牵引变电单元及牵引供电系统的制作方法

本发明涉及轨道交通领域，特别涉及磁浮列车的牵引供电系统。

背景技术：

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机能，且不需要中间转换机构的传动装置。长定子直线电机具有推力密度大、效率高和结构简单等优点，在直线加速领域得到越来越广泛的关注。

在轨道交通运输领域内，用于给列车提供推进力的长定子直线电机的定子铁芯和绕组沿轨道分成多个定子段。相应地，将两个牵引变电所间的牵引区域划分为与定子段对应的供电区，因此牵引控制系统每次驱动的是一个较小的电动机，以减少线路损耗。具体地，牵引控制系统根据磁浮车辆运行速度、运营间隔等等条件，开通或关断特定定子开关柜中的真空接触器，用于使得长定子直线电机定子绕组被提供幅值和频率都可变的电源，该电源在长定子绕组中产生行波磁场，与电磁铁产生的励磁磁场相互作用，从而牵引列车行进，提供车辆运行必要的动力。

传统的长定子直线电机馈电电路如图1和图2所示：一个牵引分区内的两个牵引变电所并联供电，能量经过牵引变电所整流、逆变，由输出变压器输出至两条交流母线上，通过控制定子开关站的闭合来实现长定子直线电机的分段供电。

传统的馈电方式存在至少两方面的问题：

1)线路损失较大，且随着馈电电缆的长度增加，馈电能量损失增大，馈电效率降低；

2)这种馈电方式将能量集中在牵引变电所，通过一系列整流、逆变、升压等方式，经过馈电母线向定子段供电，对于变流系统、控制系统、定子开关等主要设备的性能要求相对较高，对供电段切换时间、牵引同步控制实时性、变流器并联输出同步性等系统指标提出了较高要求。对于运行速度较低的城郊、城际线路来说，经济效益、社会效益较低。

3)一个牵引分区内只能允许一列车运行的控制特点，严重影响运输效率。

技术实现要素：

本发明的主要目的是：通过改变长定子直线电机的供电拓扑结构，降低变流器设计要求以及牵引控制系统性能指标，从而实现长定子直线同步电机更多应用场景拓展。

本发明第一方面提供一种牵引变电单元，牵引变电单元经由直流母线与供电单元连接，并将供电单元输出至直流母线的电能变换后供给至牵引电机绕组段，牵引变电单元包括：第一输入开关、第一逆变器和第一输出开关；以及第二输入开关、第二逆变器和第二输出开关；并且第一逆变器和第二逆变器分别经由第一输入开关和第二输入开关连接至直流母线，第一逆变器和第二逆变器分别经由第一输出开关和第二输出开关连接至牵引电机绕组段的第一供电端和第二供电端，并且第一供电端被供给的电流与第二供电端被供给的电流能够具有相位差，以使得牵引电机绕组段中产生交变电流。

优选地，第一输入开关经由第一谐波治理装置连接至第一逆变器；和/或第二输入开关经由第二谐波治理装置连接至第二逆变器。

本发明第二方面提供一种磁浮列车的牵引供电系统，用于向磁浮列车的牵引电机供电，牵引电机具有n个牵引电机绕组段，其中n为正整数；磁浮列车牵引供电系统包括：供电单元，供电单元用于向直流母线输出电能；n个牵引变电单元，其中每一个牵引变电单元经由直流母线与供电单元连接，并将供电单元输出至直流母线的电能变换后供给至对应的牵引电机绕组段；牵引变电单元包括：第一输入开关、第一逆变器和第一输出开关；以及第二输入开关、第二逆变器、第二输出开关；并且第一逆变器和第二逆变器分别经由第一输入开关和第二输入开关连接至直流母线，并且第一逆变器和第二逆变器分别经由第一输出开关和第二输出开关连接至牵引电机绕组段的第一供电端和第二供电端，并且第一供电端被供给的电流与第二供电端被供给的电流能够具有相位差，以使得牵引电机绕组段中产生交变电流。

优选地，第一输入开关经由第一谐波治理装置连接至第一逆变器；和/或第二输入开关经由第二谐波治理装置连接至第二逆变器。

本发明的一种新型的长定子直线电机的馈电方式的优点如下：

1)采用直流母线供电，取消整流环节，牵引供电系统结构更简单；

2)相应地，由于取消了整流环节，降低了变流器的设计要求，能够采用小型变流器分散供电。使得在不提升变流器容量时，满足更丰富的运营场景成为可能。同时，工程化实施阶段可以快速实现批量生产该小型变流器。

3)可以完全按照定子段划分运行分区，大大降低列车的追踪间隔，绝对提升运输能力。

附图说明

本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。

图1示出现有技术中采用的牵引变电柜，该牵引变电柜用于将供电单元输出的电能变换后供给至牵引电机绕组段。

图2示出现有技术中的长定子直线电机的供电拓扑结构的示意图。

图3示出本发明第一方面的牵引变电单元的示意图。

图4示出本发明第二方面的牵引供电系统的示意图。

具体实施方式

以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

本发明通过改变长定子直线电机的供电拓扑结构，降低变流器设计要求以及牵引控制系统性能指标，从而实现长定子直线同步电机更多应用场景拓展。同时，在保证安全可靠的前提下，实现最小的列车追踪。

图1和图2示出现有技术中的长定子直线电机的供电拓扑结构的示意图。其中牵引变电所a与牵引变电所b均包括两个变流器模块tcm，每个变流器模块至少包括输入变压器、整流器、逆变器和输出变压器。经过输出变压器输出交流电压至交流母线，而后通过控制与每一定子段对应的定子开关站来实现长定子直线电机的分段供电。

图3示出本发明第一方面的牵引变电单元tx的示意图，其中牵引变电单元tx经由直流母线dl与供电单元ps连接，并将供电单元ps输出至直流母线dl的电能变换后供给至牵引电机绕组段ls。用于给列车提供推进力的长定子直线电机的定子铁芯和绕组沿轨道分成多个定子段，每个长定子直线电机的定子段长度根据定子特性，约为200m-1200m。每一定子段所具有的绕组即为牵引电机绕组段ls。供电单元ps例如是现有磁浮供电中所采用的轨旁变电所，轨旁变电所通过变压器输出直流电压，在现有技术中通常用于向沿线通信基站、动力轨等供电。动力轨系统是向磁浮列车车载电网提供电能的供电设备之一。

牵引变电单元tx包括：第一输入开关si1、第一逆变器i1和第一输出开关so1；以及第二输入开关si2、第二逆变器i2和第二输出开关so2；并且第一逆变器i1和第二逆变器i2分别经由第一输入开关si1和第二输入开关si2连接至直流母线dl，第一逆变器i1和第二逆变器i2分别经由第一输出开关so1和第二输出开关so2连接至牵引电机绕组段ls的第一供电端e1和第二供电端e2，并且第一供电端e1被供给的电流与第二供电端e2被供给的电流能够具有相位差，以使得牵引电机绕组段ls中产生交变电流。

优选地，第一输入开关si1经由第一谐波治理装置l1连接至第一逆变器i1；和/或第二输入开关si2经由第二谐波治理装置l2连接至第二逆变器i2。第一谐波治理装置l1和第二治理装置l2均可采用现有技术中广泛使用的谐波治理装置，例如各种滤波器、电抗器等。

本发明的长定子直线电机牵引供电单元与现有技术中的牵引变电站相比，取消了整流过程，而是由作为供电单元的轨旁变电所引出直流母线，电流经两路输入开关、谐波治理装置、逆变器、输出开关到牵引电机的定子段的绕组两侧。换言之，每一定子段的绕组两端分别连接不同的逆变器，通过控制两个不同的逆变器输出的交流电流的相位差，在定子段的绕组中能够产生交变电流并形成行波磁场，实现电机推力控制。

图4示出现本发明第二方面的牵引供电系统的示意图，牵引供电系统用于向磁浮列车的具有n个牵引电机绕组段ls1，ls2……lsn的牵引电机供电，其中n为正整数。

磁浮列车牵引供电系统包括：供电单元ps，供电单元ps用于向直流母线dl输出电能。供电单元ps例如是现有磁浮供电中所采用的轨旁变电所，轨旁变电所通过变压器输出直流电压，在现有技术中通常用于向沿线通信基站、动力轨等供电。动力轨系统是向磁浮列车车载电网提供电能的供电设备之一。

磁浮列车牵引供电系统还包括n个牵引变电单元lc1，lc2……lcn，其中每一个牵引变电单元经由直流母线dl与供电单元ps连接，并将供电单元ps输出至直流母线dl的电能变换后供给至对应的牵引电机绕组段；例如第一个牵引变电单元lc1为牵引电机绕组段ls1供电，而第二个牵引变电单元lc2为牵引电机绕组段ls2供电，以此类推。换言之，本发明第二方面的牵引供电系统中，为每个定子段单独设定一牵引变电单元。n个牵引变电单元lc1，lc2……lcn整体上替代现有技术中的牵引变电所和定子开关柜的功能。相应地，对于对采用本发明第二方面的牵引供电系统的磁浮列车的运行控制系统，可以完全按照定子段划分运行分区，大大降低列车的追踪间隔，有助于提升运输能力。

上述多个牵引变电单元均为本发明第一方面的牵引变电单元，以第一个牵引变电单元ls1为例，包括：第一输入开关si1、第一逆变器i1和第一输出开关so1；以及第二输入开关si2、第二逆变器i2、第二输出开关so2；并且第一逆变器i1和第二逆变器i2分别经由第一输入开关si1和第二输入开关si2连接至直流母线dl，并且第一逆变器i1和第二逆变器i2分别经由第一输出开关so1和第二输出开关so2连接至牵引电机绕组段ls的第一供电端e1和第二供电端e2，并且第一供电端e1被供给的电流与第二供电端e2被供给的电流能够具有相位差，以使得牵引电机绕组段ls中产生交变电流。

优选地，第一输入开关si1经由第一谐波治理装置l1连接至第一逆变器i1；和/或第二输入开关si2经由第二谐波治理装置l2连接至第二逆变器i2。第一谐波治理装置l1和第二治理装置l2均可采用现有技术中广泛使用的谐波治理装置，例如滤波器、电抗器等。

在本发明第二方面的牵引供电系统中，采用直流母线贯通，集成了输入开关、谐波治理装置、小功率逆变器、输出开关的牵引变电单元分散布置在轨道旁，通过牵引变电单元控制逆变器输出的电势差，在定子段上形成电流回路，驱动直线电机。

这样取消现有技术中的整流步骤的牵引变电单元相较于现有技术中的牵引变电所中的变电单元结构更简单，且采用相较于现有技术而小型化的牵引变电单元分散供电，工程实施阶段可以实现快速批量生产该小型化的牵引变电单元。

这里基于的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。

同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。