本发明涉及电力设备技术领域，更具体地，涉及一种电气化铁路交流变频电源装置。
背景技术：
牵引变电所把区域电力系统送来的电能根据电力牵引对电流和电压的不同要求，转变为适用于电力牵引的电能，然后分别送到沿铁路线上空架设的接触网，为电力机车供电。在现有技术中，铁路牵引变电所通过所用变压器连接铁路牵引网27.5kV系统获得380V低压电源。
铁路牵引网27.5kV供电系统电能质量受机车类型、气候环境、地理位置、经济发展水平等的影响，电能质量较差，导致牵引变电所380V低压电源幅值波动大，电压波形畸变严重，三相电压不平衡不对称等问题，严重危害用电设备的安全。同时，受牵引网27.5kV系统电能质量的影响，所用变压器也经常发生绝缘损坏等故障，降低了供电可靠性。
技术实现要素：
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种电气化铁路交流变频电源装置，用以有效提高供电系统供电的电能质量，提供幅值稳定、无谐波和平衡对称的三线四线制正弦波电源，保证用电的安全性和可靠性。
本发明提供一种电气化铁路交流变频电源装置，包括：输入隔离变压器1和交流变频电源屏2；所述输入隔离变压器1一端连接供电系统3，另一端连接所述交流变频电源屏2，所述交流变频电源屏2的另一端作为所述电源装置的供电输出端。
其中，所述输入隔离变压器1的输入端和供电系统3相连，所述输入隔离变压器1的原边绕组中三个接线端子分别连接所述供电系统3的α相牵引母线、β相牵引母线和地平面，所述输入隔离变压器1的次边绕组为星型连接，具有四个输出接线端子，三相四线制输出；所述交流变频电源屏2为三相四线输入，三相四线输出。
其中，所述交流变频电源屏2包括旁路开关21、输入开关22、输出开关23和AC/DC/AC功率模块24；当所述旁路开关21闭合，所述输入开关22和所述输出开关23断开，且所述AC/DC/AC功率模块24停机时，所述供电系统3直接通过所述输入隔离变压器1为用电设备供电；当所述旁路开关21断开，所述输入开关22和所述输出开关23闭合，且所述AC/DC/AC功率模块24运行时，所述供电系统3通过所述交流变频电源屏2为用电设备供电。
其中，所述交流变频电源屏2的旁路开关21和输出开关23联锁，不同时处于闭合状态。
其中，所述AC/DC/AC功率模块24包括输入滤波电路241、整流电路242、直流电容243、输出滤波电容244、逆变电路245和输出滤波电抗器246；所述输入滤波电路241包括1个三相电抗器或3个单相电抗器；所述整流电路242包括3个IGBT桥臂，为三相全桥高频整流电路；所述输出滤波电容244为按星形连接方式组成的电容；所述逆变电路245包括4个IGBT桥臂，为三相四线制逆变电路；所述输出滤波电抗器246包括4个单相电抗器；所述AC/DC/AC功率模块24为三相三线输入，三相四线输出。
其中，所述输入隔离变压器1的输入端和供电系统3相连，所述输入隔离变压器1的原边绕组包括一个高压绕组，所述高压绕组的一个端子连接所述供电系统3的α相牵引母线或β相牵引母线，所述高压绕组的另一个端子连接地平面，所述输入隔离变压器1的次边为低压绕组单相输出；所述交流变频电源屏2为单相输入，三相四线输出。
其中，所述交流变频电源屏2进一步具体包括：单相输入开关201、AC/DC/AC功率模块202和三相四线输出开关203；所述单相输入开关201的第一端连接所述输入隔离变压器1的输出端，所述单相输入开关201的第二端连接所述AC/DC/AC功率模块202的输入端，所述AC/DC/AC功率模块202的输出端连接所述三相四线输出开关203的第一端，所述三相四线输出开关203的第二端连接用电设备；所述AC/DC/AC功率模块202为单相输入、三相四线输出，所述单相输入开关201和所述三相四线输出开关203闭合，且所述AC/DC/AC功率模块202运行时，可将输入的单相电转换为三相电输出。
其中，所述AC/DC/AC功率模块202包括输入滤波电路2021、整流电路2022、直流电容2023、逆变电路2024、输出滤波电抗器2025和输出滤波电容2026；所述输入滤波电路2021包括一个单相电抗器；所述整流电路2022包括2个IGBT桥臂，为单相全桥高频整流电路；所述逆变电路2024包括4个IGBT桥臂20241，为三相四线制逆变器；所述输出滤波电抗器2025包括4个单相电抗器；所示输出滤波电容2026为按星形连接方式组成的电容；所述AC/DC/AC功率模块202为单相输入，三相四线输出。
本发明提供的一种电气化铁路交流变频电源装置，该装置利用输入隔离变压器的高阻抗特性和交流变频电源屏的直流环节，同时通过交流变频电源的净化作用，为用电设备提供了幅值稳定、波形畸变小和三相平衡对称的正弦波电源，保证了用电安全性和可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的电气化铁路交流变频电源装置的一种整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的电气化铁路交流变频电源装置的另一种整体结构示意图；
图3为本发明实施例提供的电气化铁路交流变频电源装置中一种交流变频电源屏的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的电气化铁路交流变频电源装置中另一种交流变频电源屏的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的电气化铁路交流变频电源装置中一种AC/DC/AC功率模块的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的电气化铁路交流变频电源装置中一种AC/DC/AC功率模块的变流拓扑图；
图7为本发明实施例提供的电气化铁路交流变频电源装置中另一种交流变频电源屏的种结构示意图；
图8为本发明实施例提供的电气化铁路交流变频电源装置中另一种AC/DC/AC功率模块变流拓扑图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
作为本发明实施例的一个实施例，本实施例提供一种电气化铁路交流变频电源装置，参考图1，为本发明实施例提供的电气化铁路交流变频电源装置的一种整体结构示意图，包括：输入隔离变压器1和交流变频电源屏2。其中，输入隔离变压器1一端连接供电系统3，另一端连接交流变频电源屏2，交流变频电源屏2的另一端作为电源装置的供电输出端。
可以理解为，输入隔离变压器1能够隔离谐波。交流变频电源屏2提供经交流-直流-交流(AC-DC-AC，AC为Alternating Current，DC为direct current)功率模块变换的双逆变电源，主要将现有电网中的交流电变换成其它频率的交流电，它的输出波形是稳定纯净的正弦波且输出电压和频率在一定范围内可调，具有稳压，稳频范围宽，精度高，重量轻，体积小，输出带有隔离变压器，输出波形品质好，负载适用性强等特点。供电系统3可以为输入连接铁路牵引网27.5kV供电系统。
本发明实施例提供的一种电气化铁路交流变频电源装置，利用输入隔离变压器的高阻抗特性和交流变频电源屏的直流环节，同时通过交流变频电源的净化作用，为用电设备提供了幅值稳定、波形畸变小和三相平衡对称的正弦波电源，保证了用电安全性和可靠性。
其中，在一个实施例中，如图1所示，输入隔离变压器1的输入端和供电系统3相连，输入隔离变压器1的原边绕组中三个接线端子分别连接供电系统3的α相牵引母线、β相牵引母线和地平面。输入隔离变压器1的次边绕组为星型连接，具有四个输出接线端子，成三相四线制输出。其中，交流变频电源屏2为三相四线输入，三相四线输出。
可以理解为，如图1所示，电气化铁路交流变频电源装置中包括输入隔离变压器1和交流变频电源屏2两个组成构件。其中输入隔离变压器1的输入和供电系统3相连。交流变频电源屏2的输出通过负载开关输出负载电流。输入隔离变压器1可以为△/Y形绕组连接方式，三相三线输入，三相四线输出。所述交流变频电源屏2为三相四线输入，三相四线输出。
其中，在另一个实施例中，如图2所示，本发明实施例提供的电气化铁路交流变频电源装置的另一种整体结构示意图。图中输入隔离变压器1的输入端和供电系统3相连。输入隔离变压器1的原边绕组包括一个高压绕组，该高压绕组的一个端子连接供电系统3的α相牵引母线或β相牵引母线，该高压绕组的另一个端子连接地平面。输入隔离变压器1的次边为低压绕组单相输出。交流变频电源屏2为单相输入，三相四线输出。
可以理解为，如图2所示，所述的电气化铁路交流变频电源装置包括：输入隔离变压器1和交流变频电源屏2。其中，输入隔离变压器1的输入端连接牵引网27.5kV供电母线3的任一相，输入隔离变压器1的输出端连接交流变频电源屏2的输入端，交流变频电源屏2的输出端连接牵引变电所低压用电设备。其中，输入隔离变压器1可以为降压变压器，且输入隔离变压器1采用单相输入、单相输出；交流变频电源屏2采用单相输入、三相四线输出。
考虑到牵引变电所的用电设备多为380V低压用电设备，且对供电电源电压稳定性和波形稳定性有一定要求，在由牵引网27.5kV供电母线3引入电源之后需要进行降压和变相处理，且需要保证电源输出的电压和波形稳定性。
具体在设置牵引变电所用电源装置时，该电源装置至少由输入隔离变压器1和交流变频电源屏2组成。该电源装置由牵引网27.5kV供电母线引入单相电源，可以是牵引网27.5kV供电母线的任一相。输入隔离变压器1具有单相输入端和单相输出端，交流变频电源屏2具有单相输入端和三相四线输出端。
输入隔离变压器1的一次侧连接牵引网27.5kV供电母线3的任一相，二次侧串接交流变频电源屏2的单相输入端，交流变频电源屏2的三相四线输出端连接牵引变电所低压用电设备，为牵引变电所低压用电设备提供三相输入电源。
运行时，输入隔离变压器1由牵引网27.5kV供电母线引入单相高压输入电源，并将该高压输入电源降压后，输出单相低压输出电源至交流变频电源屏2。在交流变频电源屏2中实现单相低压输入电源的单相至三相变相转换，并对变换后的三相输出进行滤波、稳压处理，最终输出幅值稳定、波形畸变小、三相平衡对称的理想三线四线制正弦波电，供牵引变电所低压用电设备使用。
本发明实施例提供的一种电气化铁路交流变频电源装置，通过结合输入隔离变压器和交流变频电源屏，实现牵引网27.5kV输出供电电源单相至三相的转换，能够有效解决铁路变电所三相取电困难问题；同时，通过利用交流变频电源屏的净化作用，能够为用电设备提供幅值稳定、波形畸变小、三相平衡对称的理想三线四线制正弦波电源，有效提高供电安全性和可靠性。
其中，在一个实施例中，根据图1中的交流变频电源屏2的进一步具体结构参考图3，为本发明实施例提供的电气化铁路交流变频电源装置中一种交流变频电源屏的结构示意图，包括：旁路开关21、输入开关22、输出开关23和AC/DC/AC功率模块24。
当旁路开关21闭合，输入开关22和输出开关23断开，且AC/DC/AC功率模块24停机时，供电系统3直接通过输入隔离变压器1为用电设备供电。当旁路开关21断开，输入开关22和输出开关23闭合，且AC/DC/AC功率模块24运行时，供电系统3通过交流变频电源屏2为用电设备供电。
可以理解为，如图3所示，根据图1中的交流变频电源屏2的进一步拓扑结构中包括旁路开关21、输入开关22、输出开关23和AC/DC/AC功率模块24。通过上述不同的开关通断组合控制，实现对应不同的供电策略。
通过AC/DC/AC功率模块24，可以输出幅值稳定、波形畸变小且三相平衡对称的低压电源，为用电设备提供高质量的正弦波电源。
其中，在另一个实施例中，图1中的交流变频电源屏2的进一步具体结构参考图4，为本发明实施例提供的电气化铁路交流变频电源装置中另一种交流变频电源屏的结构示意图，包括：输入开关22、输出开关23和AC/DC/AC功率模块24。当输入开关22和输出开关3闭合，且AC/DC/AC功率模块24运行时，供电系统3通过交流变频电源屏2为用电设备供电。
其中，在一个实施例中，图3中交流变频电源屏2的旁路开关21和输出开关23联锁，不同时处于闭合状态。
可以理解为，如图3所示，交流变频电源屏2中的旁路开关21与由输入开关22、输出开关23和AC/DC/AC功率模块24串联组成的电路成并联通路状态。输入电源可分别通过旁路开关21和由输入开关22、输出开关23和AC/DC/AC功率模块24串联组成的电路为用电设备提供电源。通过设置旁路开关21和输出开关23的联锁，使两条通路中同时只有一条导通，以实现不同的供电方案。
其中，在一个实施例中，根据图3中的AC/DC/AC功率模块24的进一步具体结构参考图5，为本发明实施例提供的电气化铁路交流变频电源装置中一种AC/DC/AC功率模块的结构示意图，包括：输入滤波电路241、整流电路242、直流电容243、输出滤波电容244、逆变电路245和输出滤波电抗器246。
其中，如图6所示，根据图5中的输入滤波电路241包括1个三相电抗器或3个单相电抗器，整流电路242包括3个IGBT桥臂，为三相全桥高频整流电路。输出滤波电容244为按星形连接方式组成的电容。逆变电路245包括4个IGBT桥臂，为三相四线制逆变电路。输出滤波电抗器246包括4个单相电抗器，分别串接在逆变电路245的四个四线输出端。AC/DC/AC功率模块24为三相三线输入，三相四线输出。图6为本发明实施例提供的电气化铁路交流变频电源装置中一种AC/DC/AC功率模块的变流拓扑图。
可以理解为，如图6所示，AC/DC/AC功率模块24通过对输入电源依次采用输入滤波电路241、整流电路242、直流电容243、4桥臂逆变电路245、输出滤波电抗器246和输出滤波电容244进行处理后，为用电设备提供输出电源。通过AC/DC/AC功率模块24处理，使输入电源被净化为稳定的正弦波输出电源。其中，图6中所述整理电流242为IGBT整流电路。
其中，在一个实施例中，根据图2中的交流变频电源屏2的进一步具体结构参考图7，为本发明实施例提供的电气化铁路交流变频电源装置中另一种交流变频电源屏的种结构示意图，包括：单相输入开关201、AC/DC/AC功率模块202和三相四线输出开关203。
其中，单相输入开关201的第一端连接输入隔离变压器1的输出端，单相输入开关201的第二端连接AC/DC/AC功率模块202的输入端，AC/DC/AC功率模块202的输出端连接三相四线输出开关203的第一端，三相四线输出开关203的第二端连接用电设备；AC/DC/AC功率模块202为单相输入、三相四线输出，单相输入开关201和三相四线输出开关203闭合，且AC/DC/AC功率模块202运行时，可将输入的单相电转换为三相电输出。
可以理解为，根据图2中的交流变频电源屏2的进一步连接结构至少由单相单相输入开关201、AC/DC/AC功率模块202和三相四线三相四线输出开关203三部分组成。三者之间依次串接，且单相输入开关201和三相四线输出开关203的另外一端分别连接输入隔离变压器1的输出端和牵引变电所低压用电设备，分别实现AC/DC/AC功率模块202与输入隔离变压器1和牵引变电所低压用电设备的隔离作用。
电源装置运行时，单相输入开关201和三相四线输出开关203分别闭合，输入隔离变压器1输出的单相电经AC/DC/AC功率模块202变相之后，由AC/DC/AC功率模块202输出三相平衡对称电源供给牵引变电所低压用电设备。
其中，在一个实施例中，根据图7中的AC/DC/AC功率模块202的进一步具体结构参考图8，为本发明实施例提供的电气化铁路交流变频电源装置中另一种AC/DC/AC功率模块变流拓扑图，包括：输入滤波电路2021、整流电路2022、直流电容2023、逆变电路2024、输出滤波电抗器2025和输出滤波电容2026。
其中，输入滤波电路2021包括一个单相电抗器；整流电路2022包括2个IGBT桥臂，为单相全桥高频整流电路；逆变电路2024包括4个IGBT桥臂20241，为三相四线制逆变器；输出滤波电抗器2025包括4个单相电抗器；所示输出滤波电容2026为按星形连接方式组成的电容；AC/DC/AC功率模块202为单相输入，三相四线输出。
可以理解为，AC/DC/AC功率模块202的进一步连接结构至少由输入滤波电路2021、整流电路2022、直流电容2023、逆变电路2024、输出滤波电抗器2025和输出滤波电容2026组成。逆变电路2024具有单相输入端和三相四线输出端。输入滤波电路2021、整流电路2022和逆变电路2024依次串接，直流电容2023并接在整流电路2022的输出端，对整流输出进行滤波处理。
运行时，电流依次流过输入滤波电路2021和整流电路2022，被整流成直流输出。直流输出经直流电容2023稳压后，在逆变电路2024中实现直流到交流的逆变，单相到三相的变相变换，之后通过输出滤波电抗器2025和输出滤波电容2026实现干扰电量的滤除。
在AC/DC/AC功率模块202中，输入电源经过整流、逆变后，由单相变为三相，并经过净化，输出为理想的380V三相四线制正弦波输出电源。
其中，在一个实施例中，输入滤波电路2021进一步具体采用单相电抗器。
其中，在一个实施例中，参考图8，逆变电路2024采用4桥臂逆变电路。4桥臂逆变电路的直流输入端连接整流电路2022的输出端与直流电容2023并联后的电路两端。4桥臂逆变电路的交流四线输出端连接输出滤波电抗器2025的第一端，输出滤波电抗器2025的第二端并接输出滤波电容2026之后，连接三相四线输出开关203的第一端。4桥臂逆变电路采用单相输入、三相四线输出，输出滤波电抗器2025分别接入4桥臂逆变电路的四线输出端。
其中可选的，输出滤波电容2026进一步具体包括三个单相滤波电容，该三个单相滤波电容的同一端并接为一点之后连接输出滤波电抗器2025第二端的N相，该三个单相滤波电容的另一端分别连接输出滤波电抗器2025的三相输出端。
其中，参考图8，4桥臂逆变电路进一步具体采用IGBT四桥臂逆变电路，输出滤波电抗器2025进一步具体包括四个单相电抗器。该四个单相电抗器分别对应串接在IGBT四桥臂逆变电路的四线输出端上与输出滤波电容2026并接点之前的线路中。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：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发明各实施例技术方案的精神和范围。