专利名称：铁路用并联逆变电源系统的制作方法
专利说明铁路用并联逆变电源系统 本发明涉及供电设备领域，特别涉及一种铁路用并联逆变电源系统。随着我国铁路电气化区段越来越多的开通，对电源的需求也越来越大，目前我国电气化铁路利用的电源主要有两种；在铁路系统应用的25Hz90度相位差电源，利用铁磁谐振原理，田字型铁芯结构，产生25Hz双路交流电源；一路用于轨道信号负载，另一路用于局部负载。两路电源避免产生干扰，采用90度相位差变换方式运行，存在着体积大，效率低，波形畸变，启动冲击电流大的缺点。
随着现代数字控制技术的发展和电力电子功率器件的广泛应用，采用SPWM高频脉宽调制技术和高速功率模块(MOS、IGBT、)驱动技术，开发生产的新型25Hz分频电源；具有体积小、效率高、波形纯正的特点。但由于是单模块结构，不能满足铁路系统对高可靠性、低故障率的电源的要求，并且存在增容困难，对以后的发展不能起到积极的作用。本发明提供了一种铁路用并联逆变电源系统，可以克服现有技术中铁路系统电源的可靠性低、增容困难等的缺陷。
铁路用并联逆变电源系统，包括主控制模块、至少两个逆变模块组、控制总线以及和所述逆变模块组数目相同的至少两组输出总线，还包括辅助控制模块、第一开关和第二开关；所述主控制模块和辅助控制模块的电源端和直流电源相连，其输出端分别连接第一开关和第二开关；所述第一开关和第二开关的另一端都与控制总线相连，分别用于控制所述主控制模块和辅助控制模块与控制总线的通断；所述至少两个逆变模块组的电源端和直流电源相连，其控制端和控制总线相连，其输出端分别通过相应的输出总线与负载相连。
还包括切换控制电路，连接于主控制模块和辅助控制模块之间，通过控制第一开关和第二开关的通断来完成主控制模块和辅助控制模块之间的切换。
所述每个逆变模块组都包括结构相同的数个具瞬时电压控制形态的逆变器和一均流总线，所述数个逆变器通过均流总线并联连接，其输出通过相应的输出总线输出至负载。
所述主控制模块和辅助控制模块的结构相同。
所述主控制模块包括第一辅助电源电路，用于将外接直流电转换为检测信号处理电路和中央处理器电路等内部电路需要的不同等级的控制电压；检测信号处理电路，用于将输入的检测信号转换成中央处理器电路可以识别的数字检测信号；中央处理器电路，用于对输入的数字检测信号进行处理后输出模块控制信号、正弦波脉宽调制控制信号和控制信号；正弦波脉宽调制电路，用于根据中央处理器电路的正弦波脉宽调制控制信号产生正弦波脉宽调制信号。
所述主控制模块中还包括通讯接口电路和显示及开关信号电路；所述通讯接口电路用于提供中央处理器电路和上位机通信的接口，以完成中央处理器电路和上位机的通讯功能；显示及开关信号电路用于提供一供用户扩展系统的接点信号。
所述逆变器包括第二辅助电源电路，用于将外接直流电转换为PWM调制电路等内部电路需要的不同等级的控制电压，控制其和外电路连接的开关信号为模块控制信号；PWM调制电路，用于产生DC/DC变换电路所需的PWM信号；DC/DC变换电路，用于将外接直流电转换为DC/AC逆变电路所需的直流电；DC/AC逆变电路，用于将输入的直流电转换成负载所需的交流电，其完成转换所需的控制信号为所述正弦波脉宽调制信号。
所述逆变器还包括电压控制电路，用于对输入其的各种信号进行处理，输出一电压控制信号来控制所述PWM调制电路产生合适宽度的PWM信号，输出一模块状态信号到主控制模块或辅助控制模块，输出一电源控制信号到第二辅助电源电路来控制其发出的基准电压大小；电压回馈电路，其输入端连接DC/DC变换电路的输出端，其输出端连接电压控制电路的输入端；第一电流回馈电路，其输入端连接DC/DC变换电路的输出端，其输出端连接第一运算电路的输入端；第一运算电路，其输出端连接电压控制电路的输入端；第二电流回馈电路，其输入端连接DC/AC逆变电路的输出端，其输出端连接第二运算电路的输入端；第二运算电路，其输出端连接电压设定电路的输入端；电压设定电路，其输出端连接电压控制电路的输入端；所述均流总线连接于电压设定电路的输入端。
所述逆变器还包括逆变器散热模块，其电源端连接所述第二辅助电源电路，其输出作为检测信号的一种输出到控制总线上。
所述第一开关为第一继电器，第二开关为第二继电器；所述切换控制电路通过控制继电器线圈中的电流来控制第一开关和第二开关的通断。
本发明系统采用具有N+1(或N+X)容错功能的并联逆变电源，在正常运行中，如果因故造成个别模块出故障，系统会自动将有故障的模块“脱机”检修，同时插入正常的逆变模块，解决了电气化铁路对高品质，低故障率电源的需求。由于是模块化组合，可根据用户的需要配置容量；可进行热插拔操作，系统的故障率大大降低，是目前较好的铁路供电方案，也是模块化逆变电源运用于电气化铁路的先例。另外，本发明系统采用外置式双控制器的控制方法，可以真正做到无间断供电。
图1是本发明系统的系统原理图。
图2是本发明系统第一个实施例的系统原理图。
图3是本发明系统中主控制模块的电路原理图。
图4是本发明系统中逆变器的电路原理图。
图5是本发明系统第二个实施例的系统原理图。
图6是本发明系统第二个实施例中逆变器的电路原理图。下面根据附图和本发明的较佳具体实施例对本发明作进一步地阐述。
实施例1如图2所示，本发明系统包括主控制模块1、辅助控制模块2、切换控制电路5、第一开关K1、第二开关K2、第一逆变模块组8、第二逆变模块组9、两组输出总线(第一输出总线81和第二输出总线91)和控制总线3。第一开关K1和第二开关K2为继电器。主控制模块1、辅助控制模块2和两个逆变模块组都由直流电源DC供电，且通过控制总线3完成相互之间的通信。第一开关K1和第二开关K2分别连接在主控制模块1和辅助控制模块2与控制总线3之间，并由切换控制电路5控制。切换控制电路5连接在主控制模块1和辅助控制模块2之间，通过控制第一开关K1和第二开关K2的通断来完成主控制模块1和辅助控制模块2之间的切换。两个逆变模块组分别通过两组输出总线与负载4相连。
主控制模块1和辅助控制模块2的结构完全相同。每个逆变模块组都包括数目相同的数个具瞬时电压控制形态的逆变器6和一均流总线7。所述数个逆变器具有相同结构，通过均流总线并联连接，并通过相应的输出总线提供电力至负载4，保证输出功率相同。
如图3所示，主控制模块1包括第一辅助电源电路11、检测信号处理电路12、中央处理器电路13、正弦波脉宽调制电路14、通讯接口电路15和显示及开关信号电路16。
第一辅助电源电路11用于将外接直流电转换为检测信号处理电路12和中央处理器电路13等内部电路需要的不同等级的5V，12V，±15V等控制电压。检测信号处理电路12用于将输入的检测信号转换成中央处理器电路13可以识别的数字检测信号。所述检测信号包括两个逆变模块组输出的逆变电压、逆变频率和模块状态信号。中央处理器电路13对输入的数字检测信号进行处理后，输出正弦波脉宽调制控制信号到正弦波脉宽调制电路14、输出通讯信号至上位机、输出系统运行状态到显示及开关信号电路16、输出控制逆变模块组开机和关断的模块控制信号到控制总线3、输出切换控制信号到切换控制电路5。正弦波脉宽调制电路14根据接收到的控制信号发出控制逆变的二路相位差为90°的正弦波脉宽调制控制信号到控制总线3，向同一组逆变模块发出相同的正弦波脉宽调制控制信号，这样就确保了模块工作在同相位和同频率。
操作者可以通过通讯接口电路15将整个系统和上位机相连接，通过上位机显示整个系统的运行状态，通过上位机对系统进行控制等。
显示及开关信号电路16是为扩展系统所准备的接点信号。所述接点信号包括声音信号和图象信号。操作者可以在显示及开关信号电路16的基础上增加发光二极管显示电路用于显示系统的运行状态，或增加一蜂鸣器报警电路等，当系统出现故障时，此报警电路自动报警。
在正常状态下，两个控制模块同时工作，由于连接在辅助控制模块2上的第二开关K2处于断开状态，因此只有主控制模块1中的正弦波脉宽调制波能输出到控制总线3上，对各逆变模块组进行逆变控制。在检测到故障状态(例如检测到逆变系统无输出)后，中央处理器电路13发出一个切换控制信号到切换控制电路5，切换控制电路5输出切换信号，则连接到辅助控制模块2的继电器吸合，连接到主控制模块1上的继电器断开，主控制模块1退出工作。操作人员可以将主控制模块1拔出检修，待修复好后再重新插入，利用手动切换按钮使主控制模块1进入工作状态，辅助控制模块2自动退出工作。
如图4所示，逆变器6中主要包括第二辅助电源电路61、PWM调制电路62、DC/DC变换电路63、DC/AC逆变电路64和电压控制电路65等。第二辅助电源电路61用于将外接直流电转换为PWM调制电路62等内部电路需要的不同等级的12V，±15V等控制电压。PWM调制电路62用于产生DC/DC变换电路63所需的PWM信号。DC/DC变换电路63用于将外接直流电转换为DC/AC逆变电路64所需的直流电，同时实现输入与电源的隔离。DC/AC逆变电路64用于将所述直流电转换成负载4所需的交流电，其完成转换所需的控制信号为所述正弦波脉宽调制信号。电压控制电路65用于对输入其的各种信号进行处理，输出一电压控制信号来控制所述PWM调制电路62产生合适宽度的PWM信号，输出一模块状态信号到主控制模块1或辅助控制模块2，输出一电源控制信号到第二辅助电源电路61来控制其发出的基准电压大小。所述模块状态信号是检测信号中的一种，包括模块故障信号等。电压回馈电路66的输入端连接DC/DC变换电路63的输出端，其输出端连接电压控制电路65的输入端。第一电流回馈电路67的输入端连接DC/DC变换电路63的输出端，其输出端连接第一运算电路68的输入端。第一运算电路68的输出端连接电压控制电路65的输入端。第二电流回馈电路69的输入端连接DC/AC逆变电路64的输出端，其输出端连接第二运算电路610的输入端。第二运算电路610的输出端连接电压设定电路611的输入端。电压设定电路611的输出端连接电压控制电路65的输入端。
电压回馈电路66、第一运算电路68的反馈信号和来自于均流总线7的均流信号共同作用，控制PWM波的调制，因为均流信号是同一相负载4的逆变器6中负载电流最大者，使得各逆变器6的输出向最大功率接近，平均分担负载电流。当逆变器6过载150％一段时间后，电压控制电路65控制PWM波，使直流母线电压回缩，对逆变器6进行限功率保护。
所述中央处理器电路13输出的模块控制信号就通过控制总线3发送到第二辅助电源电路61上，当控制模块检测到模块出现故障需要脱机时，会自动关闭第二辅助电源电路61。
所述均流总线7连接到电压设定电路611的输入端。各模块间的均流控制采用最大均流法实现各模块间的均流，使各模块平均分担负载功率。模块与负载4的连接采用热插拔端子，可实现在线热插拔。
实施例2如图5所示，本发明系统包括主控制模块1、辅助控制模块2、切换控制电路5、第一开关K1、第二开关K2、三个逆变模块组(第三逆变模块组10、第四逆变模块组11和第五逆变模块组12)、三组输出总线(第三输出总线101、第四输出总线111和第五输出总线121)和控制总线3。第一开关K1和第二开关K2为继电器。主控制模块1、辅助控制模块2和三个逆变模块组都由直流电源DC供电，且通过控制总线3完成相互之间的通信。第一开关K1和第二开关K2分别连接在主控制模块1和辅助控制模块2与控制总线3之间，并由切换控制电路5控制。切换控制电路5连接在主控制模块1和辅助控制模块2之间，通过控制第一开关K1和第二开关K2的通断来完成主控制模块1和辅助控制模块2之间的切换。三个逆变模块组分别通过三组输出总线与负载4相连。
主控制模块1和辅助控制模块2的结构完全相同。每个逆变模块组都包括数目相同的数个具瞬时电压控制形态的逆变器和一均流总线。所述数个逆变器具有相同结构，通过均流总线7并联连接，并通过相应的输出总线提供电力至负载4，保证输出功率相同。
如图3所示，本实施例中主控制模块1和辅助控制模块2和实施例1中主控制模块1和辅助控制模块2的电路结构完全相同。只是正弦波脉宽调制电路14根据接收到的控制信号发出控制逆变的三路相位差为120°的正弦波脉宽调制控制信号到控制总线3，向同一组逆变模块发出相同的正弦波脉宽调制控制信号，这样就确保了模块工作在同相位和同频率。
如图6所示，本实施例中逆变器6是在图4的基础上增加了一个逆变器散热模块612。所述逆变器散热模块612由散热风扇、温度传感器和相关电路构成，由第二辅助电源电路61供电，其输出和主控制模块1和辅助控制模块2中的检测信号处理电路12输入端相连。当逆变器6中温度高于35℃时，散热风扇启动；当逆变器6中温度高于65℃时，逆变器6退出工作，同时向控制模块发出过温故障信号。所述过温故障信号也是检测信号中的一种。
权利要求
1.铁路用并联逆变电源系统，其特征在于包括主控制模块(1)、至少两个逆变模块组、控制总线(3)以及和所述逆变模块组数目相同的至少两组输出总线，还包括辅助控制模块(2)、第一开关(K1)和第二开关(K2)；所述主控制模块(1)和辅助控制模块(2)的电源端和直流电源相连，其输出端分别连接第一开关(K1)和第二开关(K2)；所述第一开关(K1)和第二开关(K2)的另一端都与控制总线(3)相连，分别用于控制所述主控制模块(1)和辅助控制模块(2)与控制总线(3)的通断；所述至少两个逆变模块组的电源端和直流电源相连，其控制端和控制总线(3)相连，其输出端分别通过相应的输出总线与负载(4)相连。
2.根据权利要求1所述的铁路用并联逆变电源系统，其特征在于还包括切换控制电路(5)，连接于主控制模块(1)和辅助控制模块(2)之间，通过控制第一开关(K1)和第二开关(K2)的通断来完成主控制模块(1)和辅助控制模块(2)之间的切换。
3.根据权利要求1所述的铁路用并联逆变电源系统，其特征在于所述每个逆变模块组都包括结构相同的数个具瞬时电压控制形态的逆变器(6)和一均流总线(7)，所述数个逆变器(6)通过均流总线(7)并联连接，其输出通过相应的输出总线输出至负载(4)。
4.根据权利要求1所述的铁路用并联逆变电源系统，其特征在于所述主控制模块(1)和辅助控制模块(2)的结构相同。
5.根据权利要求1所述的铁路用并联逆变电源系统，其特征在于所述主控制模块(1)包括第一辅助电源电路(11)，用于将外接直流电转换为检测信号处理电路(12)和中央处理器电路(13)等内部电路需要的不同等级的控制电压；检测信号处理电路(12)，用于将输入的检测信号转换成中央处理器电路(13)可以识别的数字检测信号；中央处理器电路(13)，用于对输入的数字检测信号进行处理后输出模块控制信号、正弦波脉宽调制控制信号和相应的控制信号；正弦波脉宽调制电路(14)，用于根据中央处理器电路(13)的正弦波脉宽调制控制信号产生正弦波脉宽调制信号。
6.根据权利要求5所述的铁路用并联逆变电源系统，其特征在于所述主控制模块(1)中还包括通讯接口电路(15)和显示及开关信号电路(16)；所述通讯接口电路(15)用于提供中央处理器电路(13)和上位机通信的接口，以完成中央处理器电路(13)和上位机的通讯功能；显示及开关信号电路(16)用于提供一供用户扩展系统的接点信号。
7.根据权利要求3或5所述的铁路用并联逆变电源系统，其特征在于所述逆变器(6)包括第二辅助电源电路(61)，用于将外接直流电转换为PWM调制电路(62)等内部电路需要的不同等级的控制电压，控制其和外电路连接的开关信号为模块控制信号；PWM调制电路(62)，用于产生DC/DC变换电路(63)所需的PWM信号；DC/DC变换电路(63)，用于将外接直流电转换为DC/AC逆变电路(64)所需的直流电；DC/AC逆变电路(64)，用于将输入的直流电转换成负载(4)所需的交流电，其完成转换所需的控制信号为所述正弦波脉宽调制信号。
8.根据权利要求7所述的铁路用并联逆变电源系统，其特征在于所述逆变器(6)还包括电压控制电路(65)，用于对输入其的各种信号进行处理，输出一电压控制信号来控制所述PWM调制电路(62)产生合适宽度的PWM信号，输出一模块状态信号到主控制模块(1)或辅助控制模块(2)，输出一电源控制信号到第二辅助电源电路(61)来控制其发出的基准电压大小；电压回馈电路(66)，其输入端连接DC/DC变换电路(63)的输出端，其输出端连接电压控制电路(65)的输入端；第一电流回馈电路(67)，其输入端连接DC/DC变换电路(63)的输出端，其输出端连接第一运算电路(68)的输入端；第一运算电路(68)，其输出端连接电压控制电路(65)的输入端；第二电流回馈电路(69)，其输入端连接DC/AC逆变电路(64)的输出端，其输出端连接第二运算电路(610)的输入端；第二运算电路(610)，其输出端连接电压设定电路(611)的输入端；电压设定电路(611)，其输出端连接电压控制电路(65)的输入端；所述均流总线(7)连接于电压设定电路(611)的输入端。
9.根据权利要求7所述的铁路用并联逆变电源系统，其特征在于所述逆变器(6)还包括逆变器散热模块(612)，其电源端连接所述第二辅助电源电路(61)，其输出作为检测信号的一种输出到控制总线(3)上。
10.根据权利要求1或2所述的铁路用并联逆变电源系统，其特征在于所述第一开关(K1)为第一继电器，第二开关(K2)为第二继电器；所述切换控制电路(5)通过控制继电器线圈中的电流来控制第一开关(K1)和第二开关(K2)的通断。
全文摘要
铁路用并联逆变电源系统，主控制模块和辅助控制模块的电源端和直流电源相连，其输出端分别连接第一开关和第二开关；第一开关和第二开关的另一端都与控制总线相连，分别用于控制主控制模块和辅助控制模块与控制总线的通断；至少两个逆变模块组的电源端和直流电源相连，其控制端和控制总线相连，其输出端分别通过相应的输出总线与负载相连。本发明系统采用具有N+1或N+X容错功能的并联逆变电源，是模块化逆变电源运用于电气化铁路的先例，解决了电气化铁路对高品质，低故障率电源的需求；可根据用户的需要配置容量；可进行热插拔操作，系统的故障率大大降低。
文档编号B60M3/00GK1807148SQ20051003280
公开日2006年7月26日 申请日期2005年1月21日 优先权日2005年1月21日
发明者徐东, 张凌涛 申请人:广西新未来信息产业股份有限公司