一种交-直流机车无火回送时的供电装置的制作方法

本实用新型涉及一种供电方法及装置，尤其是一种交-直流机车无火回送时的供电方法及供电装置，属于轨道交通技术领域。

背景技术：

交-直流机车一旦在段外发生故障或大修都是回送至各个机车大修厂做大修维护，回送期间内燃机车不得启动柴油机、电力机车不得升弓。此时回送的机车无法自行发电或从接触网取电，送车的工作人员无法取得生活用电，造成热饭、烧开水、空调等生活必须的要求无法得到满足。特别是在严寒或酷暑时节，机车内的温度很低或很高，环境比较恶劣，使回送机车的任务极其辛苦，稍不注意就会对回送机车的工作人员的身体产生伤害。但是各路局集团公司至今也没有一种好的解决办法，来改善送车工作人员的环境。

目前交-直流机车互挂无火回送时，在严酷的气候时节，工作人员采用机车蓄电池取电来解决生活用电问题，有可能造成机车蓄电池组严重亏电，甚至可能造成整车蓄电池报废。如果有一种能长时间提供电源的装置，为司机室的空调、电加热器、电炉、微波炉等提供生活用电，则能有效避免这种情况发生，同时回送机车的工作人员的身体健康也得以保障。因此，在无火回送机车时，为改善送车工作人员的工作环境和生活条件，急需一种能长时间提供电源的装置，为司机室生活用电设备提供电源。

通过对国内专利文件进行检索，发现有相关申请，举例如下：

1. 申请号CN201510462488.4，名称为“一种机车无火回送供电装置及供电方法”的发明专利申请公开了一种机车无火回送供电装置，包括整流模块、逆变模块、斩波升压模块以及蓄电单元，整流模块的输入端与牵引电机输入端相连，整流模块的输出端并联一充电电容后与逆变模块的输入端相连，逆变模块的输出端与供电负载相连，蓄电单元经斩波升压模块与充电电容相连。本发明还公开了一种机车无火回送供电方法，当机车速度大于预设速度时，向充电电容充电至预设电压时，充电电容向牵引电机提供励磁电源，牵引电机由空转状态切换至发电状态；蓄电池停止向充电电容充电，开启逆变模块，牵引电机输出的电压经整流模块整流后，再经逆变模块逆变输出供电电压。本发明的装置及方法均具有操作简便、安全实用、能与原供电系统独立等优点。

2. 申请号CN201610849947.9，名称为“一种交直传动机车无火回送供电装置及供电控制方法”的发明专利申请公开了一种交直传动机车无火回送供电装置及供电控制方法，该装置包括：励磁控制支路，包括相互连接的蓄电池电源模块、直流斩波降压模块，蓄电池电源模块输出的电压经直流斩波降压模块，得到励磁电压提供给直流电机励磁绕组以控制牵引电机发电；供电输出支路，包括相互连接的逆变模块、交流电处理模块，逆变模块接入牵引电机输出的直流电逆变为交流电，经过交流电处理模块后输出供电电压；励磁控制支路的输入端通过整流变压模块连接供电输出支路的输出端，以对蓄电池电源模块进行充电；该方法通过控制励磁控制支路、供电输出支路进行供电控制。本发明能够为交直传动机车无火回送提供供电，且具有结构简单、所需成本低、无需改变机车结构以及应用灵活等优点。

3. 申请号CN201610935995.X，名称为“一种无火回送方法”的发明专利申请公开了一种无火回送方法，其步骤为：S1：当主牵引系统不能获得网侧能量的条件下，利用车载蓄电池提供的能量，对直流母线进行预充电，保证逆变器能启动，并对电机进行励磁；S2：在逆变器的控制下，预磁化后的牵引电机作为发电机迅速进入第四象限工作，利用列车被拖动时产生的机械能，将直流母线持续充电至正常水平；逆变器保持对这一电压水平的持续控制；S3：辅助变流器和正常牵引条件一样启动，并从直流母线取电，输出三相交流电；同时，得到三相电源的充电机向蓄电池正常充电。本发明具有原理简单、易实现、能够提高回送列车可靠性和舒适性等优点。

上述文件虽然都涉及到利用机车蓄电池对牵引电机进行励磁，将牵引电机转换成发电机为机车供电的方法及装置，但都无法对牵引电机发出的电源进行调节控制，因此极有可能造成供电不稳定。

技术实现要素：

本实用新型针对当前机车无火回送供电装置和方法中存在的问题，提出了一种交-直流机车无火回送时的供电装置，方便地将牵引电机转换成发电机发出稳定的电源，为无火回送的机车供电。

本实用新型为解决上述问题所采用的技术手段为：一种交-直流机车无火回送时的供电装置，包括电源管理模块、励磁斩波模块、整流稳压模块、交流逆变模块以及原有机车蓄电池，其中电源管理模块与励磁斩波模块、整流稳压模块、交流逆变模块及机车蓄电池都连接并检测各模块的状态和对各模块进行控制，励磁斩波模块的输出端与牵引电机励磁线圈的两端连接，整流稳压模块的输入端与牵引电机的电枢两端连接，交流逆变模块的输出端与机车司机室负载连接；在机车的牵引电机进入发电状态前，励磁斩波模块的输入端和交流逆变模块的输入端均与机车蓄电池的输出端连接；在机车的牵引电机进入发电状态后，励磁斩波模块的输入端和交流逆变模块的输入端均与机车蓄电池的输出端断开连接，整流稳压模块的输出端与机车蓄电池的输入端、励磁斩波模块的输入端以及交流逆变模块的输入端均连接。

进一步地，当机车为六轴机车时，整流稳压模块的输入端与机车第二轴或第五轴的牵引电机的电枢两端连接；当机车为四轴机车时，整流稳压模块的输入端与机车第二轴或第三轴的牵引电机的电枢两端连接。

进一步地，电源管理模块包括对数据进行控制处理的控制处理中心，与控制处理中心连通的对牵引电机的转速进行实时监测的速度检测器、对牵引电机电枢的输出电压和电流进行实时监测的电压电流检测器一、对励磁斩波模块输出的励磁电压和电流进行实时监测的电压电流检测器二。

进一步地，电源管理模块还包括与控制处理中心连通的对机车蓄电池组端电压进行实时监测的电压检测器、对机车蓄电池的充放电电流进行实时监测的电流检测器。

进一步地，电源管理模块还包括与控制处理中心连通的对机车运行方向、无火状态进行监测的状态信号采集电路。

进一步地，电源管理模块还包括与控制处理中心连通的警报装置和显示屏。

进一步地，整流稳压模块包括一个斩波器，将牵引电机发出的电源变成稳定的电压输出。

进一步地，励磁斩波模块包括一个斩波器，将机车蓄电池或整流稳压模块的DC110V斩波成高频的脉冲电流，为牵引电机的他励励磁绕组供电，使牵引电机处于发电状态。

进一步地，交流逆变模块为DC/AC逆变器，将机车蓄电池或整流稳压模块的DC110V电源逆变成AC220V电源，为机车司机室负载提供电源。

本实用新型的有益效果是：

1. 本实用新型在无火回送时利用机车蓄电池为牵引电机提供励磁电源，使机车的牵引电机串励直流牵引电动机转换成他励直流发电机，在牵引电机进入发电状态后，利用牵引电机发出的电源为牵引电机提供励磁电源，保证在发电过程中励磁电源持续稳定地供给以使牵引电机能够持续稳定发电。

2. 本实用新型在发电过程中对牵引电机的转速、牵引电机电枢两端的电压和电流、励磁斩波模块的输出电流进行实时监测，并根据各监测值调节励磁斩波模块输出的励磁电流大小以保证牵引电机发出的电源电压稳定。

3. 本实用新型根据机车的轴数和运行方向选择对第二轴或第五轴的牵引电机（当机车为六轴机车时）、或者第二轴或第三轴的牵引电机（当机车为四轴机车时）进行串励直流牵引电动机与他励直流发电机之间的转换，以选择一个在运行途中状态稳定的牵引电机进行发电，保证了电源的稳定性。

4. 本实用新型根据机车的运行方向控制励磁斩波模块输出的电流方向，以便为牵引电机提供正确方向的励磁电源，保证牵引电机能够正常发电。

5. 本实用新型的供电装置设计紧凑，移动和拆装方便，拆除后不影响机车的正常运行。

附图说明

图1为本实用新型的供电装置结构示意图；

图2为实施例一机车正常运行时的主电路示意图；

图3为实施例一机车无火回送时的主电路示意图；

图4为本实用新型电源管理模块结构示意图；

图5为本实用新型整流稳压模块结构示意图；

图6为本实用新型励磁斩波模块结构示意图；

图7为本实用新型发电控制示意图；

图8为本实用新型交流逆变模块结构示意图；

图中：1.牵引电机，2.电源管理模块，21.控制处理中心，22.速度检测器，23.电压电流检测器一，24.电压电流检测器二，25.电压检测器，26.电流检测器，27.显示屏，28.警报装置，3.整流稳压模块，4.励磁斩波模块，5.交流逆变模块，6.机车蓄电池。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

实施例一

如图1所示，一种交-直流机车无火回送时的供电装置，包括电源管理模块2、励磁斩波模块4、整流稳压模块3、交流逆变模块5以及机车蓄电池6，其中电源管理模块2与励磁斩波模块4、整流稳压模块3、交流逆变模块5及机车蓄电池6都连接并检测各模块的状态和对各模块进行控制，励磁斩波模块4的输出端与牵引电机1励磁线圈的两端连接，整流稳压模块3的输入端与牵引电机1的电枢两端连接，交流逆变模块5的输出端与机车负载连接；在机车的牵引电机1进入发电状态前，励磁斩波模块4的输入端和交流逆变模块5的输入端均与机车蓄电池6的输出端连接；在机车的牵引电机1进入发电状态后，励磁斩波模块4的输入端和交流逆变模块5的输入端均与机车蓄电池6的输出端断开连接，整流稳压模块3的输出端与机车蓄电池6的输入端、励磁斩波模块4的输入端以及交流逆变模块5的输入端均连接。

当机车在牵引电机1在进入发电状态前，交流逆变模块5的输入端与机车蓄电池6的输出端连接，将机车蓄电池6的直流电逆变为交流电为机车负载供电，当电源管理模块2检测到机车的运行速度达到预设值时，控制励磁斩波模块4的输入端与机车蓄电池6的输出端连通，为牵引电机1提供励磁电源，使牵引电机1进入发电状态；当牵引电机1的发电状态建立后，电源管理模块2控制交流逆变模块5和励磁斩波模块4与机车蓄电池6之间的连接断开，并将整流稳压模块3的输出端与机车蓄电池6的输入端、励磁斩波模块4的输入端以及交流逆变模块5的输入端均连通，利用牵引电机1发出电源为本供电装置和机车负载供电。

其中当机车为六轴机车时，整流稳压模块3的输入端与机车第二轴或第五轴的牵引电机1的电枢两端连接；当机车为四轴机车时，整流稳压模块3的输入端与机车第二轴或第三轴的牵引电机1的电枢两端连接。因在运行过程中，六轴机车的第二轴或第五轴以及四轴机车的第二轴或第三轴较稳定，故选择此轴位的牵引电机1进行发电，以得到较稳定的电源。

具体以DF4B为例，机车正常运行时的主电路图如图2所示，机车各轴的线路接触器连接，牵引/制动转换开关位于牵引位；无火回送时的主电路图如图3所示，机车各轴的线路接触器断开，牵引/制动转换开关打到制动位，将励磁线圈的203号和204号线断开后与励磁斩波模块4的输出端连接，通过励磁斩波模块4将机车蓄电池6的DC110V电源斩波成高频的脉冲电流，为牵引电机1的他励励磁绕组供电，使牵引电机1处于发电状态；将第二轴牵引电机1电枢的两端35号和41号线断开后与整流稳压模块3的输入端连接，使第二轴的牵引电机1处于制动状态。

如图4所示，电源管理模块2内设有一个DC/DC转换器，将机车蓄电池6或整流稳压模块3的DC110V转换为电源管理模块自身使用的电源。

电源管理模块2包括对数据进行控制处理的控制处理中心21，与控制处理中心21连通的对牵引电机1的转速进行实时监测的速度检测器22、对牵引电机1电枢的输出电压和电流进行实时监测的电压电流检测器一23、对励磁斩波模块4输出的励磁电压和电流进行实时监测的电压电流检测器二24。电源管理模块2通过速度检测器22对牵引电机1的转速进行实时监测，通过电压电流检测器一23对牵引电机1电枢的输出电压和电流进行实时监测，通过电压电流检测器二24对励磁斩波模块4输出的励磁电压和电流进行实时监测，并将监测到的各值反馈给励磁斩波模块4，励磁斩波模块4根据各值调节自身输出励磁电流大小，以控制牵引电机1电枢输出的电压稳定在0.5Ue±20%间。

电源管理模块2还包括与控制处理中心21连通的对机车蓄电池6组端电压进行实时监测的电压检测器25和对机车蓄电池6的充放电电流进行实时监测的电流检测器26。在牵引电机1进入发电状态前，电源管理模块2通过电压检测器对机车蓄电池6组端电压进行实时监测，当机车蓄电池6的电压低于DC86V时，控制机车蓄电池6停止向交流逆变模块5输送电源取消机车负载的供电，以保证励磁电源的供给；在牵引电机1进入发电状态后，电源管理模块2还通过电流检测器26对机车蓄电池6的充放电电流进行实时监测以调节机车蓄电池6的充电电压，避免机车蓄电池6过充或过放电。

电源管理模块2还包括与控制处理中心21连通的对机车运行方向、无火状态进行监测的状态信号采集电路。通过对机车运行方向的状态信号的采集，根据机车运行方向选择需要进行状态转换的牵引电机1的轴位；通过对机车的无火状态信号的采集，当机车启动电钥匙时，电源管理模块2报警并向供电装置发出停止工作的命令以结束牵引电机1的发电状态。

电源管理模块2还包括与控制处理中心21连通的警报装置28和显示屏27，显示屏27对电源管理模块2检测到的数据进行显示，当供电装置各模块出现异常或者机车状态出现异常时警报装置28发出警报。

电源管理模块2还设有数据接口将检测到的各状态数据传输到外部设备，将供电装置在运行过程中的状态数据进行转移存储供日后查阅。

如图5所示，整流稳压模块3包括一个斩波器，将牵引电机1发出的电源变成稳定的电压输出。牵引电机1发出的电源进入整流稳压模块3主电路进行整流稳压后输出，整流稳压模块3同时接收来自电源管理模块2的电流检测器26实时监测的机车蓄电池6充放电电流值，根据充放电电流值的大小调节机车蓄电池6的充电电压。

如图6所示，励磁斩波模块4包括一个斩波器，将机车蓄电池6或整流稳压模块3的DC110V斩波成高频的脉冲电流，为牵引电机1的他励励磁绕组供电，使牵引电机1处于发电状态。在牵引电机1进入发电状态前机车蓄电池6或者在牵引电机1进入发电状态后整流稳压模块3的电源经过励磁斩波模块4内的一组二极管进入励磁斩波模块4主电路进行斩波后输出，如图7所示，励磁斩波模块4同时接收来自电源管理模块2的速度检测器22实时监测的机车转速信号、电压电流检测器一23实时监测的牵引电机1电枢的输出电压和电流信号、电压电流检测器二24实时监测的励磁斩波模块4输出的励磁电压和电流信号，并根据各信号值调节输出的励磁电流的大小以保证牵引电机1发出稳定的电源。

如图8所示，交流逆变模块5为DC/AC逆变器，将机车蓄电池6或整流稳压模块3的DC110V电源逆变成AC220V电源，为机车负载提供电源。在牵引电机1进入发电状态前机车蓄电池6或者在牵引电机1进入发电状态后整流稳压模块3的电源经过交流逆变模块5内的一组二极管进入交流逆变模块5主电路进行逆变成AC220V后输出。

本实用新型通过在机车上设置一个交-直流机车无火回送时的供电装置，通过供电装置的励磁斩波模块4利用机车蓄电池6为牵引电机1提供励磁电源，使牵引电机1进入发电状态为机车负载供电，且在牵引电机1进入发电状态后，励磁斩波模块4利用牵引电机1发出的电为牵引电机1持续提供励磁电源。

具体地，将机车各轴的线路接触器断开，牵引/制动转换开关打到制动位；将牵引电机1励磁线圈两端的连线断开后接入供电装置的励磁斩波模块4的两个输出端，供电装置的电源管理模块2控制励磁斩波模块4利用机车蓄电池6为牵引电机1提供励磁电流，将机车的牵引电机1从串励直流牵引电动机转换成他励直流发电机；牵引电机1的电枢两端与供电装置的整流稳压模块3的两个输入端连接以将牵引电机1发出的电源输出，当牵引电机1进入发电状态后，机车蓄电池6停止对励磁斩波模块4供电，通过整流稳压模块3输出牵引电机1发出的电源为机车蓄电池6充电以及为机车负载提供电源，同时励磁斩波模块4利用整流稳压模块3输出的电源为牵引电机1持续提供励磁电源。

在牵引电机1的发电过程中，电源管理模块2对牵引电机1的转速、牵引电机1电枢两端的电压和电流、励磁斩波模块4的输出电压和电流进行实时监测并反馈至励磁斩波模块4以根据各值调节励磁斩波模块4输出的励磁电流大小，使牵引电机1的发电电压稳定在0.5Ue±20%间。

根据机车的轴数和运行方向选择需要进行状态转换的牵引电机1，当机车为六轴机车时，对第二轴或第五轴的牵引电机1进行串励直流牵引电动机与他励直流发电机之间的转换；当机车为四轴机车时，对第二轴或第三轴的牵引电机1进行串励直流牵引电动机与他励直流发电机之间的转换。

在牵引电机1进入发电状态前，电源管理模块2对机车蓄电池6组端电压进行实时监测，当机车蓄电池6电压低于DC86V时，电源管理模块2控制机车蓄电池6停止向交流逆变模块5输送电源取消机车负载的供电，以保证励磁电源的供给。

电源管理模块2对机车蓄电池6的充放电电流进行实时监测，避免机车蓄电池6过充或过放。

电源管理模块2在控制励磁斩波模块4利用机车蓄电池6的电源提供励磁电源前对机车运行方向进行检测，根据机车运行方向控制励磁斩波模块4输出的电流方向，以便为牵引电机1提供正确方向的励磁电源。

电源管理模块2对机车的无火状态进行监视，当机车启动电钥匙时，电源管理模块2报警并向供电装置发出停止工作的命令以结束牵引电机1的发电状态。

电源管理模块2对机车的运行状态进行监视，当机车运行速度低于预设值或者检测到的各模块的电流电压值出现异常时，电源管理模块2报警并向供电装置发出停止工作的命令以结束牵引电机1的发电状态。

机车运行速度的预设值为20km/h-120km/h。

因影响发电电压的主要因数有：电机励磁电流、电机转速以及电压的设定值，根据直流电机的电磁转矩基本公式：

M=CmØIZ （1）

式中：Cm —转矩常数

Ø —每极磁通

IZ —电枢电流

当不考虑电机的磁饱和与电机电枢反应影响时，式（1）可近似为：

M=CMILIZ （2）

式中： IL —励磁电流

根据电机的电势平衡方程：

E= CenØ= IZ(Rz+ΣR) (3)

式中：Ce—电动势常数

n — 电机转速

Rz — 供电装置内阻

ΣR — 电枢绕组及附加极绕组总电阻

因此，电机的制动力矩可表达为：

根据机车制动特性要求，还需考虑牵引电机的最大励磁电流限制、最大制动电流限制，电机换向电压限制、电机粘着限制线以及机车构造速度限制。在从牵引电机取20KW的制动功率时，相对与机车电阻制动时动辄几百KW的制动功率，牵引发电所产生的电机绕组铜损、电枢电压以及制动力远远小于机车正常运行时电阻制动工况。

以上实施例仅供说明本实用新型之用，而非对本实用新型的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本实用新型的保护范围，本实用新型的保护范围应该由各权利要求限定。