CN213602566U - 一种多功能一体化的变流装置及轻轨车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多功能一体化的变流装置及轻轨车辆。该变流装置包括：主逆变模块腔体，设于所述变流装置的一侧，用于容纳电源板，以及主牵引变流系统的主逆变模块及牵引控制单元，其中，所述牵引控制单元适于根据外部指令控制所述主逆变模块输出交流电来驱动车辆的牵引电机；电抗器腔体，设于所述变流装置的中部，用于容纳所述主牵引变流系统的主变滤波电抗器，以及辅助变流系统的辅助滤波电抗器及高频磁性元件，其中，所述辅助变流系统适于输出交流电和/或直流电来为车载负载供电；以及辅助模块腔体，设于所述变流装置的另一侧，用于容纳传感器检测单元、接触器组件，以及所述辅助变流系统的辅充一体化模块及辅助输出滤波组件。

Description

一种多功能一体化的变流装置及轻轨车辆

技术领域

本实用新型涉及车载变流装置的技术领域，尤其涉及一种多功能一体化的变流装置，以及一种配置该变流装置的轻轨车辆。

背景技术

随着我国经济的飞速发展，城市交通需求剧增。特别是轻轨车辆以其运量适中、运行舒适、能耗低、投资少、运营灵活等特点在全国范围内得以广泛运用，已成为当今城市公共交通系统的重要组成部分。变流装置作为轻轨车辆的核心部件，正在朝功率密度大、重量轻、噪音低和调制性能全的方向发展。相较于地铁车辆，轻轨车辆车身更小。这对变流装置的高度集成化、小型化、轻量化提出了更高的要求。

然而，目前国内大多数轻轨车辆的变流系统都采用分散式的布置方式，只在车辆总组装时才通过电缆连接起来，并通过独立的总线与车辆通信。这种分散式的布置方式存在以下缺陷：(1)造成车辆底部空间拥挤，给主机厂的车下设备布局带来很大的困难；(2)牵引系统的分散部件会增加牵引系统的总重量，设备重量越重整车的能耗就越高，因此会减小整车的运输能力；(3) 较多的分散部件增加了设备间的电缆连接，因此会增加整车电磁兼容 (Electromagnetic Compatibility，EMC)设计的难度。

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本领域亟需一种集成度高、体积小、重量轻、易维护的车载变流装置，在现有轻轨车辆的不同供电等级下实现主牵引逆变、辅助逆变及充电机功能的集成，从而为变流装置减重、节能，并提高轻轨车辆的安全性。

实用新型内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本实用新型提供了一种多功能一体化的变流装置，以及一种轻轨车辆，能够在现有轻轨车辆的不同供电等级下实现主牵引逆变、辅助逆变及充电机功能的集成，从而为变流装置减重、节能，并提高轻轨车辆的安全性。

本实用新型提供的上述多功能一体化的变流装置包括：主逆变模块腔体，设于所述变流装置的一侧，用于容纳电源板，以及主牵引变流系统的主逆变模块及牵引控制单元，其中，所述牵引控制单元适于根据外部指令控制所述主逆变模块输出交流电来驱动车辆的牵引电机；电抗器腔体，设于所述变流装置的中部，用于容纳所述主牵引变流系统的主变滤波电抗器，以及辅助变流系统的辅助滤波电抗器及高频磁性元件，其中，所述辅助变流系统适于输出交流电和 /或直流电来为车载负载供电；以及辅助模块腔体，设于所述变流装置的另一侧，用于容纳传感器检测单元、接触器组件，以及所述辅助变流系统的辅充一体化模块及辅助输出滤波组件。

优选地，在本实用新型的一些实施例中，所述主逆变模块可以集成有主逆变电路、斩波回路及第一隔离驱动电路。所述主逆变电路包括单不限于三相全控型桥式电路，所述主逆变电路可以通过第一预充电回路及主变滤波电路连接外部高压。所述斩波回路可以包括两路斩波支路。所述两路斩波支路可以分别连接外部的能量吸收电阻的两端，以利用所述能量吸收电阻来吸收中间过电压。所述牵引控制单元可以通过所述第一隔离驱动电路连接所述主逆变电路及所述斩波回路，适于控制所述主逆变电路及所述斩波回路以输出频率和幅值可调的交流电。

优选地，在本实用新型的一些实施例中，所述变流装置可以包括两个所述主牵引变流系统，用于分别驱动所述车辆的两个牵引电机。两个所述主牵引变流系统的所述主逆变电路、所述斩波回路及所述第一隔离驱动电路可以分别集成于两个独立的主逆变模块。两个所述主牵引变流系统可以共用一个所述牵引控制单元。所述牵引控制单元与所述电源板可以设于所述主逆变模块腔体的同一模块。

可选地，在本实用新型的一些实施例中，所述主逆变模块还可以集成有固定放电电阻回路。所述固定放电电阻回路可以包括并联于支撑电容两端的固定放电电阻。所述固定放电电阻可以在所述主牵引变流系统断电时为所述支撑电容放电，以使所述支撑电容两端的中间电压低于安全电压标准。

可选地，在本实用新型的一些实施例中，所述变流装置还可以包括冷却风机。所述冷却风机可以设于所述变流装置的中部，用于为所述主变滤波电抗器、所述辅助滤波电抗器及所述高频磁性元件散热。所述电抗器腔体可以围绕所述冷却风机设置。

可选地，在本实用新型的一些实施例中，所述接触器组件可以集成有多路预充电回路。各所述预充电回路可以分别将外部高压变换为直流输入电压，并输出到对应的主牵引变流系统或对应的辅助变流系统。

优选地，在本实用新型的一些实施例中，每路所述预充电回路可以包括一个充电支路和一个短接支路。所述充电支路可以包括充电接触器和充电电阻。所述充电接触器适于在预充电过程的初期闭合，通过所述充电电阻为支撑电容充电以限制预充电电流。所述短接支路可以包括短接接触器。所述短接接触器适于在所述预充电过程的后期闭合，短接所述充电电阻以降低所述预充电过程的能量损耗。

可选地，在本实用新型的一些实施例中，所述辅充一体化模块可以集成有降压斩波电路、隔离变压电路、辅助逆变电路、辅助控制单元及第二隔离驱动电路。所述降压斩波电路可以通过第二预充电回路及输入滤波电路连接外部高压。所述辅助控制单元可以通过所述第二隔离驱动电路连接所述降压斩波电路、所述隔离变压电路及所述辅助逆变电路，适于控制所述降压斩波电路将所述直流输入电压降压为中间直流母线电压，还适于控制所述隔离变压电路及所述辅助逆变电路对所述中间直流母线电压进行隔离变压及高频逆变以输出PWM电压。

优选地，在本实用新型的一些实施例中，所述辅助输出滤波组件可以集成有辅助输出接触器、所述输入滤波电路及输出滤波电路。所述输出滤波电路可以将所述PWM电压滤波为准正弦交流电压，并通过所述辅助输出接触器为车载交流负载供电。

可选地，在本实用新型的一些实施例中，所述辅充一体化模块还可以集成有充电机电路。所述充电机电路可以通过所述第二隔离驱动电路连接所述辅助控制单元。所述辅助控制单元还适于控制所述充电机电路对所述中间直流母线电压进行高频隔离变压，以输出直流电压来为车辆蓄电池和/或车载直流负载供电。

可选地，在本实用新型的一些实施例中，所述传感器检测单元可以包括电压传感器及电流传感器，适于采集所述变流装置的多端的电压信号及电流信号以作为所述牵引控制单元执行过压保护、欠压保护及过流保护的依据。所述传感器检测单元还可以包括集成于所述主逆变模块的输出电流传感器、集成于所述辅充一体化模块的中间直流母线电压传感器，以及集成于所述辅助输出滤波组件的输出电压传感器。所述输出电流传感器可以通信连接所述牵引控制单元。所述牵引控制单元还适于根据所述传感器检测单元采集的信号，进行电路故障判断、故障保护及故障自诊断。所述中间直流母线电压传感器及所述输出电压传感器可以通信连接辅助控制单元。所述辅助控制单元适于根据采集的中间直流母线电压控制降压斩波电路，并适于根据采集的输出电压控制隔离变压电路、辅助逆变电路和/或充电机电路。

可选地，在本实用新型的一些实施例中，所述变流装置的主框架，以及所述主逆变模块腔体、所述电抗器腔体及所述辅助模块腔体的底板可以为不锈钢材质，用于提高所述变流装置的承重能力。所述变流装置的其余外表面为铝合金材质，用于防止外部的电磁干扰，并降低所述变流装置的重量。所述主逆变模块腔体、所述电抗器腔体及所述辅助模块腔体之间通过铝合金隔板分隔，用于防止各腔体之间的电磁干扰，并降低所述变流装置的重量。

根据本实用新型的另一方面，本文还提供了一种轻轨车辆。

本实用新型提供的上述轻轨车辆，可以包括上述任意一个实施例所提供的多功能一体化的变流装置，能够在现有轻轨车辆的不同供电等级下实现主牵引逆变、辅助逆变及充电机功能的集成，从而为变流装置减重、节能，并提高轻轨车辆的安全性。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本实用新型的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了根据本实用新型的一些实施例提供的多功能一体化的变流装置的电路示意图。

图2示出了根据本实用新型的一些实施例提供的多功能一体化的变流装置的布置示意图。

附图标记：

10 牵引控制单元；

11、21 第一预充电回路

12、22 主变滤波电路；

13、23 固定放电电阻回路；

14、24 第一隔离驱动电路；

15、25 斩波回路；

16、26 主逆变电路；

30 辅助控制单元；

31 第二预充电回路；

32 输入滤波电路；

33 降压斩波电路；

34 隔离变压电路；

35 辅助逆变电路；

36 输出滤波电路；

37 第二隔离驱动电路；

38 充电机电路；

40 车辆供电回路；

41、42 牵引电机；

43 外部接口；

44、45 能量吸收电阻；

46 交流负载；

47 直流负载；

50 传感器检测单元；

60 主逆变模块腔体；

61～62 主逆变模块；

70 电抗器腔体；

71 冷却风机；

80 辅助模块腔体；

81 接触器组件；

82 辅充一体化模块；

83 辅助输出滤波组件。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。虽然本实用新型的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此实用新型的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作实用新型介绍的目的是为了覆盖基于本实用新型的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本实用新型的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本实用新型也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本实用新型的重点，有些具体细节将在描述中被省略。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本实用新型的限制。

能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本实用新型一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。

如上所述，现有的分散式布置方式存在以下缺陷：(1)造成车辆底部空间拥挤，给主机厂的车下设备布局带来很大的困难；(2)牵引系统的分散部件会增加牵引系统的总重量，设备重量越重整车的能耗就越高，因此会减小整车的运输能力；(3)较多的分散部件增加了设备间的电缆连接，因此会增加整车电磁兼容(Electromagnetic Compatibility，EMC)设计的难度。

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本实用新型提供了一种多功能一体化的变流装置，以及一种轻轨车辆，能够在现有轻轨车辆的不同供电等级下实现主牵引逆变、辅助逆变及充电机功能的集成，从而为变流装置减重、节能，并提高轻轨车辆的安全性。

在本实用新型的一些实施例中，上述多功能一体化的变流装置可以集成有主牵引变流系统和辅助变流系统。该主牵引变流系统适于根据外部指令控制其主逆变模块输出交流电来驱动车辆的牵引电机，从而实现主牵引变流的功能。该辅助变流系统适于对外部高压供电进行高频变压，以输出交流电和/或直流电来为车载负载及车载蓄电池供电，从而实现辅助变流的功能及车载充电机的功能。

以下将结合一些电路结构的实施例来描述上述多功能一体化变流装置的工作原理。本领域的技术人员可以理解，这些电路结构只是一些非限制性的实施例，旨在清楚地展示本实用新型的主要构思，并提供一些便于公众实施的具体方案，而非用于限制本实用新型的保护范围。

请参考图1，图1示出了根据本实用新型的一些实施例提供的多功能一体化的变流装置的电路示意图。

如图1所示，在一些实施例中，上述多功能一体化的变流装置可以包括两路主牵引变流系统，以及一路辅助变流系统。

在上述实施例中，第一路主牵引变流系统可以配置有独立的第一预充电回路11、主变滤波电路12、固定放电电阻回路13、第一隔离驱动电路14、斩波回路15及主逆变电路16，适于对车辆供电回路40提供的外部高压进行变流处理以输出交流电来驱动对应的牵引电机41。第二路主牵引变流系统可以配置有独立的第一预充电回路21、主变滤波电路22、固定放电电阻回路13、第一隔离驱动电路24、斩波回路25及主逆变电路26，适于对供电回路40提供的外部高压进行变流处理以输出交流电来驱动对应的牵引电机42。

上述第一路主牵引变流系统和上述第二路主牵引变流系统可以共用一个牵引控制单元(Drawing Control Unit，DCU)10，以节省变流装置的硬件成本及空间需求。该牵引控制单元10通信连接外部接口43，适于根据司机、整车控制单元(Vehicle Control Unit，VCU)或其他外部控制器提供的外部指令，通过各第一隔离驱动电路14、24对各斩波回路15、25及各主逆变电路16、26 进行实时控制，以输出频率和幅值可调的交流电来驱动对应的牵引电机41、42。该第一隔离驱动电路14、24作为牵引控制单元10与各主逆变电路16、26、各斩波回路15、25的中间环节，可以起到传递控制信号、转换控制信号电压及反馈故障类型的作用，用于完成对各斩波回路15、25及各主逆变电路16、26 的实时控制。

在一些优选的实施例中，牵引控制单元10可以通信连接变流装置的传感器检测单元50，适于根据传感器检测单元50采集的输入变流装置正负线电流信号、斩波回路电流信号、逆变电路输出电流信号、输入端网压信号和中间电压信号，进行电路故障判断、故障保护及故障自诊断。该电路故障包括但不限于过压故障、欠压故障及过流故障。相应地，该故障保护包括但不限于过压保护、欠压保护及过流保护。

以下将具体说明主牵引变流系统中各电路组件的结构及作用。以第一路主牵引变流系统为例，第一预充电回路11可以包括一个充电支路和一个短接支路。该充电支路由一个充电接触器和一个充电电阻组成，而该短接支路仅包括一个短接接触器。该充电支路和短接支路相互并联地连接于车辆供电回路40 与支撑电容之间。在预充电过程的初期，支撑电容的电压接近于零。此时，充电接触器闭合而短接接触器断开，车辆供电回路40通过充电电阻为支撑电容充电。该充电电阻可以限制预充电电流，以减少瞬间大电流对支撑电容的电压冲击。当支撑电容的电压上升到一定电压阈值，牵引控制单元10可以判断预充电过程达到后期，从而闭合短接接触器以将车辆供电回路40直接连接到支撑电容来进行充电。此时，充电电阻被短接，预充电过程的能量损耗得以降低。当支撑电容的电压进一步上升到指定的第一输入电压阈值，预充电过程结束。

在一些实施例中，第一预充电回路11的后端可以配置有主变滤波电路12。该主变滤波电路12可以包括主变滤波电抗器，用于滤去电网的纹波以避免对后端的主逆变电路16产生干扰。

在一些实施例中，第一预充电回路11的后端可以配置有固定放电电阻回路13。该固定放电电阻回路13可以包括并联于支撑电容两端的固定放电电阻。当主牵引系统断电时，牵引控制单元10可以利用固定放电电阻为支撑电容放电，使支撑电容两端的中间电压降低到安全电压标准以下，以保证操作、维护人员的人身安全。

在一些实施例中，牵引控制单元10可以通过传感器检测单元50采集的中间电压信号判断预充电过程是否完成。响应于支撑电容的电压达到指定的第一输入电压阈值，牵引控制单元10可以通过第一隔离驱动电路14控制主逆变电路16工作。该主逆变电路16可以选用由六个功率元件组成的三相全控型桥式电路，其作用是将中间回路的直流电压逆变成频率、幅值可调的交流电压，以驱动对应的牵引电机41。

在一些实施例中，斩波回路15可以由两路斩波支路组成。该两路斩波支路可以分别连接外部的能量吸收电阻44的两端。响应于支撑电容的电压超过指定的输入电压阈值上限，牵引控制单元10可以通过第一隔离驱动电路14控制斩波回路15工作，向外部的能量吸收电阻44的两端输出一个电位差，以利用能量吸收电阻44来吸收中间过电压，从而实现主牵引系统的过压保护。

基于以上描述可知，牵引控制单元10可以根据外部指令控制第一路主牵引变流系统的各电路组件，输出频率和幅值可调的交流电来驱动对应的牵引电机41，并根据传感器检测单元50提供的反馈信号来判断电路故障、进行故障保护和故障自诊断。上述第二路主牵引变流系统具有相似于第一路主牵引变流系统的电路结构和工作原理，在此不再赘述。

请进一步参考图1，在图1所述的实施例中，辅助变流系统可以配置有辅助控制单元30、第二预充电回路31、输入滤波电路32、降压斩波电路33、隔离变压电路34、辅助逆变电路35、输出滤波电路36、第二隔离驱动电路37，以及充电机电路38。

上述辅助控制单元30通信连接外部接口43，适于根据司机、整车控制单元(VCU)或其他外部控制器提供的外部指令，通过第二隔离驱动电路37对降压斩波电路33、隔离变压电路34及辅助逆变电路35进行实时控制，以输出准正弦的交流电压来为车载交流负载46供电。在一些实施例中，辅助控制单元30还可以通过第二隔离驱动电路37连接充电机电路38，适于控制充电机电路38输出直流电压来为车辆蓄电池和/或车载直流负载47供电。上述第二隔离驱动电路37作为辅助控制单元30与降压斩波电路33、隔离变压电路34、辅助逆变电路35及充电机电路38的中间环节，可以起到传递控制信号、转换控制信号电压及反馈故障类型的作用，用于完成对辅助控制单元30与降压斩波电路33、隔离变压电路34、辅助逆变电路35及充电机电路38的实时控制。

在一些实施例中，辅助控制单元30可以通信连接变流装置的传感器检测单元50，适于根据传感器检测单元50采集的输入变流装置正负线电流信号、降压斩波回路电流信号、辅助逆变电路输出电流信号、输入端网压信号和中间直流母线电压信号，进行电路故障判断、故障保护及故障自诊断。该电路故障包括但不限于过压故障、欠压故障及过流故障。相应地，该故障保护包括但不限于过压保护、欠压保护及过流保护。

以下将具体说明辅助变流系统中各电路组件的结构及作用。在一些实施例中，上述第二预充电回路31可以包括一个充电支路和一个短接支路。该充电支路由一个充电接触器和一个充电电阻组成，而该短接支路仅包括一个短接接触器。该充电支路和短接支路相互并联地连接于车辆供电回路40与支撑电容之间。在预充电过程的初期，支撑电容的电压接近于零。此时，充电接触器闭合而短接接触器断开，车辆供电回路40通过充电电阻为支撑电容充电。该充电电阻可以限制预充电电流，以减少瞬间大电流对支撑电容的电压冲击。当支撑电容的电压上升到一定电压阈值，牵引控制单元10可以判断预充电过程达到后期，从而闭合短接接触器以将车辆供电回路40直接连接到支撑电容来进行充电。此时，充电电阻被短接，预充电过程的能量损耗得以降低。当支撑电容的电压进一步上升到指定的第二输入电压阈值，预充电过程结束。在一些实施例中，辅助变流系统的第二输入电压阈值可以根据预设的中间直流母线电压来配置，而不必与主牵引变流系统的第一输入电压阈值相同。通过配置合适的第二输入电压阈值，降压斩波电路33可以更高效地对第二输入电压进行降压斩波，以获得更高的能量利用效率。

在一些实施例中，第二预充电回路31的后端可以配置有输入滤波电路32。该输入滤波电路12可以包括辅助滤波电抗器，用于滤去电网的纹波以避免对后端的降压斩波电路33、隔离变压电路34及辅助逆变电路35产生干扰。

在一些实施例中，辅助控制单元30可以通过传感器检测单元50采集的输入端网压信号判断预充电过程是否完成。响应于支撑电容的电压达到指定的第二输入电压阈值，辅助控制单元30可以通过第二隔离驱动电路37控制降压斩波电路33工作，以将第二输入电压降压为DC450V的中间直流母线电压。该降压斩波电路33可以选用三电平Buck斩波电路，用于降低对支撑电容和功率开关的负载电压和电压冲击。

之后，辅助控制单元30可以通过第二隔离驱动电路37控制隔离变压电路 34工作。该隔离变压电路34可以选用LLC全桥谐振变换电路，包括高频磁性元件，适于对DC450V的中间直流母线电压进行高频逆变、隔离变压、整流后输出DC600V的中间电压。

再之后，辅助控制单元30可以通过第二隔离驱动电路37控制辅助逆变电路35工作，将DC600V的中间电压高频逆变为三相脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)电压。在经过输出滤波电路36(例如：正弦波滤波器)的滤波处理后，该三相PWM电压将变为仅含低谐波含量的三相准正弦电压，输出变流装置以用于为车载交流负载46供电。

如图1所示，在一些实施例中，降压斩波电路33输出的DC450V的中间直流母线电压还可以同时被送入充电机电路38。该充电机电路38可以选用高频DC/DC变换电路，包括高频磁性元件。辅助控制单元30可以通过第二隔离驱动电路37控制充电机电路38对中间直流母线电压进行高频DC/DC变换，将DC450V的中间直流母线电压转换为DC110V的直流电压来为车载蓄电池充电，同时为车载DC110V的直流负载47提供电源。

在上述实施例中，通过选用高频LLC全桥谐振变换电路34及高频DC/DC 变换电路38，辅助变流系统的高频磁性元件具有远小于工频磁性元件的体积和重量，有利于实现变流装置的小型化和轻量化。

基于以上描述可知，本实用新型提供的上述多功能一体化的变流装置同时集成有主牵引逆变、辅助逆变及充电机的功能，可以避免分散式布置的车下设备布局困难、设备重量重、整车能耗高设备间连接电缆多、整车电磁兼容差的问题。

为了进一步在轻轨车辆的不同电压等级下实现主牵引逆变、辅助逆变及充电机功能的集成，将各种零散的电、磁部件集成在一个机柜中以提升空间利用率，从而达到为变流装置减重、节能，并提高轻轨车辆安全性的目的，本实用新型还提供了一种多功能一体化的变流装置的布置方式的实施例。

请参考图2，图2示出了根据本实用新型的一些实施例提供的多功能一体化的变流装置的布置示意图。

如图2所示，在一些实施例中，上述多功能一体化的变流装置可以包括主逆变模块腔体60、电抗器腔体70及辅助模块腔体80。

上述主逆变模块腔体60可以设置于变流装置箱体的下部，用于容纳主牵引变流系统的主逆变模块61～62、牵引控制单元(DCU)10，以及电源板。在一些实施例中，主逆变模块61可以具有独立的封装，并集成有固定放电电阻回路13、第一隔离驱动电路14、斩波回路15及主逆变电路16。主逆变模块 62也可以具有独立的封装，并集成有固定放电电阻回路23、第一隔离驱动电路24、斩波回路25及主逆变电路26。通过将各主牵引变流系统的固定放电电阻回路13、23、第一隔离驱动电路14、24、斩波回路15、25及主逆变电路16、 26分别集成在各自的模块封装中，可以有效地减少主牵引变流系统的零散部件，以便于安装人员的车下设备布局，并有利于防止第一主牵引变流系统与第二主牵引变流系统之间的相互干扰。

在一些实施例中，牵引控制单元10与电源板可以设置于主逆变模块腔体60的另一模块。通过将牵引控制单元10与第一主牵引变流系统、第二主牵引变流系统集中设置在同一腔体60，可以大幅地缩短牵引控制单元10与主逆变模块61～62之间的距离，以避免两者之间的信号传递因距离过远而受到干扰。同时，由于主牵引变流系统的输出的能量较大且波动频繁，容易对轻轨车辆的其他系统产生电磁干扰。通过将牵引控制单元10与第一主牵引变流系统、第二主牵引变流系统集中摆放在同一腔体60，可以便于设计人员对主牵引变流系统进行统一的电磁屏蔽，以避免主牵引变流系统影响辅助变流系统输出电能的质量。

如图2所示，上述电抗器腔体70可以设置于变流装置箱体的中部，用于容纳主变滤波电路11、12的电抗器元件、输入滤波电路32及输出滤波电路36 的电抗器元件，以及隔离变压电路34、辅助逆变电路35及充电机电路38的高频磁性元件。主变滤波电路11、12的电抗器元件可以分别与布置于主逆变模块腔体60的主逆变模块61～62的对应电路组件相连，以构成图1中第一主牵引变流系统及第二主牵引变流系统的电路结构。

如上所述，高频磁性元件具有远小于工频磁性元件的体积和重量，有利于实现变流装置的小型化和轻量化。但与此同时，高频磁性元件也会在工作的过程中产生大量的热量，因此对变流装置的散热能力提出了较高的要求。

为了便于电抗器元件及高频磁性元件的集中散热，在本实用新型的一些实施例中，变流装置箱体的中部还可以设置有冷却风机71。电抗器腔体70中的各电抗器元件及高频磁性元件可以围绕冷却风机71设置，以利于提高对电抗器腔体70的散热效果及散热均匀性。通过采用上述集成化散热的布置结构，可以提高对电抗器腔体70的散热效果及散热均匀性，降低电抗器腔体70的空间需求，从而有助于实现变流装置的小型化及轻量化。

在一些实施例中，主变滤波电抗器可以集中设置于冷却风机71的一侧，而辅助滤波电抗器及高频磁性元件可以集中设置于冷却风机71的另一侧，以防止主牵引变流系统与辅助变流系统之间的电磁干扰问题。

如图2所示，上述辅助模块腔体80可以设置于变流装置箱体的上部，用于容纳传感器检测单元50、接触器组件81，以及辅助变流系统的辅充一体化模块82及辅助输出滤波组件83。

在本实用新型的一些实施例中，上述接触器组件81可以集成有上述第一路主牵引变流系统及第二路主牵引变流系统的两个第一预充电回路11、21，以及上述辅助变流系统的第二预充电回路31，总计六个接触器与三个充电电阻。第一预充电回路11适于将车辆供电回路40提供的外部高压变换为适宜的直流输入电压，并输出到第一主牵引变流系统的主逆变模块61。第一预充电回路 21适于将车辆供电回路40提供的外部高压变换为适宜的直流输入电压，并输出到第二主牵引变流系统的主逆变模块62。第二预充电回路31适于将车辆供电回路40提供的外部高压变换为适宜的直流输入电压，并输出到辅助变流系统的辅充一体化模块82。

在一些实施例中，上述辅充一体化模块82可以集成有辅助变流系统的降压斩波电路33及辅助控制单元(Auxiliary Control Unit，ACU)30，以及隔离变压电路34、辅助逆变电路35、充电机电路38、第二隔离驱动电路37中除磁性元件以外的电气元件。上述辅助输出滤波组件83可以集成有辅助变流系统的辅助输出接触器、输入滤波电路32及输出滤波电路36。辅充一体化模块82 的各电路组件可以在辅助模块腔体80内与辅助输出滤波组件83的对应电路组件相连，并与布置于电抗器腔体70的辅助滤波电抗器及高频磁性元件相连，以构成图1中辅助变流系统的电路结构。在一些实施例中，辅助控制单元(ACU) 30可以在输出滤波电路36将PWM电压滤波为准正弦交流电压后，通过辅助输出接触器为车载交流负载46供电。

通过将辅充一体化模块82及辅助输出滤波组件83集中布置在同一腔体 80，可以大幅缩短辅助变流系统中各电路组件之间的相互连线，从而减少信号干扰。此外，由于主逆变模块61～62输出的能量较大且波动频繁，通过利用电抗器腔体70从空间上将辅助变流系统与主逆变模块61～62隔开，可以在小型化变流装置有限的空间中尽可能加大两者的间距，以避免主逆变模块61～62 对辅助变流系统产生电磁干扰，从而提高辅助变流系统输出的电能质量。

如上所述，传感器检测单元50可以包括电压传感器及电流传感器，适于采集输入变流装置正负线电流信号、斩波回路电流信号、逆变电路输出电流信号、降压斩波回路电流信号、辅助逆变电路输出电流信号、输入端网压信号、中间电压信号及中间直流母线电压信号等多端的电压、电流信号以作为牵引控制单元(DCU)10及辅助控制单元(ACU)30执行过压保护、欠压保护及过流保护的依据。

在一些实施例中，主逆变模块61、62中可以分别集成一个输出电流传感器。该输出电流传感器可以通过传感器检测单元50连接牵引控制单元(DCU) 10，或直接连接牵引控制单元(DCU)10。牵引控制单元(DCU)10适于根据该输出电流传感器和/或传感器检测单元50的其他传感器采集的信号，进行电路故障判断、故障保护及故障自诊断。

在一些实施例中，辅充一体化模块82中可以集成一个中间直流母线电压传感器。该中间直流母线电压传感器可以通过传感器检测单元50连接辅助控制单元(ACU)30，或直接连接辅助控制单元(ACU)30。辅助控制单元(ACU) 30适于根据中间直流母线电压传感器采集的中间直流母线电压控制降压斩波电路33工作，对中间直流母线电压形成闭环控制以提高其准确性及稳定性。

在一些实施例中，辅助输出滤波组件83的直流输出接触器和交流输出接触器处可以分别集成一个输出电压传感器。该两个输出电压传感器可以通过传感器检测单元50连接辅助控制单元(ACU)30，或直接连接辅助控制单元(ACU) 30。辅助控制单元(ACU)30适于根据交流输出接触器的输出电压控制隔离变压电路34及辅助逆变电路35工作，对交流输出电压形成闭环控制以提高其准确性及稳定性。辅助控制单元(ACU)30还适于根据直流输出接触器的输出电压控制充电机电路38工作，对直流输出电压形成闭环控制以提高其准确性及稳定性。

通过将接触器组件81及传感器检测单元50集中布置在同一腔体80可以大幅缩短两者之间的相互连线，从而缩小其占用空间、减轻通信线的重量，从而有助于实现变流装置的小型化和轻量化。

为了在防止主逆变模块61～62对辅助变流系统产生电磁干扰的前提下，进一步地实现变流装置的轻量化，本实用新型的一个实施例中还提供了一种轻量化骨架设计。具体来说，在该实施例中，变流装置的承重主框架、主逆变模块腔体60、电抗器腔体70及辅助模块腔体80的底板都可以选用支撑力较强的不锈钢型材，用于确保变流装置柜体的牢固、稳定及整体接地。优选地，变流装置的侧立面、盖板，以及主逆变模块腔体60、电抗器腔体70及辅助模块腔体80之间的隔板则可以选用轻质的铝合金薄板，用于进一步减轻变流装置柜体的重量，并实现各腔体60、70、80之间以及柜体内外的电磁屏蔽。

根据本实用新型的另一方面，本文还提供了一种轻轨车辆。

本实用新型提供的上述轻轨车辆，可以包括上述任意一个实施例所提供的多功能一体化的变流装置，能够在现有轻轨车辆的不同供电等级下实现主牵引逆变、辅助逆变及充电机功能的集成，从而为变流装置减重、节能，并提高轻轨车辆的安全性。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

尽管上述的实施例所述的牵引控制单元(DCU)10及辅助控制单元(ACU) 30可以通过软件与硬件的组合来实现。但是可以理解，上述牵引控制单元(DCU) 10及辅助控制单元(ACU)30也可以单独在软件或硬件中加以实施。对于硬件实施而言，牵引控制单元(DCU)10及辅助控制单元(ACU)30可以在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑器件 (PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行上述功能的其它电子装置或上述装置的选择组合来加以实施。对软件实施而言，牵引控制单元(DCU)10及辅助控制单元(ACU)30可以通过在通用芯片上运行的诸如程序模块(procedures)和函数模块(functions) 等独立的软件模块来加以实施，其中每一个模块可以执行一个或多个本文中描述的功能和操作。

本领域技术人员将可理解，信息、信号和数据可使用各种不同技术和技艺中的任何技术和技艺来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、位(比特)、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (13)

1.一种多功能一体化的变流装置，其特征在于，包括：

主逆变模块腔体，设于所述变流装置的一侧，用于容纳电源板，以及主牵引变流系统的主逆变模块及牵引控制单元，其中，所述牵引控制单元适于根据外部指令控制所述主逆变模块输出交流电来驱动车辆的牵引电机；

电抗器腔体，设于所述变流装置的中部，用于容纳所述主牵引变流系统的主变滤波电抗器，以及辅助变流系统的辅助滤波电抗器及高频磁性元件，其中，所述辅助变流系统适于输出交流电和/或直流电来为车载负载供电；以及

辅助模块腔体，设于所述变流装置的另一侧，用于容纳传感器检测单元、接触器组件，以及所述辅助变流系统的辅充一体化模块及辅助输出滤波组件。

2.如权利要求1所述的变流装置，其特征在于，所述主逆变模块集成有主逆变电路、斩波回路及第一隔离驱动电路，其中，

所述主逆变电路包括三相全控型桥式电路，所述主逆变电路通过第一预充电回路及主变滤波电路连接外部高压，

所述斩波回路包括两路斩波支路，所述两路斩波支路分别连接外部的能量吸收电阻的两端，以利用所述能量吸收电阻来吸收中间过电压，

所述牵引控制单元通过所述第一隔离驱动电路连接所述主逆变电路及所述斩波回路，适于控制所述主逆变电路及所述斩波回路以输出频率和幅值可调的交流电。

3.如权利要求2所述的变流装置，其特征在于，所述变流装置包括两个所述主牵引变流系统，用于分别驱动所述车辆的两个牵引电机，其中，

两个所述主牵引变流系统的所述主逆变电路、所述斩波回路及所述第一隔离驱动电路分别集成于两个独立的主逆变模块，

两个所述主牵引变流系统共用一个所述牵引控制单元，所述牵引控制单元与所述电源板设于所述主逆变模块腔体的同一模块。

4.如权利要求2所述的变流装置，其特征在于，所述主逆变模块还集成有固定放电电阻回路，所述固定放电电阻回路包括并联于支撑电容两端的固定放电电阻，所述固定放电电阻用于在所述主牵引变流系统断电时为所述支撑电容放电，以使所述支撑电容两端的中间电压低于安全电压标准。

5.如权利要求1所述的变流装置，其特征在于，所述变流装置还包括冷却风机，所述冷却风机设于所述变流装置的中部，用于为所述主变滤波电抗器、所述辅助滤波电抗器及所述高频磁性元件散热，其中，所述电抗器腔体围绕所述冷却风机设置。

6.如权利要求1所述的变流装置，其特征在于，所述接触器组件集成有多路预充电回路，各所述预充电回路分别用于将外部高压变换为直流输入电压，并输出到对应的主牵引变流系统或对应的辅助变流系统。

7.如权利要求6所述的变流装置，其特征在于，每路所述预充电回路包括一个充电支路和一个短接支路，其中，

所述充电支路包括充电接触器和充电电阻，所述充电接触器适于在预充电过程的初期闭合，通过所述充电电阻为支撑电容充电以限制预充电电流，

所述短接支路包括短接接触器，所述短接接触器适于在所述预充电过程的后期闭合，短接所述充电电阻以降低所述预充电过程的能量损耗。

8.如权利要求6所述的变流装置，其特征在于，所述辅充一体化模块集成有降压斩波电路、隔离变压电路、辅助逆变电路、辅助控制单元及第二隔离驱动电路，其中，

所述降压斩波电路通过第二预充电回路及输入滤波电路连接外部高压，

所述辅助控制单元通过所述第二隔离驱动电路连接所述降压斩波电路、所述隔离变压电路及所述辅助逆变电路，适于控制所述降压斩波电路将所述直流输入电压降压为中间直流母线电压，还适于控制所述隔离变压电路及所述辅助逆变电路对所述中间直流母线电压进行隔离变压及高频逆变以输出PWM电压。

9.如权利要求8所述的变流装置，其特征在于，所述辅助输出滤波组件集成有辅助输出接触器、所述输入滤波电路及输出滤波电路，其中，所述输出滤波电路用于将所述PWM电压滤波为准正弦交流电压，并通过所述辅助输出接触器为车载交流负载供电。

10.如权利要求8所述的变流装置，其特征在于，所述辅充一体化模块还集成有充电机电路，所述充电机电路通过所述第二隔离驱动电路连接所述辅助控制单元，所述辅助控制单元还适于控制所述充电机电路对所述中间直流母线电压进行高频隔离变压，以输出直流电压来为车辆蓄电池和/或车载直流负载供电。

11.如权利要求1所述的变流装置，其特征在于，所述传感器检测单元包括电压传感器及电流传感器，适于采集所述变流装置的多端的电压信号及电流信号以作为所述牵引控制单元执行过压保护、欠压保护及过流保护的依据，

所述传感器检测单元还包括集成于所述主逆变模块的输出电流传感器、集成于所述辅充一体化模块的中间直流母线电压传感器，以及集成于所述辅助输出滤波组件的输出电压传感器，其中，

所述输出电流传感器通信连接所述牵引控制单元，所述牵引控制单元还适于根据所述传感器检测单元采集的信号，进行电路故障判断、故障保护及故障自诊断，

所述中间直流母线电压传感器及所述输出电压传感器通信连接辅助控制单元，所述辅助控制单元适于根据采集的中间直流母线电压控制降压斩波电路，并适于根据采集的输出电压控制隔离变压电路、辅助逆变电路和/或充电机电路。

12.如权利要求1所述的变流装置，其特征在于，所述变流装置的主框架，以及所述主逆变模块腔体、所述电抗器腔体及所述辅助模块腔体的底板为不锈钢材质，所述变流装置的其余外表面为铝合金材质，

所述主逆变模块腔体、所述电抗器腔体及所述辅助模块腔体之间通过铝合金隔板分隔。

13.一种轻轨车辆，其特征在于，包括如权利要求1～12中任一项所述的多功能一体化的变流装置。

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