CN209170265U - 一种大功率永磁直驱电力机车变流器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及永磁电机的牵引变流器，具体为一种大功率永磁直驱电力机车变流器。一种大功率永磁直驱电力机车变流器，变流器主电路采用2组四象限功率单元并联输出共用直流回路，直流回路上有中间回路、牵引逆变单元和与牵引逆变单元并联的辅助逆变单元。由于永磁直驱牵引系统具有高效率、高功率密度、全寿命成本低、噪声低等优点，代表了当前高效节能、绿色环保的发展方向，大功率永磁直驱电力机车变流器作为永磁直驱电传动系统的核心装置，本实用新型不但可以突破大功率永磁直驱变流装置技术，又可以为轨道交通车辆节约能源，实现绿色环保，带来经济效益。

Description

一种大功率永磁直驱电力机车变流器

技术领域

本实用新型涉及永磁电机的牵引变流器，具体为一种大功率永磁直驱电力机车变流器。

背景技术

轨道交通车辆牵引系统技术经历了直流系统、异步交流系统，正在朝永磁直驱系统发展。由于永磁直驱同步牵引系统具有高效率、高功率密度、全寿命成本低、噪声低、绿色环保等优点，将成为下一代轨道交通车辆牵引系统主流研制方向。

我国在永磁直驱牵引系统技术的研究运用处于起步阶段，目前国内永磁系统的运用只是在地铁、城市轨道等领域，功率较小，而大功率永磁直驱牵引系统在国内甚至世界上还处于空白阶段，到现阶段还没有应用车型，本实用新型大功率永磁直驱电力机车变流器是永磁直驱牵引系统的核心部件，对永磁直驱牵引电机进行驱动控制。

发明内容

现有的电力机车变流器装置为异步交流控制系统，异步交流传动系统效率较低，当整车功率较大时，不利于节能，本实用新型大功率永磁直驱电力机车变流器的研制开发，解决了现有电力机车耗能高的问题，达到了高效节能的目标。

本实用新型是采用如下的技术方案实现的：一种大功率永磁直驱电力机车变流器，变流器主电路采用2组四象限功率单元并联输出共用直流回路，直流回路上有中间回路、牵引逆变单元和与牵引逆变单元并联的辅助逆变单元；其中每组四象限功率单元都包括四象限功率模块、预充电回路、电流传感器TA和直流斩波回路；中间回路包括中间支撑电容、二次滤波回路、接地检测装置、中间电压传感器TV、高压指示电路；牵引逆变单元包括牵引逆变功率模块、电机隔离接触器、电流传感器TA，牵引逆变功率模块通过电机隔离接触器、电流传感器TA和牵引电机连接，牵引逆变功率模块作用是为牵引电机提供3相交流电源，电机隔离接触器作用是当牵引电机惰性产生产生较高反电势时，将牵引电机和变流器隔离，电流传感器作用是实时监控并保护变流器，辅助逆变单元包括辅助逆变功率模块和电流传感器TA，辅助逆变功率模块作用是为辅助设备提供3相交流电源。

由于永磁牵引电机具有反电势的因素，永磁牵引电机惰性时，产生较高的反电势会对变流器中间回路部件造成损坏，本变流器采用在牵引逆变器和牵引电机之间增加隔离接触器的方式避免电机反电势对中间回路部件造成损坏。

上述的一种大功率永磁直驱电力机车变流器，预充电回路包括第一开关K1、第二开关K2和第一电阻R1，第一开关K1的一端和第二开关K2的一端连接且作为输出端连接到四象限功率单元，第一开关K1的另一端通过第一电阻R1和第二开关K2的另一端连接，第二开关K2的另一端作为输入端和外部交流电一侧连接，外部交流电的另一侧连接四象限功率单元，电流传感器TA连接在四象限功率单元的输入线路上。通过第一开关K1和第二开关K2的配合，保证变流器在初始上电时，di/dt不至于过大，减小器件的损坏。

上述的一种大功率永磁直驱电力机车变流器，斩波电路包括IGBT器件S1、第一电流传感器TA1、第二电阻R2和第一晶体二极管D1，IGBT器件S1的集电极和母线VDC+连接，IGBT器件S1的发射极和第二电阻R2的一端连接，还和第一晶体二极管D1的阴极连接，第二电阻R2的另一端和第一晶体二极管D1的阳极连接，第一晶体二极管D1的阳极和母线VDC-连接，第一电流传感器TA1串接在第一晶体二极管D1和第二电阻R2的连接线路上。斩波电路能消耗一部分母线电压的能量，从而稳定住母线电压。

上述的一种大功率永磁直驱电力机车变流器，二次滤波回路包括第一电容C1和第一电感L1，第一电感L1一端和和母线VDC+连接，另一端和第一电容C1一端连接，第一电容C1另一端和母线VDC-连接；接地检测装置包括放电电阻和第一电压传感器TV1，放电电阻包括串接后连接在母线VDC+和母线VDC-之间的第三电阻R3和第四电阻R4，第一电压传感器TV1一端和母线VDC+连接，另一端和电阻R3与电阻R4之间的串接点连接，第一电压传感器TV1的另一端还接变流器柜体接地点；高压指示电路包括第一指示灯L1和第二指示灯L2，第一指示灯L1一端和第一电容C1一端连接，第一指示灯L1另一端通过第一限流电阻R5和母线VDC-连接，第二指示灯L2和第二限流电阻R6串接后连接在母线VDC+和母线VDC-之间。二次滤波回路作用是滤除有害的二次谐波。二次滤波回路作用是滤除有害的二次谐波。接地检测装置作用是接地故障的检测，当接地正常时，第一电压传感器TV1显示的是电阻R3之间的电压，若接地故障则显示为零或电阻R3和电阻R4之间的电压。高压指示灯作用是保障维修维护时的安全性，指示灯亮时说明二次滤波回路中第一电容C1和中间支撑电容C没有放电完全。

上述的一种大功率永磁直驱电力机车变流器，四象限功率模块、牵引逆变功率模块、辅助逆变功率模块、中间支撑电容、二次滤波回路第一电容均采用抽屉式结构，均放在变流器柜的柜门位置，易于维修维护；四象限功率模块、牵引逆变功率模块、辅助逆变功率模块后端安装有快速水冷接头，可以快捷插拔，功率模块维修时不需排放水冷却回路中的冷却液；四象限功率模块、牵引逆变功率模块、辅助逆变功率模块低压线束均采用连接器设计，既实现了快速插拔、维修维护、又具有防插错功能。

上述的一种大功率永磁直驱电力机车变流器，变流器冷却系统包括冷却管路、膨胀水箱、检测装置，冷却管路包括主管路进水管、主管路出水管和分支管路，冷却管路材质为304不锈钢，主管路进水管和主管路出水管采用两根直管道，功率模块通过分支管路与主管路进水管、主管路出水管采用并联方式连接，分支管路采用波纹管，减小了管路连接由于尺寸偏差导致应力较大的问题。

本实用新型技术方案带来的有益效果：由于永磁直驱牵引系统具有高效率、高功率密度、全寿命成本低、噪声低等优点，代表了当前高效节能、绿色环保的发展方向，大功率永磁直驱电力机车变流器作为永磁直驱电传动系统的核心装置，本实用新型不但可以突破大功率永磁直驱变流装置技术，又可以为轨道交通车辆节约能源，实现绿色环保，带来经济效益。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理图。

图2为变流器拆去前门正面图。

图3为变流器带前门正面图。

图4为变流器带后门背面图。

图中：1-四象限功率模块组件，2-牵引逆变功率模块组件，3-辅助逆变功率模块组件，4-二次滤波电容组件，5-水冷系统组件，6-输入电路组件，7-输出电路组件，8-电机隔离接触器组件，9-电阻水冷板组件，10-加热装置组件，11-熔断器组件，12-预充电电阻组件，13-斩波电阻组件，14-传感器组件，15-电压检测板组件，16-主接触器组件，17-预充电接触器组件，18-控制单元组件，19-前门，20-后门。

具体实施方式

本变流器主电路结构采用2组四象限功率单元并联输出共用中间直流回路，中间直流回路上有3组牵引逆变单元和1组辅助逆变单元输出。大功率永磁直驱电力机车变流器在具体应用时包括以下组件：

1）四象限功率模块组件：安装于柜体左侧中间位置，包括四象限功率模块、四象限+斩波功率模块、中间支撑电容、复合母排、快速水冷接头。

2）牵引逆变功率模块组件：安装于柜体右侧中间位置，包括牵引逆变功率模块、中间支撑电容、复合母排、快速水冷接头。

3）辅助逆变功率模块组件：安装于柜体右侧最右端位置，包括辅助逆变功率模块、中间支撑电容、复合母排、快速水冷接头。

4）二次滤波电容组件：安装于柜体左侧下部位置，包括二次滤波电容、复合母排等主要部件。

5）水冷系统组件：安装于柜体左下侧和后侧位置，包括水泵、水泵管路、膨胀水箱、压力传感器、温度传感器、流量计、溢水盒。

6）输入电路组件：安装于柜体左侧下部位置，包括绝缘支架、铜排、电流传感器。

7）输出电路组件：安装于柜体右侧下部位置，包括绝缘支架、铜排、电流传感器。

8）电机隔离接触器组件：安装于柜体右侧下部位置，包括电机隔离接触器、铜排。

9）电阻水冷板组件：安装于柜体左侧下部位置，包括电阻水冷板、贴片电阻、快速水接头。

10）加热装置组件：安装于柜体底部和顶部位置，包括热风器。

11）熔断器组件：安装于柜体右侧底部位置，包括熔断器、微动开关、铜排。

12）预充电电阻组件：安装于柜体顶部位置，包括安装支架、预充电电阻。

13）斩波电阻组件：安装于柜体顶部位置，包括安装支架、斩波电阻。

14）传感器组件：安装于柜体上部位置，包括传感器、铜排。

15）电压检测板组件：安装于柜体上部中间侧板位置，包括电压检测板、绝缘板。

16）主接触器组件：安装于柜体上部位置，包括主接触器、安装支架。

17）预充电接触器组件：安装于柜体上部位置，包括预充电接触器、安装支架。

18）控制单元组件：安装于柜体右上部位置，包括牵引控制单元、辅助控制单元、滤波器、继电器、端子排、网压互感器、温度变送器。

19）高压线束组件。

20）低压线束组件。

21）门组件：包括4个前门、2个后门。

22）箱体组件。

变流器整体采用模块化、单元化设计，集成化程度比较高，集成了3组牵引逆变单元和1组辅助逆变单元，是目前世界上功率最大的永磁直驱电力机车变流器。

变流器在布局上采用高低压分区；布线上高压线束、中压线束、低压线束分开走线设计；控制单元和功率模块电源前端设计有滤波器，有效的滤除谐波；控制信号线束采用多芯屏蔽线束，杜绝干扰。变流器电磁兼容性优良。产品结构上采用模块化设计，便于维修维护。牵引控制单元、辅助控制单元、所有功率模块、中间支撑电容、二次滤波电容均采用抽屉式结构，均放在变流柜的靠近前柜门位置，易于维修维护；功率模块后端安装有快速水冷接头，可以快捷插拔，功率模块维修时不需排放水冷却回路中的冷却液；功率模块所有低压线束均采用连接器设计，既实现了快速插拔、维修维护、又具有防插错功能。

变流器冷却系统主要由冷却管路、膨胀水箱、检测装置等组成。冷却水管材质为304不锈钢，主管路进水管和出水管采用两根直管道，所有功率模块与主管道采用分支管路并联的方式，分支管路采用波纹管，减小了管路连接由于尺寸偏差导致应力较大的问题；功率模块分支管路并联在主管道上，流道阻力设计相同，有效的保证了各个功率模块流量的分配均匀，保证功率模块散热需求；水冷却管路安装有温度传感器、压力传感器、流量计，保证水冷却系统的安全性，从而保证整个变流器运行的安全性。

功率模块和中间支撑电容相邻放置，采用低感复合母排连接，有效的降低了杂散电感，减小了功率模块IGBT关断时的大电压冲击。

变流器前门设计有门扣手便于拆卸；每个门都通过接地弹片接地装置与柜体可靠连接，从而保证可靠接地；变流器具有各种警示标识，保证人的安全性；变流器4个前门的门锁都具有与整车连锁的功能，只有整车断电接地时，变流器的前门才能打开；变流器设计有高压指示回路，当变流器内部主电路高于安全电压时，红色指示灯亮起，此时不能靠近变流器，当红色指示灯熄灭时，才能靠近变流器进行维修维修维护，此设计充分考虑人员的安全性。

本变流器用于大功率永磁直驱电力机车电传动系统上，用来为机车永磁直驱牵引电机、辅助负载提供电源。

Claims (6)

1.一种大功率永磁直驱电力机车变流器，其特征在于变流器主电路采用2组四象限功率单元并联输出共用直流回路，直流回路上有中间回路、牵引逆变单元和与牵引逆变单元并联的辅助逆变单元；其中每组四象限功率单元都包括四象限功率模块、预充电回路、电流传感器TA和直流斩波回路；中间回路包括中间支撑电容、二次滤波回路、接地检测装置、中间电压传感器TV、高压指示电路；牵引逆变单元包括牵引逆变功率模块、电机隔离接触器、电流传感器TA，牵引逆变功率模块通过电机隔离接触器、电流传感器TA和牵引电机连接，牵引逆变功率模块作用是为牵引电机提供3相交流电源，电机隔离接触器作用是当牵引电机惰性产生产生较高反电势时，将牵引电机和变流器隔离，电流传感器作用是实时监控并保护变流器，辅助逆变单元包括辅助逆变功率模块和电流传感器TA，辅助逆变功率模块作用是为辅助设备提供3相交流电源。

2.根据权利要求1所述的一种大功率永磁直驱电力机车变流器，其特征在于预充电回路包括第一开关K1、第二开关K2和第一电阻R1，第一开关K1的一端和第二开关K2的一端连接且作为输出端连接到四象限功率模块，第一开关K1的另一端通过第一电阻R1和第二开关K2的另一端连接，第二开关K2的另一端作为输入端和外部交流电一侧连接，外部交流电的另一侧连接四象限功率模块，电流传感器TA连接在四象限功率模块的输入线路上。

3.根据权利要求1或2所述的一种大功率永磁直驱电力机车变流器，其特征在于斩波电路包括IGBT器件S1、第一电流传感器TA1、第二电阻R2和第一晶体二极管D1，IGBT器件S1的集电极和母线VDC+连接，IGBT器件S1的发射极和第二电阻R2的一端连接，还和第一晶体二极管D1的阴极连接，第二电阻R2的另一端和第一晶体二极管D1的阳极连接，第一晶体二极管D1的阳极和母线VDC-连接，第一电流传感器TA1串接在第一晶体二极管D1和第二电阻R2的连接线路上。

4.根据权利要求1或2所述的一种大功率永磁直驱电力机车变流器，其特征在于二次滤波回路包括第一电容C1和第一电感L1，第一电感L1一端和和母线VDC+连接，另一端和第一电容C1一端连接，第一电容C1另一端和母线VDC-连接；接地检测装置包括放电电阻和第一电压传感器TV1，放电电阻包括串接后连接在母线VDC+和母线VDC-之间的第三电阻R3和第四电阻R4，第一电压传感器TV1一端和母线VDC+连接，另一端和第三电阻R3与第四电阻R4之间的串接点连接，第一电压传感器TV1的另一端还接变流器柜体接地点；高压指示电路包括第一指示灯L1和第二指示灯L2，第一指示灯L1一端和第一电容C1一端连接，第一指示灯L1另一端通过第一限流电阻R5和母线VDC-连接，第二指示灯L2和第二限流电阻R6串接后连接在母线VDC+和母线VDC-之间。

5.根据权利要求1或2所述的一种大功率永磁直驱电力机车变流器，其特征在于四象限功率模块、牵引逆变功率模块、辅助逆变功率模块、中间支撑电容、二次滤波回路第一电容均采用抽屉式结构，均放在变流器柜的柜门位置，易于维修维护；四象限功率模块、牵引逆变功率模块、辅助逆变功率模块后端安装有快速水冷接头，可以快捷插拔，功率模块维修时不需排放水冷却回路中的冷却液；四象限功率模块、牵引逆变功率模块、辅助逆变功率模块低压线束均采用连接器设计，既实现了快速插拔、维修维护、又具有防插错功能。

6.根据权利要求1或2所述的一种大功率永磁直驱电力机车变流器，其特征在于变流器冷却系统包括冷却管路、膨胀水箱、温度传感器、压力传感器、流量计，冷却管路包括主管路进水管、主管路出水管和分支管路，冷却管路材质为304不锈钢，主管路进水管和主管路出水管采用两根直管道，功率模块通过分支管路与主管路进水管、主管路出水管采用并联方式连接，分支管路采用波纹管，减小了管路连接由于尺寸偏差导致应力较大的问题。