一種多流制變流裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種多流制變流裝置，包括交流預充電單元、直流預充電單元，所述交流預充電單元、直流預充電單元輸入端均與接觸網連接，所述交流預充電單元輸出端與PWM整流模塊連接；所述PWM整流模塊、直流預充電單元均與中間直流回路連接；所述中間直流回路通過VVVF逆變模塊與供電設備連接；所述交流預充電單元、直流預充電單元均與轉換開關連接，所述交流預充電單元、直流預充電單元、轉換開關、PWM整流模塊、VVVF逆變模塊均與傳動控制單元連接。本發明在牽引工況下，通過牽引供電系統進行牽引等調度工作；在制動工況下，可以通過電網回饋，使得牽引電機再生制動能量得到儲存和重復利用。
【專利說明】一種多流制變流裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及軌道交通供電設備，特別是一種多流制變流裝置。
【背景技術】
[0002]國外機車領域市場廣闊，隨著歐洲、非洲等國鐵路貨運自由化，許多運營者使用新的費用最佳的過境運輸連接，對此所需的機車就要滿足各國的不同要求并獲得這些國家的批準。為此，運營部門提出機車的標準化、規范化、通用化和系列化的要求，研制出適應歐洲市場、非洲市場的多流制牽引變流裝置，這種多流制變流裝置的特點是能夠適應不同區域、不同國度之間的供電制式差異，具有廣闊的發展空間。
[0003]多流制車是指可以在兩種或兩種以上供電制式下運行的列車。我國軌道交通供電制式主要分為兩種:用于干線鐵路的AC25kV/50Hz供電和用于城市軌道交通城軌地鐵的DC1500V (DC750V)供電。歐洲鐵路由于歷史的原因其供電制式比較復雜，歐洲許多相鄰國家和地區之間有2?4種供電制式，有AC15kV/16.7Hz、AC25kV/50Hz、DC1500V、DC3000V四種供電方式，美國鐵路采用的供電制式主要為AC12.5kV/60Hz和AC25kV/60Hz兩種。為了滿足跨區域、跨國度運輸要求，需要采用可在多種供電制式下運行的多流制機車。
[0004]目前，“雙動力源內燃機車電傳動系統(201120185229.9)”提出一種雙動力源內燃機車方案，該實用新型雙動力源內燃機車電傳動系統，可以有效減低現有技術的電傳動內燃機車能源浪費，柴油機運行功率發揮效率低的問題。該方案作為傳統內燃機車和“純”電力機車之間的過渡形式是比較理想的選擇。該實用新型專利應用領域僅局限于內燃機車領域，鋰電池的持續牽引功率較小，無法長時間運行，且鋰電池使用壽命為3-5年，成本較高且不能滿足多種電網電壓制式下正常運用需求。
[0005]專利“混合動力內燃機車200820013138.5”，提出一種混合動力內燃機車，該方案設計軌道機車的能源回收及控制裝置。是由柴油機帶動三相發電機發電，經整流裝置整成直流送給直流電動機帶動機車運行。在整流裝置和直流電動機之間增加蓄電池及其控制裝置。該實用新型具有結構新穎、節能環保、經濟實用等特點，故屬于一種集經濟型與實用性為一體的新型混合動力內燃機車。但是該方案采用直流傳動系統，各方面性能遠遠不及交流傳動系統，無法與交流傳動系統相媲美且不能滿足多種電網電壓制式下的正常運用需求。
[0006]當前的交流傳動機車、動車及城軌車輛，都只能在一種電網電壓制式下運行，即25kV/50Hz或者DC1500V/750V，而在國內，現已有部分城市正在嘗試干線鐵路和城軌鐵路的無縫對接，這種需求當前列車牽引變流裝置無法滿足應用需求，而在歐洲及南非等國家和地區，由于歷史的原因，供電制式比較復雜，現有技術牽引變流裝置無法滿足多電壓制式的應用需要，這就需要研制出適用于多種電壓制式供電的牽引變流裝置，該種變流裝置能夠在不同的電壓制式下自動進行主電路及功能切換，滿足多流制車的應用需要。
【發明內容】
[0007]本發明所要解決的技術問題是，針對上述現有技術的不足，提供一種多流制變流
目.0
[0008]為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是:一種多流制變流裝置，包括交流預充電單元、直流預充電單元，所述交流預充電單元、直流預充電單元輸入端均與接觸網連接，所述交流預充電單元輸出端與PWM整流模塊連接；所述PWM整流模塊、直流預充電單元均與中間直流回路連接；所述中間直流回路通過VVVF逆變模塊與供電設備連接；所述交流預充電單元、直流預充電單元均與轉換開關連接，所述交流預充電單元、直流預充電單元、轉換開關、PWM整流模塊、VVVF逆變模塊均與傳動控制單元連接。
[0009]所述直流預充電單元包括第一充電接觸器和第二充電接觸器，所述第一充電接觸器與第一充電電阻串聯，所述第二充電接觸器與所述第一充電接觸器、第一充電電阻組成的串聯支路并聯；所述第一充電電阻通過斷路器接入所述接觸網。所述交流預充電單元包括第三充電接觸器、第四充電接觸器；所述第三充電接觸器、第四充電接觸器分別與第二充電電阻、第三充電電阻串聯組成串聯支路；所述交流預充電單元的兩個串聯支路分別與第一線路接觸器、第二線路接觸器并聯；所述第三充電接觸器、第四充電接觸器分別與變壓器副邊連接，所述變壓器原邊與所述接觸網連接。直流預充電單元、交流預充電單元能有效減小電網的大電流對支撐電容器造成的沖擊。
[0010]所述中間直流回路包括支撐電容；所述支撐電容與接地檢測單元并聯。接地檢測單元主要用于中間直流回路電壓的檢測，用于傳動控制單元發出指令控制PWM整流裝置，維持所述中間直流回路電壓的穩定
所述中間直流回路還包括LC濾波單元；所述LC濾波單元的濾波電抗器一端與所述變壓器副邊連接，所述濾波電抗器另一端與所述LC濾波單元的二次諧振電容連接。LC濾波單元能維持中間直流回路的穩定。
[0011]所述二次諧振電容與放電單元串聯，放電單元用于將二次諧振電容上殘余電量的釋放。
[0012]所述接地檢測單元與放電指示燈并聯，放電指示燈用于觀測中間直流回路支撐電容、濾波容的放電情況，用于提醒操作人員在燈亮的情況下，不要進行所述變流裝置的維修作業。
[0013]與現有技術相比，本發明所具有的有益效果為:本發明在牽引工況下，通過牽引供電系統進行牽引等調度工作；在制動工況下，可以通過電網回饋，使得牽引電機再生制動能量得到儲存和重復利用。本發明能夠滿足在不同供電制式下的鐵路運輸，并且能夠根據供電電網的要求，通過變更變流裝置模塊容量，實現不同功率等級的設計，以滿足不同應用條件的需要。在不同供電制式領域可以滿足不同客戶的需求，通過機車設計平臺和不同國家、不同用戶的程序包能較容易設計和制造出適應歐洲、非洲各國鐵路的各種不同任務和鐵路設施的通用列車，其研制將對公司今后開發大功率多流制列車、進入國外市場進行的技術儲備，同時也為國內干線鐵路和陳規鐵路的無縫對接提供了牽引變流裝置的解決方案。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明一實施例主電路圖；
圖2為本發明一實施例電氣原理圖； 圖3為本發明一實施例變流裝置交流模式控制拓撲圖；
圖4為本發明一實施例直流裝置直流模式控制拓撲圖；
圖5為本發明一實施例轉換開關示意圖；
圖6為本發明一實施例交流模式和直流模式之間的切換邏輯圖。
【具體實施方式】
[0015]本發明的工作原理如下:
交流模式下，通過牽引變壓器將電網電壓降壓，經過PWM整流器整流，輸出穩定的直流電壓，通過VVVF逆變器逆變為變壓變頻的交流電供給牽引電機，實現機車的牽引工作，同時通過VVVF輔助逆變器輸出變壓變頻的交流電供給輔助負載，給列車的其他輔助設備供電。直流模式下，電網電壓不經過PWM整流器，因此沒有其功率消耗，直接通過LC濾波器將電網電壓濾波，獲得比較穩定的直流電，通過VVVF逆變器逆變為變壓變頻的交流電供給牽引電機，實現列車的牽引工作，同時通過VVVF輔助逆變器輸出變壓變頻的交流電供給輔助負載，給列車的其他輔助設備供電。
[0016]交流模式和直流模式是通過轉換開關進行切換。
[0017]牽引變壓器是一種特殊電壓等級的器件，滿足牽引負荷變化劇烈的特殊要求，變壓器的次級線圈配有兩個輸出繞組，通過變換變壓器原邊和次邊匝比，使得在不同的接觸網條件下供電時，PWM整流可獲得相同的交流輸入；兩重PWM整流器相互錯開相應的電角度進行調制，因此可以取消高壓側濾波器，干擾電流不會超過極限值。PWM整流器和變壓器次邊繞組借助于一個轉換開關實現調整，單相電網中的功率輸出在中間回路產生兩倍于電網頻率的諧波電流，按33.4Hz、10Hz設計的吸收回路使該諧波電流得到吸收。在直流模式運行時，中間回路通過LC濾波器與接觸電網直接連接，LC濾波器由輸入電感、變壓器次邊繞組以及中間回路電容組成，輸入電感也可不借用牽引變壓器次邊繞組，而是采用獨立外部電感的形式。
[0018]為便于模塊化、標準化生產，同一臺牽引變流裝置的兩個PWM整流器和VVVF逆變器采用相同的相構件，并構成一個轉向架的牽引變流供電單元。此外，牽引變流裝置共用一個中間回路，中間電路配置有電容器、LC濾波器、二次諧振回路、中間電壓檢測和接地檢測回路，其中二次諧振電抗器在交流模式下構成二次濾波回路，在直流模式下和變壓器次邊繞組共同組成濾波電抗器L。
[0019]如圖1所示，在交流模式下，直流環節由PWM整流器饋電；在直流模式下，直流環節是直接連接到中間回路上。該制式對于AC和DC750 V (如在干線上運行的軌道車輛)以及AC和DC1500V (如雙流制機車)線路是最先進的技術。若采用6500V的IGBT，這種拓撲結構也適用于3000V的線路。由此可見。同樣的變流裝置拓撲結構及控制策略，能夠用在各種電壓類型和幾乎所有功率范圍內的多流制變流裝置上。例如，在交流和直流750V、1500V以及3000V時，分別使用1700V、3300V、6500V的IGBT，模塊都采用水冷方式，工作開關頻率可達500 Hz0
[0020]圖1 中，Rl、R2、R3—充電電阻；KM1、KM2、KM3—短接接觸器；KM4、KM5、KM6—充電接觸器；QS1—轉換開關；LH1、LH2、LH3、LH4、LH5、LH6—電流傳感器；4QS1、4QS2 — PWM 整流器；C2—二次諧振電容；R4、R5、R9、R10—放電電阻；VH1、VH2、VH3、VH4—電壓傳感器；LED—電壓指示燈；C1 一支撐電容；RST—斬波電阻；INV1、INV2、F/INV — VVVF逆變器；M1、M2—牽引電機；T一牽引變壓器；Τ3—輔助變壓器；L2—二次諧振電感。
[0021]本發明的多流制變流裝置由單相PWM整流裝置、VVVF逆變裝置、TCU傳動控制單元、轉換開關、預充電單元、信號檢測單元、接地檢測單元等關鍵模塊化部件構成。
[0022]本發明采用了多流制變流裝置，通過轉換開關的切換，可以適用于不同制式下的鐵路牽引、調度等工作，滿足跨區域、跨國度間的運輸，現有變流裝置只能適應單一制式網壓，主電路沒有轉換開關，不能實現不同制式網壓工況的切換。
[0023]多流制變流裝置主電路采用PWM整流+ VVVF逆變模式，一個PWM整流模塊由兩個相位模塊(半橋)組成，VVVF逆變模塊包括3個相構件(每一相做成一個相構件)，模塊中的另外I個相構件，一個IGBT作為斬波管，另一個僅利用其反向二極管部分參與保護，其IGBT部分備用。二重PWM整流裝置和2個逆變裝置構成整個牽引裝置的供電單元，為2臺三相異步牽引電動機供電。
[0024]PWM整流模塊和VVVF逆變模塊采用模塊化設計，兩者之間可以完全互換。
[0025]變流裝置的主電路如圖1所示，交流模式下，25kV 50HZ (15kV 16.7Hz)電網電壓經牽引變壓器降壓為變流裝置適用的電壓，變流裝置裝置從牽引變壓器的次邊繞組(Tl、T2)取電，牽引變流裝置傳動控制單元(TCU)接收到交流命令信號后，發送命令給轉換開關(圖5)，轉換開關切換到交流位，輸入電壓首先經由預充電單元(KM4、R1/KM5、R2)，對直流回路的電容(Cl、C2)進行充電，電流傳感器(LHl、LH2)用于檢測變流裝置輸入電流的大小，控制拓撲如圖3所示。牽引工況時單相工頻電網電壓經PWM整流模塊(4QS1、4QS2)整流為DC1800V/DC3000V (對應不同網壓、不同機車功率要求)直流電壓，經VVVF逆變模塊(INV1、INV2)逆變為三相電壓、頻率可調供給牽引電機(TMl、TM2)，經VVVF輔助逆變模塊(F/INV)逆變為變壓變頻交流電，經輔助變壓器(T3 )濾波，輸出給輔助系統供電設備；制動工況時牽引電機發出的三相電壓經VVVF逆變器整流、PWM整流器逆變后反饋回電網，實現能量的回收利用。
[0026]直流模式下，T⑶發送直流切換命令給轉換開關(圖5)，轉換開關切換到直流位，DC3000V/DC1500電網電壓經過預充電回路(KM6、R3)、LC濾波回路濾波后，獲得較穩定的直流電壓，對直流回路的電容(Cl、C2)進行充電，經VVVF逆變模塊(INV1、INV2)逆變為三相電壓、頻率可調供給牽引電機(TMl、TM2 )，經VVVF輔助逆變模塊(F/INV)逆變為變壓變頻交流電，經輔助變壓器(T3)濾波，輸出給輔助系統供電設備；制動工況時牽引電機發出的三相電壓經VVVF逆變器整流后反饋回電網，如電網電壓達到某設定值后可開通制動電阻，實現直流模式的持續滿功率制動，控制拓撲如圖4所示。
[0027]交流模式和直流模式間的切換是通過隔離轉換開關實現的。隔離轉換開關根據電網電壓制式數量的需要進行選擇，下面以雙電網電壓制式為例進行說明，根據系統主電路圖1所示，該情況下共需要3組常開觸點(1.5、1.2、1.4)和3組常閉觸點(1.1,1.3、1.6)，常開觸頭和常閉觸頭之間是聯鎖的。轉換開關的電機控制回路元件優先采用半導體電機控制元件，系統提供2個控制信號接點，分別為交流制信號、直流制信號，信號的脈沖寬度3.5s< t < 4.5s，及I個電隔操作允許接點信號(可用于DC110V)，在隔離開關可安全操作的工況下，該接點閉合。轉換開關電路如圖5所示。
[0028]如圖5所示，轉換開關包括三個部分:主觸頭(1.1、1.5、1.3;1.2、1.6、1.4)，輔助觸頭(K3、K5、K4、K6)和控制器。轉換開關控制器收到變流裝置T⑶發送的交、直流命令后，控制開關主觸頭和輔助觸頭切換到相應的工作狀態。
[0029]多流制變流裝置交流模式和直流模式之間的切換邏輯如圖6所示。通過傳動控制單元對各模式下的切換，實現不同電流制下的功率轉換，同時采集各開關狀態，實施對變流裝置的保護和監控。
[0030]交流模式下，接觸網牽引預充電回路102是由充電接觸器ΚΜ4、ΚΜ5和充電電阻Rl、R2分別串聯組成，牽引工況下，通過牽弓I供電裝置輸入AC970V單相交流電，經過PWM整流裝置，當傳動控制單元通過中間電壓檢測裝置(R4、R5構成)檢測中間電壓為DC1370V時，閉合線路接觸器KM1/KM2 (兩者之間是同時控制)，斷開充電接觸器(KM4、KM5)，完成一次中間電容預充電環節。同時，交流模式輸入電壓及中間直流電壓可根據用戶及項目實際需要進行設定；
直流模式下，預充電回路由充電接觸器(KM6)和充電電阻(R3)串聯組成，對中間回路支撐電容進行充電，有效減小電網的大電流對電容器造成的沖擊。
[0031]PWM整流裝置(4QS1、4QS2)可將單相正弦交流電整流為恒定的直流電，該整流裝置由兩個相位模塊(半橋)組成，可供兩路牽引輸入。傳動控制單元控制PWM整流模塊的輸出直流電壓穩定，控制變流裝置網側交流電流的大小和相位，使其接近正弦波并與電網電壓同向或反相，使系統的功率因數接近I (牽引)或-1 (制動)。
[0032]VVVF逆變裝置(INV1、INV2)直接與中間回路耦合，根據傳動控制單元發送的逆變輸出指令，在牽引工況下將所述的直流電壓逆變為電壓和頻率可調的三相交流電供給牽引電機；在制動工況下，將所述牽引電機輸出的三相交流電整流、逆變反饋給所述的牽引供電系統；該逆變裝置內同時包含了斬波模塊，在停機或者車輪打滑的情況下，可通過斬波電阻(RST)進行中間能量的快速釋放及過電壓抑制，保障機車的行車安全。
[0033]PWM整流裝置和VVVF逆變裝置采用水冷結構，滿足大功率條件下，功率元件的散熱條件。且兩種模塊結構完全一樣，通過調節軟件實現兩者之間功能的互換。
[0034]中間直流回路包含有接地檢測單元(R4、R5)，所述裝置采用兩個串聯電阻進行實現，該電阻用于接地檢測，采用傳動控制單元檢測輸出傳感器，當牽引供電回路、中間回路正接地或中間回路負接地時，電阻中性點電壓失衡，通過硬件設置及軟件判斷，對不同位置的接地波形進行比較，判斷故障點，通過切斷電源方式進行電路的自我保護，同時該電阻也可用作中間回路支撐電容殘余電量的釋放。接地檢測單元用于中間回路電壓的檢測，用于傳動控制單元發出指令控制PWM整流裝置，維持所述中間回路電壓的穩定。
[0035]中間直流回路包含有LC濾波單元，交流模式下，用于將PWM整流裝置輸出包含的2次諧波濾除，保障直流側電壓的恒定；直流模式下，變壓器次邊繞組、二次諧振電抗器和支撐電容共同構成直流回路LC濾波，維持中間回路的穩定。
[0036]中間直流回路包含有二次電容放電單元(R9)，用于將二次諧振電容上殘余電量的釋放；
VVVF逆變裝置(F/INV)直接與中間回路耦合，用于根據所述控制裝置發送的逆變控制指令，將所述中間直流回路輸入的直流電逆變為恒定的電壓和頻率，為機車輔助系統進行供電。
[0037]傳動控制單元是變流裝置的核心單元，主要實現機車的牽引/制動特性控制、邏輯控制和故障保護，實現對PWM整流裝置、CVCF逆變模塊、VVVF逆變裝置及交流異步牽引電機的實時控制、粘著利用控制，滿足機車在動力性能、故障運行、救援能力及預期的運行速度等方面的要求。
[0038]放電指示燈(LED)用于觀測中間回路支撐電容、二次諧振電容的放電情況，用于提醒操作人員在燈亮的情況下，不要進行所述變流裝置的維修作業。
[0039]本發明實施例的多流制變流裝置，在牽引工況下，通過牽引供電系統進行牽引等調度工作；在制動工況下，可以通過電網回饋，使得牽引電機再生制動能量得到儲存和重復利用。
【權利要求】
1.一種多流制變流裝置，其特征在于，包括交流預充電單元、直流預充電單元，所述交流預充電單元、直流預充電單元輸入端均與接觸網連接，所述交流預充電單元輸出端與PWM整流模塊連接；所述PWM整流模塊、直流預充電單元均與中間直流回路連接；所述中間直流回路通過VVVF逆變模塊與供電設備連接；所述交流預充電單元、直流預充電單元均與轉換開關連接，所述交流預充電單元、直流預充電單元、轉換開關、PWM整流模塊、VVVF逆變模塊均與傳動控制單元連接。
2.根據權利要求1所述的多流制變流裝置，其特征在于，所述直流預充電單元包括第一充電接觸器和第二充電接觸器，所述第一充電接觸器與第一充電電阻串聯，所述第二充電接觸器與所述第一充電接觸器、第一充電電阻組成的串聯支路并聯；所述第一充電電阻通過斷路器接入所述接觸網。
3.根據權利要求1或2所述的多流制變流裝置，其特征在于，所述交流預充電單元包括第三充電接觸器、第四充電接觸器；所述第三充電接觸器、第四充電接觸器分別與第二充電電阻、第三充電電阻串聯組成串聯支路；所述交流預充電單元的兩個串聯支路分別與第一線路接觸器、第二線路接觸器并聯；所述第三充電接觸器、第四充電接觸器分別與變壓器副邊連接，所述變壓器原邊與所述接觸網連接。
4.根據權利要求3所述的多流制變流裝置，其特征在于，所述中間直流回路包括支撐電容；所述支撐電容與接地檢測單元并聯。
5.根據權利要求4所述的多流制變流裝置，其特征在于，所述LC濾波單元的濾波電抗器一端與所述變壓器副邊連接，所述濾波電抗器另一端與所述LC濾波單元的二次諧振電容連接。
6.根據權利要求5所述的多流制變流裝置，其特征在于，所述二次諧振電容與放電單兀串聯。
7.根據權利要求6所述的多流制變流裝置，其特征在于，所述接地檢測單元與放電指示燈并聯。
【文檔編號】H02M5/458GK104467455SQ201410735027
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月4日 優先權日:2014年12月4日
【發明者】李華, 忻力, 陳燕平, 饒沛南, 張義, 郭君博, 范榮輝, 蔣云富, 劉永江, 劉勇 申請人:株洲南車時代電氣股份有限公司