧电流的斩波电流检测单元。

通过将上述检测单元集中设计为一个功能模块，可以有效减少体积，提高组装效率和维护效率。

具体地，在一个优选的实施方式中，电抗器和支撑电容构成LC滤波器。

上述结构组成可以用于吸收直流侧电压和电流波动。

具体地，在一个优选的实施方式中，预充电单元包括接触器和电阻，并且接触器与传动控制单元电性连接。

具体地，工作时，传动控制单元控制接触器的开关实现对支撑电容的缓慢充电。

具体地，在一个优选的实施方式中，变流器模块还包括电机，逆变单元包括三相桥臂，并且三相桥臂与电机电性连接。

逆变器单元集成三相逆变器的三相桥臂将直流电逆变成频率、幅值可调的三相交流电，并驱动电机工作。

具体地，在一个优选的实施方式中，斩波单元包括可控半导体器件和制动电阻。

通过制动电阻可以实现抑制中间电压过高或者吸收制动时电机反馈的能量。

进一步地，在一个优选的实施方式中，高压腔室和变流器模块腔室相互连通为密封腔室，温度检测单元还布置在高压腔室与变流器模块腔室过渡处并将数据反馈至传动控制单元，传动控制单元根据温度检测单元反馈的数据监测柜体内的温度。

通过温度检测单元实现对密封腔室温度进行监控，温度数据传输给传动控制单元后，通过传动控制单元的自动控制作用，可以实现柜内火灾预警的效果。

具体地，在一个优选的实施方式中，温度检测单元包括温度传感器，温度传感器分别布置在变流器模块的散热器基板、支撑电容和电抗器上。

采用温度传感器测量温度，测量精准，易于布置，成本低。

进一步地，在一个优选的实施方式中，进风口和出风口布置在柜体的两侧面且沿与行车方向垂直的方向布置。

冷却风的进口和出口布置在变流器的两端面与行车方向垂直，可以减少车辆运行的气流对冷却风的影响。

进一步地，在一个优选的实施方式中，出风口和进风口均设有过滤器。

进风口和出风口设置过滤器，用于过滤较大固体杂质和水，防止风道堵塞。

具体地，在一个优选的实施方式中，柜体上设有对称布置的吊耳结构，吊耳结构采用螺栓连接的方式与柜体连接。

牵引变流器通过柜体上的吊耳安装在地铁列车底部，其中，吊耳通过螺栓与柜体连接，吊耳可根据车下安装接口不同进行配置，以适应不同安装接口。

具体地，在一个优选的实施方式中，第一通风道设置在变流器模块内，第二通风道内与电抗器腔室过渡处设有导风板。

具体地，变流器模块自带通风道，其一端与进风口的过滤器连接，另一端与冷却风机腔室连接，冷却风机腔室与电抗器腔室过渡处设置导风板，可以减少气动噪声。

进一步地，在一个优选的实施方式中，牵引变流器还包括靠近高压腔室侧的直流电源和斩波电阻线缆夹线模块，并且直流电源和斩波电阻线缆夹线模块的位置高于高压腔室侧，直流电源和斩波电阻线缆夹线模块包括安装板和布置在安装板上的直流电源、斩波电阻线缆连接器和线缆夹线装置。

通过采用单独安装板的形式分别将直流电源和斩波电阻线缆连接器，线缆夹线装置设计成直流电源和斩波电阻线缆夹线模块以提高组装效率并降低柜体加工难度，直流电源和斩波电阻线进出线位置位于高压腔室侧，有利于牵引变流器的电磁兼容性能。

进一步地，在一个优选的实施方式中，牵引变流器还包括靠近高压腔室侧的控制和风机电源线缆连接器模块，并且控制和风机电源线缆连接器模块的位置高于高压腔室侧，控制和风机电源线缆连接器模块包括安装板和布置在安装板上的控制、风机电源线缆连接器和线缆夹线装置。

通过采用单独安装板的形式分别将控制和风机电源线缆连接器，线缆夹线装置设计成控制和风机电源线缆连接器模块以提高组装效率并降低柜体加工难度，控制和风机电源线位置位于高压腔室侧，有利于牵引变流器的电磁兼容性能。

进一步地，在一个优选的实施方式中，牵引变流器还包括电机线缆夹线模块，电机线缆夹线模块布置在靠近变流器模块腔室侧的位置，电机线缆夹线模块包括安装板和布置在安装板上的电机线缆连接器和线缆夹线装置。

通过采用单独安装板的形式分别将电机线缆连接器，线缆夹线装置设计成电机线缆夹线模块以提高组装效率并降低柜体加工难度。

相比现有技术，本发明的优点在于：通过合理集成预充电回路、变流器模块和风机等器件实现变流器的小型化，并通过采用集成化的变流器模块、合理的器件布局及通过采集重要器件的关键参数实现设备故障预警及健康管理，提高了设备的可维护性。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1示意性显示了本发明实施例的牵引变流器的电气原理；

图2示意性显示了本发明实施例的牵引变流器的框架结构。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。

图1示意性显示了本发明实施例的牵引变流器10的电气原理。图2示意性显示了本发明实施例的牵引变流器10的框架结构，其中横向箭头表示风向，竖向箭头表示行车方向。

如图1所示，本发明实施例的牵引变流器10，包括柜体1。其中，柜体1内设有布置冷却风机2的冷却风机腔室11、布置电抗器3的电抗器腔室12、布置变流器模块4的变流器模块腔室13和布置预充电单元模块5的高压腔室14，变流器模块腔室14和电抗器腔室12分别位于冷却风机2的两侧，高压腔室14位于冷却风机腔室11和电抗器腔室12的侧面，柜体1上设有能够连通变流器模块腔室11的进风口和能够连通电抗器腔室12的出风口，变流器模块腔室13内设有连通出风口和冷却风机腔室的第一通风道，变流器模块4设有散热器，冷却风机腔室11内设有连通电抗器腔室12的第二通风道。如图1和图2所示，本发明实施例的牵引变流器10还包括温度检测单元9、风机控制单元101和传动控制单元102，其中，温度检测单元9分别布置在变流器模块腔室13和电抗器腔室12中，用于检测变流器模块4和电抗器3的温度并将数据反馈至传动控制单元102，传动控制单元102根据温度检测单元9反馈的数据传输控制信号给风机控制单元101，布置在高压腔室14内的风机控制单元101根据控制信号控制冷却风机2的转速。

根据本发明实施例的牵引变流器，通过将冷却风机布置在变流器模块和电抗器之间，可提高冷却风的利用率，减少冷却装置重量、体积和能耗，通过合理集成预充电回路、变流器模块和风机等器件实现变流器的小型化，并通过采用集成化的变流器模块、合理的器件布局提高了柜体空间利用率和设备的可维护性及维护便利性。并且，变流器模块和电抗器中均设置有温度检测单元，用于检测器件温度并将信号反馈至传动控制单元，传动控制单元根据实际工况，对风机控制单元发出指令控制冷却风机转速，进而调节冷却风量的大小保证变流器和电抗器温度达到最佳状态，最终实现冷却风机闭环控制，减少冷却风机耗能，

如图1和图2所示，进一步地，在本实施例中，牵引变流器10还包括电压电流检测模块103和PHM(Prognostics Health Management)故障预测与健康管理单元104。其中，电压电流检测模块103布置在高压腔室13内，用于检测冷却风机电源的三相电流值并传输给PHM单元104，PHM单元104用于根据电压电流检测模块103和温度检测单元9传输的数据与预设数据进行对比对监测冷却风机2、第一通风道和第二通风道。

PHM单元通过监测变流器模块和电抗器温度数据及风机电源的三相电流值并对比预先设定值实现对散热系统状态预警，提示使用者对风机或风道等进行维护，实现了散热系统的状态维护的效果。具体地，PHM单元通过预先布置在变流器模块散热器基板、支撑电容和电抗器内的温度传感器实现分别对IGBT(逆变器)、支撑电容和电抗器温度进行检测，通过对比预先设定值对其状态进行预警，通过传动控制单元接收接触器反馈的闭合和断开次数对接触器剩余寿命进行预测，通过监测风机电源21的三相电流值，实现对风机状态监控和故障预警，实现对逆变器重要器件的故障预测与健康管理，并将信息反馈给车辆风机控制单元用于调节风机转速并检测风机状态并反馈至传动控制单元。

如图1和图2所示，具体地，在本实施例中，牵引变流器10还包括直流电源105，变流器模块4包括支撑电容41、斩波单元42和逆变单元43，电压电流检测模块103包括用于检测直流电源正负极的电流的直流侧电流检测单元1031、用于检测直流电源的电压的直流侧电压检测单元1032、用于检测支撑电容两端的电容的中间电压检测单元1033、用于检测逆变单元的交流输出电流的交流侧电流检测单元1034和用于检测斩波侧电流的斩波电流检测单元1035。通过将上述检测单元集中设计为一个功能模块，可以有效减少体积，提高组装效率和维护效率。

具体地，在本实施例中，电抗器3和支撑电容41构成LC滤波器。上述结构组成可以用于吸收直流侧电压和电流波动。具体地，在本实施例中，预充电单元模块5包括接触器和电阻，并且接触器与传动控制单元电性连接。具体地，工作时，传动控制单元控制接触器的开关实现对支撑电容的缓慢充电。

具体地，在本实施例中，变流器模块4还包括电机44，逆变单元43包括三相桥臂，并且三相桥臂与电机44电性连接。逆变器单元集成三相逆变器的三相桥臂将直流电逆变成频率、幅值可调的三相交流电，并驱动电机工作。具体地，在本实施例中，斩波单元42包括可控半导体器件和制动电阻421。通过制动电阻可以实现抑制中间电压过高或者吸收制动时电机反馈的能量。

进一步地，在本实施例中，高压腔室14和变流器模块腔室13相互连通为密封腔室，温度检测单元9还布置在高压腔室14与变流器模块腔室13过渡处并将数据反馈至传动控制单元102，传动控制单元102根据温度检测单元9反馈的数据监测柜体1内的温度。通过温度检测单元实现对密封腔室温度进行监控，温度数据传输给传动控制单元后，通过传动控制单元的自动控制作用，可以实现柜内火灾预警的效果。

具体地，在本实施例中，温度检测单元9包括温度传感器，温度传感器分别布置在变流器模块4的散热器基板、支撑电容41和电抗器3上。采用温度传感器测量温度，测量精准，易于布置，成本低。

如图1所示，具体地，在本实施例中，进风口和出风口布置在柜体1的两侧面且沿与行车方向垂直的方向布置。冷却风的进口和出口布置在变流器的两端面与行车方向垂直，可以减少车辆运行的气流对冷却风的影响。进一步地，在本实施例中，出风口和进风口均设有过滤器15。进风口和出风口设置过滤器，用于过滤较大固体杂质和水，防止风道堵塞。

如图1所示，具体地，在本实施例中，柜体1上设有对称布置的吊耳结构16，吊耳结构16采用螺栓连接的方式与柜体1连接。牵引变流器通过柜体上的吊耳安装在地铁列车底部，其中，吊耳通过螺栓与柜体连接，吊耳可根据车下安装接口不同进行配置，以适应不同安装接口，提高牵引变流器的通用性。

具体地，在本实施例中，第一通风道设置在变流器模块4内，第二通风道内与电抗器腔室12过渡处设有导风板。具体地，变流器模块自带通风道，其一端与进风口的过滤器连接，另一端与冷却风机腔室连接，冷却风机腔室与电抗器腔室过渡处设置导风板，可以减少气动噪声。

如图1所示，进一步地，在本实施例中，牵引变流器10还包括靠近高压腔室14侧的直流电源和斩波电阻线缆夹线模块6，并且直流电源和斩波电阻线缆夹线模块6的位置高于高压腔室14侧，直流电源和斩波电阻线缆夹线模块6包括安装板和布置在安装板上的直流电源、斩波电阻线缆连接器和线缆夹线装置。通过采用单独安装板的形式分别将直流电源和斩波电阻线缆连接器，线缆夹线装置设计成直流电源和斩波电阻线缆夹线模块以提高组装效率并降低柜体加工难度，直流电源和斩波电阻线进出线位置位于高压腔室侧，有利于牵引变流器的电磁兼容性能。

如图1所示，进一步地，在本实施例中，牵引变流器10还包括靠近高压腔室14侧的控制和风机电源线缆连接器模块7，并且控制和风机电源线缆连接器模块7的位置高于高压腔室14侧，控制和风机电源线缆连接器模块7包括安装板和布置在安装板上的控制、风机电源线缆连接器和线缆夹线装置。通过采用单独安装板的形式分别将控制和风机电源线缆连接器，线缆夹线装置设计成控制和风机电源线缆连接器模块以提高组装效率并降低柜体加工难度，控制和风机电源线位置位于高压腔室侧，有利于牵引变流器的电磁兼容性能。

如图1所示，进一步地，在本实施例中，牵引变流器10还包括电机线缆夹线模块8，电机线缆夹线模块8布置在靠近变流器模块腔室13侧的位置，电机线缆夹线模块8包括安装板和布置在安装板上的电机线缆连接器和线缆夹线装置。通过采用单独安装板的形式分别将电机线缆连接器，线缆夹线装置设计成电机线缆夹线模块以提高组装效率并降低柜体加工难度。

根据上述实施例，可见，本发明涉及的牵引变流器，通过合理集成预充电回路、变流器模块和风机等器件实现变流器的小型化，并通过采用集成化的变流器模块、合理的器件布局及通过采集重要器件的关键参数实现设备故障预警及健康管理，提高了设备的可维护性。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种牵引变流器，其特征在于，包括柜体；其中，

所述柜体内设有布置冷却风机的冷却风机腔室、布置电抗器的电抗器腔室、布置变流器模块的变流器模块腔室和布置预充电单元模块的高压腔室；所述变流器模块腔室和所述电抗器腔室分别位于所述冷却风机的两侧，所述高压腔室位于所述冷却风机腔室和所述电抗器腔室的侧面；

所述柜体上设有能够连通所述变流器模块腔室的进风口和能够连通所述电抗器腔室的出风口；

所述变流器模块腔室内设有连通所述进风口和所述冷却风机腔室的第一通风道，所述变流器模块设有散热器；

所述冷却风机腔室内设有连通所述电抗器腔室的第二通风道；

还包括温度检测单元、风机控制单元和传动控制单元；其中，

所述温度检测单元分别布置在所述变流器模块腔室和所述电抗器腔室中，用于检测所述变流器模块和所述电抗器的温度并将数据反馈至所述传动控制单元；

所述传动控制单元根据所述温度检测单元反馈的数据传输控制信号给所述风机控制单元；

布置在所述高压腔室内的所述风机控制单元根据所述控制信号控制所述冷却风机的转速；

所述牵引变流器还包括电压电流检测模块和PHM单元；其中，

所述电压电流检测模块布置在所述高压腔室内，用于检测所述冷却风机的三相电流值并传输给所述PHM单元；

所述PHM单元用于根据所述电压电流检测模块和所述温度检测单元传输的数据与预设数据进行对比，并对所述冷却风机、所述第一通风道和所述第二通风道进行监测。

2.根据权利要求1所述的牵引变流器，其特征在于，所述牵引变流器还包括直流电源，所述变流器模块包括支撑电容、斩波单元和逆变单元；

所述电压电流检测模块包括用于检测直流电源的正负极电流的直流侧电流检测单元、用于检测直流电源的电压的直流侧电压检测单元、用于检测支撑电容的两端的电压的中间电压检测单元、用于检测所述逆变单元的交流输出电流的交流侧电流检测单元和用于检测斩波单元的电流的斩波电流检测单元。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的牵引变流器，其特征在于，所述高压腔室和所述变流器模块腔室相互连通为密封腔室，所述温度检测单元还布置在所述高压腔室与所述变流器模块腔室的过渡处并将数据反馈至所述传动控制单元；

所述传动控制单元根据所述温度检测单元反馈的数据监测所述柜体内的温度。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的牵引变流器，其特征在于，所述温度检测单元包括温度传感器，所述温度传感器分别布置在所述变流器模块的散热器基板、支撑电容和电抗器上。

5.根据权利要求1至2中任一项所述的牵引变流器，其特征在于，所述柜体上设有对称布置的吊耳结构，所述吊耳结构采用螺栓连接的方式与所述柜体连接。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的牵引变流器，其特征在于，所述牵引变流器还包括靠近所述高压腔室的一侧的直流电源和斩波电阻线缆夹线模块，并且所述直流电源和斩波电阻线缆夹线模块的位置高于所述高压腔室的一侧；

所述直流电源和斩波电阻线缆夹线模块包括安装板和布置在所述安装板上的直流电源、斩波电阻线缆连接器和线缆夹线装置。

7.根据权利要求1至2中任一项所述的牵引变流器，其特征在于，所述牵引变流器还包括靠近所述高压腔室的一侧的风机电源线缆连接器模块，并且所述风机电源线缆连接器模块的位置高于所述高压腔室的一侧；

所述风机电源线缆连接器模块包括安装板和布置在所述安装板上的风机电源线缆连接器和线缆夹线装置。

8.根据权利要求1至2中任一项所述的牵引变流器，其特征在于，所述牵引变流器还包括电机线缆夹线模块，所述电机线缆夹线模块布置在靠近所述变流器模块腔室的一侧的位置；

所述电机线缆夹线模块包括安装板和布置在所述安装板上的电机线缆连接器和线缆夹线装置。

9.根据权利要求1至2中任一项所述的牵引变流器，其特征在于，所述第一通风道设置在所述变流器模块内，所述第二通风道内与所述电抗器腔室的过渡处设有导风板。