CN114362561A

CN114362561A - 机车牵引变流器及其控制方法

Info

Publication number: CN114362561A
Application number: CN202111641578.1A
Authority: CN
Inventors: 赵芳; 于森林; 王晓妮; 詹哲军; 郑慧丽; 王天博; 张瀚宸
Original assignee: CRRC Yongji Electric Co Ltd
Current assignee: CRRC Yongji Electric Co Ltd
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-04-15

Abstract

本发明涉及机车供电系统，具体为机车牵引变流器及其控制方法。本发明为了解决现有的机车牵引变流器中存在的整流器发生故障时动力损失过大的问题，故提供了一种新型的机车牵引变流器及其控制方法。本发明通过优化主电路拓扑设计，采用共母线的四象限供电方式，使得整流器和逆变器均具有自动投入、切除功能，同时减少了预充电电阻的使用个数，并且保证了整流故障造成的动力损失最小，大大提高了牵引系统可靠性和灵活性。

Description

机车牵引变流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及机车牵引系统，具体为机车牵引变流器及其控制方法。

背景技术

在我国传统的机车牵引变流器多采用两整两逆的匹配模式，这种匹配模式主要存在如下缺点：首先，当一个整流器出现故障时，为防止故障扩大，需将两个整流器同时切除，故而导致逆变器在没有故障工况下也被切除，动力损失较大，大大影响机车牵引变流器运行的可靠性和经济性；其次，在主拓扑电路中使用的预充电电阻较多，占用空间较大。

发明内容

本发明为了解决传统的机车牵引变流器的动力损失较大的问题，故提供了一种新型的机车牵引变流器及其控制方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

机车牵引变流器，包括牵引变压器、多个整流器、多个逆变器，牵引变压器的原边通过主断路器Q1连接弓网并有多个副边，每个整流器均包括输入组件、由四个IGBT组成的H型整流单元以及由一个输出断路器构成的输出组件，输入组件位于对应的整流单元的输入端与牵引变压器的副边之间，输入组件为具有预充电功能的输入组件或不具有预充电功能的输入组件，多个输入组件中至少有一个为具有预充电功能的输入组件，具有预充电功能的输入组件包括预充电电阻、预充电接触器以及主接触器，预充电电阻与预充电接触器串联后再与主接触器并联，不具有预充电功能的输入组件由主接触器组成；每个逆变器均包括由六个IGBT组成的三相桥式逆变单元，整流单元的正极输出端通过输出组件与三相桥式逆变单元的正极输入端连接，输出组件与三相桥式逆变单元的正极输入端的连接节点与三相桥式逆变单元的负极输入端之间连接有支撑电容，多个支撑电容相互之间并联从而形成整体的中间直流母线，三相桥式逆变单元的输出端连接有牵引电机。

机车牵引变流器的控制方法通过控制系统实现包括如下步骤：1）主断路器Q1断开，控制系统上电启动，对每个整流器中的主接触器、预充电接触器、输出组件、整流单元发送闭合、断开指令，各自进行自检，然后通过检测各自反馈信号以确定各自闭合、断开状态是否正常，当出现有器件工作不正常时，将故障器件再次进行检测，若再次检测仍不正常，则立即将故障上报；当检测到各主接触器、预充电接触器、输出组件工作正常时，闭合主断路器Q1；2）检测到主断路器Q1闭合反馈信号正常后，进入预充电阶段：将其中一个具有预充电功能的整流器中的输出组件闭合、预充电接触器闭合，检测中间直流母线电压达到牵引变压器输出电压的1.1倍时，闭合连接在中间直流母线上的整流器中的主接触器，当收到连接在中间直流母线上的整流器中的主接触器开通的反馈信号后，断开连接在中间直流母线上的整流器中的预充电接触器，收到连接在中间直流母线上的整流器中的预充电接触器断开的反馈信号后，闭合其余整流器中的输出组件，最后闭合其余整流器中的主接触器，完成预充电过程；3）控制系统的预充电阶段完成后，发送整流器启动指令，将所有整流器中的整流单元同时启动，并对各个整流单元的启动状态及其对应电流匹配，从而判断各个整流单元是否正常启动以及启动是否完成；4）当各个整流单元启动全部完成，中间直流母线电压稳定建立后，启动全部逆变单元，实现电能变换，将直流电变换为所需交流电为各自牵引电机提供电能。

本发明所产生的有益效果如下：本发明通过优化电路拓扑结构，采用共中间直流母线的供电方式，使得整流器和逆变器均具有自动投入、切除功能，同时减少了预充电电阻的使用个数，并且使得整流故障造成的动力损失最小，大大提高了机车牵引变流器的可靠性和灵活性。

附图说明

图1为本发明的主电路拓扑结构图。

具体实施方式

如图1所示，机车牵引变流器，包括牵引变压器、多个整流器、多个逆变器，牵引变压器的原边通过主断路器Q1连接弓网并有多个副边，每个整流器均包括输入组件、由四个IGBT组成的H型整流单元以及由一个输出断路器构成的输出组件，输入组件位于对应的整流单元的输入端与牵引变压器的副边之间，输入组件为具有预充电功能的输入组件或不具有预充电功能的输入组件，多个输入组件中至少有一个为具有预充电功能的输入组件，具有预充电功能的输入组件包括预充电电阻、预充电接触器以及主接触器，预充电电阻与预充电接触器串联后再与主接触器并联，不具有预充电功能的输入组件由主接触器组成；每个逆变器均包括由六个IGBT组成的三相桥式逆变单元，整流单元的正极输出端通过输出组件与三相桥式逆变单元的正极输入端连接，输出组件与三相桥式逆变单元的正极输入端的连接节点与三相桥式逆变单元的负极输入端之间连接有支撑电容，多个支撑电容相互之间并联从而形成整体的中间直流母线，三相桥式逆变单元的输出端连接有牵引电机。

具体实施方式，牵引变压器有T1、T2、T3、T4四个副边，整流器为四个且分别为第一整流器、第二整流器、第三整流器、第四整流器，第一整流器与第二整流器中的输入组件均为具有预充电功能的输入组件，第三整流器与第四整流器中的输入组件均为不具有预充电功能的输入组件，逆变器为四个。

机车牵引变流器的控制方法通过控制系统实现，包括如下步骤：包括如下步骤：1）主断路器Q1断开，控制系统上电启动，对每个整流器中的主接触器、预充电接触器、输出组件、整流单元发送闭合、断开指令，各自进行自检，通过检测各自反馈信号以确定各自闭合、断开状态是否正常，当出现有器件工作不正常时，将故障器件再次进行检测，若检测仍不正常，则立即将故障上报；当检测到各个主接触器、预充电接触器、输出组件工作正常时，闭合主断路器Q1；2）检测到主断路器Q1闭合反馈信号正常后，整流器进入预充电阶段：将第一整流器中的输出组件K5闭合、预充电接触器AK1闭合，检测中间直流母线电压达到牵引变压器输出电压的1.1倍时，闭合第一整流器中的主接触器K1，当收到第一整流器中的主接触器K1开通的反馈信号后，断开第一整流器中的预充电接触器AK1，收到第一整流器中的预充电接触器AK1断开的反馈信号后，闭合其余整流器中的输出组件k6/K7/K8，最后闭合其余整流器中的主接触器K2/K3/K4，完成预充电过程；若第一整流器无法完成预充电时，立即断开第一整流器中的输出组件K5、主接触器K1、预充电接触器AK1，然后进行第二次预充电启动，若第二次预充电仍无法完成，立即进行故障上报并断开第一整流器中的输出组件K5、主接触器K1、预充电接触器AK1；启动第二整流器进入预充电阶段，若第二整流器也无法完成预充电时，将主断路器Q1断开，断开第二整流器中的输出组件K6、主接触器K1、预充电接触器AK1，同时进行故障上报；3）控制系统的预充电阶段完成后，发送整流器启动指令，将所有整流器中的整流单元同时启动，并对各个整流单元的启动状态及其对应电流匹配，从而判断各个整流单元是否正常启动以及启动是否完成；4）当各个整流单元启动全部完成，中间直流母线电压稳定建立后，启动逆变单元，实现电能变换，将直流电变换为所需交流电为各自牵引电机提供电能。

具体实施时，控制系统中含有功率平衡运算单元，用来完成整流、逆变整体功率匹配以及整流单元之间、逆变单元之间功率的均衡控制。

具体实施时，当四个三相桥式逆变单元全部在线，牵引电机运行在70%额定功率以下运行时，任何一个整流单元出现故障，立即断开该整流单元的脉冲信号，同时断开该整流单元对应的输出组件、主接触器、预充电接触器，确保该整流单元与牵引变压器和中间直流母线的隔离；当任何一个逆变单元出现故障时，立即断开该逆变单元的脉冲信号；当四个三相桥式逆变单元全部在线，牵引电机运行在额定功率工况下，任何一个整流单元出现故障时，控制系统发出第一斜坡指令指令使得牵引电机全部按照第一斜坡指令进行降功运行，然后再全部按照第二斜坡指令将功率提升至满功率下运行，此时的控制系统通过功率平衡运算单元将后级运行的电机功率快速、均匀分配给剩余的整流单元；当两个以上整流单元出现故障时，牵引电机进行降功运行，控制系统中的功率匹配单元根据整流单元工作个数及额定功率来确定电机运行功率。

Claims

1.机车牵引变流器，其特征在于，包括牵引变压器、多个整流器、多个逆变器，牵引变压器的原边通过主断路器Q1连接弓网并有多个副边，每个整流器均包括输入组件、由四个IGBT组成的H型整流单元以及由一个输出断路器构成的输出组件，输入组件位于对应的整流单元的输入端与牵引变压器的副边之间，输入组件为具有预充电功能的输入组件或不具有预充电功能的输入组件，多个输入组件中至少有一个为具有预充电功能的输入组件，具有预充电功能的输入组件包括预充电电阻、预充电接触器以及主接触器，预充电电阻与预充电接触器串联后再与主接触器并联，不具有预充电功能的输入组件由主接触器组成；每个逆变器均包括由六个IGBT组成的三相桥式逆变单元，整流单元的正极输出端通过输出组件与三相桥式逆变单元的正极输入端连接，输出组件与三相桥式逆变单元的正极输入端的连接节点与三相桥式逆变单元的负极输入端之间连接有支撑电容，多个支撑电容相互之间并联从而形成整体的中间直流母线，三相桥式逆变单元的输出端连接有牵引电机。

2.根据权利要求3所述的机车牵引变流器，其特征在于，牵引变压器有T1、T2、T3、T4四个副边，整流器为四个且分别为第一整流器、第二整流器、第三整流器、第四整流器，第一整流器与第二整流器中的输入组件均为具有预充电功能的输入组件，第三整流器与第四整流器中的输入组件均为不具有预充电功能的输入组件，逆变器为四个。

3.根据权利要求1所述的机车牵引变流器的控制方法，其特征在于，该控制方法通过控制系统实现，包括如下步骤：1）主断路器Q1断开，控制系统上电启动，对每个整流器中的主接触器、预充电接触器、输出组件、整流单元发送闭合、断开指令，各自进行自检，然后通过检测各自反馈信号以确定各自闭合、断开状态是否正常，当出现有器件工作不正常时，将故障器件再次进行检测，若再次检测仍不正常，则立即将故障上报；当检测到各主接触器、预充电接触器、输出组件工作正常时，闭合主断路器Q1；2）检测到主断路器Q1闭合反馈信号正常后，进入预充电阶段：将其中一个具有预充电功能的整流器中的输出组件闭合、预充电接触器闭合，检测中间直流母线电压达到牵引变压器输出电压的1.1倍时，闭合连接在中间直流母线上的整流器中的主接触器，当收到连接在中间直流母线上的整流器中的主接触器开通的反馈信号后，断开连接在中间直流母线上的整流器中的预充电接触器，收到连接在中间直流母线上的整流器中的预充电接触器断开的反馈信号后，闭合其余整流器中的输出组件，最后闭合其余整流器中的主接触器，完成预充电过程； 3）控制系统的预充电阶段完成后，发送整流器启动指令，将所有整流器中的整流单元同时启动，并对各个整流单元的启动状态及其对应电流匹配，从而判断各个整流单元是否正常启动以及启动是否完成；4）当各个整流单元启动全部完成，中间直流母线电压稳定建立后，启动全部逆变单元，实现电能变换，将直流电变换为所需交流电为各自牵引电机提供电能。

4.根据权利要求2所述的机车牵引变流器的控制方法，其特征在于，该控制方法通过控制系统实现，包括如下步骤：1）主断路器Q1断开，控制系统上电启动，对每个整流器中的主接触器、预充电接触器、输出组件、整流单元发送闭合、断开指令，各自进行自检，通过检测各自反馈信号以确定各自闭合、断开状态是否正常，当出现有器件工作不正常时，将故障器件再次进行检测，若检测仍不正常，则立即将故障上报；当检测到各个主接触器、预充电接触器、输出组件工作正常时，闭合主断路器Q1；2）检测到主断路器Q1闭合反馈信号正常后，整流器进入预充电阶段：将第一整流器中的输出组件K5闭合、预充电接触器AK1闭合，检测中间直流母线电压达到牵引变压器输出电压的1.1倍时，闭合第一整流器中的主接触器K1，当收到第一整流器中的主接触器K1开通的反馈信号后，断开第一整流器中的预充电接触器AK1，收到第一整流器中的预充电接触器AK1断开的反馈信号后，闭合其余整流器中的输出组件k6/K7/K8，最后闭合其余整流器中的主接触器K2/K3/K4，完成预充电过程；3）控制系统的预充电阶段完成后，发送整流器启动指令，将所有整流器中的整流单元同时启动，并对各个整流单元的启动状态及其对应电流匹配，从而判断各个整流单元是否正常启动以及启动是否完成；4）当各个整流单元启动全部完成，中间直流母线电压稳定建立后，启动逆变单元，实现电能变换，将直流电变换为所需交流电为各自牵引电机提供电能。

5.根据权利要求4所述的机车牵引变流器的控制方法，其特征在于，步骤2）中，若第一整流器无法完成预充电时，立即断开第一整流器中的输出组件K5、主接触器K1、预充电接触器AK1，然后进行第二次预充电启动，若第二次预充电仍无法完成，立即进行故障上报并断开第一整流器中的输出组件K5、主接触器K1、预充电接触器AK1；启动第二整流器进入预充电阶段，若第二整流器也无法完成预充电时，将主断路器Q1断开，断开第二整流器中的输出组件K6、主接触器K1、预充电接触器AK1，同时进行故障上报。

6.根据权利要求1或5所述的机车牵引变流器的控制方法，其特征在于，控制系统中含有功率平衡运算单元，用来完成整流、逆变整体功率匹配以及整流单元之间、逆变单元之间功率的均衡控制。

7.根据权利要求6所述的机车牵引变流器的控制方法，其特征在于，当四个三相桥式逆变单元全部在线，牵引电机运行在70%额定功率以下运行时，任何一个整流单元出现故障，立即断开该整流单元的脉冲信号，同时断开该整流单元对应的输出组件、主接触器、预充电接触器，确保该整流单元与牵引变压器和中间直流母线的隔离；当任何一个逆变单元出现故障时，立即断开该逆变单元的脉冲信号。

8.根据权利要求7所述的机车牵引变流器的控制方法，其特征在于，当四个三相桥式逆变单元全部在线，牵引电机运行在额定功率工况下，任何一个整流单元出现故障时，控制系统发出第一斜坡指令指令使得牵引电机全部按照第一斜坡指令进行降功运行，然后再全部按照第二斜坡指令将功率提升至满功率下运行，此时的控制系统通过功率平衡运算单元将后级运行的电机功率快速、均匀分配给剩余的整流单元。

9.根据权利要求8所述的机车牵引变流器的控制方法，其特征在于，当两个以上整流单元出现故障时，牵引电机进行降功运行，控制系统中的功率匹配单元根据整流单元工作个数及额定功率来确定电机运行功率。