专利名称：一种城轨磁浮列车牵引变流器输出装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种城轨磁浮交通技术领域中的牵引技术，具体涉及一种安装在城轨 磁浮车辆上的牵引变流器的输出装置。
背景技术：
城轨磁浮列车是常导磁浮列车的一种类型，其悬浮的原理是利用安装在车辆下部 的电磁铁对安装在轨道两侧下方的F形导磁钢轨的吸引力，使列车悬浮起来。采用车载变 流器供给牵引电机变频电压、短初级直线异步电机驱动磁浮列车运行。城轨磁浮列车具有 爬坡能力强、转弯半径小、运行噪音低、能耗较低、造价合理等优势，是非常具有发展潜力的 一种新型轨道交通型式。目前的轨道交通牵引系统中，一般采用变流器直接驱动牵引电机牵引列车的方 式。城轨磁浮车辆上所采用的牵引方式也是这种方式，如图1所示。车载变流器包含开关 柜，与该开关柜的输出端电路连接的逆变模块，该逆变模块的输出端电路连接电机。车载变 流器从直流母线取得直流电，由一个三相的逆变模块将直流电逆变为交流电后直接输出到 牵引电机，对列车实施牵引。连接到逆变模块输出的牵引电机可以是1台、或者多台电机。 多台电机时，可以是并联、也可以是串联，或先串联再并联、或先并联再串联。为了同时获得较高的启动加速度和较高的运行速度，一般配置的变流器容量都 较实际牵引需要的容量大，这使得变流器体积、重量都较大。同时，也必须选择大电流、高耐 压的功率器件，这样也导致牵引系统成本较高。对变流器为电机供电的牵引过程分析可知，车辆在加速阶段，变流器需输出较大 电流，而此时需要变流器输出的电压并不高。随着速度的逐渐升高、需要电压逐渐升高才能 确保一定的输出电流，以牵引列车加速。速度越高、为了克服电机反电势、需要的电压也越 高，以保持一定大小的输出电流、进而保持一定的加速度。当电压达到变流器输出上限时， 电压保持一定、输出电流受到限制，列车加速能力也受到限制。如果要在较大速度下仍然具 有一定加速度，需要变流器提供更高的电压。但是，这样变流器的设计容量较大、而实际输 出容量并不大，其能力不能很好发挥。一般情况下，加速阶段需要大电流、高速运行阶段需要高电压，大电流和高电压不 是同时出现的。通常按启动电流和高速运行时电压设计变流器，这样，变流器的牵引容量得 不到充分利用，同时导致体积和重量较大。
发明内容
本发明提供了一种城轨磁浮列车牵引变流器输出装置，可以在同时满足低速大电 流和高速高电压需求的基础上，降低对牵引变流器容量的需求。为实现上述目的，本发明提供一种城轨磁浮列车牵引变流器输出装置，该装置包 含逆变器，与该逆变器的输入端电路连接的输入开关柜，其特点是，该装置还包含与该逆变 器的输出端电路连接的输出转换装置；上述的输出转换装置的输出端电路连接有若干个外接的电机； 上述的逆变器包含若干个逆变器模块；
上述的输出转换装置包含与上述的逆变器的输出端电路连接的输出变压器，以及与 该输出变压器的输出端电路连接的输出开关装置。上述的若干个逆变器模块的结构相同。上述的逆变器模块外还套设有箱体；该多个逆变器模块设置在同一个箱体内，或 者各个逆变器模块分别设置在各自独立的箱体内。上述的若干个逆变器模块的三相输出电压可分别是同相位或相反相位。上述的输出变压器的原边绕组的中点上电路连接有中间抽头装置。上述的中间抽头装置上电路连接有电缆线或连接排；该电缆线或连接排的载流能 力不低于输出变压器原边绕组的两倍。上述的输出变压器的变压比可设为1 :1至1 :n可调，η采用大于1的数值或小于 1的数值。上述的输出开关装置包含与该中间抽头装置电路连接的第二主开关，与副边绕组 高压输出端电路连接的第一主开关；该第一主开关和第二主开关之间电路连接具有互锁控 制。列车启动时，或列车启动后但未达到逆变器输出电压上限时，上述的第一主开关 闭合，第二主开关打开；达到或超过逆变器输出电压上限时，上述的第一主开关打开，第二 主开关闭合。车辆启动时，输出开关装置的第一主开关闭合，第二主开关断开，此时输出变压器 工作于直接模式，两个逆变器模块送入的电流，在原边绕组的中间抽头装置处汇合，两个逆 变器模块按照一致的调制指令输出电压，其相位、大小均相同，由中间抽头装置处经过第一 主开关向电机输出。此时输出变压器的副边绕组不工作，输出变压器相当于电抗器。当逆变器输出电压达到上限时，将两个逆变器模块输出电流降低到零，输出开关 装置进行切换，第二主开关闭合，第一主开关断开，此时输出变压器工作于变压器模式。两 个逆变器模块恢复输出调制电压，两者输出电压相位相反，大小相同，经输出变压器升压后 经过第二主开关向电机输出进行牵引。实现在列车达到一定高速时，逆变器提高输出电压 后向电机输出高压，满足在电机在高速运转下提速时对电压的要求。本发明一种城轨磁浮列车牵引变流器输出装置和现有技术的轨道交通牵引系统 的变流器相比，其优点在于，本发明设有若干个逆变器模块，在牵引逆变系统输出同样最大 电流，同样最大电压，即同样功率情况下，逆变器的每个逆变器模块的电流和电压低于现有 技术的逆变模块。逆变器的每个逆变器模块的容量，以及两个模块容量之和低于传统逆变 模块。该技术特征具有以下优点
(1)降低了牵引逆变器的容量需求，从而减小了逆变器的重量、体积，有利于设备的布
置；
(2)降低了逆变器功率器件的耐压等级和输出电流需求，从而增加了器件选择范围，降 低了功率器件的成本，以及牵引系统称本；
(3)由于两个逆变器组合形成的电压较高，电机出力增加，从而提高列车高速段的加速 能力；(4)每节车厢均设有两个逆变器模块，当一个逆变器模块故障退出运行时，另一个逆变 器模块仍然能通过输出变压器以直接脉冲模式对车辆实施牵引，从而增加了系统的冗余和
可靠程度；
另外，在列车启动和低速运行阶段，磁浮列车电机牵引需要较大的牵引电流，此时逆变 器的两个逆变模块的输出电流通过输出变压器的原边并联后输入电机，可以获得较大的定 子电流。当磁浮列车达到一定速度后，通过输出开关装置的快速切换，两个逆变器模块通过 输出变压器串联、在变压器副边输出高电压后再向电机输出三相高压，以便满足电机高速 运转时对电压的需求。
图1为现有技术城轨磁浮列车车载牵引变流器的电路图2为本发明提出的一种城轨磁浮列车牵引变流器输出装置的电路图3为本发明提出的一种城轨磁浮列车牵引变流器输出装置的总体电路图4为本发明提出的一种城轨磁浮列车牵引变流器输出装置的输出转换装置的电路
图5为本发明提出的一种城轨磁浮列车牵引变流器输出装置的输出变压器的电路图。
具体实施例方式以下结合附图，说明本发明的具体实施方式
。如图2所示，本发明说明了一种城轨磁浮列车牵引变流器输出装置，该装置和现 有技术的城轨磁浮列车车载牵引变流器相比，本发明的变流器输出装置包含有逆变器1，该 逆变器1包含有两组逆变器模块11。该逆变器1的输出端与电机4之间还电路连接有输出 转换装置2，该输出转换装置2包含有与逆变器1的输出端电路连接的输出变压器21，以 及与该输出变压器21的输出端电路连接的输出开关装置22，该输出开关装置22的输出端 电路连接电机4。本发明变流器输出装置设有多个逆变器模块11，降低牵引逆变器1的容量 要求，减小逆变器1质量和体积；降低逆变器1器件的耐压等级和输出电流；多个逆变器模 块11组成的电压高，提高列车高速段的加速能力；设置多个逆变器模块11增加系统的冗余 和可靠程度。逆变器1通过输出转换装置2接入牵引电机4，通过输出转换装置2的切换， 可以在同时满足低速大电流和高速高电压需求的基础上，降低对牵引变流器容量的需求。以下结合图3具体说明本发明一种城轨磁浮列车牵引变流器输出装置的一种实 施例。一种城轨磁浮列车牵引变流器输出装置，该装置包含逆变器1、输出转换装置2和 输入开关柜3。该逆变器1的输入端与输入开关柜3的输出端电路连接，该逆变器1的输出 端与输出转换装置2的输入端电路连接。输出转换装置2的输出端与电机4电路连接。逆变器1包含两组逆变器模块11，该两组逆变器模块11结构相同，该两组逆变器 模块11的输入端分别通过各自的母排连接于共同的直流母线，该直流母线电路连接输入 开关柜3的输出端。每个逆变器模块11为独立的模块自成一体，安装于各自的结构件上， 该结构件分别设置在磁浮列车上。每个逆变器模块11可以是两电平结构，也可以是多于两 电平的多电平结构。为保护逆变器模块11，以保证其正常工作，逆变器模块11设置在固定在磁浮列车上的箱体中，两个逆变器模块11可以放置于同一个箱体内，也可放置于各自独 立的箱体内。该两组逆变器模块11的三相输出电压可以分别是同相位，也可以分别是相反 相位。输出转换装置2包含与该逆变器1的输出端电路连接的输出变压器21，以及与 该输出变压器21的输出端电路连接的输出开关装置22。输出开关装置22的两个输出端电 路连接车辆左右两侧并联的两组电机4。图中1-广1-5以及2-广2-5为每节列车上的电机，1-广1-5五台串联形成一组、 2-广2-5五台串联形成另一组，两组并联后接入变流器的三相输出端。如图3所示，该输出变压器21和输出开关装置22分别安装在两个独立的箱体中。如图4所示，输出变压器21为三相变压器，其包含原边绕组211和副边绕组212。 原边绕组211为三相绕组，原边绕组211两端的两套输入端子分别电路连接两组逆变器模 块11的三相输出端，且接入原边绕组211两端的三相电压相序相同。原边绕组211的中点上电路连接有中间抽头装置213。中间抽头装置213为输出 变压器21原边绕组211中点的引出接头，接头将原边绕组211分成两个结构相同的绕组， 该接头连接一段电缆线或连接排，该电缆线或连接排的载流能力不低于输出变压器21原 边绕组211的两倍。副边绕组212为三相绕组，一端为星形连接点，另一端出端，副边绕组212上还设 置有调压抽头，该调压抽头将副边绕组212分成两段，每段各设置两个引出接头，通过从每 段副边绕组212上选择一个接头进行连接，则不同的接头组合可形成不同的变压器变比。 输出变压器21的变压比设为1 :1至1 :n可调，η可是大于1的数值，也可是小于1的数值， 通过改变抽头3、4、5、6的连结组合实现不同变比。如图5所示，为副边绕组212的一种实施例。副边绕组212包含副边绕组2. 1和 副边绕组2. 2。副边绕组2. 1设有抽头3、4，副边绕组2. 2设有抽头5、6。若选择副边绕组 2. 1的抽头3与副边绕组2. 2的抽头6连接，则被短路绕组最多，有效绕组最短，此时变压 比最小为nl。若选择副边绕组2. 1的抽头4与副边绕组2. 2的抽头6电路连接，或者副边 绕组2. 1的抽头3与副边绕组2. 2的抽头5电路连接，此时变压比为π2。若选择副边绕组 2. 1的抽头4与副边绕组2. 2的抽头5电路连接，此时全部副边绕组212全部使用，变压比 最大为π3。通过调压抽头的设置，可以提高本发明所述输出变压器21应用的灵活性，输出 变压器21提供不同的变压比。输出开关装置22包含两个接触器主开关，及两个接地隔离开关。该两个接触器主 开关分别为第一主开关Kl和第二主开关Κ2，第二主开关Κ2的输入侧一端电路连接输出变 压器副边绕组212的输出端，另一端电路连接负载(电机4)。第一主开关Kl的输入侧一端 电路连接原边绕组211上的中间抽头装置213，另一端电路连接负载(电机4)。第二主开关 Κ2和第一主开关kl电路连接负载的一端相互电路连接。同时，在第一主开关Kl的控制线 圈回路中串联接入第二主开关K2的辅助常闭触点，在第二主开关K2的控制线圈回路中串 联接入第一主开关Kl的辅助常闭触点，这样即实现了第一主开关Kl与第二主开关K2互锁 控制，防止两个开关同时合上。两个接地隔离开关分别为隔离开关K3和隔离开关K4，隔离 开关K3的一端电路连接第一主开关Kl的输入侧，另一端电路连接在磁浮列车的车辆接地 网上。隔离开关K4的一端电路连接第二主开关K2的输入侧，另一端电路连接在磁浮列车的车辆接地网上。如图3所示，输入开关柜3包含有隔离开关QS，隔离开关QS输入侧通过列车直流 电压母线电路连接+1500V直流电压，输出侧电路连接有避雷器Fl ；该避雷器Fl两端电路 连接差动电流保护LH1，在避雷器Fl的输入侧与差动电流保护LHl之间电路连接有高速开 关QF。差动电流保护LHl的另一侧电路连接有Vl和电阻Rl，Vl和Rl构成电感续流回路。 Vl和Rl还并联连接有直流网压检测VH1，直流网压检测VHl电路连接滤波电感Li，该滤波 电感Ll的另一端分别电路连接短接接触器KMl和充电接触器KM2的输入侧，充电接触器 KM2的输出侧串联连接电阻R2，充电接触器KM2和电阻R2与短接接触器KMl并联连接。短 接接触器KMl的输出侧电路连接充放电接触器KM3的输入侧，充放电接触器KM3的输出侧 串联连接快放电电阻R3，充放电接触器KM3与快放电电阻R3还并联连接有固定放电电阻 R4。逆变器1内还包含Cl滤波电容，VH2逆变器输入直流电压检测，LH2逆变器输入直 流电流检测，Rch为过压斩波电阻，LH41H7为变流器输出电流互感器，逆变器1由两个两 电平或多电平的逆变器模块11组成。逆变器模块11的主功率器件采用IGBT功率开关管。 逆变器1的LH2电路连接充放电接触器KM3的输入侧，逆变器LH2的输出侧电路连接有并 联连接的滤波电容Cl和逆变器输入直流电压检测VH2。该逆变器LH2、逆变器输入直流电 压检测VH2和滤波电容Cl设置在逆变器1的箱体内。以下结合
本发明一种城轨磁浮列车牵引变流器输出装置的具体运作流 程。如图3所示，磁浮列车开始牵引，输入开关柜3的隔离开关QS和高速开关QF闭合， 充电接触器KM2闭合对滤波电容Cl充电，当电压达到1500V以上后充电接触器KM2断开， 短接接触器KMl闭合，两个逆变器模块11按照一致的调制指令开始输出调制电压，并送入 输出转换装置2的输出变压器21。如图4所示，车辆启动时，或者列车启动后但未达到逆变器1输出电压上限时，该 输出电压上限根据直流母线的电压确定(例如，对直流母线电压DC1500V的情况，逆变器1 输出电压上线约1100V)，输出开关装置22的第一主开关Kl闭合，第二主开关K2断开，此 时输出变压器21工作于直接模式，两个逆变器模块11由a和χ端口送入的电流，经过绕组 ao和X0在原边绕组211的中间抽头装置213的0处汇合，两个逆变器模块11按照一致的 调制指令输出电压，其相位、大小均相同，则在中间抽头装置213的0处的电流叠加为两倍 的原边绕组211电流，并由中间抽头装置213处经过第一主开关Kl向电机4输出。此时输 出变压器21的副边绕组212不工作，输出变压器21相当于电抗器。电机4在逆变器1牵引下不断提速，同时逆变器1输出电压不断升高，在这个阶段 中两个逆变器模块11 一直保持以可能的最大电流输出，使得列车获得最大的加速度。当逆 变器1输出电压达到其上限时，由列车上的牵引控制系统控制两个逆变器模块11输出电流 降低到零，输出开关装置22进行切换，第一主开关Kl断开，第二主开关K2闭合，此时输出 变压器21工作于变压器模式。此后两个逆变器模块11恢复输出调制电压，但是两者输出 电压相位相反，大小相同，则如此加在输出变压器21原边绕组211上的电压为单个逆变器 模块11的两倍，再经输出变压器21升压后经过第二主开关K2向电机4输出进行牵引。实 现在列车达到一定高速时，逆变器1提高输出电压后向电机4输出三相高压，满足在电机在高速运转下提速时对电压的要求。 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种城轨磁浮列车牵引变流器输出装置，该装置包含逆变器(1)，与所述的逆变器 (1)的输入端电路连接的输入开关柜(3)，其特征在于，该装置还包含与所述的逆变器(1) 的输出端电路连接的输出转换装置(2)；所述的输出转换装置(2)的输出端电路连接有若干个外接的电机(4)；所述的逆变器(1)包含若干个逆变器模块(11)；所述的输出转换装置(2)包含与所述的逆变器(1)的输出端电路连接的输出变压器 (21)，以及与所述的输出变压器(21)的输出端电路连接的输出开关装置(22)。
2.如权利要求1所述的城轨磁浮列车牵引变流器输出装置，其特征在于，所述的若干 个逆变器模块(11)的结构相同。
3.如权利要求1所述的城轨磁浮列车牵引变流器输出装置，其特征在于，所述的逆变 器模块(11)外还套设有箱体；所述的多个逆变器模块(11)设置在同一个箱体内，或者各个 逆变器模块(11)分别设置在各自独立的箱体内。
4.如权利要求1所述的城轨磁浮列车牵引变流器输出装置，其特征在于，所述的若干 个逆变器模块(11)的三相输出电压可分别是同相位或相反相位。
5.如权利要求1所述的城轨磁浮列车牵引变流器输出装置，其特征在于，所述的原边 绕组(211)的中点上电路连接有中间抽头装置(213)。
6.如权利要求5所述的城轨磁浮列车牵引变流器输出装置，其特征在于，所述的中间 抽头装置(213)上电路连接有电缆线或连接排；所述的电缆线或连接排的载流能力不低于 输出变压器原边绕组(211)的两倍。
7.如权利要求1所述的城轨磁浮列车牵引变流器输出装置，其特征在于，所述的输出 变压器(21)的变压比设为从1 :1至1 :n可调，η采用大于1的数值或小于1的数值。
8.如权利要求5所述的城轨磁浮列车牵引变流器输出装置，其特征在于，所述的输出 开关装置(22)包含与所述的中间抽头装置(213)电路连接的第一主开关(Κ1)，与所述的副 边绕组(212)高压输出端电路连接的第二主开关(K2);所述的第一主开关(Kl)和第二主开 关(Κ2)之间电路连接具有互锁控制。
9.如权利要求8所述的城轨磁浮列车牵引变流器输出装置，其特征在于，列车启动时， 或列车启动后但未达到逆变器(1)输出电压上限时，所述的第一主开关(Kl)闭合，第二主 开关(Κ2)打开；达到或超过逆变器(1)输出电压上限时，所述的第一主开关(Kl)打开，第二 主开关(Κ2)闭合。
全文摘要
本发明公开了一种城轨磁浮列车牵引变流器输出装置，该装置包含逆变器，与该逆变器的输入端电路连接的输入开关柜，以及与该逆变器的输出端电路连接的输出转换装置；该输出转换装置的输出端电路连接有若干个外接的电机；该逆变器包含若干个逆变器模块；该输出转换装置包含与上述的逆变器的输出端电路连接的输出变压器，以及与该输出变压器的输出端电路连接的输出开关装置。本发明设有若干个相同的逆变器模块，降低牵引逆变器的容量需求，从而减小了逆变器的重量、体积，有利于设备的布置；降低逆变器功率器件的耐压等级和输出电流需求，降低牵引系统成本；两个逆变器组合形成的电压高，可提高列车高速段的加速能力；增加系统的冗余和可靠度。
文档编号H02M7/48GK102136809SQ20111007965
公开日2011年7月27日 申请日期2011年3月31日 优先权日2011年3月31日
发明者史黎明, 王霄桦 申请人:上海磁浮交通发展有限公司, 中国科学院电工研究所