专利名称：大功率牵引变流器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及变流器，特别涉及一种大功率牵引变流器。
背景技术：
传统的大功率牵引变流器由预充电电路、网侧4象限斩波器、中间直流回路和电机侧牵 引逆变器构成。来自牵引变压器的单相交流电通过预充电电路供给4象限斩波器，4象限斩波 器将单相交流电变换成直流电供给中间直流回路，电机侧牵弓I逆变器将直流电再变换为电压 和频率可调的三相交流电供给三相异步牵引电动机。中间直流回路连接有串联谐振电路和制 动斩波电路。
传统牵引变流器的中间回路过压保护是用制动斩波电路来实现的，当上述功能失效导致 过压继续升高到某一预定数值时，就失去了可靠的保护作用。同时，传统的牵引变流器中间 莨流[Hl路的谐振电容是不可变的。这使串联谐振电路的工作不能更加精确有效。
传统技术中，维持辅助供电系统的供电， 一般是通过主变压器辅助供电绕组来实现供电 的。这样，在当动车组通过接触网分相区时，就无法实现系统的不间断供电。
这些传统变流器存在的问题，使其在应用于动车组时受到很大的局限。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服上述缺陷，提供一种具有谐振精度高、过压保护更快更可靠和
可以向辅助供电系统进行不间断供电的大功率牵引变流器。
为达到上述目的，本实用新型大功率牵引变流器，包括牵引变流器、串联谐振电路、电
压限制电路和辅助供电电路，所述牵引变流器包括用于与外接牵引变压器相连的输入端子、
预充电电路、4象限斩波器、牵引逆变器和用于与外接牵引电动机相连的输出端子，所述牵
引变流器通过所述输入端子与外接牵引变压器相连，所述牵引逆变器通过所述输出端子与外
接牵引电动机相连，还包括串联谐振电路、电压限制电路和一牵引控制单元，所述输入端子、
预充电电路、4象限斩波器、串联谐振电路、电压限制电路、牵引逆变器和输出端子依次相
连；
所述串联谐振电路由可调的谐振电容和谐振电感构成，所述可调的谐振电容与谐振电感 串联后连接在所述4象限斩波器的输出端的直流环节上；
所述4象限斩波器的输出端设有辅助供电电路，所述辅助供电电路包括辅助供电变流器和辅助供电接触器，所述辅助供电变流器通过所述辅助供电接触器连接在所述4象限斩波器 的输出端上；
所述牵引控制单元设有电源模块、中央处理器和通过内部总线与所述中央处理器相连的 数字信号处理器、I/O模块、控制信号输入输出模块、通信模块，以及分别与车辆电气接口 相连、用于传输牵引系统工作状态参数的监控模块和模拟量检测与转换模块；
其中，所述数字信号处理器通过所述监控模块和模拟量检测与转换模块分别与车辆电气 接口相连，用于实时牵引控制和变流器控制；
所述控制信号输入输出模块与车辆电气接口相连，用于所述中央处理器与车辆电气接口 之间控制信号和状态信号的传输；
所述监控模块接于所述数字信号处理器与车辆电气接口之间，用于牵引变流器的状态检 测和保护；
所述模拟量检测与转换模块将来自车辆电气接口的电压、电流、温度、压力信号进行变 换，再传输到数字信号处理器，并通过所述I/0模块传输到所述中央处理器；
所述通信模块用于与列车通信，包括所述牵引控制单元与CCU、 BCU网络设备的通信；
所述电源模块连接至列车辅助供电系统，用于牵引控制单元的供电输出。本实用新型大 功率牵引变流器，其中所述4象限斩波器的输出端设有直流过压保护电路并联在直流环节上， 所述直流过压保护电路由短路晶闸管构成。
本实用新型大功率牵引变流器，其中所述4象限斩波器的输出端设有接地故障检测电路 并联在直流环节上，所述接地故障检测电路与所述牵引控制单元相连。
本实用新型大功率牵引变流器，其中所述4象限斩波器的输出端设有支撑电容并联在直 流环节上。
本实用新型大功率牵引变流器，其中所述4象限斩波器和所述牵引逆变器分别由高电压 IGBT功率半导体丌关器件和反并联功率二极管构成。
本实用新型大功率牵弓I变流器，其中所述电压限制电路由制动斩波器和限压电阻构成， 所述制动斩波器连接在所述4象限斩波器的输出端的直流环节上，所述限压电阻连接在所述 制动斩波器的输出端。
本实用新型提供的大功率牵引变流器，其有益的技术效果是与现有的变流器相比，采 用了可调的谐振电容，可以修正谐振的频率，使串联谐振电路的工作更加精确有效。除了具 有原有的过压保护功能外，还增加了短路晶闸管，当原有功能失效导致过压继续升高到某一 预定数值时触发短路晶闸管，从而迅速封锁牵引变流器，更快更可靠地起到保护作用。另外， 通过辅助供电接触器向辅助变流器供电，与已知通过主变压器辅助供电绕组供电的方案相比，其优点在于当动车组通过接触网分相区时，可以通过建立电压保持模式维持向辅助供电系统 进行不间断供电。
下面将结合实施例参照附图对本实用新型进行详细说明。
图1是本实用新型大功率牵引变流器的电路图； 图2是本实用新型大功率牵引变流器中牵引控制单元的方框图。
具体实施方式
参照图l，本实用新型大功率牵引变流器，包括牵引变流器2、串联谐振电路21、电压 限制电路22和辅助供电电路23。牵引变流器2包括输入端子20、预充电电路4、 4象限斩波 器5、直流过压保护电路8、接地故障检测电路9、支撑电容IO、牵引逆变器ll、输出端子 24和牵引控制单元15，牵引变压器1通过输入端子20与牵引变流器2相连，牵引逆变器11 通过输出端子24与外接牵引电动机3相连。4象限斩波器5和牵引逆变器11分别由高电压 IGBT功率半导体开关器件和反并联功率二极管构成。
牵引变流器2的直流侧设有串联谐振电路21、电压限制电路22和辅助供电电路23。输 入端子20、预充电电路4、 4象限斩波器5、串联谐振电路21、电压限制电路22、牵引逆变 器11和输出端子24依次相连。电压限制电路22由制动斩波器7和限压电阻14构成，制动 斩波器7连接在4象限斩波器5的输出端的直流环节上，限压电阻14连接在制动斩波器7的 输出端。4象限斩波器5的输出端设有直流过压保护电路8并联在直流环节上，直流过压保 护电路8由短路晶闸管构成。4象限斩波器5的输出端设有接地故障检测电路9并联在直流 环节上，接地故障检测电路9与牵引控制单元15相连。4象限斩波器5的输出端设有支撑电 容IO并联在直流环节上。串联谐振电路21由可调的谐振电容6和谐振电感12构成，可调 的谐振电容6与谐振电感12串联后连接在4象限斩波器5的输出端的直流环节上。
4象限斩波器5的输出端设有辅助供电电路23，辅助供电电路23包括辅助供电变流器 13和辅助供电接触器16，辅助供电变流器13通过辅助供电接触器16连接在4象限斩波器5 的输出端上。
参照图2，牵引控制单元15设有电源模块37、中央处理器30、数字信号处理器31、控 制信号输入输出模块33、模拟量检测与转换模块36、 I/O模块32、监控模块35和通信模块 34，牵引控制单元15根据来自车辆的牵引控制信号和状态信号实现对牵引变流器2的控制和保护。
中央处理器30通过内部总线分别与控制信号输入输出模块33、 I/O模块32、数字信号处理器31和通信模块34相连，执行牵引系统高级别的控制功能，如牵引/制动指令的处理。 数字信号处理器33通过监控模块35和模拟量检测与转换模块36与车辆电气接口相连，实现 所有实时牵引控制功能和变流器控制功能，以减轻中央处理器30的大部分数据处理任务。控 制信号输入输出模块33用于车辆电气接口与中央处理器30之间的控制信号和状态信号的传 输，监控模块35用于牵引变流器的状态检测和保护，模拟量检测与转换模块36将来自车辆 电气接U的电压、电流、温度、压力等信号进行变换，再传输到数字信号处理器31，同时通 过I/O模块32传输到中央处理器30,通信模块34用于与列车的通信，以实现牵引控制单元 15与其它网络设备如CCU、 BCU的通信，电源模块37连接至列车辅助供电系统，以实现牵 引控制单元15的供电输出。
如果通过将装有专用软件的服务笔记本电脑与牵引控制单元15进行连接，可以实现牵引 控制单元15的软件安装或更新升级，以及牵引变流器工作状态的检测和故障诊断。
下面对本实用新型大功率牵引变流器的工作过程做进一步说明。
来自牵引变压器1牵引绕组的2组单相交流电经过预充电电路4向4象限斩波器5供电。 预充屯电路的工作受牵引控制单元15的控制，以限制牵引变流器启动时中间直流回路的充电
电流过大。
4象限斩波器5与牵引逆变器11之间通过直流环节回路连接。两个由高电压IGBT功率 半导体开关器件和反并联功率二极管构成的4象限斩波器在牵引控制单元的控制下将来自牵 引变压器1的单相交流电变换为直流回路的直流电。
连接在直流环节的可调的谐振电容6与谐振电感12串联构成串联谐振电路21，以提高 网侧电路的功率因数。为了使串联谐振电路21的工作更加精确有效，将谐振电容设计为两部 分， 一部分是固定电容，另一部分是可以通过改变电容器接法从而改变总电容值的可变部分。 在调试时需要检测直流回路的纹波电压，当纹波电压超过某一预设数值时，通过改变电容器 接法修正谐振频率，从而提高谐振电路的工作精度。
由制动斩波器7和限压电阻(或制动电阻)14构成的直流回路电压限制电路(或电阻制 动电路)连接在直流回路，在牵引控制单元15的控制下实现过电压限制或电阻制动功能。
短路品闸管8并联在直流环节上，用于直流环节过压的快速保护。支撑电容IO并联在 直流环节上，起到稳压、储能和滤波的作用。
接地故障检测电路9连接在直流环节，当检测到接地故障时，牵引控制单元15封锁牵引 变流器的工作。在牵引控制单元15的控制下，由高电压IGBT功率半导体开关器件和反并联功率二极管 构成的牵引逆变器11将直流问路的直流电变换为电压和频率可变的三相交流电供给三相异 歩牵引电动机3。
由电源模块37、中央处理器30、数字信号处理器31、控制信号输入输出模块33、模拟 量检测与转换模块36、 I/O模块32、监控模块35和通信模块34等核心部件构成的牵引控制 单元15安装在牵引变流器的箱体内，牵引控制单元15根据来自车辆的控制指令和电压、电 流等状态参数，通过程序控制变流器的工作，并具有完善的故障诊断和保护功能。
在本实用新型的实施例中，大功率牵引变流器的辅助供电变流器13通过辅助供电接触器 16连接在直流环节上。优点在于当动车组通过分相区时，只要车速大于某一数值，通过自动 建立电压保持模式使牵引电动机工作于发电状态并向直流冋路供电，从而保证辅助供电系统 在动车组通过分相区时能够不停电持续工作。
牵引变流器2在牵引控制单元15的控制下可以实现再生制动功能。在再生制动工作状态 下，牵引电动机3工作在发电状态，来自牵引电动机3的交流电通过牵引逆变器11转化为直 流电供给直流回路，4象限斩波器5将直流回路电压转换为交流电通过牵引变压器1反馈回 接触网。
以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的 范围进行限定，在不脱离本实用新型涉及精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用 新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。
权利要求1. 一种大功率牵引变流器，包括牵引变流器(2)、串联谐振电路(21)、电压限制电路(22)和辅助供电电路(23)，所述牵引变流器(2)包括用于与外接牵引变压器(1)相连的输入端子(20)、预充电电路(4)、4象限斩波器(5)、牵引逆变器(11)和用于与外接牵引电动机(3)相连的输出端子(24)，所述牵引变流器(2)通过所述输入端子(20)与外接牵引变压器(1)相连，所述牵引逆变器(11)通过所述输出端子(24)与外接牵引电动机(3)相连，其特征在于还包括串联谐振电路(21)、电压限制电路(22)和一牵引控制单元(15)，所述输入端子(20)、预充电电路(4)、4象限斩波器(5)、串联谐振电路(21)、电压限制电路(22)、牵引逆变器(11)和输出端子(24)依次相连；所述串联谐振电路(21)由可调的谐振电容(6)和谐振电感(12)构成，所述可调的谐振电容(6)与谐振电感(12)串联后连接在所述4象限斩波器(5)的输出端的直流环节上；所述4象限斩波器(5)的输出端设有辅助供电电路(23)，所述辅助供电电路(23)包括辅助供电变流器(13)和辅助供电接触器(16)，所述辅助供电变流器(13)通过所述辅助供电接触器(16)连接在所述4象限斩波器(5)的输出端上；所述牵引控制单元(15)设有电源模块(37)、中央处理器(30)和通过内部总线与所述中央处理器(30)相连的数字信号处理器(31)、I/O模块(32)、控制信号输入输出模块(33)、通信模块(34)，以及分别与车辆电气接口相连、用于传输牵引系统工作状态参数的监控模块(35)和模拟量检测与转换模块(36)，其中，所述数字信号处理器(31)通过所述监控模块(35)和模拟量检测与转换模块(36)分别与车辆电气接口相连，用于实时牵引控制和变流器控制；所述控制信号输入输出模块(33)与车辆电气接口相连，用于所述中央处理器(30)与车辆电气接口之间控制信号和状态信号的传输；所述监控模块(35)接于所述数字信号处理器(31)与车辆电气接口之间，用于牵引变流器的状态检测和保护；所述模拟量检测与转换模块(36)将来自车辆电气接口的电压、电流、温度、压力信号进行变换，再传输到数字信号处理器(31)，并通过所述I/O模块(32)传输到所述中央处理器(30)；所述通信模块(34)用于与列车通信，包括所述牵引控制单元(15)与CCU、BCU网络设备的通信；所述电源模块(37)连接至列车辅助供电系统，用于牵引控制单元(15)的供电输出。
2. 根据权利要求1所述的大功率牵引变流器，其中所述4象限斩波器(5)的输出端设有 直流过压保护电路(8)并联在直流环节上，所述直流过压保护电路(8)由短路晶闸管构成。
3. 根据权利要求1或2所述的大功率牵引变流器，其中所述4象限斩波器(5)的输出端 设有接地故障检测电路(9)并联在直流环节上，所述接地故障检测电路(9)与所述牵引控制单元 (15)相连。
4. 根据权利要求3所述的大功率牵引变流器，其中所述4象限斩波器(5)的输出端设有 支撑电容(10)并联在直流环节上。
5. 根据权利要求4所述的大功率牵引变流器，其中所述4象限斩波器(5)和所述牵引逆 变器(ll)分别由高电压IGBT功率半导体开关器件和反并联功率二极管构成。
6. 根据权利要求5所述的大功率牵引变流器，其中所述电压限制电路(22)由制动斩波器 (7)和限压电阻(14)构成，所述制动斩波器(7)连接在所述4象限斩波器(5)的输出端的直流环节 上，所述限压电阻(14)连接在所述制动斩波器(7)的输出端。
专利摘要本实用新型大功率牵引变流器，包括预充电电路、4象限斩波器和牵引逆变器，以及串联谐振电路、电压限制电路、牵引控制单元和辅助供电电路，输入端子、预充电电路、4象限斩波器、串联谐振电路、电压限制电路、牵引逆变器和输出端子依次相连。串联谐振电路由可调的谐振电容和谐振电感构成。牵引控制单元设有电源模块、中央处理器、数字信号处理器、控制信号输入输出模块、模拟量检测与转换模块、I/O模块、监控模块和通信模块。本实用新型大功率牵引变流器有益的技术效果是由于采用了可调的谐振电容，使串联谐振电路的工作更加精确有效。辅助供电电路在动车组通过接触网分相区时，可以维持向辅助供电系统进行不间断供电。
文档编号H02M5/458GK201252488SQ200820110038
公开日2009年6月3日 申请日期2008年8月14日 优先权日2008年8月14日
发明者孙帮成, 红 李, 杜会谦, 陆啸秋 申请人:铁道部运输局;唐山轨道客车有限责任公司;中国铁道科学研究院