CN206389114U - 牵引供电电源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种牵引供电电源装置，包括电源母线、启动开关、多绕组变压器、功率变换电路，其特征是：所述电源母线通过启动开关连接所述多绕组变压器的原边，所述功率变换电路包括多个输出端串联的功率模块，所述多绕组变压器的副边绕组数量等于所述功率模块的数量，所述多绕组变压器的副边的绕组与所述功率模块的输入端一一对应连接，第一个功率模块的输出端和最后功率模块的输出端为所述功率变换电路的输出端。本实用新型具有以下明显的优点：避免出现谐振现象、出现谐波放大现象，避免瞬停电再供电的过程中过电流出现，证电源的高可靠性工作。

Description

牵引供电电源装置

技术领域

本实用新型涉及一种供电系统电源装置，具体涉及一种铁路电力机车牵引供电电源装置。

背景技术

电力牵引机车具有功率大、可综合利用各种能源、能源利用率高等特点，在铁路系统中得到广泛应用。近年来，我国电气化铁路的建设速度和规模正以领先世界的态势发展。

传统电气化铁路机车牵引变电所除单相接线外，都是两相（异相）供电，供电电源采用电力系统常规三相变压器中任意两相构成一个单相供电电源，结构间的差异决定了牵引变电站拓扑结构的三相不对称性，牵引负荷在运行中有负序电流注入电网。电力机车在不同路况、不同天气下加速、恒速、惰行、制动，牵引负荷的功率和电流随机波动性很大。而且我国大量采用的交-直流整流型机车和交-直-交型机车，网侧电流含有较大的谐波成分。牵引负荷的谐波具有幅值波动大，相位分布广泛的特点。加之电力机车是移动性负荷，随列车所在位置的不同，由电力系统的不同变电所及不同相别取得电源。为了把电能可靠的输送给高速行驶的机车，现代干线电路牵引普遍采用架空接触网受流、走行钢轨回流的模式。电气化铁路牵引负荷的这些特性，决定了其电能质量问题较为严重的特点：功率因数低，扰动频繁，并且对公用电网产生谐波、负序、电压波动等电能质量问题。而电能质量又直接关系到供、用电单位的安全生产和经济效益。

电力机车运行中产生的谐波有可能使继电保护及自动装置发生误动和拒动，增加计量装置的误差，同时引起电网的电感、电容发生谐振，使谐波放大。当系统谐振时，谐波电压升高、电流增大将损坏并联电容器、电力电缆、电动机等设备，引发系统事故。使电力变压器、电容器、旋转电机等电气设备产生附加热损耗，加速绝缘老化，缩短设备寿命。会影响其他用户的正常生产，对通信线路造成干扰。

用传统的补偿、滤波等方法均不易取得满意的效果，其原因在于：（1）采用电力电子方法能补偿无功电流、负序电流及低次谐波电流，但对高次谐波电流难以进行补偿，而且在设备工作的过程中，由于功率器件的快速开关，又会产生大量谐波，即设备本身又引入了一个新的谐波源。（2）LC滤波器只可以滤波单一频率的谐波，若要滤除多个谐波，需要多个滤波器并联。一方面，如果谐波源的谐波频率发生了变化（如不同的机车变流器开关频率有区别），则滤波效果将大打折扣。另一方面，由于滤波器的接入又会产生新的谐振模式，将某些频率的谐波放大。（3）基于补偿的设备，在稳态工作条件下，可以得到较好的补偿效果，而对于频繁变化的工况则不然。补偿设备在工作时必须是先检测到所需补偿的电流，然后再产生相应的电流输出。这就是说，设备总有一个固有的响应时间，即在谐波、负序或无功产生和结束瞬间，是无法做到补偿的，必将给电网注入一个干扰性脉冲。如果工作情况是频繁变化的，这就会形成一连串的脉冲干扰。这实际上形成了一个宽频谱谐波源。以上三点决定了传统的补偿、滤波等措施难以获得满意的效果。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的不足，提供了一种牵引供电系统电源装置。

本实用新型的目的是通过以下技术手段实现的：

电源母线、启动开关、多绕组变压器、功率变换电路，电源母线通过启动开关连接多绕组变压器的原边，功率变换电路包括多个输出端串联的功率模块，多绕组变压器的副边绕组数量等于功率模块的数量，副边的绕组与功率模块的输入端一一对应连接，第一个功率模块的输出端和最后功率模块的输出端为功率变换电路的输出端。

优选的，启动开关包括第一开关、第二开关、启动装置，第二开关与启动装置串联后与第一开关并联。

所述功率模块包括整流电路、能量释放电路、逆变电路、单元控制电路和驱动电路，整流电路输入端为功率模块的输入端，整流电路连接能量释放电路，能量释放电路连接逆变电路，单元控制电路供电端连接整流电路，单元控制电路的控制信号通过驱动电路传递到逆变电路。

所述整流电路包括二极管一、二极管二、二极管三、二极管四、二极管五以及二极管六；二极管一的阴极端与二极管三的阴极端和二极管五的阴极端连接，二极管一的阳极端与二极管二的阴极端连接，二极管二的阳极端与二极管四的阳极端和二极管六的阳极端连接，二极管四的阴极端与二极管三的阳极端连接，二极管六的阴极端与二极管五的阳极端连接，二极管六的阳极端通过第一电容与二极管五的阴极端连接；

所述能量释放电路包括第七快速恢复二极管、能量消耗电阻以及第五IGBT管；能量消耗电阻的一端与第一电容连接二极管五的阴极端连接，能量消耗电阻的另一端与第五IGBT管的集电极端连接，第五IGBT管的发射极端与二极管二的阳极端、二极管四的阳极端以及二极管六的阳极端连接；第七快速恢复二极管并接在能量消耗电阻的两端，第七快速恢复二极管的阳极端与第五IGBT管的集电极端连接，第七快速恢复二极管的阴极端与第一电容连接二极管五的阴极端连接；第五IGBT管的门极端与驱动电路的输出端连接，所述驱动电路输出的PWM信号驱动第五IGBT管的导通状态，以释放直流母线上所具有的能量。当机车快速减速时，机车的动能转换成电能注入电源，能量释放电路需将这部分能量消耗掉，以保证电源安全运行。在电网许可的情况下，也可将机车制动时放出的能量送回电网，这时整流电流为双向整流电路，由三相逆变桥组成，这时不再需要能量释放电路。

所述逆变电路包括第一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT管以及第四IGBT管；第一IGBT管的发射极端与第二IGBT管的集电极端连接，第一IGBT管的集电极端与第三IGBT管的集电极端连接，且第一IGBT管的集电极端、第三IGBT管的集电极端均与二极管五的阴极端连接；第二IGBT管的发射极端与第四IGBT管的发射极端连接，且第二IGBT管的发射极端与第五IGBT管的发射极端连接，第四IGBT管的集电极端与第三IGBT管的发射极端连接；第一IGBT管的门极端、第二IGBT管的门极端、第三IGBT管的门极端以及第四IGBT管的门极端均与驱动电路的输出端连接，所述驱动电路输出的PWM信号驱动第一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT管以及第四IGBT管的导通状态，以输出所需的电压。

所述单元控制电路的电源端与二极管五阴极端及二极管六阳极端连接；单元控制电路的信号输入端采用两根光纤连接；所述驱动电路的电源端与单元控制电路连接。

所述相邻功率模块间载波依次相差180/N度，N为功率模块数量。

所述功率变换电路一输出端依次连接第一电流互感器和电抗器，所述功率变换电路的输出端连接电容器和第三开关。

与现有技术相比本实用新型具有以下明显的优点：

1.直接从公共电网电力供电电源母线上取得三相交流电源，经本装置进行功率变换后，直接单相输出，由此电源装置对负载供电，负载与电网完全隔离，它的谐波、无功、负序电流均由电源提供，不再流入电网。本电源装置由多个H桥级联组成，每个H桥由输入变压器的一个三相副边绕组供电，各副边绕组具有不同的相位角，这样可以形成实际的多相整流，如果采用36脉冲不控整流，则电网侧输入电流的电流谐波将小于3%且三相电流平衡，功率因数接近于1。由于不再引入LC等谐振支路，也不会再出现谐振现象，自然也不会出现谐波放大现象。

2. 为保证电源的高可靠性工作，采用单元冗余设计，假设正常工作时，N个单元串联恰好能够输出所需电压，电源实际串联的单元个数为N+M个，当其中个别单元故障时，电源可以自动将故障单元旁路而不影响其他单元工作，在故障单元数小于或等于M时，电源的输出电压均为额定输出电压。当电网电压波动时，电源可自动调整调制度实现稳压。

3. 电气机车在不同区间运行时，现行供电由电网的不同相向机车供电，因此在相邻区间之间机车有一个瞬停电再供电的过程，即机车过分相。在机车重新接入电源的瞬间，电源有可能处于通过车载变压器的漏抗短路的工作状态，这时将有瞬间大的过电流出现。本电源即具有这种负载情况的适应能力，当正常工作时，电源输出呈电压源特性，当瞬间短路发生时，电源转为电流源工作模式，当瞬间大电流消失后，又重新恢复电压源供电。

附图说明

图1为本实用新型的使用状态图；图2为本实用新型功率模块的结构示意图。

附图标记说明： 1-电源母线、2-启动装置、3-多绕组变压器、4-功率变换电路、5-第一电流互感器、6-电抗器、7-电容器、8-主控制器、9-单元控制电路、10-驱动电路。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示：本实用新型包括牵引供电系统接入电力系统公共连接点的电源母线1，电源母线1通过第一开关S1与多绕组变压器3的原边输入端连接，多绕组连接变压器3将电源母线1供电电压降压变换后在多绕组连接变压器3的副边输出N组三相绕组，每组三相绕组均与功率变换电路4连接，通过功率变换电路4得到所需的牵引机车供电电压；当所需电力机车供电电压为27.5kV时，N=44；功率变换电路4通过第三开关S3与负载连接，以提供负载所需的27.5kV工作电源。

第一开关S1 用于控制多绕组变压器3的原边输入端与电源母线1的连接。多绕组变压器3将电源母线1供电电压进行降压，以供功率变换电路4进行电能的调节处理。功率变换电路4将低压进行变换后升压得到27.5kV的电压，以提供27.5kV牵引机车的工作使用要求。

电源母线1与第二开关S2的一端连接；第二开关S2的另一端连接启动装置2的一端；启动装置2的另一端与多绕组变压器3的原边端连接。本实用新型实施例中，启动装置2可以采用启动电阻，在工作时，第二开关S2首先闭合，电流通过启动装置2减小并网时的冲击，当第一开关S1闭合后，第二开关S2断开，由闭合的第一开关S1将启动装置2短路，不会影响整个电路的工作要求。

功率变换电路4依次串接第一电流互感器5、电抗器6以及电容器7后与第三开关S3的一端连接，第三开关S3的另一端能与负载连接。第一电流互感器5能够测量电流，并对整个回路进行保护，电抗器6具有缓冲作用，并与电容器8构成正弦波滤波器。

多绕组变压器4的副边输出端得到N组三相绕组；功率变换电路4包括N个采用输出端串联链式结构的功率模块；变压器N组三相绕组均与N个功率模块的输入端一一对应连接，每个功率模块对输入的电压进行整流、逆变，N个功率模块逆变串接后得到所需的目标工作电压（27.5kV）。

N个功率模块中，相邻功率模块间载波移相依次相差180/N度。多绕组变压器4将电源母线1供电电压降低到630V，即变压器N组三相副边绕组中每组绕组的线电压均为630V；由于变压器副边N组三相绕组电压均连接对应功率模块，N个功率模块对630V电压进行整流、逆变再串接后，输出27.5kV的单相电压。

如图2所示：功率模块包括整流电路、能量释放电路以及与整流电路连接的逆变电路。整流电路包括二极管一D1、二极管二D2、二极管三D3、二极管四D4、二极管五D5以及二极管六D6；二极管一D1的阴极端与二极管三D3的阴极端和二极管五D5的阴极端连接，二极管一D1的阳极端与二极管二D2的阴极端连接，二极管二D2的阳极端与二极管四D4的阳极端和二极管六D6的阳极端连接，二极管四D4的阴极端与二极管三D3的阳极端连接，二极管六D6的阴极端与二极管五D5的阳极端连接，二极管六D6的阳极端通过第一电容C1与二极管五D5的阴极端连接；

能量释放电路包括第七快速恢复二极管D7、能量消耗电阻R1以及第五IGBT管V5；能量消耗电阻R1的一端与第一电容C1连接二极管五D5的阴极端连接，能量消耗电阻R1的另一端与第五IGBT管V5的集电极端连接，第五IGBT管V5的发射极端与二极管二D2的阳极端、二极管四D4的阳极端以及二极管六D6的阳极端连接；第七快速恢复二极管D7并接在能量消耗电阻R1的两端，第七快速恢复二极管D7的阳极端与第五IGBT管V5的集电极端连接，第七快速恢复二极管D7的阴极端与第一电容C1连接二极管五D5的阴极端连接；第五IGBT管V5的门极端与驱动电路13的输出端连接，驱动电路13输出的PWM信号驱动第五IGBT管V5的导通状态，以释放直流母线上所具有的能量。

逆变电路包括第一IGBT管V1、第二IGBT管V2、第三IGBT管V3以及第四IGBT管V4；第一IGBT管V1的发射极端与第二IGBT管V2的集电极端连接，第一IGBT管V1的集电极端与第三IGBT管V3的集电极端连接，且第一IGBT管V1的集电极端、第三IGBT管V3的集电极端均与二极管五D5的阴极端连接；第二IGBT管V2的发射极端与第四IGBT管V4的发射极端连接，且第二IGBT管V2的发射极端与二极管二D2的阳极端、二极管四D4的阳极端以及二极管六D6的阳极端连接， 第四IGBT管V4的集电极端与第三IGBT管V3的发射极端连接；第一IGBT管V1的门极端、第二IGBT管V2的门极端、第三IGBT管V4的门极端以及第四IGBT管V4的门极端均与驱动电路13的输出端连接，驱动电路13输出的PWM信号驱动第一IGBT管V1、第二IGBT管V2、第三IGBT管V3及第四IGBT管V4的导通状态，以输出所需的电压。

单元控制电路9的电源端与二极管五D5阴极端及二极管六D6阳极端连接；单元控制电路9的信号输入端采用两根光纤连接主控制器8；驱动电路10的电源端与单元控制电路9连接。第一IGBT管V1的发射极端与第二IGBT管V2的集电极端连接后作为第一输出端， 第三IGBT管V3的发射极端与第四IGBT管V4的集电极端连接后作为第二输出端，第一输出端、第二输出端间的电压作为功率模块间的输出端电压值。N个功率模块串接的电压作为整个功率变换电路4的输出电压。

本实用新型实施例中，从主控制器8产生的PWM信号送入单元控制电路9，由单元控制电路9生成互补的PWM信号，单元控制电路9所生成的互补PWM信号送入驱动电路10 ，互补的PWM信号驱动能力有限，不足以直接驱动IGBT工作。当PWM信号为高电平时，驱动电路10根据PWM的上升沿，进行设定延时（死区时间），然后输出带有死区时间、电压为+15V的驱动信号以驱动IGBT导通。当PWM信号为低电平时，驱动电路10输出电压为-10V的驱动信号以驱动IGBT关断。由于，驱动信号带有死区时间，就保证了同一桥臂的两个IGBT不会同时导通，防止了短路的发生。

功率模块的第一相输入连接端通过第一熔断器F1与二极管一D1的阳极端以及二极管二D2的阴极端连接，功率模块的第二相输入连接端直接与二极管三D3的阳极端以及二极管四D4的阴极端连接，第三相输入连接端通过第二熔断器F2与二极管五D5的阳极端以及二极管六D6的阴极端连接，第一相输入连接端与第二相输入连接端间、第二相输入连接端与第三相输入连接端间以及第一相输入连接端与第三相输入连接端间的电压均为630V。

工作时，先闭合第二开关S2，第二开关S2闭合到设定时间后，闭合第一开关S1以及第三开关S3，多绕组变压器3通过启动装置2减小并网的冲击电流，通过第一电流互感器55进行检测保护。多绕组变压器3将电源母线1供电电压变换得到所需的三相低压，然后通过功率变换电路4去除谐波，并保证电压的稳定性。

本实用新型从电力系统连接电源母线1上取电，通过多绕组变压器3将三相高压转换为三相低压，并由功率变换电路4整流、逆变等变换处理，将三相电压变换成单相电压，在确保对负载供电稳定性的同时，解决了传统牵引供电系统单相电源对电力系统所带来的三相不平衡问题；通过功率变换解决了电力机车等负载所带来的谐波和无功等问题，实用性强，大大提升了电能质量。

Claims (9)

1.牵引供电电源装置，包括电源母线、启动开关、多绕组变压器、功率变换电路，其特征是：所述电源母线通过启动开关连接所述多绕组变压器的原边，所述功率变换电路包括多个输出端串联的功率模块，所述多绕组变压器的副边绕组数量等于所述功率模块的数量，所述多绕组变压器的副边的绕组与所述功率模块的输入端一一对应连接，第一个功率模块的输出端和最后功率模块的输出端为所述功率变换电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的牵引供电电源装置，其特征是：所述启动开关包括第一开关、第二开关、启动装置，所述第二开关与所述启动装置串联后与所述第一开关并联。

3.根据权利要求1所述的牵引供电电源装置，其特征是：所述功率模块包括整流电路、能量释放电路、逆变电路、单元控制电路和驱动电路，所述整流电路输入端为功率模块的输入端，所述整流电路连接所述能量释放电路，所述能量释放电路连接所述逆变电路，所述单元控制电路供电端连接所述整流电路，所述单元控制电路的控制信号通过所述驱动电路传递到所述逆变电路。

4.根据权利要求3所述的牵引供电电源装置，其特征是：所述整流电路包括二极管一、二极管二、二极管三、二极管四、二极管五以及二极管六；二极管一的阴极端与二极管三的阴极端和二极管五的阴极端连接，二极管一的阳极端与二极管二的阴极端连接，二极管二的阳极端与二极管四的阳极端和二极管六的阳极端连接，二极管四的阴极端与二极管三的阳极端连接，二极管六的阴极端与二极管五的阳极端连接，二极管六的阳极端通过第一电容与二极管五的阴极端连接。

5.根据权利要求3所述的牵引供电电源装置，其特征是：所述能量释放电路包括第七快速恢复二极管、能量消耗电阻以及第五IGBT管；能量消耗电阻的一端与第一电容连接二极管五的阴极端连接，能量消耗电阻的另一端与第五IGBT管的集电极端连接，第五IGBT管的发射极端与二极管二的阳极端、二极管四的阳极端以及二极管六的阳极端连接；第七快速恢复二极管并接在能量消耗电阻的两端，第七快速恢复二极管的阳极端与第五IGBT管的集电极端连接，第七快速恢复二极管的阴极端与第一电容连接二极管五的阴极端连接；第五IGBT管的门极端与驱动电路的输出端连接，所述驱动电路输出的PWM信号驱动第五IGBT管的导通状态。

6.根据权利要求3所述的牵引供电电源装置，其特征是：所述逆变电路包括第一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT管以及第四IGBT管；第一IGBT管的发射极端与第二IGBT管的集电极端连接，第一IGBT管的集电极端与第三IGBT管的集电极端连接，且第一IGBT管的集电极端、第三IGBT管的集电极端均与二极管五的阴极端连接；第二IGBT管的发射极端与第四IGBT管的发射极端连接，且第二IGBT管的发射极端与第五IGBT管的发射极端连接，第四IGBT管的集电极端与第三IGBT管的发射极端连接；第一IGBT管的门极端、第二IGBT管的门极端、第三IGBT管的门极端以及第四IGBT管的门极端均与驱动电路的输出端连接，所述驱动电路输出的PWM信号驱动第一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT管以及第四IGBT管的导通状态。

7.根据权利要求3所述的牵引供电电源装置，其特征是：所述单元控制电路的电源端与二极管五阴极端及二极管六阳极端连接；单元控制电路的信号输入端采用两根光纤连接主控制电路；所述驱动电路的电源端与单元控制电路连接。

8.根据权利要求1所述的牵引供电电源装置，其特征是：相邻所述功率模块间载波依次相差180/N度，N为功率模块数量。

9.根据权利要求1所述的牵引供电电源装置，其特征是：所述功率变换电路一输出端依次连接第一电流互感器和电抗器，所述功率变换电路的输出端连接电容器和第三开关。