本实用新型实施例涉及铁路电气化技术领域，尤其涉及一种铁路列车过分相供电系统和铁路列车。
背景技术：
近年来我国的铁路电气化技术得到了飞速的发展。目前，我国电气化铁路牵引供电采用单相工频交流制式，为了尽可能平衡三相交流电力系统的各相负荷，普遍采用分区轮换相序的牵引供电方案。为了防止相间短路，不同相序的相邻供电分区之间需设置一段平时不带电的中性段进行电气绝缘分隔，简称电分相或分相。
当电力机车和/或动车组(以下统称为“铁路列车”)通过分相区时无法从接触网获取能量，铁路列车依靠自身的惯性惰行通过分相区。为了提高车辆的舒适性，过分相时牵引系统需要给铁路列车的辅助系统、铁路列车供电系统进行供电。独立绕组供电的过分相供电系统因结构简单、重量轻、效率高等优点，得到广泛的应用。当进行过分相独立绕组供电时，主断路器断开，牵引电机进行制动并将制动的能量回馈到车载变压器次边，根据变压器的基本工作原理，会产生相应的感应电压，可用于向铁路列车的辅助系统和铁路列车的供电系统进行供电。与此同时，会在车载变压器的原边感应出很高的电压，此原边高感应电压可能会导致避雷器烧损和/或主断路器损坏，造成极大的安全隐患。
综上所述，现有技术中铁路列车的过分相供电系统存在安全隐患，可靠性不高，因此，亟需一种安全的，可靠性高的过分相供电系统。
技术实现要素：
本实用新型实施例提供一种铁路列车过分相供电系统和铁路列车，以解决现有铁路列车过分相供电系统中存在的问题，实现安全的过分相供电。
第一方面，本实用新型实施例提供一种铁路列车过分相供电系统，包括：
主断路器、避雷器、车载变压器、调节第二电压幅值小于第一电压幅值且第二电压开关频率大于第一电压开关频率的第一控制装置和电机；
主断路器的两端分别与接触网和车载变压器的原边连接，避雷器的一端接地，另一端与主断路器和车载变压器的原边连接，第一控制装置的两端分别与车载变压器的次边和电机连接；
第一电压为当主断路器闭合时，车载变压器向第一控制装置输入的电压；
第二电压为当主断路器断开时，电机通过第一控制装置向车载变压器输入的电压。
进一步的，在一种可能的实现方式中，第一控制装置包括：牵引四象限和用于控制第二电压的幅值的牵引逆变器；
牵引四象限的两端分别与车载变压器的次边和牵引逆变器连接，牵引逆变器与电机连接。
进一步的，在一种可能的实现方式中，牵引四象限包括：用于控制第二电压开关频率的开关器件。
进一步的，在一种可能的实现方式中，牵引四象限和牵引逆变器之间并联滤波电容。
进一步的，在一种可能的实现方式中，还包括：用于控制输入到辅助负载的电压第二控制装置，第二控制装置的两端分别与车载变压器的次边和辅助负载连接。
进一步的，在一种可能的实现方式中，第二控制装置包括辅助四象限和辅助逆变器；
辅助四象限的两端分别与车载变压器的次边和辅助逆变器连接，辅助逆变器与辅助负载连接。
进一步的，在一种可能的实现方式中，辅助四象限和辅助逆变器之间并联滤波电容。
进一步的，在一种可能的实现方式中，还包括：控制输入到列供负载的电压的第三控制装置，第三控制装置的两端分别与车载变压器的次边和列供负载连接。
进一步的，在一种可能的实现方式中，第三控制装置包括列供四象限和滤波电容，列供四象限与车载变压器的次边连接，滤波电容与列供四象限和列供负载并联。
第二方面，本实用新型实施例提供一种铁路列车，包括车载用电设备和上述任一项的铁路列车过分相供电系统，车载用电设备与铁路列车过分相供电系统电连接，铁路列车过分相供电系统用于向车载用电设备供电。
本实用新型实施例铁路列车过分相供电系统和铁路列车，通过第一控制装置进行控制，在主断路器断开时，降低了电机通过第一控制装置向车载变压器的次边输入的电压的幅值，提高了电机通过第一控制装置向车载变压器的次边输入的电压的开关频率，从而降低了车载变压器的原边的感应电压，消除了过分相供电时的不安全因素，提供了一种安全的过分相供电系统，提高了铁路列车运行的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型铁路列车过分相供电系统实施例一的结构示意图；
图2为本实用新型铁路列车过分相供电系统实施例二的结构示意图；
图3为本实用新型铁路列车过分相供电系统实施例三的结构示意图；
图4为本实用新型铁路列车过分相供电系统实施例四的结构示意图；
图5为本实用新型铁路列车过分相供电系统实施例五的结构示意图；
图6为本实用新型铁路列车过分相供电系统实施例六的结构示意图；
图7为本实用新型铁路列车实施例一的结构示意图。
通过上述附图，已示出本实用新型明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本实用新型构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本实用新型的概念。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本实用新型中的“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本实用新型中的“第一”和“第二”只起标识作用，而不能理解为指示或暗示顺序关系、相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
本实用新型说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方法结合在一个或多个实施例中。
目前，我国的铁路系统大部分采用的是单相25KV、50Hz交流供电机制。变电站沿铁路沿线进行设置，将高压输电网上的高压电转换为25KV输入到架空接触网，铁路列车通过受电弓将架空接触网上的电能取回车内驱动列车运行，并经钢轨回流。为了尽可能的平衡交流电力系统的各相负荷，各变电站采用分区轮换相序的牵引供电方案。不同变电站或者同一变电站由于输出的电压相位不一致的原因，使得接触网上存在若干个没有电的电分相区段。铁路列车在通过分相区时无法从接触网获取电能，依靠自身的惯性惰行通过分相区。为了提高车辆的舒适性，需要能够在铁路列车过分相时为其供电的供电系统。现有技术中的铁路列车过分相供电系统存在一定的安全隐患，本实用新型针对现有技术存在的问题提出了一种安全性高的铁路列车过分相供电系统。
图1为本实用新型铁路列车过分相供电系统实施例一的结构示意图。如图1所述，本实施例提供的铁路列车过分相供电系统可以包括：主断路器11、避雷器15、车载变压器12、第一控制装置13和电机14。
其中，主断路器11的两端分别与接触网10和车载变压器12的原边连接，避雷器15的一端接地，另一端与主断路器11和车载变压器12的原边连接，第一控制装置13的两端分别与车载变压器12的次边和电机14连接。
主断路器11用于控制接触网10和铁路列车之间的切断和接通，根据接触网10提供的电压和铁路列车的工作电流确定其额定电压和额定电流，根据实际需要选择具体的型号，本实施例对于主断路器11的具体型号不做限定。避雷器15用于保护铁路列车免受雷击时高瞬态过电压危害，并限制续流时间和续流幅值，是一种过电压保护器，根据实际需要选择具体的型号，本实施例对于避雷器15的具体型号不做限定。
当铁路列车通过非分相区时，主断路器11闭合，铁路列车从接触网10获取电能，驱动铁路列车行进，此时电机14处于牵引模式。具体的，当主断路器11闭合时，车载变压器12通过电磁感应，将接触网10输入到车载变压器12原边的电压转换为较低的第一电压从车载变压器12的次边输出，并输入到第一控制装置13，第一控制装置13对输入的第一电压的幅值和相位进行控制，并向电机14输入幅值和相位可控的电压，用于电机14向铁路列车提供牵引动力。
当铁路列车通过分相区时，主断路器11断开，铁路列车无法从接触网10获取电能，依靠自身的惯性惰行通过分相区，此时电机14处于发电模式，将铁路列车的动能转换为电能，向车载用电设备提供电能。具体的，当主断路器11断开时，电机14进行制动，进入发电模式，将铁路列车的动能转化为电能输入到第一控制装置13，第一控制装置13对输入的电压进行控制，输出幅值和开关频率可控的第二电压到车载变压器12的次边。车载变压器12通过电磁感应在其他次边产生感应电压，用于向车载用电设备进行供电。
过分相时，为了避免在车载变压器12的原边产生过高的感应电压，对主断路器11和/或避雷器15造成不可逆的损坏，为铁路列车的运行带来不安全因素，第一控制装置13可以通过调节使得第二电压的幅值小于第一电压的幅值。通常，对于第二电压的幅值略微降低即可，当然，本实施例对于第二电压的幅值降低的幅度不做限制，可以根据实际需要进行调整。
本实施例提供的铁路列车过分相供电系统，通过第一控制装置进行控制，在主断路器断开时，降低了电机通过第一控制装置向车载变压器的次边输入的电压的幅值，从而降低了车载变压器的原边的感应电压，消除了过分相供电时的不安全因素，提供了一种安全的过分相供电系统，提高了铁路列车运行的可靠性。
为了进一步降低过分相时，车载变压器原边的感应电压，提高过分相供电系统的安全性，在上述实施例的基础上，第一控制装置还可以提高第二电压的开关频率，使得第二电压的开关频率高于第一电压的开关频率，即主断路器断开时第一控制装置控制内部开关器件的开关频率高于主断路器闭合时第一控制装置内部开关器件的开关频率，并保持第二电压的基波频率不变，即第二电压的基波频率等于第一电压的基波频率。
为了精确的控制第二电压的幅值，在一种可能的具体的实现方式中，第一控制装置可以包括牵引四象限和牵引逆变器。其中，牵引四象限的两端分别与车载变压器的次边和牵引逆变器连接，牵引逆变器与电机连接。牵引逆变器用于控制第二电压的幅值。
为了精确的控制第二电压的开关频率，在一种可能的实现方式中，牵引四象限可以包括开关器件，开关器件用于控制第二电压的开关频率。
为了使牵引四象限和牵引逆变器之间的直流电压平滑稳定，可以在牵引四象限和牵引逆变器之间并联滤波电容。
在上述实施例的基础上，本实施例对上述各实施例进行结合。图2为本实用新型铁路列车过分相供电系统实施例二的结构示意图。如图2所示，本实施例提供的铁路列车过分相供电系统包括：主断路器11、避雷器15、车载变压器12、第一控制装置13和电机14，其中，第一控制装置13包括牵引四象限131、滤波电容132和牵引逆变器133。具体的连接关系与上述实施例相同，此处不再赘述。牵引四象限131可以包括开关器件，开关器件的具体型号根据工作开关频率的需要进行选择，本实施例对于具体型号不做限制。
当铁路列车通过非分相区时，主断路器11闭合，牵引四象限131将车载变压器12次边输出的交流第一电压转换为直流电压输出，并经过滤波电容132进行滤波，以使牵引逆变器133的输入电压为平稳的直流电压。牵引逆变器133对平稳的直流电压的幅值和相位进行调控，向电机14输入幅值和相位可控的交流电压，供电机14运行为铁路列车提供牵引动力。
当铁路列车通过分相区时，主断路器11断开，电机14进入发电模式，通过制动将铁路列车的动能转换为电能，输入牵引逆变器133。牵引逆变器133对其输入电压的幅值进行调节，控制牵引逆变器133输出电压的幅值低于第一电压的幅值。滤波电容132对牵引逆变器133输出的电压进行滤波，以使输入到牵引四象限131的电压为平稳的电压。牵引四象限131对其输入电压的开关频率进行调节，控制牵引四象限131输出到车载变压器12次边的第二电压的开关频率高于第一电压的开关频率，即主断路器断开时牵引四象限131控制内部开关器件的开关频率高于主断路器闭合时牵引四象限131内部开关器件的开关频率。具体的，牵引四象限131可以通过控制开关器件的开关开关频率，进而控制第二电压的开关频率。
本实施例提供的铁路列车过分相供电系统，在主断路器断开时，通过牵引逆变器降低了第二电压的幅值，通过牵引四象限提高了第二电压的开关频率，从而降低了车载变压器的原边的感应电压，消除了过分相供电时的不安全因素，提供了一种安全的过分相供电系统，提高了铁路列车运行的可靠性。
可选的，在一种可能的实现方式中，第一电压的基波频率与接触网电压基波频率一致为50Hz，第一电压的高频开关频率为350Hz，本实用新型实施例提供的铁路列车过分相供电系统在保持第二电压的基波频率50Hz不变的基础上，通过降低第二电压的幅值，同时提高第二电压的高频开关频率，比如可以将第二电压的开关频率提高至第一电压的开关频率的6倍，具体提高的倍数可以根据实际情况具体设定，本实施例对此不做限制，来降低感应到变压器原边的电压幅值，但是不改变感应到原边电压的基波频率。
为了进一步提高铁路列车在过分相时的安全性，在一种可能的实现方式中，还可以包括第二控制装置，第二控制装置的两端分别与车载变压器的次边和辅助负载连接，第二控制装置用于控制输入到辅助负载的电压。辅助负载主要包括铁路列车驾驶室内的用电设备，如控制铁路列车运行的控制设备、通讯设备、照明设备、驾驶室内的空调系统等。
在上述实施例的基础上，本实施例对上述各实施例进行结合。图3为本实用新型铁路列车过分相供电系统实施例三的结构示意图。如图3所示，本实施例提供的铁路列车过分相供电系统包括：主断路器11、避雷器15、车载变压器12、第一控制装置13、电机14和第二控制装置16。具体的连接关系与上述实施例相同，此处不再赘述。
第二控制装置16用于控制输入到辅助负载17的电压。辅助负载17主要包括铁路列车驾驶室中的用电设备，如驾驶室内的控制设备、通讯设备、显示设备、照明设备等。目前，我国大多数铁路列车辅助负载需要380V的交流电压。第二控制装置16可以用于将车载变压器12输出的电压转换为单项380V的稳定交流电以供辅助负载17使用。
本实施例提供的铁路列车过分相供电系统，在铁路列车过分相时，通过第二控制装置将车载变压器次边的感应电压转换为适合辅助负载工作的电压，使辅助负载在过分相时能够正常工作，进一步提高了铁路列车的安全性。
为了向辅助负载提供稳定的工作电压，在一种具体的实现方式中，第二控制装置可以包括辅助四象限和辅助逆变器。其中，辅助四象限的两端分别与车载变压器的次边和辅助逆变器连接，辅助逆变器与辅助负载连接。
为了使辅助四象限和辅助逆变器之间的直流电压平滑稳定，可以在辅助四象限和辅助逆变器之间并联滤波电容。
在上述实施例的基础上，本实施例对上述各实施例进行结合。图4为本实用新型铁路列车过分相供电系统实施例四的结构示意图。如图4所示，本实施例提供的铁路列车过分相供电系统包括：主断路器11、避雷器15、车载变压器12、第一控制装置13、电机14和第二控制装置16。其中，第二控制装置16包括：辅助四象限161、滤波电容162和辅助逆变器163。具体的连接关系与上述实施例相同，此处不再赘述。
本实施例提供的铁路列车过分相供电系统，在铁路列车过分相时，通过辅助四象限和辅助逆变器将车载变压器次边的感应电压转换为适合辅助负载工作的电压，使辅助负载在过分相时能够正常工作，进一步提高了铁路列车的安全性。
在上述实施例的基础上，本实施提供一种能够进一步提高铁路列车过分相时的舒适性的供电系统。图5为本实用新型铁路列车过分相供电系统实施例五的结构示意图。如图5所示，本实施例提供的铁路列车过分相供电系统包括：主断路器11、避雷器15、车载变压器12、第一控制装置13、电机14和第三控制装置18。其中，第三控制装置18的两端分别与车载变压器12的次边和列供负载19连接，其他连接关系参照上述实施例，此处不再赘述。
第三控制装置18用于控制输入列供负载19的电压。列供负载19主要包括用于铁路列车车厢内的用电设备，如铁路客车和/或铁路货车车厢内的照明设备、通讯设备、显示设备、制冷设备、制热设备等。第三控制装置18将车载变压器12次边感应的交流电压转换为稳定的直流电压以供列供负载使用。
本实施例提供的铁路列车过分相供电系统，在铁路列车过分相时，通过第三控制装置将车载变压器次边感应的交流电压转换为适合列供负载工作的直流电压，使列供负载在过分相时能够正常工作，进一步提高了铁路列车的舒适性。
在上述实施例的基础上，在一种可能的实现方式中，第三控制装置可以包括列供四象限和滤波电容，其中列供四象限与车载变压器的次边连接，滤波电容并联于列供四象限和列供负载之间。列供四象限将车载变压器输出的交流电压转换为直流电压，滤波电容使得通过列供四象限输入到列供负载的直流电压平滑稳定。
在上述实施例的基础上，本实施例对上述各实施例进行结合。图6为本实用新型铁路列车过分相供电系统实施例六的结构示意图。如图6所示，本实施例提供的铁路列车过分相供电系统包括：主断路器11、避雷器15、车载变压器12、第一控制装置13、电机14、第二控制装置16和第三控制装置18。其中，第一控制装置13包括：牵引四象限131、滤波电容132和牵引逆变器133；第二控制装置16包括：辅助四象限161、滤波电容162和辅助逆变器163；第三控制装置18包括：列供四象限181和滤波电容182。具体的连接关系请参照上述各实施例，此处不再赘述。
本实施例提供的铁路列车过分相供电系统，在铁路列车过分相时，通过第一控制装置进行控制，降低了电机通过第一控制装置向车载变压器的次边输入的电压的幅值，提高了电机通过第一控制装置向车载变压器的次边输入的电压的开关频率，从而降低了车载变压器的原边的感应电压，消除了过分相供电时的不安全因素，提供了一种安全的过分相供电系统，提高了铁路列车运行的可靠性；通过第二控制装置将车载变压器次边的感应电压转换为适合辅助负载工作的电压，使辅助负载在过分相时能够正常工作，进一步提高了铁路列车的安全性；通过第三控制装置将车载变压器次边感应的交流电压转换为适合列供负载工作的直流电压，使列供负载在过分相时能够正常工作，进一步提高了铁路列车的舒适性。
图7为本实用新型铁路列车实施例一的结构示意图。如图7所示，本实施例提供的铁路列车70包括：车载用电设备701和与其电连接的铁路列车过分相供电系统702。铁路列车过分相供电系统702用于向车载用电设备701供电。其中，铁路列车过分相供电系统702可以采用上述任一实施例所提供的铁路列车过分相供电系统。
本实施例提供的铁路列车，在过分相时，通过铁路列车过分相供电系统提供安全的工作电压，提高了铁路列车过分相的安全性和舒适性。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。