CN211032196U - 用于消耗机车车辆制动电能的电能消耗装置和系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的用于消耗机车车辆制动电能的电能消耗装置和系统，安装于机车车辆上，包括：逆变模块以及连接该逆变模块的发射线圈；该逆变模块连接该机车车辆的牵引变流器，用于将该牵引变流器输出的制动电能转换为高频电源；该发射线圈位于钢轨上方，且与该钢轨无导体连接，以将该高频电源定向无线传输到该钢轨上，以使该钢轨作为与电制动时机车车辆相对移动的最终负载消耗电能，不仅能够保障机车车辆的电制动的正常发挥，在电能消耗的过程中，充当负载的钢轨随着机车车辆的移动持续替换，热量沿着钢轨分散，并且钢轨质量大，导热性能好，因此正常电制动时钢轨不会引起显著高温。

Description

用于消耗机车车辆制动电能的电能消耗装置和系统

技术领域

本实用新型涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种用于消耗机车车辆制动电能的电能消耗装置和系统。

背景技术

机车车辆在使用机械摩擦制动时，机车车辆的动能转换为制动装置的内能，会损耗制动装置的耗材，并引起制动装置温度升高，当温度过高时会导致机械摩擦制动的性能急剧下降。

为了缓解机械摩擦制动的上述问题，现代机车车辆采用电制动技术，在电制动工况下把机车车辆的动能转换为电能，以减少机械摩擦制动的使用，降低机械摩擦制动的损耗和温升，同时电能还可以回收利用，节约能源。

电制动时要维持机车车辆的能量平衡，当机车车辆的辅助用电系统用不完电制动产生的电能时，需要对多余的电能进行消耗以保证电制动功能的正常发挥。

消耗多余电能最常用的技术是向牵引供电装置回馈电能，该技术所采用的电路拓扑简洁、传输功率大、能量可以回收利用，但是当牵引供电装置故障时，或者内燃电传动机车车辆无法回馈电能，机车车辆的电制动就不能正常发挥。另外，也可以在机车车辆上采用储能和耗能两种方法实现一定程度上的电能消耗。但是，目前技术条件下储能系统结构复杂，体积庞大，储能系统的功率难以满足正常电制动功率需求，储能系统的容量难以满足长大坡道的电制动能量需求，而车载耗能部件占用空间大、冷却困难，会产生显著高温，对环境造成不利影响，并且同样难以满足长大坡道时的电制动需求。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种用于消耗机车车辆制动电能的电能消耗装置和系统，能够至少部分地解决现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

第一方面，提供一种用于消耗机车车辆制动电能的电能消耗装置，安装于机车车辆上，包括：逆变模块以及连接该逆变模块的发射线圈；

该逆变模块连接该机车车辆的牵引变流器，用于将该牵引变流器输出的制动电能转换为高频电源；

该发射线圈位于钢轨上方，且与该钢轨无导体连接，以将该高频电源定向无线传输到该钢轨上，以使该钢轨作为与电制动时机车车辆相对移动的最终负载消耗电能。

进一步地，还包括：控制模块；

该控制模块连接该逆变模块，用于控制该逆变模块工作。

进一步地，该逆变模块包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管；

该第一开关管、该第二开关管、该第三开关管以及该第四开关管的控制极均连接该控制模块，该第一开关管的集电极、该第一二极管的负极、该第三开关管的集电极以及该第三二极管的负极均连接至该牵引变流器的第一输出端，该第一开关管的发射极连接该第一二极管的正极、该第二开关管的集电极、该第二二极管的负极以及该发射线圈的第一输入端，该第三开关管的发射极连接该第三二极管的正极、该第四开关管的集电极、该第四二极管的负极以及该发射线圈的第二输入端，该第二开关管的发射极连接该第二二极管的正极、该第四二极管的发射极、该第四二极管的正极以及该牵引变流器的第二输出端。

第二方面，提供一种用于消耗机车车辆制动电能的电能消耗系统，包括：牵引供电装置、电能消耗装置以及控制开关；

该牵引供电装置连接在该机车车辆的牵引变流器的输出端，该电能消耗装置通过该控制开关连接在该机车车辆的牵引变流器的输出端；

该电能消耗装置包括：逆变模块以及连接该逆变模块的发射线圈，该逆变模块连接该牵引变流器，该发射线圈位于钢轨上方，且与该钢轨无导体连接；

该控制开关连接该牵引变流器的控制器，该控制器根据该牵引供电装置的状态反馈信号对该控制开关进行通断控制；

当该控制开关断开时，该牵引变流器输出的制动电能输出至该牵引供电装置；

当该控制开关导通时，该牵引变流器输出的制动电能输出至该电能消耗装置，经该逆变模块转换为高频电源后，由该发射线圈定向无线传输到该钢轨上，以使该钢轨作为与电制动时机车车辆相对移动的最终负载消耗电能并产生热能。

进一步地，该电能消耗装置还包括：控制模块；

该控制模块连接该逆变模块，用于控制逆变模块工作。

进一步地，该逆变模块包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管；

该第一开关管、该第二开关管、该第三开关管以及该第四开关管的控制极均连接该控制模块，该第一开关管的集电极、该第一二极管的负极、该第三开关管的集电极以及该第三二极管的负极均连接至该牵引变流器的第一输出端，该第一开关管的发射极连接该第一二极管的正极、该第二开关管的集电极、该第二二极管的负极以及该发射线圈的第一输入端，该第三开关管的发射极连接该第三二极管的正极、该第四开关管的集电极、该第四二极管的负极以及该发射线圈的第二输入端，该第二开关管的发射极连接该第二二极管的正极、该第四二极管的发射极、该第四二极管的正极以及该牵引变流器的第二输出端。

本实用新型提供的用于消耗机车车辆制动电能的电能消耗装置和系统，安装于机车车辆上，包括：逆变模块以及连接该逆变模块的发射线圈；该逆变模块连接该机车车辆的牵引变流器，用于将该牵引变流器输出的制动电能转换为高频电源；该发射线圈位于钢轨上方，且与该钢轨无导体连接，以将该高频电源定向无线传输到该钢轨上，以使该钢轨作为与电制动时机车车辆相对移动的最终负载消耗电能，其中，机车车辆有速度时才会进行电制动产生电能，通过逆变模块以及发射线圈配合，将多余电能通过钢轨消耗，能够保障机车车辆的电制动的正常发挥，另外，在电能消耗的过程中，充当负载的钢轨随着机车车辆的移动持续替换，热量沿着钢轨分散，并且钢轨质量大，导热性能好，因此正常电制动时钢轨不会引起显著高温，不需要储能系统和车载耗能部件，解决储能系统和车载耗能部件所带来的问题。

为让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1示出了本实用新型实施例一种电能消耗装置的结构框图；

图2示出了本实用新型实施例一种电能消耗装置在机车车辆的安装示意图；

图3示出了本实用新型实施例中发射线圈与钢轨的位置关系图；

图4示出了本实用新型实施例一种电能消耗装置中的电路图；

图5示出了本实用新型实施例中电能消耗系统的电路图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本申请保护的范围。

以下在实施方式中详细叙述本实用新型的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员，了解本实用新型的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、权利要求及图式，任何本领域技术人员可轻易地理解本实用新型相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本实用新型的观点，但非以任何观点限制本实用新型的范畴。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本实用新型实施例提供了一种用于消耗机车车辆制动电能的电能消耗装置，安装于机车车辆上，将多余电能通过钢轨消耗，能够保障机车车辆的电制动的正常发挥，另外，在电能消耗的过程中，充当负载的钢轨随着机车车辆的移动持续替换，热量沿着钢轨分散，并且钢轨质量大，导热性能好，因此正常电制动时钢轨不会引起显著高温，不需要储能系统和车载耗能部件，解决储能系统和车载耗能部件所带来的问题。

图1示出了本实用新型实施例一种电能消耗装置的结构框图。如图1所示，该电能消耗装置安装于机车车辆的车底部位，位置正对钢轨，与钢轨之间无导电连接，电能消耗装置包括：逆变模块1以及连接逆变模块1的发射线圈2；

逆变模块1连接机车车辆的牵引变流器3，用于将牵引变流器3输出的制动电能转换为高频电源；

发射线圈2位于钢轨4上方，且与钢轨4无导体连接，以将高频电源定向无线传输到钢轨4上，以使钢轨4作为最终负载消耗电能。

值得说明的是，钢轨的正对发射线圈及其附件的部位作为负载，作为负载的钢轨部位与电制动时机车车辆相对移动。

机车车辆电制动时电机和牵引变流器共同作用产生制动电能，由牵引变流器输出。

机车车辆有速度时才会进行电制动产生电能，在不向牵引供电装置回馈电能的情况下，通过逆变模块以及发射线圈配合，将牵引变流器3产生的多余电能通过钢轨消耗，因此能在牵引供电装置故障时，保障机车车辆的电制动的正常发挥。

另外，在电能消耗的过程中，充当负载的钢轨随着机车车辆的移动持续替换，热量沿着钢轨分散，并且钢轨质量大，导热性能好，因此正常电制动时钢轨不会引起显著高温，不需要储能系统和车载耗能部件，解决储能系统和车载耗能部件所带来的问题。

再者，机车车辆在长大坡道电制动时，机车车辆的重力势能更大，经由电制动产生的电能更多，在钢轨上消耗的电能也就越多，但充当负载的钢轨也越长，热量也越分散，因此在长大坡道电制动时钢轨不会引起显著高温。

值得说明的是，参见图2，该电能消耗装置Z和牵引变流器C均安装于机车车辆下部，靠近钢轨R的位置，以便有效利用钢轨作为负载，并减少对机车车辆其他部件的影响，参见图3，优选发射线圈TC位于钢轨R的正上方。

在一个可选的实施例中，参见图4，该用于消耗机车车辆制动电能的电能消耗装置还包括：控制模块CU；控制模块CU连接逆变模块INV，用于控制逆变模块INV工作。

其中，通过设置控制模块CU对逆变模块INV进行控制，能够有效保障逆变模块INV正常工作，保障电能消耗装置的可靠性。

在一个可选的实施例中，参见图4，该逆变模块包括：开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、二极管M1、二极管M2、二极管M3以及二极管M4；

所述开关管Q1、所述开关管Q2、所述开关管Q3以及所述开关管Q4的控制极均连接所述控制模块，所述开关管Q1的集电极、所述二极管M1的负极、所述开关管Q3的集电极以及所述二极管M3的负极均连接至所述牵引变流器的第一输出端，所述开关管Q1的发射极连接所述二极管M1的正极、所述开关管Q2的集电极、所述二极管M2的负极以及所述发射线圈的第一输入端，所述开关管Q3的发射极连接所述二极管M3的正极、所述开关管Q4的集电极、所述二极管M4的负极以及所述发射线圈的第二输入端，所述开关管Q2的发射极连接所述二极管M2的正极、所述二极管M4的发射极、所述二极管M4的正极以及所述牵引变流器的第二输出端。

其中，该开关管可采用N型半导体开关器件或P型半导体开关器件实现。

本实用新型实施例提供的晶体管可以为场效应晶体管，可以为增强型场效应晶体管，也可以为耗尽型场效应晶体管。更优选地，本实用新型所述的晶体管可为绝缘栅双极型晶体管，能够降低制造成本和产品功耗。

通过采用上述逆变模块，能够高效将牵引变流器输出的电能转换为高频电源传输给发射线圈TC，提高了电能消耗装置的可靠性和鲁棒性。

图5示出了本实用新型实施例中电能消耗系统的电路图。如图5所示，该电能消耗系统包括：牵引供电装置TP、如上所述的电能消耗装置Z以及控制开关SW；

牵引供电装置TP连接在机车车辆的牵引变流器C的输出端，电能消耗装置Z通过控制开关SW连接在机车车辆的牵引变流器C的输出端。

电能消耗装置Z如上所述，在此不再赘述。

控制开关SW连接牵引变流器C的控制器CR，另外，该牵引变流器C的控制器CR还连接牵引供电装置TP，以接收牵引供电装置TP的状态反馈信号，控制器CR根据牵引供电装置TP的状态反馈信号对控制开关SW进行通断控制。

电能消耗装置Z与牵引变流器C连接并安装在机车车辆L上。

机车车辆电制动时电机M和牵引变流器C共同作用产生电能，牵引变流器C的中间直流回路DL的直流电首选回馈至牵引供电装置(此时控制开关SW关断)，由牵引供电装置对电能进行再利用，以节约能源，当牵引供电装置不能消纳牵引变流器C输出的电能时，由牵引变流器C的控制器CR控制该控制开关SW导通。

当所述控制开关断开时，所述牵引变流器输出的制动电能输出至所述牵引供电装置；

当所述控制开关导通时，控制模块CU控制逆变模块INV的开关管Q1,Q2,Q3,Q4的导通与关断，逆变单元INV将牵引变流器C输出的直流电转换为高频电源，高频电源施加到发射线圈TC，发射线圈TC产生高频电流，发射线圈TC附近产生交变磁场，发射线圈TC下方的钢轨R处在交变磁场的空间内，钢轨R作为最终负载，内部产生涡流，消耗电能并产生热量。

通过上述技术方案可以得知，本实用新型实施例提供的用于消耗机车车辆制动电能的电能消耗系统，安装于机车车辆上，在有效利用制动产生的电能的同时，又能通过钢轨消耗多余的电能，保障机车车辆的电制动的正常发挥，另外，在电能消耗的过程中，充当负载的钢轨随着机车车辆的移动持续替换，热量沿着钢轨分散，并且钢轨质量大，导热性能好，因此正常电制动时钢轨不会引起显著高温，不需要储能系统和车载耗能部件，解决储能系统和车载耗能部件所带来的问题。

本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型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实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

还需要说明的是，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、商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、商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、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种用于消耗机车车辆制动电能的电能消耗装置，安装于机车车辆上，其特征在于，包括：逆变模块以及连接所述逆变模块的发射线圈；

所述逆变模块连接所述机车车辆的牵引变流器，用于将所述牵引变流器输出的制动电能转换为高频电源；

所述发射线圈位于钢轨上方，且与所述钢轨无导体连接，以将所述高频电源定向无线传输到所述钢轨上，以使所述钢轨作为与电制动时机车车辆相对移动的最终负载消耗电能。

2.根据权利要求1所述的用于消耗机车车辆制动电能的电能消耗装置，其特征在于，还包括：控制模块；

所述控制模块连接所述逆变模块，用于控制所述逆变模块工作。

3.根据权利要求2所述的用于消耗机车车辆制动电能的电能消耗装置，其特征在于，所述逆变模块包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管；

所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管以及所述第四开关管的控制极均连接所述控制模块，所述第一开关管的集电极、所述第一二极管的负极、所述第三开关管的集电极以及所述第三二极管的负极均连接至所述牵引变流器的第一输出端，所述第一开关管的发射极连接所述第一二极管的正极、所述第二开关管的集电极、所述第二二极管的负极以及所述发射线圈的第一输入端，所述第三开关管的发射极连接所述第三二极管的正极、所述第四开关管的集电极、所述第四二极管的负极以及所述发射线圈的第二输入端，所述第二开关管的发射极连接所述第二二极管的正极、所述第四二极管的发射极、所述第四二极管的正极以及所述牵引变流器的第二输出端。

4.一种用于消耗机车车辆制动电能的电能消耗系统，其特征在于，包括：牵引供电装置、电能消耗装置以及控制开关；

所述牵引供电装置连接在所述机车车辆的牵引变流器的输出端，所述电能消耗装置通过所述控制开关连接在所述机车车辆的牵引变流器的输出端；

所述电能消耗装置包括：逆变模块以及连接所述逆变模块的发射线圈，所述逆变模块连接所述牵引变流器，所述发射线圈位于钢轨上方，且与所述钢轨无导体连接；

所述控制开关连接所述牵引变流器的控制器，所述控制器根据所述牵引供电装置的状态反馈信号对所述控制开关进行通断控制；

当所述控制开关断开时，所述牵引变流器输出的制动电能输出至所述牵引供电装置；

当所述控制开关导通时，所述牵引变流器输出的制动电能输出至所述电能消耗装置，经所述逆变模块转换为高频电源后，由所述发射线圈定向无线传输到所述钢轨上，以使所述钢轨作为与电制动时机车车辆相对移动的最终负载消耗电能并产生热能。

5.根据权利要求4所述的用于消耗机车车辆制动电能的电能消耗系统，其特征在于，所述电能消耗装置还包括：控制模块；

所述控制模块连接所述逆变模块，用于控制逆变模块工作。

6.根据权利要求5所述的用于消耗机车车辆制动电能的电能消耗系统，其特征在于，所述逆变模块包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管；

所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管以及所述第四开关管的控制极均连接所述控制模块，所述第一开关管的集电极、所述第一二极管的负极、所述第三开关管的集电极以及所述第三二极管的负极均连接至所述牵引变流器的第一输出端，所述第一开关管的发射极连接所述第一二极管的正极、所述第二开关管的集电极、所述第二二极管的负极以及所述发射线圈的第一输入端，所述第三开关管的发射极连接所述第三二极管的正极、所述第四开关管的集电极、所述第四二极管的负极以及所述发射线圈的第二输入端，所述第二开关管的发射极连接所述第二二极管的正极、所述第四二极管的发射极、所述第四二极管的正极以及所述牵引变流器的第二输出端。

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