一种城轨辅助变流器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种城轨辅助变流器，包括主电路和控制电路，主电路包括支撑电容和三相逆变电路，其中，支撑电容并联在主电路两端，用于对输入的外部直流电压进行滤波处理；三相逆变电路连接至支撑电容，外部直流电压经过三相逆变电路转变为三相交流电压；控制电路包括门极驱动板和控制板，控制板与门级驱动板相连，控制板通过门极驱动板向三相逆变电路输出开通或关断控制信号，控制三相逆变电路输出交流电压。本实用新型解决了现有的辅助变流器模块因集成元件较多而造成结构复杂，体积和重量较大，维修和替换困难的技术问题。
【专利说明】
一种城轨辅助变流器
技术领域
[0001] 本实用新型涉及交通领域，特别地，涉及一种城轨辅助变流器。
【背景技术】
[0002] 随着城市轨道交通的快速发展，辅助变流器作为地铁城轨车辆辅助系统的供电来 源，对其的要求也越来越高。现有的辅助变流器模块工作原理为:主电路包括支撑电容和逆 变单元，输入的直流电压，经过中间支撑电容进行滤波处理，减小电压的纹波系数，并二次 吸收电压中的高次谐波，同时可起储能作用，减小电压波动对后级电路的影响，再经过逆变 单元将直流电压转变为交流电压。逆变单元包括功率开关器件，通过驱动板向逆变单元的 功率开关器件的门极和发射极之间输出开通或关断控制信号，控制逆变单元输出交流电 压。但由于辅助变流器模块集成了 IGBT元件、散热器、门极驱动板，输入、输出端子，滤波电 容，吸收电容等于一个箱体中，其结构复杂，体积和重量较大，维修和替换困难;针对地铁城 轨车辆用辅助变流器结构复杂，体积和重量较大，维修和替换困难的问题，现有技术中尚未 有有效的解决方案。 【实用新型内容】
[0003] 有鉴于此，本实用新型的目的是针对现有地铁城轨车辆用辅助变流器模块的缺 点，提出一种相对结构简单、体积和重量较小的城轨辅助变流器，简化了电路设计，提高了 易用性与易维护性。
[0004] 基于上述目的，本实用新型提供的技术方案如下：
[0005] 根据本实用新型的一方面，提供了一种城轨辅助变流器，包括主电路和控制电路， 其中：
[0006] 主电路包括支撑电容和三相逆变电路，其中，支撑电容并联在主电路两端，用于对 输入的外部直流电压进行滤波处理;三相逆变电路连接至支撑电容，外部直流电压经过三 相逆变电路转变为三相交流电压；
[0007] 控制电路包括门极驱动板和控制板，控制板与门极驱动板相连，控制板通过门极 驱动板向三相逆变电路输出开通或关断控制信号，控制三相逆变电路输出交流电压。
[0008] 其中，主电路与控制电路采用钣金结构组装；主电路的支撑电容和三相逆变电路 使用低感母排进行连接。
[0009] 并且，支撑电容用于对输入的外部直流电压进行滤波处理，为支撑电容通过控制 系统的中间电压和三相逆变电路关断时的浪涌尖峰电压对外部直流电压进行滤波处理。 [0010]同时，三相逆变电路为包括功率开关器件的电压型三相桥式逆变电路，控制板通 过门极驱动板向三相逆变电路输出开通或关断控制信号，为控制板通过门极驱动板向电压 型三相桥式逆变电路的功率开关器件的门极和发射极之间输出开通或关断控制信号。 [0011] 并且，主电路还包括电流传感器与温度继电器;控制板通过门极驱动板向电压型 三相桥式逆变电路的功率开关器件的门极和发射极之间输出开通或关断控制信号，为控制 板向门极驱动板输出三相SPWM波，门极驱动板经过信号处理向电压型三相桥式逆变电路的 功率开关器件的门极和发射极之间输出方波脉冲形式的开通或关断控制信号;温度继电器 采集散热器上的温度信号并输出至门极驱动板，电流传感器采集三相逆变电路输出端的电 流信号并输出至门极驱动板，控制板从门极驱动板获取温度和电流故障信息，控制板向门 极驱动板输出功率开关器件开通或封锁脉冲控制信号，通过驱动脉冲控制信号的传输或停 止传输脉冲控制信号来控制功率开关器件的开通或关断。
[0012] 同时，电压型三相桥式逆变电路包括六个桥臂、两个电容与三个配电阻，其中，每 个桥臂包括一个IGBT与一个反馈二极管，IGBT与反馈二极管在桥臂中反向并联，IGBT的门 极所在端为桥臂的正端;两个电容串联成电容组，电容组并联在电源两端，六个桥臂中第 一、第三、第五桥臂的正端连接至电源正端，六个桥臂中第二、第四、第六桥臂的负端连接至 电源负端;三个配电阻的一端短路相连，三个配电阻中第一配电阻的另一端连接至六个桥 臂中第一桥臂的正端与第四桥臂的负端;三个配电阻中第二配电阻的另一端连接至六个桥 臂中第二桥臂的正端与第五桥臂的负端;三个配电阻中第三配电阻的另一端连接至六个桥 臂中第三桥臂的正端与第六桥臂的负端。
[0013] 从上面所述可以看出，本实用新型提供的技术方案通过采用钣金式结构连接主电 路和控制电路，降低了辅助变流器的体积和重量，并使整体结构布局更加优化，便于应用和 维护;主电路采用叠层式低感母排连接支撑电容和IGBT元件，减小了模块整体的杂散电感， 也简化了电路设计。
【附图说明】
[0014] 图1为本实用新型中城轨辅助变流器的原理框图；
[0015] 图2为本实用新型中城轨辅助变流器的门级驱动板的连接关系图；
[0016] 图3为本实用新型中城轨辅助变流器的三相逆变电路的电路图；
[0017] 图4为本实用新型中城轨辅助变流器结构的主视图；
[0018] 图5为本实用新型中城轨辅助变流器结构的俯视图。
【具体实施方式】
[0019] 为了引用和清楚可见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：
[0020] IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘概双极性晶体管的简称；
[0021] SPWM:Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉冲宽度调制的简称；
[0022] CPLD:Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件的简称。
[0023] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并 参照附图，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，本实用新型实施例中所有使用 "第一"和"第二"的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见 "第一" "第二"仅为了表述的方便，不应理解为对本实用新型实施例的限定，后续实施例对 此不再一一说明。
[0024] 根据本实用新型的一方面，提供了一种城轨辅助变流器，包括主电路和控制电路。 [0025]如图1所示，根据本实用新型提供的城轨辅助变流器中，主电路包括支撑电容和三 相逆变电路，其中，支撑电容并联在主电路两端，用于对输入的外部直流电压进行滤波处 理;三相逆变电路连接至支撑电容，外部直流电压经过三相逆变电路转变为三相交流电压；
[0026] 控制电路包括门极驱动板和控制板，控制板与门极驱动板相连，控制板通过门极 驱动板向三相逆变电路输出开通或关断控制信号，控制三相逆变电路输出交流电压。
[0027] 其中，主电路与控制电路采用钣金结构组装;主电路的支撑电容和三相逆变电路 使用低感母排进行连接。
[0028] 并且，支撑电容用于对输入的外部直流电压进行滤波处理，为支撑电容通过控制 系统的中间电压和三相逆变电路关断时的浪涌尖峰电压对外部直流电压进行滤波处理。 [0029]同时，三相逆变电路为包括功率开关器件的电压型三相桥式逆变电路，控制板通 过门极驱动板向三相逆变电路输出开通或关断控制信号，为控制板通过门极驱动板向电压 型三相桥式逆变电路的功率开关器件的门极和发射极之间输出开通或关断控制信号。
[0030] 并且，主电路还包括电流传感器与温度继电器;控制板通过门极驱动板向电压型 三相桥式逆变电路的功率开关器件的门极和发射极之间输出开通或关断控制信号，为控制 板向门极驱动板输出三相SPWM波，门极驱动板经过信号处理向电压型三相桥式逆变电路的 功率开关器件的门极和发射极之间输出方波脉冲形式的开通或关断控制信号;温度继电器 采集散热器上的温度信号并输出至门极驱动板，电流传感器采集三相逆变电路输出端的电 流信号并输出至门极驱动板，控制板从门极驱动板获取温度和电流故障信息，控制板向门 极驱动板输出功率开关器件开通或封锁脉冲控制信号，通过驱动脉冲控制信号的传输或停 止传输脉冲控制信号来控制功率开关器件的开通或关断。
[0031] 同时，电压型三相桥式逆变电路包括六个桥臂、两个电容与三个配电阻，其中，每 个桥臂包括一个IGBT与一个反馈二极管，IGBT与反馈二极管在桥臂中反向并联，IGBT的门 极所在端为桥臂的正端;两个电容串联成电容组，电容组并联在电源两端，六个桥臂中第 一、第三、第五桥臂的正端连接至电源正端，六个桥臂中第二、第四、第六桥臂的负端连接至 电源负端;三个配电阻的一端短路相连，三个配电阻中第一配电阻的另一端连接至六个桥 臂中第一桥臂的正端与第四桥臂的负端;三个配电阻中第二配电阻的另一端连接至六个桥 臂中第二桥臂的正端与第五桥臂的负端;三个配电阻中第三配电阻的另一端连接至六个桥 臂中第三桥臂的正端与第六桥臂的负端。
[0032]如图2所示，本实用新型采用了直-交系统，直流输入电压通过三相逆变电路转变 为三相交流。在整个主电路通过叠层的复合母排相连，并通过支撑电容来控制系统的中间 电压和IGBT关断时的浪涌尖峰电压;再由模块中的门极驱动系统及外部主控制系统来控 制IGBT的通断，来实现整个变流器模块的变压变频。门极驱动系统通过接收主电路系统中 的电流传感器和温度继电器发出的信号实现系统的保护功能，具有自诊断功能，各种故障 状态可以通过LED灯的组合进行显示，例如IGBT过流、短路保护，散热器过热保护。
[0033] 如图3所示，本变流器模块主电路采用的是电压型逆变电路，主要有以下特点：
[0034] (1)直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直 流回路呈现低阻抗。
[0035] (2)由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗 角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。
[0036] (3)当交流侧位阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作 用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各桥臂都是内部封装了反馈 二极管的IGBT组成。
[0037]采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路如图3所示。它有三个桥臂，每 个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成，其基本工作方式是180°导电方式，即每 个桥臂的导电角度为180°，同一相（即同一半桥)上下两个臂交替导电，各相开始导电的角 度依次相差120°。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通，可能是上面一个臂下面两个 臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂 之间进行的，因此也被称为纵向换流。
[0038]上桥臂1中的h从通态转到断态时，因负载中的电流不能突变，下桥臂4中的VD4先 导通续流，待负载电流降到零，桥臂4中电流反向时，V4才开始导通。负载阻抗角穿越大，VD4 导通的时间越长。iu的上升段即为桥臂1导电的区段，其中i u〈〇时为VDi导通，iu>0时为 通;iu的下降段即为桥臂4导电的区段，其中i u>0时为VD4导通，iu〈0时为V4导通。
[0039] iv、iw的波形和iu波形相同，相位依次相差120°。把桥臂1、3、5的电流加起来，就可 达到直流侧电流id的波形，id每隔60°脉动一次，而直流侧电压是基本无脉动的，因此逆变器 从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，且脉动的情况和id脉动情况大体相同。这也是电 压型逆变路电路的一个特点。
[0040] 而三相桥式逆变电路中其IGBT的导通顺序为如下表所示，而6个IGBT的导通顺序 SVrVrVrVrVs, ·相位依次差60° ;共阴极组V!、V3、V5的脉冲依次差120°，共阳极组V2、V4、 V6也依次相差120°，同一相的上下两个桥臂，即Vl与V4，V3与V6，V5与V2脉冲相差180°。
[0041]
[0042]从表中，可以看出每个周期中的每个时段都有三个IGBT导通，并且每个时段的导 通的IGBT都不同。并且考虑到在变频调速过程中，输出的电压的幅值和频率都要有所改变。 因此，IGBT在通断过程中也必须考虑到这些因素。因此提供给IGBT的方波信号的准确性成 为控制逆变电路逆变是否成功的关键。
[0043]而IGBT的脉冲是由门极驱动系统提供的，驱动板在获得± 15V，±5V工作电压和由 主控制系统提供的SPWM波后，将三相SPWM波转换为+15V，-10V的六路方波脉冲。并同时监测 脉冲的SPWM波的脉宽，输入的+5V电压的幅值，驱动器2SC0435T的故障信号和输出端电流传 感器上的信号，当监测到这些信号出现异常时，CPLD将封锁脉冲。并将故障信号和过载信号 送给控制系统。此外，驱动系统还会将温度继电器采集到的温度信号送给控制系统。
[0044] 如图4、5所示，此模块采用钣金式结构，布局合理紧凑，在体积方面大大小于同类 模块，为柜体布置而大大节省了空间。
[0045] 从上面所述可以看出，本实用新型提供的技术方案通过采用钣金式结构连接主电 路和控制电路，降低了辅助变流器的体积和重量，并使整体结构布局更加优化，便于应用和 维护;主电路采用叠层式低感母排连接支撑电容和IGBT元件，减小了模块整体的杂散电感， 也简化了电路设计。独特板金式结构设计减轻重量25%、体积缩小30% ;模块结构设计更简 洁，布局更加优化，空间利用率高，重要部件布置在同一平面上，便于组装和集中布线；可 用性高，模块采用人性化的设计理念，易于运用维护；散热器由插片散热器为型材散热器， 不仅降低了成本，也降低了散热器的热阻值，使整个模块的温升有了一定程度的下降。
[0046] 所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非 旨在暗示本公开的范围（包括权利要求)被限于这些例子;在本实用新型的思路下，以上实 施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本实用新型的 不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本实用新型的精神 和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围 之内。
【主权项】
1. 一种城轨辅助变流器，其特征在于，包括主电路和控制电路，其中： 所述主电路包括支撑电容和三相逆变电路，其中，所述支撑电容并联在主电路两端，用 于对输入的外部直流电压进行滤波处理;所述三相逆变电路连接至所述支撑电容，所述外 部直流电压经过所述三相逆变电路转变为三相交流电压； 所述控制电路包括门极驱动板和控制板，所述控制板与所述门极驱动板相连，所述控 制板通过所述门极驱动板向所述三相逆变电路输出开通或关断控制信号，控制所述三相逆 变电路输出交流电压。2. 根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述主电路与控制电路采用钣金结构组 装;所述主电路的支撑电容和三相逆变电路使用低感母排进行连接。3. 根据权利要求2所述的变流器，其特征在于，所述支撑电容用于对输入的外部直流电 压进行滤波处理，为所述支撑电容通过控制系统的中间电压和三相逆变电路关断时的浪涌 尖峰电压对外部直流电压进行滤波处理。4. 根据权利要求2所述的变流器，其特征在于，所述三相逆变电路为包括功率开关器件 的电压型三相桥式逆变电路，所述控制板通过所述门极驱动板向所述三相逆变电路输出开 通或关断控制信号，为所述控制板通过所述门极驱动板向所述电压型三相桥式逆变电路的 功率开关器件的门极和发射极之间输出开通或关断控制信号。5. 根据权利要求4所述的变流器，其特征在于，所述主电路还包括电流传感器与温度继 电器;所述控制板通过所述门极驱动板向所述电压型三相桥式逆变电路的功率开关器件的 门极和发射极之间输出开通或关断控制信号，为所述控制板向所述门极驱动板输出三相 SPWM波，所述门极驱动板经过信号处理向所述电压型三相桥式逆变电路的功率开关器件的 门极和发射极之间输出方波脉冲形式的开通或关断控制信号;所述温度继电器采集散热器 上的温度信号并输出至所述门极驱动板，所述电流传感器采集所述三相逆变电路输出端的 电流信号并输出至所述门极驱动板，所述控制板从所述门极驱动板获取温度和电流故障信 息，所述控制板向所述门极驱动板输出功率开关器件开通或封锁脉冲控制信号，通过驱动 脉冲控制信号的传输或停止传输脉冲控制信号来控制所述功率开关器件的开通或关断。6. 根据权利要求4所述的变流器，其特征在于，所述电压型三相桥式逆变电路包括六个 桥臂、两个电容与三个配电阻，其中，每个所述桥臂包括一个IGBT与一个反馈二极管，所述 IGBT与所述反馈二极管在所述桥臂中反向并联，所述IGBT的门极所在端为所述桥臂的正 端;所述两个电容串联成电容组，所述电容组并联在电源两端，所述六个桥臂中第一、第三、 第五桥臂的正端连接至电源正端，所述六个桥臂中第二、第四、第六桥臂的负端连接至电源 负端;所述三个配电阻的一端短路相连，所述三个配电阻中第一配电阻的另一端连接至所 述六个桥臂中第一桥臂的正端与第四桥臂的负端;所述三个配电阻中第二配电阻的另一端 连接至所述六个桥臂中第二桥臂的正端与第五桥臂的负端;所述三个配电阻中第三配电阻 的另一端连接至所述六个桥臂中第三桥臂的正端与第六桥臂的负端。
【文档编号】H02M7/00GK205622525SQ201620420981
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】李诗逸, 黄长强, 李超
【申请人】中车株洲电力机车研究所有限公司