一种牵引辅助变流器的制作方法

本实用新型涉及轨道交通车载设备，尤其涉及高速动车组、城际动车组的牵引辅助变流器。

背景技术：

牵引辅助变流器为高速动车组和城际动车组的核心零部件，它为列车提供动力和车载电源。图1为现有的牵引辅助变流器的结构示意图。如图1所示，牵引辅助变流器的输入为牵引变压器的二次侧绕组的单相交流电，两台整流器分别连接两套牵引变压器的二次侧绕组，输出的直流母线并联在一起。直流母线上连接两套逆变器，各自驱动两台牵引电机。直流母线上连接一套辅助变流器，经过电气隔离和滤波后，输出正弦的交流电。并且，采用一个集中的控制器，对所有整流器、逆变器、辅助变流器进行控制。

但是，这种牵引辅助变流器中的直流母线是共用的，控制器是共用的，在某些故障发生时，不可避免导致整个机组停机，因此冗余度仍有待提高。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本实用新型的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种牵引辅助变流器，以解决现有技术中的由于直流母线并连在一起，控制器共用，从而导致在某些故障发生时，不可避免导致整个机组停机的问题。

为了达到上述目的，本实用新型实施例公开了一种牵引辅助变流器，包括：至少两台牵引变流器、直流切换开关以及辅助变流器；所述牵引变流器之间不共用直流母线，且每一牵引变流器牵引至少一台牵引电机；所述直流切换开关连接于所述多台牵引变流器的直流母线，用于将其中一台牵引变流器的直流母线连接到所述辅助变流器的直流输入端口。

进一步地，在一实施例中，每一台所述牵引变流器包括：整流器和牵引逆变器；所述整流器连接于牵引变压器二次侧绕组，用于将所述牵引变压器二次侧绕组的单相交流电整流成直流电；所述牵引逆变器连接所述整流器，用于将所述直流电逆变成频率幅值可控的交流电，以牵引对应的牵引电机。

进一步地，在一实施例中，所述辅助变流器包括斩波器、中频隔离DC/DC变流器、辅助逆变器以及正弦滤波器；

所述斩波器连接所述直流切换开关，用于对所述直流切换开关切换的其中一台牵引变流器的直流母线所输出的直流电进行调压；

所述中频隔离DC/DC变流器连接所述斩波器，用于对所述斩波器输出的直流电压进行中频逆变，生成中频的方波电压，并对所述中频的方波电压进行隔离变压后整流为低压直流电；

所述辅助逆变器连接所述中频隔离DC/DC变流器，用于将所述低压直流电逆变为三相工频交流电；

所述正弦滤波器连接所述辅助逆变器，用于对所述三相工频交流电进行滤波，生成正弦的三相交流电。

进一步地，在一实施例中，所述斩波器为升压斩波器或降压斩波器，数量为一个或多个；当所述斩波器为多个时，所述多个斩波器串联连接并采用均压控制。

进一步地，在一实施例中，所述中频隔离DC/DC变流器包括中频逆变器、中频变压器以及中频整流器；所述中频逆变器用于对所述斩波器输出的直流电压进行中频逆变，生成中频的方波电压；所述中频变压器用于对所述中频的方波电压进行隔离变压；所述中频整流器用于对隔离变压后的方波电压进行整流，生成所述低压直流电。

进一步地，在一实施例中，还包括输出接触器；所述输出接触器连接于所述辅助变流器，用于实现对所述辅助变流器生成的三相交流电的开通和断开。

进一步地，在一实施例中，还包括充电机；所述充电机连接所述中频隔离DC/DC变流器，用于将所述低压直流电进行DC/DC转换，作为列车的控制电。

进一步地，在一实施例中，还包括对所述牵引动力装置进行控制的分布式控制器；所述分布式控制器包括牵引变流器控制器、辅助变流器控制器以及多个底层控制器；所述多个底层控制器用于接收上位机指令，采集包括电压、电流、转速在内的控制信号，对整流器功率模块、牵引逆变器功率模块、辅助变流器功率模块进行实时控制；所述牵引变流器控制器与牵引变流器对应设置，每一套牵引变流器对应一个牵引变流器控制器，所述牵引变流器控制器用于控制所述牵引变流器，向所述牵引变流器包括的整流器功率模块和牵引逆变器功率模块的底层控制器发出指令并接收反馈信号；所述辅助变流器控制器用于控制所述辅助变流器以及直流切换开关，向所述辅助变流器中的辅助变流器功率模块的底层控制器发出指令并接收反馈信号。

进一步地，在一实施例中，所述底层控制器和所述牵引变流器控制器之间、所述底层控制器和所述辅助变流器控制器之间均通过通讯线缆或者硬线线缆进行连接；所述牵引变流器控制器和辅助变流器控制器接入列车总线，实现与列车中央控制器的信号交互。

本实用新型实施例的牵引辅助变流器所产生的有益效果如下：牵引辅助变流器中集成了两套完全独立的牵引变流器单元和一套辅助变流器单元，集成化程度高；两套牵引变流器单元之间主电路完全独立，其中一套牵引变流器发生故障，完全不影响另外一套的工作，冗余性相比直流母线并联的传统方案大大提高；辅助变流器单元通过直流切换开关，可以连接到任意一套牵引变流器的直流电压上，因此任何一套牵引变流器故障，都不影响辅助变流器的工作；分布式架构的控制器，两套牵引变流器和一套辅助变流器完全独立，冗余性高。且控制器尽可能的集成到功率模块上，减少了控制电缆、模拟信号电缆在箱内的走线，降低了机组复杂程度，利于机组的组装和维护维修。

参照后文的说明和附图，详细公开了本实用新型的特定实施方式，指明了本实用新型的原理可以被采用的方式。应该理解，本实用新型的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本实用新型的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为现有的牵引辅助变流器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的牵引辅助变流器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例的中频隔离DC/DC变流器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例的分布式控制器的结构示意图；

图5为本实用新型实施例的牵引辅助变流器的一具体实施例的电路结构图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

下面参考本实用新型的若干代表性实施方式，详细阐释本实用新型的原理和精神。

图2为本实用新型实施例的一种牵引辅助变流器的结构示意图。如图2所示，本实施例的牵引辅助变流器包括：至少两台牵引变流器、直流切换开关以及辅助变流器；所述牵引变流器之间不共用直流母线，且每一牵引变流器牵引至少一台牵引电机；所述直流切换开关连接于所述多台牵引变流器的直流母线，用于将其中一台牵引变流器的直流母线连接到所述辅助变流器的直流输入端口。

本实施例的牵引辅助变流器中有两套完全独立的牵引变流器单元，分别是牵引变流器单元1和牵引变流器单元2。

每套牵引变流器都是由整流器和牵引逆变器构成。整流器将牵引变压器二次侧绕组的单相交流电整流成直流电，牵引逆变器将直流电逆变成频率幅值可控的交流电用来牵引电机，牵引逆变器中集成制动斩波功能。本实施例中，如图2所示，包括两台牵引变流器，一台牵引逆变器牵引同一转向架上的两台牵引电机。

与现有技术不同，两套牵引变流器之间完全独立，之间没有直接的电气连接，特别是不共用直流母线。因此，当一套牵引变流器发生严重故障时，另外一套牵引变流器不受影响。

两套牵引变流器的直流母线都连接到直流切换开关的输入。直流切换开关将其中之一连接到辅助变流器的直流输入端口。该直流切换开关使得辅助变流器单元可以连接到任意一套牵引变流器的直流母线，当有一套牵引变流器无法工作时，辅助变流器单元仍然可以连接到另外一套牵引变流器，继续工作。

本实用新型中的辅助变流器单元采用一种中频化架构，其主要由四部分组成，斩波器，中频隔离DC/DC变流器，辅助逆变器，正弦滤波器。

直流输入连接到斩波器进行调压，输出直流电压作为中频隔离DC/DC变流器的输入。在直流电压大范围变化时，斩波器也可以确保辅助变流器部分正常工作。

中频隔离DC/DC变流器的工作频率为20kHz附近，相对于工频50Hz或60Hz而言，称之为中频。中频隔离DC/DC变流器首先进行中频的单相逆变，将直流电压逆变为中频交流电。经过中频变压器降压以后，再整流、滤波得到低压直流电650Vdc。中频隔离DC/DC变流器采用LLC谐振技术，同时实现其中的逆变器和整流器的半导体器件的软开关。

在一实施例中，如图3所示，中频隔离DC/DC变流器包括中频逆变器、中频变压器以及中频整流器；所述中频逆变器用于对所述斩波器输出的直流电压进行中频逆变，生成中频的方波电压，所述中频变压器用于对所述中频的方波电压进行隔离变压，所述中频整流器用于对隔离变压后的方波电压进行整流，生成所述低压直流电。

在本实施例中，辅助逆变器的输入直流电压650Vdc，经过辅助逆变器逆变成三相PWM调制的方波电压。由于电压等级低，所以逆变器的开关频率可以显著提高到几kHz到十几kHz。相比之下，传统方案中辅助逆变器的输入电压在1800Vdc或者3600Vdc，开关频率通常在几百Hz到1.5kHz。

在本实施例中，正弦滤波器采用电感，电容，构成正弦滤波器，将输入的三相PWM方波电压滤波后，得到正弦的三相交流电。正弦滤波器可以是LC结构的滤波器，也可以是LCL结构的滤波器。由于辅助逆变器的工作频率显著提高，对正弦滤波器的需求显著降低。因此需要的电感和电容远小于传统技术。

在另一实施例中，牵引辅助变流器还包括有充电机，其输入连接到中频隔离DC/DC变流器的输出上。因为充电机的输入时低压直流电，因此极大的降低了对充电机的设计难度，可以显著的提高充电机的紧凑程度。

在另一实施例中，牵引辅助变流器还包括输出接触器；所述输出接触器连接于所述辅助变流器，用于实现对所述辅助变流器生成的三相交流电的开通和断开。

本实用新型中，采用的分布式控制器替代传统的集中式控制器。分布式控制器主要由三种构成：多个底层控制器ICU，牵引控制器TCU，辅助变流器控制器ACU。其连接方式如图4所示，牵引控制器TCU和辅助变流器控制器ACU都接入列车总线，实现与列车中央控制器的交互和互相的交互。牵引变流器控制器TCU和底层控制器ICU之间通过通讯线缆或硬线线缆进行连接。辅助变流器控制器ACU和底层控制器ICU之间通过通讯线缆或硬线线缆进行连接。

底层控制器ICU负责底层的实时控制，它涉及到接收上位机指令，采集电压、电流、转速等控制所必须的信号，实现实时控制功能，并具备基础的保护功能。其功能取决于其被控对象。它的控制对象包括整流器功率模块、逆变器功率模块、辅助变流器功率模块，尽可能的集成到功率模块上。

牵引控制器TCU负责牵引变流器的控制，并实现故障诊断和保护功能，包括了通过网络总线进行通讯、向整流器和逆变器的ICU发出指令和接收其反馈，操作开关和预充电电路。

辅助变流器控制器ACU负责牵辅助变流器的控制和直流切换开关的控制，其直接对斩波器和中频隔离DC/DC变流器进行实时控制，向辅助逆变器的ICU发出指令和接收其反馈，控制输出开关。

图5为本实用新型实施例的牵引辅助变流器的具体结构示意图。如图5所示，本实施例的牵引辅助变流器中包含两套完全一致的牵引变流器单元1和2，一套辅助变流器单元3。

1、牵引变压器有两套二次侧绕组，分别通过电缆连接到牵引辅助变流器的输入接口1.1和2.1，然后分别通过开关和预充电电路1.2和2.2，连接到整流器1.7和2.7的交流输入。

开关和预充电电路1.2由主开关1.3，预充电开关1.4和预充电电阻器1.5构成。开关和预充电电路1.2由牵引控制器TCU1.16进行控制。预充电的过程是，整流器1.7不启动，预充电开关1.4首先闭合，牵引变流器的输入电压通过预充电电阻器1.5，对牵引变流器的直流支撑电容1.6进行充电。预充电完成后，主接触器1.3闭合，预充电过程结束。

开关和预充电电路2.2的构成与功能与1.2完全一致。

2、整流器1.7由两部分并联组成，单相整流桥1.8和一个制动斩波桥臂1.9构成。单相整流桥包含四个开关管。制动斩波模块包含两个开关管和一个制动电阻器1.10。

单相整流桥的四个开关管配合工作，对单相交流输入进行整流，得到一个稳定可控的直流电压作为输出。

制动斩波模块的功能是对直流电压进行主动放电。

整流器1.7由控制器ICU 1.14进行控制。控制器ICU 1.14采集输入接口1.1的输入电流，采集直流支撑电容1.6的直流电压，进行运算处理后，控制整流器的单相整流器1.8的四个开关管。同时，控制器ICU 1.14控制制动斩波桥臂1.9的开关管。

整流器2.7与1.7结构功能完全一致。

3、整流器1.7和2.7的直流输出分别连接到直流支撑电容1.6和2.6上，作为各自牵引变流器的直流母线。直流支撑电容1.6和2.6的作用是储能、滤波。

4、牵引逆变器1.12和2.12的直流输入分别连接到直流支撑电容1.6和2.6上。其分别进行逆变输出，作为机组的电机输出1.13和2.13。每个牵引逆变器驱动两台并联的电机。

控制器ICU1.15对输出接口1.13的三相电流和直流支撑电容1.6的电压进行采样，对牵引逆变器1.12的6个开关管进行控制，实现电机控制算法。

控制器ICU2.15对输出接口2.13的三相电流和直流支撑电容2.6的电压进行采样，对牵引逆变器2.12的6个开关管进行控制，实现电机控制算法。

5、牵引控制器TCU1.16通过CAN总线、高速串口、硬线三种手段对控制器ICU1.14和1.15进行控制，包括了发出转矩指令，启动指令、停机指令等。牵引控制器直接控制了开关和预充电电路1.2。牵引控制器协调控制器ICU1.14和1.15，及开关和预充电电路1.2，完成各种功能，如牵引、电制动等等。

牵引控制器1.16接入MVB网络总线中，接受整车中央控制器的指令，并向其反馈自身状态，同时也通过外部控制接口1对外进行连接。

牵引控制器TCU2.16与牵引控制器TCU1.16的外部结构和功能完全一致。

6、直流母线通过直流输出端子1.11和2.11，都连接到辅助变流器单元3的直流切换开关13的输入端子上。

7、升压斩波单元8可以只采用一个桥臂，也可以采用多个桥臂并联，以提高容量或提高等效开关频率。升压斩波单元8的桥臂中点，通过直流电抗4连接到直流母线13.2的正极上。升压斩波单元8的桥臂负母线直流母线13.2的负极。

升压斩波单元8若采用多个桥臂并联时，可以通过交错控制技术，实现更高的等效开关频率，从而减少直流电抗4上的电流谐波，从而减少其体积重量。

8、升压斩波单元8的直流输出连接到直流电容10上，然后连接到中频隔离DC/DC变流器12的直流输入上。

9、中频隔离DC/DC变流器12中，逆变器12.1将直流输入的直流电，逆变成中频方波电压。施加到谐振电容器12.2和中频变压器12.3的原边串联形成的支路上。中频整流器12.4的桥臂中点，连接到中频变压器12.3的副边绕组上，将中频的交流电压整流为直流电压，作为中频隔离DC/DC变流器12的输出。

中频变压器12.3的原边漏感和激磁电感，和谐振电容器12.2，通过逆变器12.1的开关频率和两个谐振频率的配合，使得变压器原边逆变电路工作在零电压软开关状态，整流二极管桥12.4工作在零电流软开关状态，在完成电压转换的同时提高了系统效率。

10、中频隔离DC/DC变流器12的输出连接到低压直流支撑电容14上。

11、低压直流支撑电容14构成了辅助变流器单元的低压直流母线，连接到辅助逆变器5上。辅助逆变器5将直流电压逆变成为三相工频交流电，然后连接到正弦滤波器6。正弦滤波器6由交流电抗器6.1和交流滤波电容器6.2组成。滤波电容器连接到输出接触器16上，然后连接到牵引辅助变流器的输出15，为负载提供380V/50Hz三相交流电。

12、辅助变流器控制器ACU 9通过CAN总线、高速串口、硬线三种手段对控制器ICU7进行控制，包括了发出启动指令、停机指令等。

辅助变流器控制器ACU 9直接控制了直流切换开关13和输出接触器16。

辅助变流器控制器ACU 9采样了直流电抗4的电流，电容10的电压和电容14的电压，通过算法运算，控制升压斩波单元8的开关管，中频隔离DC/DC变流器12中逆变器12.1的开关管。实现电容14上直流电压的稳定。

辅助变流器控制器9接入MVB网络总线中，接受整车中央控制器的指令，并向其反馈自身状态，同时也通过外部控制接口3对外进行连接。

本实用新型实施例的牵引辅助变流器所产生的有益效果如下：

1、牵引辅助变流器中集成了两套完全独立的牵引变流器单元和一套辅助变流器单元，集成化程度高；

2、两套牵引变流器单元之间主电路完全独立，其中一套牵引变流器发生故障，完全不影响另外一套的工作，冗余性相比直流母线并联的传统方案大大提高；

3、辅助变流器单元通过直流切换开关，可以连接到任意一套牵引变流器的直流电压上，因此任何一套牵引变流器故障，都不影响辅助变流器的工作；

4、分布式架构的控制器，两套牵引变流器和一套辅助变流器完全独立，冗余性高。且控制器尽可能的集成到功率模块上，减少了控制电缆、模拟信号电缆在箱内的走线，降低了机组复杂程度，利于机组的组装和维护维修。

本实用新型实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。

本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。