CN114056105A - 轨道车辆牵引传动系统及轨道车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轨道车辆技术领域，提供一种轨道车辆牵引传动系统及轨道车辆。该轨道车辆牵引传动系统包括：电力电子变压器、碳化硅逆变器和永磁直驱电机，电力电子变压器通过碳化硅逆变器和永磁直驱电机电连接，电力电子变压器输出多种等级电压，其中一种输出电压为碳化硅逆变器供电，碳化硅逆变器为永磁直驱电机供电。本发明提供的轨道车辆包括上述轨道车辆牵引传动系统。本申请提供的轨道车辆牵引传动系统及轨道车辆，精简了列车牵引供电设备，简化了结构，可将牵引传动效率提高至0.92以上，极大地减小了牵引传动系统的损耗，降低了网侧容量配置，利于列车高速化、轻量化和低能耗的发展方向。

Description

轨道车辆牵引传动系统及轨道车辆
技术领域
本发明涉及轨道车辆技术领域，尤其涉及一种轨道车辆牵引传动系统及轨道车辆。
背景技术
目前，大型高速铁路干线，如京沪高铁，大量运行设计时速为350km/h的高速电动车组，其运行速度高、牵引功率大、列车启动和制动频繁。列车阻力曲线呈抛物线形式，高速运行时的阻力主要与速度平方成正比，阻力较大。此外，为了满足最高时速的考核指标，根据标准规定，列车在设计时速运行时需要预留0.05m/s2的剩余加速度。因此，考虑到较大的运行阻力及剩余加速度，需要较大的设计轮周牵引功率来满足列车高速运行。此外，为了充分利用电制动力，电制动功率通常不小于设计轮周牵引功率的1.2倍。
传统列车牵引传动系统主要由牵引变压器、牵引变流器、辅助变流器(或牵引/辅助变流器)、交流异步牵引电机、齿轮箱等组成。整个牵引传动系统，从牵引变压器至齿轮箱的传动效率较低，如复兴号动车组的整个牵引传动环节的效率约为0.85。为了满足牵引和制动要求，网侧容量配置较大，导致设备体积和重量均增加，使列车结构复杂化，被迫减少载客量，同时增大了轴重，加大了轮轨磨耗。此外，较低的传动效率使得列车能耗增加，运行成本增大。因此，简化高速动车组牵引传动系统结构，提高牵引传动效率具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种轨道车辆牵引传动系统及轨道车辆，用以解决现有技术中轨道车辆牵引传动系统结构复杂，传动效率低的缺陷，基于电力电子变压器、碳化硅和永磁直驱技术，为高速电动车组提供了一种新型、简单、高效的牵引传动系统。
本发明提供一种轨道车辆牵引传动系统，包括：电力电子变压器、碳化硅逆变器和永磁直驱电机，所述电力电子变压器通过所述碳化硅逆变器和所述永磁直驱电机电连接，所述电力电子变压器输出多种等级电压，其中一种输出电压为所述碳化硅逆变器供电，所述碳化硅逆变器为所述永磁直驱电机供电。
根据本发明提供的一种轨道车辆牵引传动系统，所述电力电子变压器包括AC-DC-DC-DC功率模块、DC3600V/DC600V Buck变换器和DC3600V/DC110V Buck变换器，所述AC-DC-DC-DC功率模块中的AC-DC模块输入侧级联接入交流电压，所述AC-DC-DC-DC功率模块中的DC-DC模块输出侧并联，形成3600V公共直流母线，所述DC3600V/DC600V Buck变换器输入侧接入3600V公共直流母线，输出形成600V公共直流母线，所述DC3600V/DC110V Buck变换器输入侧接入3600V公共直流母线，输出形成110V公共直流母线；
所述碳化硅逆变器连接于所述3600V公共直流母线。
根据本发明提供的一种轨道车辆牵引传动系统，所述600V公共直流母线为车载辅助系统供电，所述110V公共直流母线为列车网络及控制系统、照明和逆变电源供电。
根据本发明提供的一种轨道车辆牵引传动系统，所述电力电子变压器设置两个。
根据本发明提供的一种轨道车辆牵引传动系统，两个所述电力电子变压器的3600V公共直流母线与3600V公共直流母线之间由断路器分段、600V公共直流母线与600V公共直流母线之间由断路器分段，110V公共直流母线全列贯穿，采用并网方式运行。
根据本发明提供的一种轨道车辆牵引传动系统，每个所述电力电子变压器形成的所述3600V公共直流母线对应并联两个所述碳化硅逆变器。
根据本发明提供的一种轨道车辆牵引传动系统，每个所述碳化硅逆变器对应驱动四个永磁直驱电机。
根据本发明提供的一种轨道车辆牵引传动系统，还包括蓄电池，所述蓄电池设置于两个所述电力电子变压器的110V公共直流母线上。
本发明还提供一种轨道车辆，包括：本发明的轨道车辆牵引传动系统。
本发明提供的一种轨道车辆牵引传动系统，采用电力电子变压器取代了传统牵引传动系统中的牵引变压器和四象限整流器；牵引逆变器采用碳化硅技术，提高开关频率，减小器件损耗；牵引电机采用永磁同步电机和直驱传动技术，取消了齿轮箱，提高了传动效率，降低了噪音，避免了废齿轮油、废橡胶关节回收、处理不当造成的环境污染，降低了全寿命周期成本。本申请精简了列车牵引供电设备，简化了结构，可将牵引传动效率提高至0.92以上，极大地减小了牵引传动系统的损耗，降低了网侧容量配置，利于列车高速化、轻量化和低能耗的发展方向。
进一步地，本发明还提供一种轨道车辆。其包括本发明的轨道车辆牵引传动系统，简化了牵引传动系统的结构，同时提高了牵引传动效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的轨道车辆牵引传动系统的连接示意图；
图2是本发明提供的电力电子变压器的主电路结构示意图；
附图标记：
100：电力电子变压器； 200：碳化硅逆变器；
300：永磁直驱电机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。
下面结合图1和图2描述本发明的一种轨道车辆牵引传动系统。该轨道车辆牵引传动系统包括：电力电子变压器100、碳化硅逆变器200和永磁直驱电机300，电力电子变压器100通过碳化硅逆变器200和永磁直驱电机300电连接，电力电子变压器100输出多种等级电压，其中一种输出电压为碳化硅逆变器200供电，碳化硅逆变器200为永磁直驱电机300供电。
具体地，牵引逆变器布置在动车组动车车下设备舱，采用碳化硅器件，以减小损耗，提高效率，也即采用碳化硅逆变器200。为提高传动效率，牵引电机采用永磁同步电机，并采用直驱技术，取消了齿轮箱，消除了齿轮传动机构导致的噪音、漏油、振动等一系列问题，省去了齿轮箱的维护工作，降低了全寿命周期成本。永磁直驱电机300由碳化硅逆变器200供电，永磁直驱电机300运用最大转矩电流比控制和弱磁控制技术，可保证在碳化硅逆变器200整个输出电压和频率范围内运行。
本发明实施例的轨道车辆牵引传动系统是基于电力电子变压器100、碳化硅和永磁直驱技术，为高速电动车组提供了一种新型、简单、高效的牵引传动系统。采用电力电子变压器100取代了传统牵引传动系统中的牵引变压器和四象限整流器，并利用公共直流母线为牵引和辅助系统，以及110V直流负载供电(下文进行详细描述)。牵引逆变器采用碳化硅技术，提高开关频率，减小器件损耗。牵引电机采用永磁同步电机和直驱传动技术，取消了齿轮箱，提高了传动效率，降低了噪音，避免了废齿轮油、废橡胶关节回收、处理不当造成的环境污染，降低了全寿命周期成本。本申请精简了列车牵引供电设备，简化了结构，可将牵引传动效率提高至0.92以上，极大地减小了牵引传动系统的损耗，降低了网侧容量配置，利于列车高速化、轻量化和低能耗的发展方向。
如图2所示，在本发明的其中一个实施例中，电力电子变压器100包括AC-DC-DC-DC功率模块、DC3600V/DC600V Buck变换器和DC3600V/DC110V Buck变换器，AC-DC-DC-DC功率模块中的AC-DC四象限PWM整流器模块输入侧级联接入交流电压，AC-DC-DC-DC功率模块中的DC-DC高频变换器模块输出侧并联，形成3600V公共直流母线，DC3600V/DC600V Buck变换器输入侧接入3600V公共直流母线，输出形成600V公共直流母线，DC3600V/DC110V Buck变换器输入侧接入3600V公共直流母线，输出形成110V公共直流母线；碳化硅逆变器200连接于3600V公共直流母线。进一步地，AC-DC-DC-DC功率模块包括级联模块、高压高频模块和低压高频模块，上述模块如图2进行连接，实现降压及电流制式的变换。在本实施例中，电力电子变压器100包括13个AC-DC-DC-DC功率模块，其中12个功率模块中AC-DC整流级交流侧采用串联结构，接入交流25kV电压，DC-DC隔离级采用双有源桥变换器，输出侧并联，输出直流电压3600V，另外1个功率模块为备用；还包括1个DC3600V/DC600V Buck变换器和1个DC3600V/DC110V Buck变换器。具体地，电力电子变压器100布置在受电弓拖车车下设备舱，AC-DC四象限PWM整流器模块输入侧级联接入交流25kV；DC-DC高频变换器模块输出侧并联，形成3600V公共直流母线；DC3600/DC600V Buck变换器输入端接入DC-DC双有源变换器输出侧，输出600V电压，形成公共直流母线，为600V辅助系统供电，其主要负载为空调和冷却器；DC3600/DC110V Buck变换器输入端接入DC-DC双有源变换器输出侧，输出110V电压，其主要负载为列车网络及控制系统、照明和逆变电源等。电力电子变压器100的3600V电源冗余度很高，在部分AC-DC-DC-DC变换器故障时，仍可保证DC3600/DC600V Buck变换器和DC3600/DC110V Buck变换器正常供电。
上述电力电子变压器100的工作原理如下：正常运行工况下，电力电子变压器100从受电弓获取的25kV交流电能，经AC-DC-DC-DC功率模块转换为3600V直流电压。AC-DC模块输入侧采用级联结构，12个单相PWM整流器输入侧串联接入交流25kV，通过控制直流电压和交流侧电流，实现能量稳定传输及单位功率因数运行。此外，交流侧采用载波移相调制技术，消除网侧谐波。DC-DC模块采用双有源桥变换器，输出侧采用并联结构，采用移相控制策略，输出3600V，为牵引逆变器供电。DC-DC模块
采用具有高开关频率的MOSFET器件，以匹配高频隔离变压器。DC3600V/DC600VBuck变换器输入侧接入3600V直流端，通过降压斩波，调节脉冲占空比，输出600V直流电压，形成公共直流母线，为600V负载供电。DC3600V/DC110V Buck变换器输入侧接入3600V公共直流母线，工作原理与DC3600V/DC600V Buck变换器相似，输出110V直流电压，为110V负载供电。
在本发明的其中一个实施例中，600V公共直流母线为车载辅助系统供电，例如空调和冷却器等，110V公共直流母线为列车网络及控制系统、照明、影视广播和逆变电源等供电。
在本发明的其中一个实施例中，电力电子变压器100设置两个。两台电力电子变压器100与对应的碳化硅逆变器200和永磁直驱电机300组成两个动力单元，两台电力电子变压器100集成了全车的牵引和辅助电源，有利于车辆轻量化和高效率。进一步地，两个电力电子变压器100的3600V公共直流母线与3600V公共直流母线之间由断路器分段、600V公共直流母线与600V公共直流母线之间由断路器分段，110V公共直流母线全列贯穿，采用并网方式运行。即上述实施例的轨道车辆牵引传动系统贯穿3条公共直流母线，分别为3600V公共直流母线、600V公共直流母线和110V公共直流母线，3600V公共直流母线和600V公共直流母线在两个动力单元之间用断路器进行分段。
上述实施例中，2台电力电子变压器100的600V及110V供电回路均可全功率备用，即1台电力电子变压器600V和110V供电回路故障时，另一台电力电子变压器100能保证全车600V辅助系统和110V负载满功率运行。两台电力电子变压器100集成了全车的牵引和辅助电源，有利于车辆轻量化和高效率。具体工作原理如下：两台电力电子变压器100中，600V和110V电源全功率备用，1台电力电子变压器100因故无法给600V和110V负载供电时，闭合600V公共直流母线分段断路器，另一台电力电子变压器100可保证600V和110V负载全功率运行。考虑到容量合理配置，供给牵引逆变器的3600V电源不作全功率备用；当3600V电源故障时，整列动车组以50％牵引功率运行，此时可保证列车在12‰坡道上起动。
更进一步地，每个电力电子变压器100形成的3600V公共直流母线对应并联两个碳化硅逆变器200；每个碳化硅逆变器200对应驱动四个永磁直驱电机300。由于设备箱体重量占比较大，因此采用一台牵引逆变器驱动4台电机的方式。具体工作原理为：牵引逆变器直流输入端接入3600V公共直流母线，输出幅值和频率可变的交流电为牵引电机供电。
在本发明的其中一个实施例中，该轨道车辆牵引传动系统还包括蓄电池，蓄电池设置于电力电子变压器100的110V公共直流母线上。电力电子变压器100输出110V，形成公共直流母线，为列车网络及控制系统、照明和逆变电源供电，取消了充电机，在两个电力电子变压器输出的110V直流母线上各配置了一台蓄电池，可保证列车在无网压时，能够应急通风至少大于90分钟，且其余应急用电如应急照明、应急显示、维修用电、通讯及其控制等辅助设备在120分钟时间内保持运行。此外，还满足故障被救援时，在上述2h应急供电的基础上再等待救援5小时(考虑必要负载)、1小时联挂及制动试验、被救援走行开始后启动自发电功能或维持拖拽模式制动功能的供电能力。
本发明还提供一种轨道车辆。该轨道车辆包括：上述实施例的轨道车辆牵引传动系统，该轨道车辆牵引传动系统特别适用于高速电动车组，简化了牵引传动系统的结构，同时提高了牵引传动效率。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (9)

1.一种轨道车辆牵引传动系统，其特征在于，包括：电力电子变压器、碳化硅逆变器和永磁直驱电机，所述电力电子变压器通过所述碳化硅逆变器和所述永磁直驱电机电连接，所述电力电子变压器输出多种等级电压，其中一种输出电压为所述碳化硅逆变器供电，所述碳化硅逆变器为所述永磁直驱电机供电。
2.根据权利要求1所述的轨道车辆牵引传动系统，其特征在于，所述电力电子变压器包括AC-DC-DC-DC功率模块、DC3600V/DC600V Buck变换器和DC3600V/DC110V Buck变换器，所述AC-DC-DC-DC功率模块中的AC-DC模块输入侧级联接入交流电压，所述AC-DC-DC-DC功率模块中的DC-DC模块输出侧并联，形成3600V公共直流母线，所述DC3600V/DC600V Buck变换器输入侧接入3600V公共直流母线，输出形成600V公共直流母线，所述DC3600V/DC110VBuck变换器输入侧接入3600V公共直流母线，输出形成110V公共直流母线；
所述碳化硅逆变器连接于所述3600V公共直流母线。
3.根据权利要求2所述的轨道车辆牵引传动系统，其特征在于，所述600V公共直流母线为车载辅助系统供电，所述110V公共直流母线为列车网络及控制系统、照明和逆变电源供电。
4.根据权利要求2所述的轨道车辆牵引传动系统，其特征在于，所述电力电子变压器设置两个。
5.根据权利要求4所述的轨道车辆牵引传动系统，其特征在于，两个所述电力电子变压器的3600V公共直流母线与3600V公共直流母线之间由断路器分段、600V公共直流母线与600V公共直流母线之间由断路器分段，所述110V公共直流母线全列贯穿，采用并网运行方式。
6.根据权利要求4所述的轨道车辆牵引传动系统，其特征在于，每个所述电力电子变压器形成的所述3600V公共直流母线对应并联两个所述碳化硅逆变器。
7.根据权利要求6所述的轨道车辆牵引传动系统，其特征在于，每个所述碳化硅逆变器对应驱动四个永磁直驱电机。
8.根据权利要求5所述的轨道车辆牵引传动系统，其特征在于，还包括蓄电池，所述蓄电池设置于所述电力电子变压器的110V公共直流母线上。
9.一种轨道车辆，其特征在于，包括：权利要求1-8中任意一项所述的轨道车辆牵引传动系统。
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