CN206389297U - 一种高速列车辅助变流器 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种高速列车辅助变流器，涉及高速列车供电技术技术领域。包括LLC谐振变换器、二次纹波滤波装置、三相逆变器和控制电路，辅助变流器输入侧U_i与列车牵引变流装置直流环节相连，其输出侧U_o与负载相连；LLC谐振变换器低压侧连接二次纹波滤波装置并与三相逆变器相连；LLC谐振变换器的高压侧为二极管箝位三电平半桥结构，低压侧为全桥整流电路，三相逆变器为两电平结构；LLC谐振变换器高压侧和低压侧分别与中频变压器(MFT)原边和副边相连。该辅助变流器的隔离型DC‑DC变流部分为LLC谐振变换器结构，高压侧为二极管钳位三电平半桥结构；低压侧(1b)采用全桥整流电路，并与滤波装置连接。主要用于车辆辅助设备供电。

Description

一种高速列车辅助变流器

技术领域

本实用新型涉及高速列车供电技术领域，特别涉及高速列车辅助设备供电技术。

背景技术

高速动车组技术是各项复杂技术的集合体，而辅助变流器是高速动车组的重要组成部分之一。为了保证高速动车组长时间的正常运行，列车需要稳定、高效的辅助变流器为众多辅助设备提供电源，这些设备包括空气压缩机、冷却通风机、油泵/水泵电机、空气调节系统、采暖、照明、旅客信息系统等。辅助变流器的工作性能直接关系到高速动车组能否正常行驶。

目前，高速动车组的辅助变流器按前端取电主要分有两种形式：交直交型与直交型。目前在CRH2型动车组上使用交直交型辅助变流器，这一形式装置成本较低，但只能适用于带有辅助绕组的牵引变压器，且在过分相时辅助变流器无法正常取电，处于断电状态，对辅助设备的运行和寿命有严重影响。目前CRH1、CRH3和CRH5均采用直交型辅助变流器，与交直交型相比，直交型的优点在于省去了牵引变压器的辅助绕组，简化了牵引变压器的设计与制造工作，并且在过分相区段的时候可以使用牵引电动机发电，维持牵引回路直流侧的电压，从而保证辅助变流器不断电。

现有高速列车辅助变流器不具备软开关能力，存在较大的开关损耗，不利于提高工作频率，难以实现轻量化、小型化设计。对此，本实用新型提供了一种高速列车高效率辅助变流器。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种高速列车辅助变流器，它能有效地解决利用LLC谐振变换器实现软开关的问题。

本实用新型解决其技术问题，所采用的技术方案为：

一种高速列车辅助变流器，包括LLC谐振变换器、二次纹波滤波装置、三相逆变器和控制电路，辅助变流器输入侧U_i与列车牵引变流装置直流环节相连，其输出侧U_o与负载相连；LLC谐振变换器低压侧连接二次纹波滤波装置并与三相逆变器相连；LLC谐振变换器的高压侧为二极管箝位三电平半桥结构，低压侧为全桥整流电路，三相逆变器为两电平结构；LLC谐振变换器高压侧和低压侧分别与中频变压器(MFT)原边和副边相连。

所述辅助变流器的隔离型DC-DC变流部分为LLC谐振变换器结构，高压侧为二极管钳位三电平半桥结构；低压侧(1b)采用全桥整流电路，并与二次纹波滤波装置连接。

一种高速列车辅助变流器，包括LLC谐振变换器、二次纹波滤波装置、三相逆变器和控制电路，其中：

辅助变流器输入侧与列车牵引变流装置直流环节相连，其输出侧与负载相连；LLC谐振变换器低压侧与三相逆变器相连；LLC谐振变换器的高压侧采用二极管箝位三电平半桥结构，低压侧采用全桥整流电路；三相逆变器采用两电平结构；LLC谐振变换器低压侧并联二次纹波滤波装置；LLC谐振变换器高压侧和低压侧分别与中频变压器原边和副边相连；LLC谐振变换器工作在开环状态下，控制电路采集三相逆变器输出端口电压v_a、v_b、v_c进行控制。

本实用新型辅助变流器的工作原理是：

1、LLC谐振变换器的高压侧桥臂的输出电压U₁可以输出+Ui/2、-Ui/2、0，即正、负、零三个电平。当S₁₁和S₁₂导通，U₁为正电平；当S₁₂和D₁或S₁₃和D₂导通，U₁为零电平；当S₁₃和S₁₄导通，U₁为负电平。隔离变压器变比n＝U₁/U₂，将能量由原边传递至副边。LLC谐振变换器的开关频率为f_s，由电感L_r、L_m和电容C_r组成的谐振腔具有两个谐振频率f_r和f_m。

由于当LLC谐振变换器开关频率f_s<f_m时，谐振腔为容性阻抗，电流相位超前于电压，无法实现软开关，所以一般开关频率f_s>f_m。根据开关频率f_s的大小分为3个工作状态：f_m<f_s<f_r、f_s＝f_r、 f_r<f_s，由于实际电路中谐振参数无法精确设计，难以实现f_s＝f_r的工作状态，而f_r<f_s时，电感L_m不能加入串联谐振，开关器件无法实现软关断。开关频率f_s具有f_m<f_s<f_r时，LLC谐振变换器在半个开关周期内具有四个工作阶段：阶段一(t0～t1)，S₁₃和S₁₄关断，流过L_r的电流为负，由 S₁₁和S₁₂的反并联二极管形成回路，为S₁₁和S₁₂的ZVS导通创造条件，流经变压器原边绕组的电流为正，原边绕组电压U1为正，D3、D6正向导通，能量由谐振腔向电容C1和变压器副边传输；阶段二(t1～t2)，t1时刻流过L_r的电流由负变正，S₁₁和S₁₂正向导通，L_m电压被箝位在nU2，流过L_m的电流线性上升，流过Lr和Cr的电流呈正弦变化；阶段三(t2～t3)，t2时刻，L_r与L_m电流相等，L_m加入谐振回路，变压器被旁路，原边由S₁₂和D1形成回路，副边由C3向负载供电；阶段四(t3～t4),t3时刻，S₁₁、S₁₄关断，L_r与L_m电流相同为正，工作状态与阶段三相同。在另外半个周期内，变换器的工作状态与阶段一与阶段四互补。

2、三相逆变电路为两电平结构，采用SPWM调制方法，输出幅值稳定可控的三相工频交流电压。控制电路采集逆变电路输出端三相相电压v_a、v_b、v_c，求取其有效值之后，将其平均有效值与参考电压有效值做差得到电压误差信号ΔV，经由PI控制器得到初始调制度m₁。

针对三相负载可能存在的不平衡情况，将逆变电路输出端三相相电压v_a、v_b、v_c的有效值分别与参考电压有效值做差得到三路电压误差信号，分别经由PI控制器得到每一相对应的调制度补偿量m_2i(i＝a，b，c)，将m₁与m_2i相加得到每一相的调制度m_i(i＝a，b，c)。随后，经由SPWM调制模块得到三相逆变器的开关信号。

与现有技术相比的优点和效果：

本实用新型中辅助变流器采用直交型结构，辅助变流器从牵引回路中间直流环节取电，经过LLC谐振变换器降压，由三相逆变器向交流供电母线供电。相比现有高速列车辅助变流器，本实用新型可以显著减少装置开关损耗，提高工作效率的同时可以提高装置工作频率，从而减少磁性元件、散热构件的使用，实现装置轻量化设计。此外，本实用新型装置电路结构、控制方法大大简化，可以减少对电力电子器件以及控制电路的占用，大大降低生产成本。能够有效实现车载设备小型化，减轻车辆运行功耗，增大车厢利用空间。

附图说明

图1是本实用新型与牵引回路连接结构图；

图2是本实用新型拓扑结构图；

具体实施方式

一种高速列车辅助变流器，包括LLC谐振变换器1、二次纹波滤波装置2、三相逆变器3 和控制电路4，辅助变流器输入侧U_i与列车牵引变流装置直流环节相连，其输出侧U_o与负载相连；LLC谐振变换器1低压侧连接二次纹波滤波装置2并与三相逆变器3相连；LLC谐振变换器1的高压侧为二极管箝位三电平半桥结构，低压侧为全桥整流电路，三相逆变器3 为两电平结构；LLC谐振变换器1高压侧1a和低压侧1b分别与中频变压器(MFT)原边和副边相连。

所述辅助变流器的隔离型DC-DC变流部分为LLC谐振变换器1结构，其高压侧1a为二极管钳位三电平半桥结构，低压侧1b采用全桥整流电路，并与二次纹波滤波装置2连接。

其中：

a、辅助变流器输入侧U_i和列车牵引变流装置直流环节相连，其输出侧U_o与三相交流负载相连；

b、LLC谐振变换器1低压侧1b与三相逆变器3相连；

c、LLC谐振变换器1的高压侧1a采用二极管箝位三电平半桥结构，低压侧1b采用全桥整流电路；

d、LLC谐振变换器1低压侧1b并联二次纹波滤波装置；LLC谐振变换器1高压侧1a和低压侧1b分别与中频变压器(MFT)原边和副边相连；

e、LLC谐振变换器1工作在开环状态下，控制电路4采集三相逆变器3输出端口电压v_a、v_b、 v_c进行控制。

Claims (2)

1.一种高速列车辅助变流器，包括LLC谐振变换器(1)、二次纹波滤波装置(2)、三相逆变器(3)和控制电路(4)，其特征在于：辅助变流器输入侧(U_i)与列车牵引变流装置直流环节相连，其输出侧(U_o)与负载相连；LLC谐振变换器低压侧(1b)连接二次纹波滤波装置(2)并与三相逆变器(3)相连；LLC谐振变换器(1)的高压侧(1a)为二极管箝位三电平半桥结构，低压侧(1b)为全桥整流电路，三相逆变器(3)为两电平结构；LLC谐振变换器(1)高压侧(1a)和低压侧(1b)分别与中频变压器MFT原边和副边相连。

2.根据权利要求1所述一种高速列车辅助变流器，其特征在于：所述辅助变流器的隔离型DC-DC变流部分为LLC谐振变换器(1)结构，高压侧(1a)为二极管钳位三电平半桥结构；低压侧(1b)采用全桥整流电路，并与二次纹波滤波装置(2)连接。