CN115179975A - 一种牵引传动系统 - Google Patents

一种牵引传动系统 Download PDF

Info

Publication number
CN115179975A
CN115179975A CN202110355484.1A CN202110355484A CN115179975A CN 115179975 A CN115179975 A CN 115179975A CN 202110355484 A CN202110355484 A CN 202110355484A CN 115179975 A CN115179975 A CN 115179975A
Authority
CN
China
Prior art keywords
traction
converter
phase
drive system
heavy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110355484.1A
Other languages
English (en)
Inventor
漆宇
梅文庆
刘良杰
窦泽春
刘雄
谢岳城
刘斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Original Assignee
CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd filed Critical CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Priority to CN202110355484.1A priority Critical patent/CN115179975A/zh
Priority to EP21742687.3A priority patent/EP4315575A1/en
Priority to KR1020237037718A priority patent/KR20240095085A/ko
Priority to US18/552,030 priority patent/US20240171108A1/en
Priority to PCT/CN2021/104289 priority patent/WO2022205654A1/en
Priority to JP2023560996A priority patent/JP2024514254A/ja
Publication of CN115179975A publication Critical patent/CN115179975A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61C—LOCOMOTIVES; MOTOR RAILCARS
    • B61C9/00—Locomotives or motor railcars characterised by the type of transmission system used; Transmission systems specially adapted for locomotives or motor railcars
    • B61C9/38—Transmission systems in or for locomotives or motor railcars with electric motor propulsion
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/048—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using AC supply for only the rotor circuit or only the stator circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L9/00—Electric propulsion with power supply external to the vehicle
    • B60L9/16—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors
    • B60L9/24—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors fed from ac supply lines
    • B60L9/28—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors fed from ac supply lines polyphase motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0092—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption with use of redundant elements for safety purposes
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007—Plural converter units in cascade
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/0074—Plural converter units whose inputs are connected in series
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/0077—Plural converter units whose outputs are connected in series
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/008—Plural converter units for generating at two or more independent and non-parallel outputs, e.g. systems with plural point of load switching regulators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/20—AC to AC converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/20—AC to AC converters
    • B60L2210/22—AC to AC converters without intermediate conversion to DC
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2220/00—Electrical machine types; Structures or applications thereof
    • B60L2220/50—Structural details of electrical machines
    • B60L2220/54—Windings for different functions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/10—Dynamic electric regenerative braking
    • B60L7/14—Dynamic electric regenerative braking for vehicles propelled by ac motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/07—Doubly fed machines receiving two supplies both on the stator only wherein the power supply is fed to different sets of stator windings or to rotor and stator windings

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

本申请公开了一种牵引传动系统，该系统包括工频变压器、多重牵引变流器和多相牵引电机；其中，各重所述牵引变流器的单相交流端依次串联在所述工频变压器的副边输出端之间，构成级联H桥结构；各重所述牵引变流器的三相交流端分别与所述多相牵引电机的一组定子绕组连接，以便由各重所述牵引变流器共同驱动所述多相牵引电机。本申请采用多重级联式牵引变流器的拓扑结构驱动多相牵引电机，降低了单重牵引变流器的功率输出压力，为低电压等级功率半导体器件的使用创造了条件，从而能够基于低电压等级功率半导体器件封装小、价格低、成熟度高、损耗低的优势，帮助实现系统设备的小型化、轻量化，提高系统的工作频率、功率密度和稳定性。

Description

一种牵引传动系统
技术领域
本申请涉及电力电子传动技术领域，特别涉及一种牵引传动系统。
背景技术
近年来，轨道交通牵引传动系统电气化持续推进。当前，随着3300-6500V高电压等级的Si基IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)器件不断完善，以其为基础的牵引变流器也已趋于成熟，已经在电力机车和高速动车组上实现了大规模批量应用。然而，随着当代社会的飞速发展，牵引传动装置向高可靠、低成本、高效率、轻量化、小型化等方向发展的要求越来越高。而受限于底层器件——高电压等级Si基IGBT的发展趋缓，轨道交通牵引传动系统指标进一步提升空间相对有限。
当前轨道交通技术中，牵引变流器的电路拓扑结构简单，不仅灵活性差、系统功率密度低，而且由于牵引变流器所承受的功率输出需求较大，所以需要采用高电压级别的功率半导体器件，进而导致器件外壳封装大、成本高、可靠性相对较低、损耗相对较大、工作频率较低等缺点。
鉴于此，提供一种解决上述技术问题的方案，已经是本领域技术人员所亟需关注的。
发明内容
本申请的目的在于提供一种牵引传动系统，以便有效提高系统的功率密度，并为低电压等级功率半导体器件提供使用可能，帮助实现系统小型化、轻量化发展。
为解决上述技术问题，本申请公开了一种牵引传动系统，包括工频变压器、多重牵引变流器和多相牵引电机；
其中，各重所述牵引变流器的单相交流端依次串联在所述工频变压器的副边输出端之间，构成级联H桥结构；各重所述牵引变流器的三相交流端分别与所述多相牵引电机的一组定子绕组连接，以便由各重所述牵引变流器共同驱动所述多相牵引电机。
可选地，在牵引工况下，各重所述牵引变流器将所述工频变压器降压输出的电能变流为三相交流电，以驱动所述多相牵引电机；
在制动工况下，各重所述牵引变流器将所述多相牵引电机回馈的三相交流电变流为单相交流电，并通过所述工频变压器升压后回馈至电网。
可选地，各重所述牵引变流器的功率半导体器件具体为Si基器件或者SiC基器件或者GaN基器件。
可选地，还包括与所述工频变压器的副边输出端连接的预充电回路；
所述预充电回路用于在各所述牵引变流器启动之前，通过充电电阻对各所述牵引变流器的中间直流电容进行充电。
可选地，所述预充电回路包括第一开关、第二开关和所述充电电阻；
所述第一开关连接所述工频变压器的副边输出端与所述级联H桥结构；所述第二开关与所述充电电阻串联后，并联在所述第一开关两端。
可选地，每个所述牵引变流器的两个单相交流端之间均设置有旁路开关；
当所述旁路开关处于关断状态时，对应的牵引变流器参与工作；当所述旁路开关处于导通状态时，对应的牵引变流器被旁路而不参与工作。
可选地，所述多重牵引变流器中包括用于替代发生故障的牵引变流器工作的备用重牵引变流器。
可选地，在无牵引变流器故障时，所述备用重牵引变流器的所述旁路开关处于导通状态，其他重牵引变流器的所述旁路开关处于关断状态；
当出现故障的牵引变流器时，发生故障的牵引变流器的所述旁路开关切换为导通状态，所述备用重牵引变流器的所述旁路开关切换为关断状态。
可选地，所述牵引变流器的重数越多，每重所述牵引变流器中所选用的功率半导体器件的电压等级越低。
可选地，所述牵引传动系统包括三个常用重牵引变流器和一个备用重牵引变流器，各重所述牵引变流器中采用的是1200V电压等级的功率半导体器件。
可选地，所述牵引传动系统包括二个常用重牵引变流器和一个备用重牵引变流器，各重所述牵引变流器中采用的是1700V电压等级的功率半导体器件。
可选地，各重所述牵引变流器具体为两电平变流器或者三电平变流器或者多电平变流器。
可选地，所述多相牵引电机的个数为多个。
可选地，各个所述多相牵引电机的相数相互独立。
可选地，各个所述多相牵引电机具体为异步电机或者永磁同步电机。
本申请所提供的牵引传动系统所具有的有益效果是：本申请采用多重级联式牵引变流器的拓扑结构驱动多相牵引电机，降低了单重牵引变流器的功率输出压力，为低电压等级功率半导体器件的使用创造了条件，从而能够基于低电压等级功率半导体器件封装小、价格低、成熟度高、损耗低的优势，帮助实现系统设备的小型化、轻量化，提高系统的工作频率、功率密度和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。
图1为现有技术中的一种牵引传动系统的电路拓扑结构图；
图2为现有技术中的又一种牵引传动系统的电路拓扑结构图；
图3为本申请实施例公开的一种牵引传动系统的拓扑结构框图；
图4为本申请实施例公开的又一种牵引传动系统的拓扑结构框图。
具体实施方式
本申请的核心在于提供一种牵引传动系统，以便有效提高系统的功率密度，并为低电压等级功率半导体器件提供使用可能，帮助实现系统小型化、轻量化发展。
为了对本申请实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行介绍。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
以轨道交通领域为例，绿色高效、轻量化、小型化一直是牵引传动系统发展的主要方向，此外，在降低系统装置成本的同时保证高可靠性也是牵引传动装置发展的重要要求。一般地，轨道交通牵引传动系统主要包括工频变压器、牵引变流器和牵引电机三个主要部分。
当前，如图1、图2所示的两种主流电压制式的牵引传动系统已经在电力机车和高速动车组上实现了大规模批量应用，均主要由工频变压器、牵引变流器和三相牵引电机组成。其中，牵引变流器主要包括整流电路、中间直流电容和逆变电路。
图1中，工频变压器对25kV的交流接触电网降压后得到的额定交流电约950V，相对应地，牵引变流器的中间直流额定电压约1800V。此电压制式中，牵引变流器中整流电路和逆变电路所使用的Si基IGBT一般采用3300V电压等级规格。
图2中所示的牵引传动系统，工频变压器输出的低压侧电压即牵引变流器单相侧交流电压额定值约为1900V，相对应地，牵引变流器的中间直流额定电压约3600V。此电压制式中，牵引变流器中整流电路和逆变电路所使用的Si基IGBT一般采用6500V电压等级规格。类似地，也有少量轨道交通的牵引变流器选用4500V电压等级Si基IGBT。
无论是3300V或是4500V还是6500V电压等级的功率器件，即相对于低压等级的功率器件均存在外壳封装大、成本高、可靠性相对较低、损耗相对较大、工作频率较低等缺点。并且，基于3300-6500V高压等级的Si基IGBT的主电路拓扑设计灵活性相对较低，进行轻量化、小型化设计的困难较大，系统功率密度一般相对较低。鉴于此，本申请提供了一种牵引传动系统，可有效解决上述问题。
参见图3所示，本申请实施例公开了一种牵引传动系统，主要包括工频变压器、多重牵引变流器和多相牵引电机；
其中，各重牵引变流器的单相交流端依次串联在工频变压器的副边输出端之间，构成级联H桥结构；各重牵引变流器的三相交流端分别与多相牵引电机的一组定子绕组连接，以便由各重牵引变流器共同驱动多相牵引电机。
具体地，本申请所公开的新型牵引传动系统采用的是工频变压器+多重级联低压牵引变流器+多相牵引电机的主电路拓扑。其中，多重级联低压牵引变流器由多重牵引变流器的单相交流端级联而成：各重牵引变流器的单相交流侧相互串联构成级联H桥式结构，共同与工频变压器低压侧电压相匹配。
每重牵引变流器构成一条变流支路，各支路上牵引变流器的三相交流端相互独立，分别连接多相牵引电机的一组定子绕组(每组三相)，以共同满足牵引电机的大功率驱动要求，并实现各组定子绕组相互独立控制。同时，多相牵引电机各组绕组之间的电气隔离保证了整个牵引传动系统的稳定性。
对于工频变压器，可根据实际应用需要而设定低压侧额定电压。本申请中的图3具体是以图1采用3300V电压等级Si基IGBT的传统牵引传动系统为参照对象，而提供的与之对应的新型牵引传动系统，其中的低压侧额定电压具体为950V。同理，本领域技术人员可通过类比推导得到与图2等采用其他电压等级Si基IGBT的传统牵引传动系统所对应的新型牵引传动系统，均属于本申请的保护范围之内。
如图3所示，工频变压器的作用是从高压交流接触网取电、降压以及电气隔离保护等。工频变压器的高压侧额定电压为单相交流25kV，低压侧额定电压为单相交流约950V，低压侧绕组额定功率为600kW。
图3所示的牵引传动系统采用了三个常用重牵引变流器加一个备用重牵引变流器的支路设计。多相牵引电机的功率与工频变压器相匹配，为600kW。多相牵引电机的多组定子输入端分别连接多重级联式牵引变流器的四条支路，即四组三相输入。该多相牵引电机具体为九相牵引电机，因此其中一组为备用支路，正常工作状态下仅三条支路参与工作，三条支路共同分担整个电机的600kW功率，每条支路额定功率为200kW。
进一步地，作为一个具体实施例，本申请所提供的牵引传动系统不仅可工作在牵引工况下，而且还可工作在制动工况下：
在牵引工况下，各重牵引变流器将工频变压器降压输出的电能变流为三相交流电，以驱动多相牵引电机；在制动工况下，各重牵引变流器将多相牵引电机回馈的三相交流电变流为单相交流电，并通过工频变压器升压后回馈至电网。
具体地，当牵引传动系统工作在牵引工况下，牵引变流器通过工频变压器从25kV交流接触电网取电降压，所得的副边低压交流电通过变流器的四象限整流电路进行整流而得到直流电压，直流电压通过牵引变流器的逆变电路变成灵活可控的三相交流电能，拖动牵引电机运行，将电能转化为机械能。
当牵引传动系统工作在回馈工况下，牵引电机处于制动状态，机械能转化为三相交流电能，然后经牵引变流器的三相逆变电路反向工作整流为直流电压，再由牵引变流器的四象限整流电路反向工作逆变为低压交流电，最终通过工频变压器升压，回馈至25kV交流接触电网。
需要强调的是，由于本申请中采用了多重牵引变流器的级联结构，因此工频变压器的低压侧电压、多相牵引电机的功率输出需求也均相应由级联的各重牵引变流器共同承担，极大降低了单个牵引变流器的中间直流电压额定值与额定功率值。由此，本申请中的各重牵引变流器可以选用低电压等级的半导体功率器件而实现，例如，可具体选用1200V甚至更低的电压级别的半导体功率器件。
一方面，对于牵引变流器，相比于高电压等级的功率半导体器件，低电压等级的功率半导体器件具有封装小、价格低、成熟度高的优点，并且，低电压等级的功率半导体器件损耗低，有助于提升工作频率，通过合理的电路拓扑设计，有利于推动牵引传动系统的轻量化、小型化、低成本化的发展。
另一方面，对于牵引电机，本申请采用的多相牵引电机一方面实现了与新型拓扑的变流器之间的功率匹配，另一方面，各组绕组之间的电气隔离提升了系统稳定性。并且，多相牵引电机比三相牵引电机也具有更高的可靠性。一般地，多相牵引电机可具体为六相(包含二组定子绕组)电机、九相电机(包含三组定子绕组)等。
可见，本申请实施例所公开的牵引传动系统，采用多重级联式牵引变流器的拓扑结构驱动多相牵引电机，降低了单重牵引变流器的功率输出压力，为低电压等级功率半导体器件的使用创造了条件，从而能够基于低电压等级功率半导体器件封装小、价格低、成熟度高、损耗低的优势，帮助实现系统设备的小型化、轻量化，提高系统的工作频率、功率密度和稳定性。
作为一种具体实施例，本申请实施例所公开的牵引传动系统在上述内容的基础上，各重牵引变流器的功率半导体器件具体为Si基器件或者SiC基器件或者GaN基器件。
具体的，牵引变流器中的功率半导体器件既可以是Si(硅)基IGBT，也可以是Si基MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)；可以是SiC(碳化硅)基的MOSFET，也可以时GaN(氮化镓)及其他半导体材料的功率器件。
作为一种具体实施例，本申请实施例所公开的牵引传动系统在上述内容的基础上，还包括与工频变压器的副边输出端连接的预充电回路；
预充电回路用于在各牵引变流器启动之前，通过充电电阻对各牵引变流器的中间直流电容进行充电。
作为一种具体实施例，本申请实施例所公开的牵引传动系统在上述内容的基础上，预充电回路包括第一开关、第二开关和充电电阻；
第一开关连接工频变压器的副边输出端与级联H桥结构；第二开关与充电电阻串联后，并联在第一开关两端。
具体地，在牵引变流器开始工作时，应首先通过关断第一开关、导通第二开关而启动充电回路，通过充电电阻对中间直流电容充电。当直流电容预充电完成后，再通过导通第一开关将充电回路旁路。通过预充电功能可防止启动时过大的充电电流损坏直流电容和半导体功率器件。
作为一种具体实施例，本申请实施例所公开的牵引传动系统在上述内容的基础上，每个牵引变流器的两个单相交流端之间均设置有旁路开关；
当旁路开关处于关断状态时，对应的牵引变流器参与工作；当旁路开关处于导通状态时，对应的牵引变流器被旁路而不参与工作。
具体地，本实施例还对每重牵引变流器设计了旁路开关，以便通过控制旁路开关的通断，选择是否将该重牵引变流器投入工作。
作为一种具体实施例，本申请实施例所公开的牵引传动系统在上述内容的基础上，多重牵引变流器中包括用于替代发生故障的牵引变流器工作的备用重牵引变流器。
具体地，本实施例还对多重牵引变流器进行了冗余设计，以保证系统的高可靠性。以图3为例，正常状态下，第一重、第二重、第三重支路均参与工作。但若第一、二、三重支路中任意一条发生故障，则控制系统可立即响应故障，将备用支路的旁路开关断开，使备用支路投入工作，且将故障支路对应的旁路开关闭合，旁路故障支路，从而保证系统的稳定运行。
作为一种具体实施例，本申请实施例所公开的牵引传动系统在上述内容的基础上，在无牵引变流器故障时，备用重牵引变流器的旁路开关处于导通状态，其他重牵引变流器的旁路开关处于关断状态；
当出现故障的牵引变流器时，发生故障的牵引变流器的旁路开关切换为导通状态，备用重牵引变流器的旁路开关切换为关断状态。
作为一种具体实施例，本申请实施例所公开的牵引传动系统在上述内容的基础上，牵引变流器的重数越多，每重牵引变流器中所选用的功率半导体器件的电压等级越低。
具体地，本申请公开的多重级联式牵引变流器的电路结构设计灵活，不仅各条支路所采用的功率半导体器件的种类可灵活选择，并且支路的数目和所选功率半导体器件的电压等级可灵活配置。
以图3为例，作为一种具体实施例，本申请实施例所公开的牵引传动系统在上述内容的基础上，牵引传动系统包括三个常用重牵引变流器和一个备用重牵引变流器，各重牵引变流器中采用的是1200V电压等级的功率半导体器件。
作为又一种具体实施例，本申请实施例所公开的牵引传动系统在上述内容的基础上，牵引传动系统包括二个常用重牵引变流器和一个备用重牵引变流器，各重牵引变流器中采用的是1700V电压等级的功率半导体器件。
作为一种具体实施例，本申请实施例所公开的牵引传动系统在上述内容的基础上，各重牵引变流器具体为两电平变流器或者三电平变流器或者多电平变流器。
具体地，各牵引变流器中的整流电路、逆变电路，不仅可以选择两电平、三电平或者多电平的电路拓扑，还可以选择全桥电路、半桥电路等电路结构，甚至，各个桥臂开关可具体以多个功率半导体器件串并联的形式而实现，本申请对此均不做限定。
参见图4，图4为本申请公开的又一种牵引传动系统的拓扑结构图。作为一种具体实施例，本申请实施例所公开的牵引传动系统在上述内容的基础上，多相牵引电机的个数为多个。
进一步，作为一种具体实施例，本申请实施例所公开的牵引传动系统在上述内容的基础上，各个多相牵引电机的相数相互独立。
具体地，考虑到级联H桥部分的控制和牵引变流器的三相逆变电路的控制之间是相互独立的，且牵引变流器各支路的三相逆变电路(即多相牵引电机的各组绕组)之间的控制也是相互独立的，因此，本申请中，多重级联式牵引变流器的各支路的三相输出端可对应多个不同的多相牵引电机。
例如，图4中，第一、二支路中的三相交流端均连接一个六相牵引电机，而第三、四支路中的三相交流端则连接另一个六相牵引电机，即，本实施例中由一个四重级联式牵引变流器同时供两个六相牵引电机工作。
作为一种具体实施例，本申请实施例所公开的牵引传动系统在上述内容的基础上，各个多相牵引电机具体为异步电机或者永磁同步电机。
具体地，本申请所公开的牵引传动系统，对所驱动的牵引电机的数量不作限定，并且对各牵引电机的相数不作限定，对各牵引电机的类型也同样不作限定，可灵活适用于多种牵引电机驱动场合。
本申请中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需说明的是，在本申请文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请的保护范围内。

Claims (15)

1.一种牵引传动系统，其特征在于，包括工频变压器、多重牵引变流器和多相牵引电机；
其中，各重所述牵引变流器的单相交流端依次串联在所述工频变压器的副边输出端之间，构成级联H桥结构；各重所述牵引变流器的三相交流端分别与所述多相牵引电机的一组定子绕组连接，以便由各重所述牵引变流器共同驱动所述多相牵引电机。
2.根据权利要求1所述的牵引传动系统，其特征在于，在牵引工况下，各重所述牵引变流器将所述工频变压器降压输出的电能变流为三相交流电，以驱动所述多相牵引电机；
在制动工况下，各重所述牵引变流器将所述多相牵引电机回馈的三相交流电变流为单相交流电，并通过所述工频变压器升压后回馈至电网。
3.根据权利要求1所述的牵引传动系统，其特征在于，各重所述牵引变流器的功率半导体器件具体为Si基器件或者SiC基器件或者GaN基器件。
4.根据权利要求1所述的牵引传动系统，其特征在于，还包括与所述工频变压器的副边输出端连接的预充电回路；
所述预充电回路用于在各所述牵引变流器启动之前，通过充电电阻对各所述牵引变流器的中间直流电容进行充电。
5.根据权利要求4所述的牵引传动系统，其特征在于，所述预充电回路包括第一开关、第二开关和所述充电电阻；
所述第一开关连接所述工频变压器的副边输出端与所述级联H桥结构；所述第二开关与所述充电电阻串联后，并联在所述第一开关两端。
6.根据权利要求1所述的牵引传动系统，其特征在于，每个所述牵引变流器的两个单相交流端之间均设置有旁路开关；
当所述旁路开关处于关断状态时，对应的牵引变流器参与工作；当所述旁路开关处于导通状态时，对应的牵引变流器被旁路而不参与工作。
7.根据权利要求6所述的牵引传动系统，其特征在于，所述多重牵引变流器中包括用于替代发生故障的牵引变流器工作的备用重牵引变流器。
8.根据权利要求7所述的牵引传动系统，其特征在于，在无牵引变流器故障时，所述备用重牵引变流器的所述旁路开关处于导通状态，其他重牵引变流器的所述旁路开关处于关断状态；
当出现故障的牵引变流器时，发生故障的牵引变流器的所述旁路开关切换为导通状态，所述备用重牵引变流器的所述旁路开关切换为关断状态。
9.根据权利要求8所述的牵引传动系统，其特征在于，所述牵引变流器的重数越多，每重所述牵引变流器中所选用的功率半导体器件的电压等级越低。
10.根据权利要求9所述的牵引传动系统，其特征在于，所述牵引传动系统包括三个常用重牵引变流器和一个备用重牵引变流器，各重所述牵引变流器中采用的是1200V电压等级的功率半导体器件。
11.根据权利要求9所述的牵引传动系统，其特征在于，所述牵引传动系统包括二个常用重牵引变流器和一个备用重牵引变流器，各重所述牵引变流器中采用的是1700V电压等级的功率半导体器件。
12.根据权利要求1所述的牵引传动系统，其特征在于，各重所述牵引变流器具体为两电平变流器或者三电平变流器或者多电平变流器。
13.根据权利要求1至12任一项所述的牵引传动系统，其特征在于，所述多相牵引电机的个数为多个。
14.根据权利要求13所述的牵引传动系统，其特征在于，各个所述多相牵引电机的相数相互独立。
15.根据权利要求14所述的牵引传动系统，其特征在于，各个所述多相牵引电机具体为异步电机或者永磁同步电机。
CN202110355484.1A 2021-04-01 2021-04-01 一种牵引传动系统 Pending CN115179975A (zh)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110355484.1A CN115179975A (zh) 2021-04-01 2021-04-01 一种牵引传动系统
EP21742687.3A EP4315575A1 (en) 2021-04-01 2021-07-02 Electric traction system
KR1020237037718A KR20240095085A (ko) 2021-04-01 2021-07-02 전기 견인 시스템
US18/552,030 US20240171108A1 (en) 2021-04-01 2021-07-02 Electric traction system
PCT/CN2021/104289 WO2022205654A1 (en) 2021-04-01 2021-07-02 Electric traction system
JP2023560996A JP2024514254A (ja) 2021-04-01 2021-07-02 電気的トラクションシステム

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110355484.1A CN115179975A (zh) 2021-04-01 2021-04-01 一种牵引传动系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115179975A true CN115179975A (zh) 2022-10-14

Family

ID=76958659

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110355484.1A Pending CN115179975A (zh) 2021-04-01 2021-04-01 一种牵引传动系统

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20240171108A1 (zh)
EP (1) EP4315575A1 (zh)
JP (1) JP2024514254A (zh)
KR (1) KR20240095085A (zh)
CN (1) CN115179975A (zh)
WO (1) WO2022205654A1 (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103427653A (zh) * 2013-08-01 2013-12-04 南京南瑞继保电气有限公司 一种高压直流-直流变换装置
CN104527659A (zh) * 2014-12-29 2015-04-22 北京二七轨道交通装备有限责任公司 用于列车牵引的传动系统
CN105584386A (zh) * 2016-02-23 2016-05-18 南京亚派科技股份有限公司 一种模块级联式能馈型牵引供电装置及其控制方法
CN106533191A (zh) * 2016-11-04 2017-03-22 北京交通大学 一种新型电力电子牵引变压器拓扑结构及其控制方法
CN107070255A (zh) * 2017-05-17 2017-08-18 中国铁道科学研究院 一种牵引动力装置
CN110733516A (zh) * 2019-11-05 2020-01-31 中车大连机车车辆有限公司 一种轴控内燃机车及其主传动系统和方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000245005A (ja) * 1999-02-18 2000-09-08 Toshiba Corp 車両駆動制御装置
JP4987495B2 (ja) * 2007-01-25 2012-07-25 株式会社東芝 鉄道車両駆動用モータドライブシステム
DE102011085481A1 (de) * 2011-10-28 2013-05-02 Bombardier Transportation Gmbh Elektrische Energieversorgungsanordnung für Antriebseinrichtungen, zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs an elektrischen Versorgungsnetzen
DE102014203553A1 (de) * 2014-02-27 2015-08-27 Robert Bosch Gmbh Elektrisches Antriebssystem

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103427653A (zh) * 2013-08-01 2013-12-04 南京南瑞继保电气有限公司 一种高压直流-直流变换装置
CN104527659A (zh) * 2014-12-29 2015-04-22 北京二七轨道交通装备有限责任公司 用于列车牵引的传动系统
CN105584386A (zh) * 2016-02-23 2016-05-18 南京亚派科技股份有限公司 一种模块级联式能馈型牵引供电装置及其控制方法
CN106533191A (zh) * 2016-11-04 2017-03-22 北京交通大学 一种新型电力电子牵引变压器拓扑结构及其控制方法
CN107070255A (zh) * 2017-05-17 2017-08-18 中国铁道科学研究院 一种牵引动力装置
CN110733516A (zh) * 2019-11-05 2020-01-31 中车大连机车车辆有限公司 一种轴控内燃机车及其主传动系统和方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP4315575A1 (en) 2024-02-07
KR20240095085A (ko) 2024-06-25
WO2022205654A1 (en) 2022-10-06
US20240171108A1 (en) 2024-05-23
JP2024514254A (ja) 2024-03-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11588397B2 (en) Three-level power conversion system and control method
AU2012339926B2 (en) Power converter based on H-bridges
Bose Power electronics-a technology review
JP3723983B2 (ja) 直列多重３相ｐｗｍサイクロコンバータ
EP3657661A1 (en) Conversion circuit, control method, and power supply device
Dieckerhoff et al. Power loss-oriented evaluation of high voltage IGBTs and multilevel converters in transformerless traction applications
JP3544838B2 (ja) 多重インバータ装置及びその制御方法
US9203323B2 (en) Very high efficiency uninterruptible power supply
EP2953256B1 (en) Power converters
WO2005020420A1 (ja) 電力変換装置、モータドライブ装置、ｂｔｂシステムおよび系統連系インバータシステム
KR100970566B1 (ko) 전력회생이 가능한 ｈ-브리지 방식의 멀티레벨 컨버터
CN112868172B (zh) 三电平功率转换系统和方法
CN106208894A (zh) 一种多相电机驱动系统
US4641234A (en) A-C or D-C to D-C converter for dual current locomotives with D-C motors
CN113904555A (zh) 电力电子变压器的功率模组电路及电力电子变压器
WO2014085591A2 (en) Power conversion
JP3937236B2 (ja) 直列多重３相ｐｗｍサイクロコンバータ装置および直列多重３相ｐｗｍサイクロコンバータ装置の運転方法および直列多重３相ｐｗｍ電力変換装置
Nasir et al. A review of power converter topologies with medium/high frequency transformers for grid interconnection systems
CN115179975A (zh) 一种牵引传动系统
JP4069460B2 (ja) 直列多重３相ｐｗｍサイクロコンバータ
Ismail et al. A review of recent HVDC tapping topologies
Hou et al. Topologies and operations of hybrid-type DC–DC converters interfacing DC-current bus and DC-voltage bus
CN102427307B (zh) 一种三相四线制三电平逆变器
Rahman Matrix converter and Its probable applications
Matsui Bidirectional soft switching arm topology for a nonresonant HF link converter

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20221014