CN201309432Y - 电气化铁路接触网配套单/三相电源变换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电气化铁路接触网配套单/三相电源变换装置，其特征在于包括高压断路器、单相变压器、储能电抗器、交直交变流功率单元、LC滤波器和隔离变压器；所述高压断路器，用于作为开关装置从铁路接触网上取得单相高电压传输给单相变压器，并对系统起短路与过流保护作用；所述单相变压器，用于将高压断路器输送进来的单相高电压变换成单相338VAC低电压，并对系统起高低压隔离作用；所述的338VAC低电压经储能电抗器与交直交变流功率单元配合进行交直交变换，再经LC滤波器滤波和隔离变压器隔离输出后供外部使用。该装置具有输入功率因数高、输出电能质量好、可靠性与稳定性高等特点，在用电行业具有良好的推广前景。

Description

电气化铁路接触网配套单/三相电源变换装置

技术领域

本实用新型涉及一种电源变换装置，尤其涉及一种电气化铁路接触网配套单/三相电源变换装置。

背景技术

随着世界铁路的高速发展以及我国铁路跨越式的发展，铁路网的覆盖面也越来越广，铁路沿线的用电需求也随之增加。由于国家电网建设和维护的费用很高，不可能辐射到所有铁路用电单位及铁路施工地点，取电方便、降低成本必然成为对其配套供电电源的要求。铁路沿线虽然有铁路专用25kV供电接触网，但因其为单相高压交流电，且电压波动范围可达-30％～+24％之大，同时电力机车在运行过程中也会造成接触网电压畸变，其供电质量明显低于公共电力网，用普通电力设备很难满足电源变换要求。铁路沿线的用电除了需求三相380V交流电外还需要单相220V交流电，这就存在普通逆变器的三相不平衡输出而导致输出三相矢量三角形中心点偏移的问题，供电能力和供电质量就会大打折扣。

经历大约三十年的研发与应用实践，随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变流器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地为提高可靠性实现变流器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力，因此其应用领域也越来越广泛。以交-直-交变流器为例，从技术上看在以下几个方面会得到了充分的发展：

(1)主电路功率开关元件的自关断化、模块化、集成化、智能化，开关频率不断提高，开关损耗进一步降低。

(2)变频器主电路的拓扑结构方面的改进。

(3)脉宽调制变压变频器的控制方法：正弦波脉宽调制(SPWM)控制。消除指定次数谐波的PWM控制。电流跟踪控制。电压空间矢量控制(磁链跟踪控制)。

(4)交流电动机变频调整控制方法的进展：由标量控制(V/f控制和转差频率控制)向高动态性能的矢量控制和直接转矩控制发展。

(5)微处理器的进步使数字控制成为现代控制器的发展方向，运动控制系统是快速系统，特别是交流电动机高性能的控制需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。

基于上述技术的发展，为解决铁路沿线供电设备的供电能力和供电质量底的问题提供了一种解决的途径。

发明内容

本实用新型针对以上问题的提出，而研制一种输出电能质量好，且可靠性与稳定性高的电气化铁路接触网配套单/三相电源变换装置。其采用的技术手段如下：

一种电气化铁路接触网配套单/三相电源变换装置，其特征在于包括高压断路器、单相变压器、储能电抗器、交直交变流功率单元、LC滤波器和隔离变压器；

所述高压断路器同所述单相变压器相连接，将从铁路接触网上取得单相高电压传输给单相变压器，并由单相变压器将其变换成单相338VAC低电压；所述单相变压器、储能电抗器、交直交变流功率单元、LC滤波器滤波和隔离变压器依次相连接，其中储能电抗器和交直交变流功率单元将单相变压器变换成单相338VAC低电压进行交直交变换，再经LC滤波器滤波和隔离变压器隔离输出后供外部使用。

在交直交变流功率单元中装有两单元级联的环型热管散热器和/或冷却风机。

在交直交变流功率单元中装有两单元级联的环型热管散热器和/或冷却风机。另外在交直交变流功率单元中的IGBT开关元件通过EUS100型光纤同驱动电路相连接，并且该IGBT开关元件还通过光纤同控制电路进行相连接。

由于采用了上述技术方案，本实用新型提供的电气化铁路接触网配套单/三相电源变换装置，具有输入功率因数高、输出电能质量好、可靠性与稳定性高、体积小、自动化程度高和反应快等特点，在用电行业具有良好的推广前景。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。

图中：1、高压断路器，2、单相变压器，3、储能电抗器，4、交直交变流功率单元，5、LC滤波器，6、隔离变压器

具体实施方式

如图1所示，该电气化铁路接触网配套单/三相电源变换装置，包括由高压断路器1、单相变压器2、储能电抗器3、交直交变流功率单元4、LC滤波器5和隔离变压器6等构成。其中高压断路器1从铁路接触网上取得单相25kVAC高电压传输给单相变压器2，经过单相变压器2的转化将高压断路器输送进来的单相高电压变换成单相338VAC低电压；所述的338VAC低电压经储能电抗器3与交直交变流功率单元4配合进行交直交变换，再经LC滤波器滤波5和隔离变压器6隔离输出后形成稳定的三相380VAC及单相220VAC的三相四线制工频电输出供外部设备使用。

其中交直交变流功率单元4主电路设计上，采用模块化功率单元设计，具有结构紧凑、低杂散线路电感、功率易扩充等特点。以IGBT作为主功率开关元件，并采用低电感层叠复合母排技术，通过复合母排将IGBT元件与中间直流支撑电容器紧密地结合在一起，有效降低了线路电感，使IGBT关断过电压低于4％，提高了IGBT的可靠性和利用率。另外，交直交变流功率单元4的功率散热器模块采用环型热管散热冷却技术，该环型热管采用水作冷媒，并在热管中添加导向介质，其主要特点是可以经过环型热管进行级联，散热器的级联数量越多，散热能力越强；同时，由于热管散热器自身的特点，其外界温度越高，热管中冷媒的循环速度越快，也就是散热效率越高。在交直交变流功率单元中，采用两单元级联的环型热管散热器外加冷却风机强迫风冷。功率电路采用模块化设计，将IGBT、中间直流支撑电容器以及冷却风机等有机地结合在一起，形成一个完整的功率模块。其散热效果明显优于普通的铝型材散热方式，有效降低了功率单元满负荷、长期工作的温升，增强了系统的稳定性与可靠性。

控制电路采用铁路上通用规格的印制板及接插件，具有较好的可靠性。采用光隔离控制技术。IGBT开关元件的控制信号通过EUS100型光纤将光信号送入驱动电路，利用光纤传输IGBT触发信号，可以很方便地实现高低电压隔离，避免主电路对控制电路的干扰。IGBT驱动电路本身具有IGBT过流和电源欠压保护功能，并通过光纤将过流信号送回控制电路进行处理。

所述控制箱采用标准控制机箱，内置四象限控制板、逆变器控制板和信号处理板，采用16位单片机80C196MC和16位数字信号处理器TMS320F240作为控制平台，控制方式和控制参数均通过软件编程计算来实现。通过双闭环单相四象限PWM整流控制技术，可保证系统电流与电压保持同相，力求实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数，以达到减少对电网的谐波污染、绿色应用电能之目的。试验证明网侧输入电流畸变很小，且输入功率因数基本可以保持在0.95以上。正是由于这种技术，使得供电网电压质量优劣不会对系统对外供电输出质量产生影响，不论电网输入如何变化，仍可维持系统中间直流电压稳定。由于除了给三相对称负载供电的同时还需给单相负载供电，这就存在三相不平衡而导致输出三相矢量三角形中点偏移问题，因此在软件设计时采用V/F恒磁通空间矢量逆变控制技术结合三相不平衡中心点偏移纠正技术，对控制程序进行了优化处理，增强带单相负载能力的同时又使单、三相输出工作稳定可靠，从而自根本上解决了这一问题。V/F恒磁通空间矢量逆变控制技术结合三相不平衡中心点偏移纠正技术的基础上再配上LC滤波器作用于输出，明显减小了输出电压的谐波含量，提高了输出电能质量。采用V/F恒磁通空间矢量逆变控制技术，具备降压降频输出能力，需要时可支持通风机类负载进行软启动或降频运行。支持压缩机类负载突投，不会对电网产生影响。这是由于无论后端负载冲击多大，该电气化铁路接触网配套单/三相电源变换装置维持系统中间直流电压稳定，不会对电网产生冲击。

该装置可以适应宽范围电压输入，在电网电压17.5kV～31kV范围内可保持满功率运行，不需要减功率，为了能够提供三相四线制输出和进行输出隔离设置了隔离变压器，该隔离变压器原边采用三角形接法，副边采用星型接法，在星型中点抽出可走50A电流的零线，并在零线设过流保护，需要时可支持通风机类负载进行软启动或降频运行，支持压缩机类负载突投，不会对电网产生影响。

另外，为了提高可靠性，采用了较完善的保护措施，包括网侧过压、欠压及过流，中间直流回路过压及欠压，负载侧过压及过流，功率模块单元过温、短路等保护措施。

在投入使用前进行严格的型式试验，包括一般检查、绝缘性能试验、电磁兼容性试验、输出特性试验、启动性能试验、单相负载试验、三相负载试验、单/三相负载试验、负载突变试验、温升试验、高温试验、低温试验、低温存放试验、振动试验、耐湿热试验，各项功能均达到设计指标后方可投入使用。

本电气化铁路接触网配套单/三相电源变换装置的用户是铁路接触网辐射范围内所有可以从接触网取电、用电的单位。主要用于：

1、为电气化铁路半闭塞区段车站进行供电技术改造，或为电气化铁路铁路全闭塞区段车站供电；

2、提供一路直接从牵引网取电的新型单、三相备用电源，保障车站信号、通讯等系统的双电源供电，节约用电成本，并为铁路大提速提供技术支持；

3、为铁路沿线施工作业提供单、三相电源，方便且节约供电成本；

4、在边远山区等供电欠发达区段，还可以为车站提供生活用电。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1、一种电气化铁路接触网配套单/三相电源变换装置，其特征在于包括高压断路器(1)、单相变压器(2)、储能电抗器(3)、交直交变流功率单元(4)、LC滤波器(5)和隔离变压器(6)；

所述高压断路器(1)同所述单相变压器(2)相连接，将从铁路接触网上取得单相高电压传输给单相变压器(2)，并由单相变压器(2)将其变换成单相338VAC低电压；所述单相变压器(2)、储能电抗器(3)、交直交变流功率单元(4)、LC滤波器(5)滤波和隔离变压器(6)依次相连接，其中储能电抗器(3)和交直交变流功率单元(4)将单相变压器(2)变换成单相338VAC低电压进行交直交变换，再经LC滤波器(5)滤波和隔离变压器(6)隔离输出后供外部使用。

2、根据权利要求1所述的电气化铁路接触网配套单/三相电源变换装置，其特征在于在交直交变流功率单元中装有两单元级联的环型热管散热器和/或冷却风机。

3、根据权利要求2所述的电气化铁路接触网配套单/三相电源变换装置，其特征在于交直交变流功率单元中的IGBT开关元件通过EUS100型光纤同驱动电路相连接，并且该IGBT开关元件还通过光纤同控制电路进行相连接。

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