轨道交通迷流模拟系统的制作方法

文档序号:14608156发布日期:2018-06-05 20:13阅读:292来源:国知局
轨道交通迷流模拟系统的制作方法

本发明涉及电气化轨道交通和电力电子变流器技术领域,具体说是一种轨道交通迷流模拟系统。



背景技术:

世界各国电气化城市轨道交通(包括地铁和轻轨等)系统,均广泛采用直流供电方式,走行轨不仅用于列车运行,还作为回流线使用。因为走行轨与道床之间不可能完全绝缘,所以一部分牵引电流会通过走行轨泄露进入道床,泄漏电流经过道床整体结构钢筋、隧道结构钢筋以及地下埋设金属管线等介质重新流入走行轨,这部分电流称为迷流,又称作杂散电流。迷流会对走行轨、道床整体结构钢筋、隧道结构钢筋以及地下埋设金属管线造成电化学腐蚀,进而影响城轨交通系统周围基础设施的使用寿命和使用安全。

轨道交通迷流模拟系统相比于迷流实地测量具有还原度高、价格低廉以及安全可靠的特点,成为杂散迷流研究的重要工具和手段。传统轨道交通迷流模拟系统由多个不同的电力电子变流器组成,不同的电力电子变流器分别对应走行轨纵向电阻以及走行轨对地电阻。通过改变列车左右两侧电力电子变流器的等效输出电阻,模拟列车在整个供电区间上运行,进而完成列车运行时的迷流测量。但传统轨道交通迷流模拟系统因为自身设计的缺陷,存在以下几个技术问题:

(1)采用的电力电子变流器只能使列车电流从变流器的一侧流入,当牵引电流方向改变时,变流器将不能工作。因为列车在不同工况下运行时,牵引电流的方向不同,所以传统轨道交通迷流模拟系统只能模拟列车单一运行工况下的迷流,不能模拟列车多工况运行下的迷流。

(2)采用的走行轨对地电阻随列车运行位置的改变,电阻值同时发生变化,迷流测量点随列车运行位置的改变而改变。这与迷流实地测量时测量点位置相对固定不符。

(3)牵引变电所负极接地方式单一,只考虑了二极管接地这一种情形,不能模拟牵引变电所负极直接接地、不接地以及双向接地方式下的迷流。



技术实现要素:

针对现有的技术问题,本发明的目的在于提供一种轨道交通迷流模拟系统,改变电力电子变流器的拓扑结构,使列车电流能够从变流器两侧流入,完成列车多工况运行下的迷流模拟,具体技术方案如下:

一种轨道交通迷流模拟系统,包括电流源1、第一电压源2、第二电压源3、第一双向调压控阻模块4、第二双向调压控阻模块5、至少1个区间选择模块6、区间选择末端模块7、第一接地模块8和第二接地模块9;

所述电流源1为电流幅值和方向可变的交流电流源,所述电流源 1的电流幅值由列车运行加速度、牵引变电所电压、列车重量以及轮轨摩擦力决定;电流源1的电流方向由列车运行工况决定;所述电流源1用于模拟列车电流;

所述第一电压源2的正极端21与电流源1的负极端11连接,第一电压源2的负极端22与第一接地模块8的端子81连接,所述第一电压源2用于模拟供电区间左侧牵引变电所;

所述第二电压源3的正极端31与电流源1的负极端11连接,第二电压源3的负极端32与第二接地模块9的端子91连接,所述第二电压源3用于模拟供电区间右侧牵引变电所;

所述第一电压源2和第二电压源3均为直流电压源,所述直流电压源的电压幅值由模拟轨道交通系统的牵引变电所电压决定;

所述第一双向调压控阻模块4的第二端子42和第二双向调压控阻模块5的第一端子51连接后,再连接至电流源1的正极端12;第一双向调压控阻模块4的第一端子41与区间选择模块6的第一端子61连接,并和区间选择末端模块7的第一端子71连接,第二双向调压控阻模块5的第二端子52与区间选择模块6的第二端子62连接,并和区间选择末端模块7的第二端子72连接,所述第一双向调压控阻模块4和第二双向调压控阻模块5用于模拟输出的可变等效电阻,借以改变电流源1在区间选择模块6与区间选择末端模块7中的位置;

所述区间选择模块6的第三端子63与第一电压源2的负极端22 连接,所述区间选择模块6的第四端子64与区间选择末端模块7的第三端子73连接,区间选择末端模块7的第四端子74与第二电压源 3的负极端32连接;

所述第一接地模块8,用于模拟供电区间左侧牵引变电所的接地方式;

所述第二接地模块9,用于模拟供电区间右侧牵引变电所的接地方式。

在上述技术方案的基础上,所述第一双向调压控阻模块4和第二双向调压控阻模块5均包括第一输入电源V1、第二输入电源V2、第一防反向二极管D1、第二防反向二极管D2、第一开关管S1、第二开关管S2、第一续流二极管D3、第二续流二极管D4、电感L、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、第一电阻R1和第二电阻R2

所述第一输入电源V1的正极端与第一防反向二极管D1的阳极端连接,第一防反向二极管D1的阴极端与第一开关管S1的阳极端连接,电感L的一端与第一开关管S1的阴极端、第一续流二极管D3的阴极端、第二开关管S2的阴极端和第二续流二极管D4的阴极端连接;电感L的另一端与第一滤波电容C1的一端、第一电阻R1的一端、第二滤波电容C2的一端和第二电阻R2的一端连接;第一续流二极管D3的阳极端与第一输入电源V1的负极端、第一滤波电容C1的另一端、第一电阻负载R1的另一端和第一双向调压控阻模块的第一端子41或第二双向调压控阻模块的第一端子51连接;第二输入电源V2的正极端与第二防反向二极管D2的阳极端连接,第二防反向二极管D2的阴极端与第二开关管S2的阳极端连接,第二续流二极管D4的阳极端与第二输入电源V2的负极端、第二滤波电容C2的另一端、第二电阻 R2的另一端和第一双向调压控阻模块的第二端子42或第二双向调压控阻模块的第二端子52连接。

在上述技术方案的基础上,所述第一双向调压控阻模块4和第二双向调压控阻模块5的第一开关管S1和第二开关管S2是半导体功率开关IGBT、MOSFET或IGCT中的任意一种。

在上述技术方案的基础上,所述区间选择模块6包括第一开关 S61、第二开关S62、第三开关S63、走行轨纵向电阻R61和走行轨对地电阻R62

所述区间选择模块6的第一端子61与第一开关S61的一端连接,区间选择模块6的第三端子63与第一开关S61的另一端、走行轨纵向电阻R61的一端连接,走行轨纵向电阻R61的另一端与第三开关S63的一端连接,第三开关S63的另一端与第二开关S62的一端、走行轨对地电阻R62的一端、区间选择模块6的第四端子64连接,走行轨对地电阻R62的另一端接地,第二开关S62的另一端与区间选择模块6 的第二端子62连接;

所述第一开关S61、第二开关S62、第三开关S63均为双向开关。

在上述技术方案的基础上,所述区间选择末端模块7包括第一开关S71、第二开关S72、第三开关S73和走行轨纵向电阻R71

所述区间选择末端模块7的第一端子71与第一开关S71的一端连接,区间选择末端模块7的第三端子73与第一开关S71的另一端、走行轨纵向电阻R71的一端连接,走行轨纵向电阻R71的另一端与第三开关S73的一端连接,第三开关S73的另一端与第二开关S72的一端、区间选择末端模块的第四端子74连接,第二开关S72的另一端与区间选择末端模块的第二端子72连接;

所述区间选择末端模块7的第一开关S71、第二开关S72、第三开关S73均为双向开关。

在上述技术方案的基础上,所述双向开关为2个串联的二极管与 2个串联的二极管并联后再与1个半导体功率开关并联而成,

或2个半导体功率开关串联而成,

或为1个逆阻型IGBT;

所述半导体功率开关为IGBT、MOSFET或IGCT。

在上述技术方案的基础上,所述区间选择模块6的数量由迷流测试点数量、走行轨长度以及列车负荷决定;多个区间选择模块6通过各自的第三端子和第四端子依次串联在第1个区间选择模块6的第四端子64与区间选择末端模块7的第三端子73之间,通过各自的第一端子与第一双向调压控阻模块4的第一端子41连接,通过各自的第二端子与第二双向调压控阻模块5的第二端子52连接。

在上述技术方案的基础上,所述第一双向调压控阻模块4的等效输出电阻Req1和第二双向调压控阻模块5的等效输出电阻Req2始终满足:Req1+Req2=R61=R71

在上述技术方案的基础上,所述第一接地模块8和第二接地模块 9包括二极管接地、直接接地、不接地和双向接地多种接地形式,接地形式由模拟轨道交通系统的牵引变电所接地方式决定。

本发明的有益效果:

(1)采用一种新型的电力电子变流器的拓扑结构,列车电流从电力电子变流器两侧流入时均能正常工作,实现列车多种运行工况下的轨道交通迷流模拟。

(2)采用多区间迷流模拟系统,在每一区间内走行轨纵向电阻值一致,走行轨对地电阻值不随列车运行位置改变而发生变换,使得轨道交通迷流模拟系统与迷流实地测量测试点位置固定相吻合。

(3)采用牵引变电所负极接地模块,为迷流模拟系统提供牵引变电所负极二极管接地、直接接地、不接地以及双向接地的不同接地方式,更加全面地模拟整个轨道交通迷流系统情况。

附图说明

本发明有如下附图:

图1是本发明所述轨道交通迷流模拟系统单区间选择模块结构示意图;

图2是本发明所述双向调压控阻模块的结构示意图;

图3是本发明所述区间选择模块的结构示意图;

图4是本发明所述区间选择末端模块的结构示意图;

图5a-5d是本发明所述接地模块的结构示意图;

图6是本发明所述轨道交通迷流模拟系统单区间选择模块的一个优选实施例的电路原理示意图;

图7a是本发明电流源位于区间选择模块一个实施例的示意图;

图7b是本发明电流源位于区间选择末端模块一个实施例的示意图;

图8a是本发明电流源位于区间选择模块另一个实施例的示意图;

图8b是本发明电流源位于区间选择末端模块另一个实施例的示意图;

图9是本发明所述双向调压控阻模块中开关管的示意图;

图10a-10c是本发明所述区间选择模块和区间选择末端模块中双向开关的示意图;

图11是本发明所述轨道交通迷流模拟系统多区间选择模块结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明,下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行更详细的说明。应该强调的是,下述说明仅仅是示例性的,而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图1所示为轨道交通迷流模拟系统单区间选择模块结构示意图,是轨道交通迷流模拟系统的最简形式,包括:电流源1;第一电压源2和第二电压源3;第一双向调压控阻模块4和第二双向调压控阻模块5;区间选择模块6和区间选择末端模块7;第一接地模块8 和第二接地模块9。

在轨道交通迷流系统中,列车左右两侧的走行轨纵向电阻值与列车距离两侧牵引变电所的距离成正比,列车距离牵引变电所越远,走行轨纵向电阻值越大。通过控制列车两侧的走行轨纵向电阻值就能模拟列车位于供电区间内的任何位置,并得到列车在此位置下的迷流分布;通过一定规律连续控制列车两侧的走行轨纵向电阻值就能模拟列车以某种运行工况、运动方向、运行速度以及运行加速度在供电区间内运行,并得到列车动态运行下的迷流分布。

基于以上思想,本发明所述轨道交通迷流模拟系统,通过至少1 个区间选择模块6和区间选择末端模块7将整个供电区间平均分成若干个小区间,再通过电流源1两侧的第一双向调压控阻模块4和第二双向调压控阻模块5改变电流源1在每一个小区间内左右两侧的电阻值,控制电流源1位于两侧第一电压源2与第二电压源3之间的任意距离,最终实现模拟列车以某种运行工况、运动方向、运行速度以及运行加速度在供电区间内运行,得到列车动态运行下的迷流分布。

如图2所示为双向调压控阻模块结构示意图,双向调压控阻模块采用左右对称的电路拓扑结构,使得电流源1的电流不论从第一端子 41/51还是第二端子42/52流入,均有同侧的电路结构工作,并在同侧的电阻上会产生一个受同侧开关管触发脉冲占空比D控制的反向电压,该反向电压被用来抵消在另一侧电阻上产生的正向电压,以此在流入电流值一定的情况下改变双向调压控阻模块的输出电压,进一步达到改变等效输出电阻的目的。因此通过控制电流流入侧开关管触发脉冲占空比D的大小就能控制双向调压控阻模块的等效输出电阻大小。具体来说:

当电流源1的电流从双向调压控阻模块的第一端子41/51流入时,左侧电路结构工作,即开关管S1工作,开关管S2关断,同侧电阻R1两端产生幅值为D1V1的反向电压,另一侧电阻R2两端产生幅值为IR2的正向电压,双向调压控阻模块的等效输出电阻为:Req= (IR2-D1V1)/I,反向电压D1V1用来抵消正向电压IR2,在流入电流源1 的电流I一定的情况下,等效输出电阻受开关管S1的触发脉冲占空比 D1控制,D1的值越大,等效输出电阻值越小。

当电流源1的电流从双向调压控阻模块的第二端子42/52流入时,右侧电路结构工作,即开关管S2工作,开关管S1关断,同侧电阻R2两端产生幅值为D2V2的反向电压,另一侧电阻R1两端产生幅值为IR1的正向电压,双向调压控阻模块的等效输出电阻为:Req= (IR1-D2V2)/I,反向电压D2V2用来抵消正向电压IR1,在流入电流源1 的电流I一定的情况下,等效输出电阻受开关管S2的触发脉冲占空比 D2控制,D2的值越大,等效输出电阻值越小。

如图3所示为区间选择模块的结构示意图,通过在轨道交通迷流模拟系统中设置区间选择模块,一个供电区间被平均分成了若干个小区间,因为是平均分割,所以每一个小区间内的走行轨对地电阻值相等且固定,不会随着列车位置的改变而发生变化,因此迷流测试点的位置得到固定。同时,因为一个供电区间内走行轨对地电阻的数量要比平均切分的小区间数量少一个,所以将最后一个小区间中的走行轨对地电阻去掉,也就是将最后一个区间选择模块中的走行轨对地电阻去掉,于是区间选择模块变成了图4所示的区间选择末端模块。区间选择末端模块只比区间选择模块少一个走行轨对地电阻,其余结构一致。

当所述第一双向调压控阻模块4的等效输出电阻Req1值逐渐增加,第二双向调压控阻模块5的等效输出电阻Req2值逐渐减小时,模拟电流源1在区间选择模块6与区间选择末端模块7之间从左至右运行;

当控制第一双向调压控阻模块4的等效输出电阻Req1值的增加速率和第二双向调压控阻模块5的等效输出电阻Req2值的减小速率时,模拟电流源1在区间选择模块6与区间选择末端模块7之间从左至右运行的加速度和速度;

当所述第一双向调压控阻模块4的等效输出电阻Req1值逐渐减小,第二双向调压控阻模块5的等效输出电阻Req2值逐渐增加,模拟电流源1在区间选择模块6与区间选择末端模块7之间从右至左运行;

当控制第一双向调压控阻模块4的等效输出电阻Req1值的减小速率和第二双向调压控阻模块5的等效输出电阻Req2值的增加速率,模拟电流源1在区间选择模块6与区间选择末端模块7之间从右至左运行的加速度和速度;

当所述区间选择模块6中第一双向调压控阻模块4的等效输出电阻Req1值逐渐增加,第二双向调压控阻模块5的等效输出电阻Req2值逐渐减小,在区间选择末端模块7中,第一双向调压控阻模块4的等效输出电阻Req1值逐渐增加,第二双向调压控阻模块5的等效输出电阻Req2值逐渐减小时,模拟电流源1在第一电压源2和第二电压源3 之间从左至右运行;

当所述区间选择末端模块7中第一双向调压控阻模块4的等效输出电阻Req1值逐渐减小,第二双向调压控阻模块5的等效输出电阻 Req2值逐渐增加,在区间选择模块6中,第一双向调压控阻模块4的等效输出电阻Req1值逐渐减小,第二双向调压控阻模块5的等效输出电阻Req2值逐渐增加时,模拟电流源1在第一电压源2和第二电压源 3之间从右至左运行。

图5a-5d为接地模块的示意图,如图5a-5d所示,接地情况有四种形式,分别为:二极管接地,直接接地,不接地和双向接地,这四种接地方式分别封装成独立的模块,在模拟具体一种牵引变电所负极接地方式下的迷流分布时,只要将对应的模块连接入轨道交通迷流模拟系统即可。

如图6所示为轨道交通迷流模拟系统单区间选择模块的一个优选实施例的电路原理示意图,因为采用了交流电流源和双向调压控阻模块,并且区间选择模块6和区间选择末端模块7中均使用双向开关,所以轨道交通迷流模拟系统可以模拟列车运行不同工况下的迷流分布。

图7a所示为本发明电流源位于区间选择模块一个实施例的示意图,图中略去了不参与工作的电子器件,此时电流源1的电流方向为正,列车处于牵引工况或惰行工况。交流电流源的电流从第一双向调压控阻模块4的第二端口42和第二双向调压控阻模块5的第一端口51流入,第一双向调压控阻模块4的第二开关管S42工作,第一开关管S41关断,第二双向调压控阻模块5的第一开关管S51工作,第二开关管S52关断。区间选择模块6的第一开关S61和第二开关S62导通,第三开关S63关断,第一双向调压控阻模块4和第二双向调压控阻模块5接入区间选择模块6,第一双向调压控阻模块4的等效输出电阻Req1和第二双向调压控阻模块5的等效输出电阻Req2代替走行轨纵向电阻R61接入轨道交通迷流模拟系统。区间选择末端模块7的第一开关S71和第二开关S72关断,第三开关S73导通,第一双向调压控阻模块4和第二双向调压控阻模块5从区间选择末端模块7中切除,走行轨纵向电阻R71接入系统。

通过控制开关管S42和开关管S51的占空比就可以使电流源1处在区间选择模块6中的任一位置,再通过在系统中加设的电流测量装置和电压测量装置,即可获得牵引工况或惰行工况下区间选择模块6 中列车位于任一位置处的迷流量。

图7b所示为本发明电流源1位于区间选择末端模块一个实施例的示意图,图中略去了不参与工作的电子器件,此时电流源1的电流方向为正,列车处于牵引工况或惰行工况。交流电流源的电流从第一双向调压控阻模块4的第二端口42和第二双向调压控阻模块5 的第一端口51流入,第一双向调压控阻模块4的第二开关管S42工作,第一开关管S41关断,第二双向调压控阻模块5的第一开关管S51工作,第二开关管S52关断。区间选择模块6的第一开关S61和第二开关S62关断,第三开关S63导通,第一双向调压控阻模块4和第二双向调压控阻模块5从区间选择模块6中切除,走行轨纵向电阻R61接入系统。区间选择末端模块7的第一开关S71和第二开关S72导通,第三开关S73关断,第一双向调压控阻模块4和第二双向调压控阻模块5接入区间选择末端模块7,第一双向调压控阻模块4的等效输出电阻Req1和第二双向调压控阻模块5的等效输出电阻Req2代替走行轨纵向电阻R71接入轨道交通迷流模拟系统。

通过控制开关管S42和开关管S51的占空比就可以使电流源1处在区间选择末端模块7中的任一位置,再通过在系统中加设的电流测量装置和电压测量装置,即可获得牵引工况或惰行工况下区间选择末端模块7中列车位于任一位置处的迷流量。

通过图7a和图7b,即可获得牵引工况或惰行工况下供电区间中电流源1位于任一位置处的迷流量。

图8a所示为本发明电流源1位于区间选择模块另一个实施例的示意图,图中略去了不参与工作的电子器件,此时电流源1的电流方向为负,列车处于制动工况。交流电流源的电流从第一双向调压控阻模块4的第一端口41和第二双向调压控阻模块5的第二端口52 流入,第一双向调压控阻模块4的第二开关管S42关断,第一开关管 S41工作,第二双向调压控阻模块5的第一开关管S51关断,第二开关管S52工作。区间选择模块6的第一开关S61和第二开关S62导通,第三开关S63关断,第一双向调压控阻模块4和第二双向调压控阻模块 5接入区间选择模块6,第一双向调压控阻模块4的等效输出电阻Req1和第二双向调压控阻模块5的等效输出电阻Req2代替走行轨纵向电阻 R61接入轨道交通迷流模拟系统。区间选择末端模块7的第一开关S71和第二开关S72关断,第三开关S73导通,第一双向调压控阻模块4 和第二双向调压控阻模块5从区间选择末端模块7中切除,走行轨纵向电阻R71接入系统。

通过控制开关管S41和开关管S52的占空比就可以使电流源1处在区间选择模块6中的任一位置,再通过在系统中加设的电流测量装置和电压测量装置,即可获得制动工况下区间选择模块6中列车位于任一位置处的迷流量。

图8b所示为本发明电流源1位于区间选择末端模块另一个实施例的示意图,图中略去了不参与工作的电子器件,此时电流源1 的电流方向为负,列车处于制动工况。电流源1的电流从第一双向调压控阻模块4的第一端口41和第二双向调压控阻模块5的第二端口 52流入,第一双向调压控阻模块4的第二开关管S42关断,第一开关管S41工作,第二双向调压控阻模块5的第一开关管S51关断,第二开关管S52工作。区间选择模块6的第一开关S61和第二开关S62关断,第三开关S63导通,第一双向调压控阻模块4和第二双向调压控阻模块5从区间选择模块6中切除,走行轨纵向电阻R61接入系统。区间选择末端模块7的第一开关S71和第二开关S72导通,第三开关S73关断,第一双向调压控阻模块4和第二双向调压控阻模块5接入区间选择末端模块7,第一双向调压控阻模块4的等效输出电阻Req1和第二双向调压控阻模块5的等效输出电阻Req2代替走行轨纵向电阻R71接入轨道交通迷流模拟系统。

通过控制开关管S41和开关管S52的占空比就可以使电流源1处在区间选择末端模块7中的任一位置,再通过在系统中加设的电流测量装置和电压测量装置,即可获得制动工况下区间选择末端模块7中列车位于任一位置处的迷流量。

通过图8a和图8b,即可获得制动工况下供电区间中电流源1位于任一位置处的迷流量。

如图9所示开关管为双向调压控阻模块4的第一开关管S41、第二开关管S42、双向调压控阻模块5的第一开关管S51和第二开关管 S52的3种实现方式,分别为半导体功率开关IGBT、MOSFET或IGCT。

如图10a,图10b和图10c所示双向开关为区间选择模块6的第一开关S61、第二开关S62、第三开关S63和区间选择末端模块7的第一开关S71、第二开关S72、第三开关S73的3种实现方式,以保证系统在模拟列车电流正向流动和反向流动时均能正常工作。

如图10a所示,双向开关由1个半导体功率开关IGBT、 MOSFET或IGCT和4个二极管组合而成。

图10b所示,双向开关由2个半导体功率开关IGBT、MOSFET 或IGCT串联组合而成。

图10c所示,双向开关为1个逆阻型IGBT。

区间选择模块的数量由迷流测试点数量、走行轨长度以及列车负荷等因素决定,所述系统至少需要1个区间选择模块,可根据实际需求在区间选择模块6和区间选择末端模块7之间增加区间选择模块。

如图11所示为轨道交通迷流模拟系统多区间选择模块结构示意图,增加区间选择模块数量为N,分别为区间选择模块6-1、区间选择模块6-2,……,区间选择模块6-N,新增区间选择模块的连接方式为:区间选择模块6-1的第一端子6-11、区间选择模块6-2的第一端子6-21,……,区间选择模块6-N的第一端子6-N1与第一双向调压控阻模块4的第一端子41连接,区间选择模块6-1的第二端子6-12、区间选择模块6-2的第二端子6-22,……,区间选择模块6-N的第二端子6-N2与第二双向调压控阻模块5的第二端子52连接,区间选择模块的第三端子(6-13、6-23……6-N3)和第四端子(6-14、6-24…… 6-N4)依次首尾顺序连接,增加区间选择模块数量后的系统工作方式与所述轨道交通迷流模拟系统单区间一致。

以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

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