CN114285296A - 一种新型一体化供电及辅助传动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于轨道交通技术领域，具体为一种新型一体化供电及辅助传动系统，解决了背景技术中的技术问题，其包括列供系统和辅助系统，列供系统包括两个结构相同的列供单元，两个列供单元的输入端分别从牵引系统上牵引变流器的两组不同中间母线取电，两个列供单元的输出端之间通过总断路器相连可实现独立供电或联合供电；两个列供单元的输出端分别连接至充电接口和辅助系统。该结构省去了降压斩波电感，在较低开关频率下可实现两电平高开关频率下的特性同时降低了电磁干扰影响，具有较好的谐波特性和动态性能，具有较高的适应性和灵活性，同时该系统具有双输入特性，中间母线取电方式采用两个中间母线上同时双输入取电，提高了整体系统运行的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，涉及供电传动系统，具体为一种新型一体化供电及辅助传动系统。
背景技术
轨道交通领域变流系统分为两类，一类是牵引系统，一类是辅助传动系统；其中辅助传动系统有两种主电路拓扑结构，一种是变压器副边取电，通过整流后给辅助供电系统提供需要等级的中间电压；另一种是采用牵引系统中间母线取电形式，该形式直接从牵引系统取电，省去了单独的整流器，具有体积小，重量强的特点，多用于对重量要求较高的动车领域。
在实际应用中通常采用IGBT等硅器件进行两电平的拓扑结构，通常情况下，两电平结构对辅助供电系统开关频率较高，电磁干扰较为严重，发热量较大，要求具有较大的散热器设计，且降压斩波需要电感进行滤波，体积重量相对较大。两电平的拓扑结构损耗较大，列供和辅助供电系统分离；如果该组牵引系统异常，则整个辅助供电系统全部停机，导致该牵引系统整体停机，该方案可靠性有待提高。
发明内容
本发明旨在解决目前两电平下的降压斩波列供及辅助供电系统具有体积大、重量重、电磁干扰强、损耗大的技术问题，提供了一种新型一体化供电及辅助传动系统。
本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种新型一体化供电及辅助传动系统，包括列供系统和辅助系统，列供系统包括两个结构相同的列供单元，两个列供单元的输入端分别从牵引系统两组不同牵引变流器的中间母线取电，两个列供单元的输出端之间通过总断路器相连可实现独立供电或联合供电；两个列供单元的输出端分别连接为列车供电负载供电的充电接口和为后级辅助磁阻电机M提供电能变换的辅助系统。该系统具有双输入特性，该系统适用于两个中间母线的两个两整两逆牵引系统结构，中间母线取电方式采用两个中间母线上同时双输入取电，提高了整体系统运行的可靠性，列供单元连接牵引系统中间母线，为后级提供需要电压等级的直流电，其后级连接充电接口和辅助系统，辅助系统为后级辅助磁阻电机M提供电能变换，后级辅助磁阻电机M带动风机，为水泵、散热系统等提供动力。整车供电负载分为两种，一种是给辅助系统供电，另一种是直接给列车供电负载提供稳定的直流电，两个列供单元输出端通过总断路器连接，即可独立供电也可进行并联供电；当其中一个列供单元损坏时，总断路器闭合，另一个列供单元可为同时为上述两种整车供电负载供电，保证整车供电系统具备高可靠性。
优选的，辅助系统的输入端串联有辅助断路器，充电接口的输入端串联有列供断路器。通过辅助断路器能够闭合或切断辅助系统与列供单元的连接，通过列供断路器能够闭合或切断充电接口与列供单元的连接，这样设置结构合理，操作控制更加方便。
优选的，列供单元从输入端到输出端依次串联有一级逆变器、高频变压器Tr和二级整流器。两个列供单元结构相同，互为冗余设计。一级逆变器将从中间母线取出的直流电逆变为交流电，交流电通过高频变压器Tr变压后，在经过二级整流器将交流电整流成可供后级需要的直流电。高频变压器Tr主要发挥对一级逆变器输出电压的隔离和降压作用。
优选的，一级单相逆变器包括相串联的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2两端分别并联有第一分压电容C1和第二分压电容C2，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的阻值相等，第一分压电容C1和第二分压电容C2的容值相等；一级单相逆变器还包括由四个IGBT串联构成的外回路和两个IGBT串联构成的内回路组成的单桥臂，单桥臂的输入端并联至第一分压电阻R1和第二分压电阻R2串联之后的两端，其中内回路中的中点与第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的中点以及第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的中点相连，单桥臂中内回路的中点和外回路的中点分别与高频变压器Tr一次侧的两端口相连。
优选的，二级整流器包括由四个IGBT构成的桥式电路，桥式电路的两个输入端与高频变压器Tr二次侧的两个端口相连，桥式电路的输出端分别并联第三电容C3和第三电阻R3后构成整流电路，整流电路的输出端即为二级整流器的输出端，整流电路的输出端正极端口上串联有第二二极管D1。二级整流器中利用第二二极管D1对电流正向流通，反向截止，对整个列供电源进行保护作用，其中，二级整流器含有两种用法，在正常工况下，IGBT被当做二极管使用，只用IGBT的反向二极管，构成不控制整流的电路拓扑结构；在特殊工况下，IGBT被当做正常的开关管使用，尤其是在变压器一次侧电压等级较低时，二级整流器与变压器二次侧漏感相结合，采用升压整流的控制方式，给后级供电，增大了供电可靠性。
优选的，列供单元的输入端与正极相连的端口处串联有第一二极管D0，第一二极管D0形成列供单元的一级保护单元。第一二极管D0相当于串联至正母线上，从牵引变流器的中间母线取电时，只能让其正向流动，而不能反向馈能，减小对牵引系统中间母线侧电压波动的影响。
优选的，辅助系统从输入端到输出端依次串联有三相逆变器、保护电路和辅助磁阻电机M。三相逆变器将列供单元输出的直流电逆变为交流电，然后经过保护电路后输入到辅助磁阻电机M中，辅助磁阻电机M带动风机，为水泵、散热系统等提供动力。
优选的，三相逆变器包括阻值同等的第四电阻R4和第五电阻R5以及三相逆变电路，第四电阻R4和第五电阻R5串联后与三相逆变电路相并联，第四电阻R4两端还并联有第四电容C4，第五电阻R5两端还并联有第五电容C5，第四电容C4和第五电容C5容值相等；三相逆变电路由三个桥臂构成，每个桥臂由四个IGBT串联构成的外回路和两个IGBT串联构成的内回路组成，其中每个桥臂的内回路的中点位置与第四电阻R4和第五电阻R5的中点以及第四电容C4和第五电容C5的中点相连；每个桥臂的外回路的中点为三相逆变器的三个输出端口。第四电阻R4和第五电阻R5为三相逆变器的支撑电阻，第五电阻R5两端还并联有第五电容C5为三相逆变器的支撑电容。内回路的中点即为内回路中两个IGBT之间的中点，外回路的中点即为外回路中，四个IGBT串联后的中点。第四电阻R4和第五电阻R5的中点为二者串联后的两个电阻之间的连接点，第四电容C4和第五电容C5的中点为两个电容之间的连接点。上述一级单相逆变器中所述中点的含义类似。
优选的，三相逆变器的三个输出端口上分别串联一个IGBT，三个IGBT上反并联二极管的阴极连接有三相断路器，三个IGBT和三相断路器即构成保护电路，三相断路器的输出端连接辅助磁阻电机M。保护电路中，三相断路器为一级保护，三个IGBT为二级保护。正常情况下，保护电路中的三个IGBT的脉冲为高电平，保持通路状态，由于辅助系统的负载为辅助磁阻电机M，辅助磁阻电机M在高速旋转时会产生反电动势，断开三相断路器即可完成辅助系统与辅助磁阻电机M的隔离，在断路器发生卡合故障时，二级保护中的IGBT脉冲为低电平，确保辅助系统与辅助磁阻电机M隔离。
优选的，两个列供单元的输入端分别输入3600V的直流电，两个列供单元的输入端分别输出600V的直流电。这样设置满足用电需求。
本发明的有益效果是：本发明介绍了一种新型辅助供电一体的主电路拓扑结构，整车供电系统保护分为三类，分别包括变压器隔离、断路器和二极管隔离，分别使用了高压隔离、主拓扑断路和电流单相流动隔离方式；该系统采用冗余化设计的双输入设计，解决了一组牵引系统故障后导致辅助供电系统停机，导致牵引系统全部停机，导致动力损失等问题；本发明辅助列供一体化，可同时给列供系统和辅助系统供电，系统更加集成化，模块化；采用三电平主电路拓扑结构，当三电平主电路拓扑结构在较低开关频率下，就可以实现两电平高开关频率下的性能，降低了系统损耗和电磁干扰的影响；辅助系统采用了辅助磁阻电机M作为风机的动力，与传统异步电机相比更加节能高效；该结构省去了降压斩波电感，具有较好的谐波特性和动态性能，具有较高的适应性和灵活性，同时该系统具有双输入特性，即对于两个两整两逆的牵引系统而言，中间母线取电方式采用两个中间母线上同时双输入取电，提高了整体系统运行的可靠性。
附图说明
图1为本发明所述一种新型一体化供电及辅助传动系统的与牵引变流器相连时的主电路拓扑图。
图2为本发明所述列供单元的主电路拓扑图。
图3为本发明所述辅助单元及连接列车供电负载的主电路拓扑图。
图中：D0-第一二极管；D1-第二二极管；R1-第一分压电阻；R2-第二分压电阻；R3-第三电阻； R4-第四电阻；R5-第五电阻；C1-第一分压电容；C2-第二分压电容；C3-第三电容；C4-第四电容；C5-第五电容；M-辅助磁阻电机；MS-电机。
具体实施方式
下面将结合附图1、图2和图3对本发明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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种新型一体化供电及辅助传动系统，包括列供系统和辅助系统，列供系统包括两个结构相同的列供单元，两个列供单元的输入端分别从牵引系统上牵引变流器的两组不同中间母线取电，两个列供单元的输出端之间通过总断路器相连可实现独立供电或联合供电；两个列供单元的输出端分别连接为列车供电负载供电的充电接口和为后级辅助磁阻电机M提供电能变换的辅助系统；辅助系统的输入端串联有辅助断路器，充电接口的输入端串联有列供断路器；列供单元从输入端到输出端依次串联有一级逆变器、高频变压器Tr和二级整流器，两个列供单元结构相同，互为冗余设计；列供单元中一级单相逆变器包括相串联的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2两端分别并联有第一分压电容C1和第二分压电容C2，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的阻值相等，第一分压电容C1和第二分压电容C2的容值相等；一级单相逆变器还包括由四个IGBT串联构成的外回路和两个IGBT串联构成的内回路组成的单桥臂，单桥臂的输入端并联至第一分压电阻R1和第二分压电阻R2串联之后的两端，其中内回路中的中点与第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的中点以及第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的中点相连，单桥臂中内回路的中点和外回路的中点分别与高频变压器Tr一次侧的两端口相连；二级整流器包括由四个IGBT构成的桥式电路，桥式电路的两个输入端与高频变压器Tr二次侧的两个端口相连，桥式电路的输出端分别并联第三电容C3和第三电阻R3后构成整流电路，整流电路的输出端即为二级整流器的输出端，整流电路的输出端正极端口上串联有第二二极管D1；列供单元的输入端与正极相连的端口处串联有第一二极管D0，第一二极管D0形成列供单元的一级保护单元，第一二极管D0相当于串联至正母线上，从牵引变流器的中间母线取电时，只能让其正向流动，而不能反向馈能，减小对牵引系统中间母线侧电压波动的影响；辅助系统从输入端到输出端依次串联有三相逆变器、保护电路和辅助磁阻电机M；三相逆变器包括第四电阻R4、第五电阻R5和三相逆变电路，第四电阻R4和第五电阻R5串联后与三相逆变电路相并联，第四电阻R4两端还并联有第四电容C4，第五电阻R5两端还并联有第五电容C5；三相逆变电路由三个桥臂构成，每个桥臂由四个IGBT串联构成的外回路和两个IGBT串联构成的内回路组成，其中每个桥臂的内回路的中点位置与第四电阻R4和第五电阻R5的中点以及第四电容C4和第五电容C5的中点相连；每个桥臂的外回路的中点为三相逆变器的三个输出端口；三相逆变器的三个输出端口上分别串联一个IGBT，三个IGBT上反并联二极管的阴极连接有三相断路器，三个IGBT和三相断路器即构成保护电路，三相断路器的输出端连接辅助磁阻电机M。保护电路中，三相断路器为一级保护，三个IGBT为二级保护；两个列供单元的输入端分别输入3600V的直流电，两个列供单元的输入端分别输出600V的直流电。这样设置满足用电需求。
该系统具有双输入特性，该系统适用于两个中间母线的两个两整两逆牵引系统结构，中间母线取电方式采用两个中间母线上同时双输入取电，提高了整体系统运行的可靠性，列供单元连接牵引系统中间母线，为后级提供需要电压等级的直流电，其后级连接充电接口和辅助系统，辅助系统为后级辅助磁阻电机M提供电能变换，后级辅助磁阻电机M带动风机，为水泵、散热系统等提供动力。整车供电负载分为两种，一种是给辅助系统供电，另一种是直接给列车供电负载提供稳定的直流电，两个列供单元输出端通过总断路器连接，即可独立供电也可进行并联供电；当其中一个列供单元损坏时，总断路器闭合，另一个列供单元可为同时为上述两种整车供电负载供电，保证整车供电系统具备高可靠性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (10)
1.一种新型一体化供电及辅助传动系统，其特征在于，包括列供系统和辅助系统，列供系统包括两个结构相同的列供单元，两个列供单元的输入端分别从牵引系统上两组不同牵引变流器的中间母线取电，两个列供单元的输出端之间通过总断路器相连可实现独立供电或联合供电；列供单元的输出端分别连接为列车供电负载供电的充电接口和为后级辅助磁阻电机M提供电能变换的辅助系统。
2.根据权利要求1所述的一种新型一体化供电及辅助传动系统，其特征在于，辅助系统的输入端串联有辅助断路器，充电接口的输入端串联有列供断路器。
3.根据权利要求1所述的一种新型一体化供电及辅助传动系统，其特征在于，列供单元从输入端到输出端依次串联有一级逆变器、高频变压器Tr和二级整流器。
4.根据权利要求3所述的一种新型一体化供电及辅助传动系统，其特征在于，一级单相逆变器包括相串联的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2两端分别并联有第一分压电容C1和第二分压电容C2，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的阻值相等，第一分压电容C1和第二分压电容C2的容值相等；一级单相逆变器还包括由四个IGBT串联构成的外回路和两个IGBT串联构成的内回路组成的单桥臂，单桥臂的输入端并联至第一分压电阻R1和第二分压电阻R2串联之后的两端，其中内回路中的中点与第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的中点以及第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的中点相连，单桥臂中内回路的中点和外回路的中点分别与高频变压器Tr一次侧的两端口相连。
5.根据权利要求4所述的一种新型一体化供电及辅助传动系统，其特征在于，二级整流器包括由四个IGBT构成的桥式电路，桥式电路的两个输入端与高频变压器Tr二次侧的两个端口相连，桥式电路的输出端分别并联第三电容C3和第三电阻R3后构成整流电路，整流电路的输出端即为二级整流器的输出端，整流电路的输出端正极端口上串联有第二二极管D1。
6.根据权利要求3所述的一种新型一体化供电及辅助传动系统，其特征在于，列供单元的输入端与正极相连的端口处串联有第一二极管D0，第一二极管D0形成列供单元的一级保护单元。
7.根据权利要求1所述的一种新型一体化供电及辅助传动系统，其特征在于，辅助系统从输入端到输出端依次串联有三相逆变器和保护电路。
8.根据权利要求7所述的一种新型一体化供电及辅助传动系统，其特征在于，三相逆变器包括阻值相等的第四电阻R4和第五电阻R5以及三相逆变电路，第四电阻R4和第五电阻R5串联后与三相逆变电路相并联，第四电阻R4两端还并联有第四电容C4，第五电阻R5两端还并联有第五电容C5，第四电容C4和第五电容C5容值相等；三相逆变电路由三个桥臂构成，每个桥臂由四个IGBT串联构成的外回路和两个IGBT串联构成的内回路组成，其中每个桥臂的内回路的中点位置与第四电阻R4和第五电阻R5的中点以及第四电容C4和第五电容C5的中点相连；每个桥臂的外回路的中点为三相逆变器的三个输出端口。
9.根据权利要求8所述的一种新型一体化供电及辅助传动系统，其特征在于，三相逆变器的三个输出端口上分别串联一个IGBT，三个IGBT上反并联二极管的阴极连接有三相断路器，三个IGBT和三相断路器即构成保护电路，三相断路器的输出端连接辅助磁阻电机M。
10.根据权利要求1所述的一种新型一体化供电及辅助传动系统，其特征在于，两个列供单元的输入端分别输入3600V的直流电，两个列供单元的输入端分别输出600V的直流电。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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