CN114274788A - 一种应用于电力机车的牵引系统主电路简统化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力机车牵引系统主电路的设计，具体为一种应用于电力机车的牵引系统主电路简统化设计方法。本发明所述简统化方法，主要是通过对市场用户需求分析，结合公司大批量干线电力机车运行经验，将多种系统主电路形式及功率配置进行简统化设计，通过产品级和部件级技术分解，以及功能模块共享，形成自身的核心技术平台及产品平台，以达到技术支撑平台，在平台上做产品，在平台基础上支持多产品和多客户的电传动系统解决方案，进行快速复制、开发，提高系统方案设计响应速度的目的。并且根据系统主电路设计提出部件简统化输入条件，在兼容公司目前批量应用干线机车电气接口、机械接口等技术要求基础上，实现部件产品种类、规格型号优选。
Description
技术领域
本发明涉及电力机车牵引系统主电路的设计，具体为一种应用于电力机车的牵引系统主电路简统化设计方法。
背景技术
随着人民生活水平的提高，铁路行业的飞速发展，铁路客货运输需求快速增长。因此，打造更加安全可靠、经济先进、节能环保的客货列车，达到运输安全、可靠的目的成为一种发展趋势，这就对牵引辅助系统的可靠性、轻量化、小型化提出了更高的要求。
通过对国内主要运行的干线电力机车进行梳理分析，其整车功率集中在5400kW~9600kW之间，轴功率在1200kW~1600kW之间，按照IGBT等级主要分为 3300V、4500V、6500V；对于单个转向架，按照主电路拓扑结构主要分为一整一逆独立中间回路、二整二逆共中间回路、二整三逆共中间回路及三整三逆共中间回路。按单转向架进行配置，机车辅助系统主要分为变压器副边取电和中间直流取电的结构，单路容量在110kVA-260kVA之间。由于电力机车系统主电路形式繁多及牵引轴功率、辅助容量等级不等，在系统方案设计时，采用较多不同的主电路形式，会造成系统产品及部件种类类别、规格型号居多，部件备品备件居多，部件通用互换性、标准化设计难度高，并且占据大量库存，部件可靠性难以保证，不利于部件统型设计，系统可靠性不稳定，市场客户响应速度慢。
现有技术的技术方案
电力机车牵引、辅助系统主电路形式繁多，牵引系统轴功率及辅助系统容量功率等级不等，系统电气参数不同。
现有技术的缺点
1.电力机车系统主电路拓扑形式不一，牵引系统轴功率及辅助系统容量功率等级不等，系统电气参数不同，系统产品种类繁多，设计成本高，系统稳定性不高。
2.对于多产品和多客户的电传动系统解决方案，功能共享单元不能快速复制和开发，系统方案设计响应速度慢。
3.系统产品部件产品种类、规格型号较多，备品备件多，厂内积压库存量大，不利于产品重复使用，设计成本高。
4.系统产品部件通用互换性、简统化、标准化设计技术要求低，部件可靠性低，降低了系统可靠性。
发明内容
本发明从系统主电路可靠性实际应用出发，解决以下几方面的问题：
1.通过系统主电路简统化设计，深入了解市场用户需求，研究系统主电路工作原理，优选主电路形式，形成自身的系统核心技术平台及产品平台，降低系统开发成本，提高系统可靠性；
2.通过产品级和部件级技术分解，以及功能模块共享，在平台基础上支持多产品和多客户的电传动系统解决方案，进行快速复制、开发，提高系统方案设计响应速度；
3.根据系统主电路设计提出部件简统化输入条件，在兼容公司目前批量应用干线机车电气接口、机械接口等技术要求基础上，实现部件产品种类、规格型号优选，形成货架产品，降低设计成本；
4.通过部件的优选，提高系统部件通用互换性、简统化、标准化设计技术要求，实现易损易耗件和通用件的互换，降低维修维护成本，提高部件可靠性，提升系统整体可靠性。
本发明是采用如下方案实现的：一种应用于电力机车的牵引系统主电路简统化设计方法，牵引系统采用轴控方式，牵引系统供电方式采用独立中间回路，每个独立中间回路包括预充电回路、四象限整流器、支撑电容、中压检测单元、接地检测单元、斩波电路和逆变器，并驱动一台牵引电机。
轴控方式系统的冗余度更高，且能实现单轴传动，可灵活地实现轴重转移的电气补偿，更好地利用黏着；而架控方式因控制系统较简单，经济性相对较好。独立中间回路冗余性高，利于故障定位。
进一步的，独立中间回路中还包括二次谐振电路，牵引系统的辅助变流器取电方式为中间直流回路取电；独立中间回路为两路，驱动两台牵引电机，此时轴功率为1200kW，IGBT电压等级为3300V，辅助容量180kVA；
或者独立中间回路为三路，驱动三台牵引电机，此时轴功率为1200kW，IGBT电压等级为3300V，辅助容量270kVA。
进一步的，牵引系统的辅助变流器取电方式为变压器副边绕组取电；独立中间回路为两路（无二次谐振滤波电路），驱动两台牵引电机，此时轴功率为1600kW，IGBT电压等级为6500V，辅助容量270kVA。
本发明从系统主电路可靠性实际应用出发，设计了一种电力机车的牵引系统主电路简统化设计方法，有以下有益效果：
1.通过系统主电路简统化设计，优选主电路形式，形成自身的系统核心技术平台及产品平台，降低系统开发成本，提高系统可靠性；
2.通过产品级和部件级技术分解，以及功能模块共享，进行快速复制、开发，提高系统方案设计响应速度；
3.通过系统主电路设计提出部件简统化输入条件，实现部件产品种类、规格型号优选，形成货架产品，降低设计成本；
4.实现易损易耗件和通用件的互换，降低维修维护成本；
5.通过部件的优选，提高系统部件通用互换性、简统化、标准化设计技术要求，提高部件可靠性，提升系统整体可靠性。
附图说明
图1独立中间回路结构示意图。
图2 两整两逆中间回路结构示意图。
图3三整三逆共中间回路结构示意图。
图4二整三逆共中间回路结构示意图。
图5辅助次边取电电路拓扑结构。
图6滤波电感集成变压器电路拓扑结构（用于中间回路取电）。
图7 33B0DC主电路拓扑结构。
图8 33C0DC主电路拓扑结构。
图9 5B0TR主电路拓扑结构。
具体实施方式
实施例1
本发明所述各独立中间回路结构基本相同，区别在于IGBT电压等级为3300V时，有二次谐振滤波电路，IGBT电压等级为6500V时，无二次谐振滤波电路。以第一个独立中间回路为例（图7、8、9的第一个独立中间回路所示），该独立中间回路包括由变压器副边引出的两个端子，第一端子分成两路，一路顺次连接开关AK和电阻CHR1，之后与四象限整流器的第一输入端连接，另一路通过开关K与四象限整流器的第一输入端连接；第二端子与四象限整流器的第二输入端连接（构成预充电回路）；电感L1-2F和电容C1-2F串联在四象限整流器的正负输出端之间，电感L1-2F和电容C1-2F的中点连接有电阻R1-2F，电阻R1-2F另一端与四象限整流器的负输出端相连接（作为二次谐振电路，图9中无该电路）；电阻HR1和灯HD1串联在四象限整流器的正负输出端之间，电压传感器PT1连接在四象限整流器的正负输出端之间；两个电阻GRe1和GRe2串联在四象限整流器的正负输出端之间，电阻GRe1和GRe2的中点分别连接有电容GC1和电压传感器PT2并接地；电容GC1和电压传感器PT2的另一端与四象限整流器的负输出端相连接（构成接地检测单元）；电阻DR1和电容FC1（支撑电容）并联在四象限整流器的正负输出端之间；所述斩波电路包括一个IGBT桥臂以及电阻DVR1，电阻DVR1一端与IGBT桥臂中点连接，另一端与四象限整流器的负输出端相连接；逆变器由三个IGBT桥臂组成，共有三个输出端，用于驱动一台牵引电机。
实施例2
如图7、8所示，中间直流回路取电所用电路如下：某一个独立中间回路的四象限整流器的正负输出端分别引出一个端子，两个端子之间并联有电压传感器PT5和电容AFC；两个端子连接有逆变器，所述逆变器由三个IGBT桥臂组成，逆变器的三个输出端连接有变压器IVTR，变压器IVTR的副边输出端连接有三个相互并联的电容ACC；变压器IVTR的副边输出端经过开关3PHMK后分出两路分支，一路输出380V交流电，另一路输出至控制单元。
实施例3
如图9所示，变压器副边绕组取电所用电路包括由变压器副边引出的两个端子，第一端子分成两路，一路顺次连接开关AK2和电阻ACR，之后连接由两个IGBT桥臂构成的整流器的第一输入端，另一路通过开关K2与整流器的第一输入端连接；第二端子通过熔断器FU1与整流器的第二输入端连接；电阻AHR和灯AHD串联在整流器的正负输出端之间，电压传感器PT5连接在整流器的正负输出端之间；两个电阻AGRe1和AGRe2串联在整流器的正负输出端之间，电阻AGRe1和AGRe2的中点分别连接有电容AGC和电压传感器PT6并接地；电容AGC和电压传感器PT6的另一端与整流器的负输出端相连接；电阻ADR和电容AFC并联在整流器的正负输出端之间；还包括由三个IGBT桥臂构成的逆变器，逆变器共有三个输出端，三个输出端通过三个电感LF连接三个相互并联的电容ACC；逆变器的输出端经过开关3PHMK后分出两路分支，一路输出380V交流电，另一路输出至控制单元；还包括为负载供电的列供回路；所述列供回路包括由变压器副边引出的两个端子，第一端子分成两路，一路顺次连接开关AK3和电阻PCR，之后连接由两个IGBT桥臂构成的整流器的第一输入端，另一路通过开关K3与整流器的第一输入端连接；第二端子通过熔断器FU2与整流器的第二输入端连接；电容PFC连接在整流器的正负输出端之间，电阻PHR和灯PHD串联在整流器的正负输出端之间，电阻PDR和开关KM串联在整流器的正负输出端之间，电压传感器PT7连接在整流器的正负输出端之间。
本发明设计了一种应用于电力机车的牵引系统主电路简统化方法，主要是通过对市场用户需求分析，结合公司大批量干线电力机车运行经验，将多种系统主电路形式及功率配置进行简统化设计，通过产品级和部件级技术分解，以及功能模块共享，形成自身的核心技术平台及产品平台，以达到技术支撑平台，在平台上做产品，在平台基础上支持多产品和多客户的电传动系统解决方案，进行快速复制、开发，提高系统方案设计响应速度的目的。并且根据系统主电路设计提出部件简统化输入条件，在兼容公司目前批量应用干线机车电气接口、机械接口等技术要求基础上，实现部件产品种类、规格型号优选；提出部件通用互换性、简统化、标准化设计技术要求；通过对部件选型应用、故障失效机理等深层次基础技术研究，形成货架产品，减少备品备件，降低成本，提高产品可靠性，快速响应市场客户需求，打造更加安全可靠、经济先进的客货列车。
发明人对市场用户进行需求梳理分析，目前国内主要运行的电力机车整车功率在5400kW～9600kW之间，牵引电传动系统按照轴式控制方式，可以分为轴控、架控和车控方式。其中，轴控方式系统的冗余度更高，且能实现单轴传动，可灵活地实现轴重转移的电气补偿，更好地利用黏着；而架控方式因控制系统较简单，经济性相对较好。
牵引系统按照供电方式，又可以分为独立中间回路和共用中间回路两大类，独立中间回路冗余性高，利于故障定位；共中间回路可以降低成本、缩小体积；对于单个转向架，单轴牵引功率在1200～1600kW之间，按照主电路拓扑结构分为一整一逆独立中间回路、二整二逆共中间回路、二整三逆共中间回路及三整三逆共中间回路。
辅助系统按照取电方式，分为变压器副边取电和中间直流取电的结构。按照主电路拓扑结构分两类，AC-DC-AC方式、DC-AC方式。辅助系统通常按单转向架进行配置，机车辅助系统单路容量在110kVA-260kVA之间。正常情况分VVVF和CVCF两种供电方式，故障工况下其中一组辅助能够通过冗余切换带动整车的辅助负载。
牵引辅助系统按照IGBT等级，主要分为1700V、3300V、4500V和6500V四种，考虑到检修市场、器件库存、故障率等多方面因素，因此系统采用的器件与之简统，以便合理保持库存。
（1）牵引系统主电路拓扑
牵引回路通常按单轴进行配置，由网侧电路、主变压器、牵引变流器和牵引电机等构成，每组牵引变流器由交流输入回路、四象限功率单元、中间直流回路、逆变器以及相应的驱动控制单元和冷却单元等组成，通过交直交变换，分别给牵引电机提供电源。
一整一逆独立中间回路
如图1所示，一整一逆主电路完全独立，单个四象限和单个逆变器组成完全独立的供电单元，每一个独立的单元中都拥有独立的接地检测电路及固定放电电路，故障排查过程中比较方便，一旦发生故障后可以快速准确地故障定位并进行故障隔离，冗余性高。
二整二逆、三整三逆共中间回路
如图2、3所示，二整二逆共和三整三逆共中间回路可作为一整一逆主电路的拓展形式。拓展主电路在一整一逆主电路形式上采用将两个（三个）四象限并联，通过设置隔离开关的方式对故障的四象限/逆变模块进行故障隔离，当一个牵引整流器支路故障时，整车切除一个轴，损失单轴动力。
二整三逆共中间回路
如图4所示，二整三逆共中间回路可以实现中间回路资源的最大利用，其中四象限的数量少，节省空间；但由于四象限整流器的数量较逆变器少，整流器需要发挥更大的效率，该电路拓扑不利于四象限和逆变模块的统型设计。
（2）辅助系统主电路拓扑
辅助系统按照取电方式，分为变压器副边取电和中间直流取电的结构。按照主电路拓扑结构分两类，AC-DC-AC方式、DC-AC方式。正常情况分VVVF和CVCF两种供电方式，故障工况下其中一组辅助能够通过冗余切换带动整车的辅助负载。
变压器副边取电
辅助变流器采用变压器副边绕组取电，主回路由交流输入单元、四象限整流单元、接地检测回路、快速放电回路、逆变输出单元组成，逆变电路采用成熟的两电平三相桥式逆变结构，然后经过LC滤波，得到交流AC380V输出。
如图5所示，牵引变压器副边取电的结构可以实现牵引和辅助电路独立工作，不受互相影响；由于变压器次边取电电压较低，开关频率较高，输出滤波电抗器的体积都较小，因此整体体积也较小。由于包含了预充电电回路，四象限功率单元，接地回路、快放电回路等，增加了系统的复杂度和故障点。
中间回路取电
如图6所示，辅助变流器采用中间直流回路取电，主电路结构简单，回路中环节较少，电路可靠性较高，经济性相对较好；同时输出采用了变压器隔离，一方面能够保证辅助变流器输出与高压隔离，整车安全性较高，另一方面当辅助负载出现接地、短路等故障情况，能够通过变压器及时隔离，不会对牵引系统造成影响。但该类型的辅助变流器因增加了变压器，整体体积较大。
（3）系统主电路简统化设计
系统主电路简统化设计原则及方法：
电力机车用途
根据电力机车用途分为货运电力机车和客运电力机车，为匹配机车的实际应用需求，如高速和重载，电力机车的轴重和轮周功率选择往往不同。
《铁路主要技术政策》
综合考虑《铁路主要技术政策》中货运能力、编组方式、机车启动黏着系数、线路运输条件等多方面条件的影响。机车的发展集中于两个方向，分别为高速客运和重载低速货运。
牵引系统轴功率
根据目前市场应用电力机车轴功率，结合货运机车低速重载的需求和客运电力机车高运行速度的需求，对1200kW、1400kW、1600kW这三种牵引系统轴功率进行主电路拓扑计算分析。
IGBT器件发展及应用能力
按照主流器件当前应用的成熟度、可靠性，结合公司机车动车IGBT应用情况，选取3300V/1500A、4500V/1200A、6500V/750A作为基础器件计算IGBT器件的最大电流输出能力，保证主电路的简统化参数选取时，IGBT能够可靠工作。
辅助系统容量及取电方式
辅助系统通常按单转向架进行配置，每台机车有两组辅助供电回路，根据取电电源不同，主要有辅助中间取电型、辅助次边取电型两种形式。不管何种取电方式，由于辅助系统与机车牵引功率之间的对应关系，机车辅助系统单路容量在110kVA-260kVA之间，选取辅助系统单路容量为180kVA和270kVA进行计算。
公司批量运行电力机车设计经验
结合公司干线电力机车批量运行经验，考虑系统应用成熟性、冗余性、经济性、可靠性。
通过综合考虑以上条件，结合变流器轻量化设计、经济性、冗余性、批量产品成熟应用等，将系统主电路简统为三种形式，按轴功率的不同作为大的分类，分为1200kW和1600kW两种牵引辅助系统。系列产品中按IGBT等级分为两大类：3300V和6500V，如表1所示。
33B0DC
如图7所示，当变流器轴功率小于或等于1200kW，轴式为2（B0-B0）时，优选3300V等级IGBT独立中间回路辅助中间取电，有二次滤波电路，主辅一体电器结构形式。
33C0DC
如图8所示，当变流器轴功率小于等于1200kW，轴式为C0-C0时，优选3300V等级IGBT独立中间回路辅助中间取电，有二次滤波电路，主辅一体电器结构形式。
65B0TR
如图9所示，当变流器轴功率大于1200kW，轴式为2（B0-B0）时，轴式为B0-B0时，优选6500V等级IGBT平台独立中间回路辅助次边取电，无二次滤波电路，主辅一体电器结构形式。
Claims (10)
1.一种应用于电力机车的牵引系统主电路简统化设计方法，其特征在于，牵引系统采用轴控方式，牵引系统供电方式采用独立中间回路，每个独立中间回路包括预充电回路、四象限整流器、支撑电容、中压检测单元、接地检测单元、斩波电路和逆变器，并驱动一台牵引电机。
2.如权利要求1所述的一种应用于电力机车的牵引系统主电路简统化设计方法，其特征在于，每个独立中间回路还包括二次谐振电路；牵引系统的辅助变流器取电方式为中间直流回路取电。
3.如权利要求1所述的一种应用于电力机车的牵引系统主电路简统化设计方法，其特征在于，牵引系统的辅助变流器取电方式为变压器副边绕组取电。
4.如权利要求2所述的一种应用于电力机车的牵引系统主电路简统化设计方法，其特征在于，所述独立中间回路为两路，驱动两台牵引电机，轴功率为1200kW，IGBT电压等级为3300V，辅助容量180kVA。
5.如权利要求2所述的一种应用于电力机车的牵引系统主电路简统化设计方法，其特征在于，所述独立中间回路为三路，驱动三台牵引电机，轴功率为1200kW，IGBT电压等级为3300V，辅助容量270kVA。
6.如权利要求3所述的一种应用于电力机车的牵引系统主电路简统化设计方法，其特征在于，所述独立中间回路为两路，驱动两台牵引电机，轴功率为1600kW，IGBT电压等级为6500V，辅助容量270kVA；各独立中间回路结构相同，以第一个独立中间回路为例，该独立中间回路包括由变压器副边引出的两个端子，第一端子分成两路，一路顺次连接开关AK和电阻CHR1，之后与四象限整流器的第一输入端连接，另一路通过开关K与四象限整流器的第一输入端连接；第二端子与四象限整流器的第二输入端连接；电阻HR1和灯HD1串联在四象限整流器的正负输出端之间，电压传感器PT1连接在四象限整流器的正负输出端之间；两个电阻GRe1和GRe2串联在四象限整流器的正负输出端之间，电阻GRe1和GRe2的中点分别连接有电容GC1和电压传感器PT2并接地；电容GC1和电压传感器PT2的另一端与四象限整流器的负输出端相连接；电阻DR1和电容FC1并联在四象限整流器的正负输出端之间；所述斩波电路包括一个IGBT桥臂以及电阻DVR1，电阻DVR1一端与IGBT桥臂中点连接，另一端与四象限整流器的负输出端相连接；逆变器由三个IGBT桥臂组成，共有三个输出端，用于驱动一台牵引电机。
7.如权利要求2、4、5任一项所述的一种应用于电力机车的牵引系统主电路简统化设计方法，其特征在于，各独立中间回路结构相同，以第一个独立中间回路为例，该独立中间回路包括由变压器副边引出的两个端子，第一端子分成两路，一路顺次连接开关AK和电阻CHR1，之后与四象限整流器的第一输入端连接，另一路通过开关K与四象限整流器的第一输入端连接；第二端子与四象限整流器的第二输入端连接；电感L1-2F和电容C1-2F串联在四象限整流器的正负输出端之间，电感L1-2F和电容C1-2F的中点连接有电阻R1-2F，电阻R1-2F另一端与四象限整流器的负输出端相连接；电阻HR1和灯HD1串联在四象限整流器的正负输出端之间，电压传感器PT1连接在四象限整流器的正负输出端之间；两个电阻GRe1和GRe2串联在四象限整流器的正负输出端之间，电阻GRe1和GRe2的中点分别连接有电容GC1和电压传感器PT2并接地；电容GC1和电压传感器PT2的另一端与四象限整流器的负输出端相连接；电阻DR1和电容FC1并联在四象限整流器的正负输出端之间；所述斩波电路包括一个IGBT桥臂以及电阻DVR1，电阻DVR1一端与IGBT桥臂中点连接，另一端与四象限整流器的负输出端相连接；逆变器由三个IGBT桥臂组成，共有三个输出端，用于驱动一台牵引电机。
8.如权利要求2、4、5任一项所述的一种应用于电力机车的牵引系统主电路简统化设计方法，其特征在于，中间直流回路取电所用电路如下：由某一个独立中间回路的四象限整流器的正负输出端分别引出一个端子，两个端子之间并联有电压传感器PT5和电容AFC；两个端子连接有逆变器，所述逆变器由三个IGBT桥臂组成，逆变器的三个输出端连接有变压器IVTR，变压器IVTR的副边输出端连接有三个相互并联的电容ACC；变压器IVTR的副边输出端经过开关3PHMK后分出两路分支，一路输出380V交流电，另一路输出至控制单元。
9.如权利要求3或6所述的一种应用于电力机车的牵引系统主电路简统化设计方法，其特征在于，变压器副边绕组取电所用电路包括由变压器副边引出的两个端子，第一端子分成两路，一路顺次连接开关AK2和电阻ACR，之后连接由两个IGBT桥臂构成的整流器的第一输入端，另一路通过开关K2与整流器的第一输入端连接；第二端子通过熔断器FU1与整流器的第二输入端连接；电阻AHR和灯AHD串联在整流器的正负输出端之间，电压传感器PT5连接在整流器的正负输出端之间；两个电阻AGRe1和AGRe2串联在整流器的正负输出端之间，电阻AGRe1和AGRe2的中点分别连接有电容AGC和电压传感器PT6并接地；电容AGC和电压传感器PT6的另一端与整流器的负输出端相连接；电阻ADR和电容AFC并联在整流器的正负输出端之间；还包括由三个IGBT桥臂构成的逆变器，逆变器共有三个输出端，三个输出端通过三个电感LF连接三个相互并联的电容ACC；逆变器的输出端经过开关3PHMK后分出两路分支，一路输出380V交流电，另一路输出至控制单元。
10.如权利要求9所述的一种应用于电力机车的牵引系统主电路简统化设计方法，其特征在于，还包括为负载供电的列供回路；所述列供回路包括由变压器副边引出的两个端子，第一端子分成两路，一路顺次连接开关AK3和电阻PCR，之后连接由两个IGBT桥臂构成的整流器的第一输入端，另一路通过开关K3与整流器的第一输入端连接；第二端子通过熔断器FU2与整流器的第二输入端连接；电容PFC连接在整流器的正负输出端之间，电阻PHR和灯PHD串联在整流器的正负输出端之间，电阻PDR和开关KM串联在整流器的正负输出端之间，电压传感器PT7连接在整流器的正负输出端之间；整流器的正负输出端输出600V直流电。
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