专利名称：一种磁悬浮列车用大功率充电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁悬浮列车供电技术领域，特别涉及一种磁悬浮列车用大功率充电机。
背景技术：
目前国内的低速磁悬浮列车的电源系统为DC1500V-DC330V，需要的充电机需要大功率，例如高达60kW。目前，大功率充电机通常是由斩波电路构成的，即直接将输入的高压直流电压斩波为所需要的直流电压。这种斩波直流电源的缺点是输入和输出之间没有经过电气隔离，对高压直流电压直接变换为另一种电压等级的直流电压，而磁悬浮列车电源要求严格电气隔离，以保证乘客和工作人员的安全。磁悬浮列车用的充电机需要装载在列车上，与列车一起运行，因此，对充电机的重量、体积及负载特性均有苛刻的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种磁悬浮列车用大功率充电机，安全可靠，而且体积较小、重量比较轻，能够满足车载电源的要求。本发明实施例提供一种磁悬浮列车用大功率充电机，包括输入滤波电路、逆变电路、隔离变压器、整流电路、输出滤波电路和控制电路；所述输入滤波电路的输入端连接高压直流电源，用于对高压直流电源进行滤波， 输出端连接所述逆变电路的输入端；所述逆变电路包括至少两个逆变模块，所有的逆变模块串联在一起将高压直流电源逆变为交流电源；所述隔离变压器包括至少两个变压器，用于对交流电源进行降压和电气隔离，每个变压器分别对应一个逆变模块，每个变压器的每个次级绕组连接一个整流电路；每个变压器包括至少一个次级绕组；每个所述整流电路用于将每个变压器输出的交流电源整流为直流电源，每个所述整流电路的输出端并联在一起；所述整流电路的输出端连接输出滤波电路，用于对整流电路输出的直流电源进行滤波；控制电路，用于控制逆变模块中的开关器件的开关状态。优选地，所述每个变压器包括两个次级绕组，每个次级绕组的输出端连接一个整流电路。优选地，所述整流电路为由不可控二极管构成的全桥整流电路。优选地，所述逆变电路为全桥逆变电路或半桥逆变电路。优选地，所述逆变电路中的开关器件为MOSFET模块、IGBT模块或智能功率模块 IPM。
优选地，还包括连接在所述每个变压器的初级绕组两端的第一抗干扰电路；所述第一抗干扰电路包括串联的电阻和电容。优选地，还包括连接在每个变压器的每个次级绕组两端的第二抗干扰电路；所述第二抗干扰电路包括串联的电阻和电容。优选地，还包括软启动电路； 所述软启动电路包括第一电阻、防反二极管和接触器；所述第一电阻和防反二极管串联后并联在接触器的两端；所述接触器串联在输入滤波电路中的电感和电容之间；充电机启动过程中，所述接触器断开，启动完毕后，所述接触器闭合。优选地，还包括电压互感器，用于测量逆变电路的输入电压和整流电路的输出电压，将测量的电压发送给控制电路，控制电路根据测量的电压控制输出的PWM波，所述PWM 波用于驱动逆变电路中开关器件的开关状态。优选地，所述整流电路的输出端并联稳压电阻。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明提供的磁悬浮列车用大功率充电机，采用直流_交流_直流的供电模式，其中采用隔离变压器将高压和低压进行电气隔离，保证乘客和工作人员的安全，并且这样可以避免高压和低压之间的电气干扰。由于隔离变压器是一个高频器件，因此对低频信号的抗干扰能力较强，这样输出滤波电路中的电感可以做的比较小，从而降低整个充电机的体积和重量，以满足磁悬浮列车对车载电源的要求。
图1是本发明提供的磁悬浮列车用大功率充电机的结构图；图2是本发明提供的输入滤波电路和软启动电路的电路图；图3是本发明提供的逆变电路和隔离变压器的示意图；图4是本发明提供的整流电路的电路图；图5是本发明提供的磁悬浮列车用大功率充电机的电路图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。参见图1，该图为本发明提供的磁悬浮列车用大功率充电机的结构图。本发明实施例提供的磁悬浮列车用大功率充电机，包括输入滤波电路100、逆变电路200、隔离变压器300、整流电路400、输出滤波电路500和控制电路600 ；所述输入滤波电路100的输入端连接高压直流电源，用于对高压直流电源进行滤波，输出端连接所述逆变电路200的输入端；所述逆变电路200包括至少两个逆变模块，所有的逆变模块串联在一起将高压直流电源逆变为交流电源；由于磁悬浮列车中的输入电压为DC1500V，因此为了降低逆变电路200中开关器件的电压应力，采用了两个串联的逆变模块，将1500V平均分为两半，每个逆变模块的输入电压为750V。两个逆变模块的电路结构和器件参数完全相同，各传输一半的功率。所述隔离变压器300包括两个变压器，用于对交流电源进行降压和电气隔离，每个变压器分别对应一个逆变模块，每个变压器的每个次级绕组连接一个整流电路400 ；每个变压器包括至少一个次级绕组；为了降低整流电路400中整流器件承受的电压应力，变压器的次级绕组可以采用多个。 每个所述整流电路400用于将每个变压器输出的交流电源整流为直流电源，每个所述整流电路400的输出端并联在一起；所述整流电路400的输出端连接输出滤波电路500，用于对整流电路400输出的直流电源进行滤波；控制电路600，用于控制逆变电路200中逆变模块的开关器件的开关状态。本发明提供的磁悬浮列车用大功率充电机，采用直流_交流_直流的供电模式，其中采用隔离变压器将高压和低压进行电气隔离，可以保证乘客和工作人员的安全，而且这样可以避免高压和低压之间的电气干扰。由于隔离变压器是一个高频器件，因此对低频信号的抗干扰能力较强，这样输出滤波电路中的电感就可以做的较小，从而降低整个充电机的体积和重量，以满足磁悬浮列车对车载电源的要求。下面结合附图介绍本发明提供的充电机中的各个组成部分的实现方式。参见图2，该图为本发明提供的输入滤波电路和软启动电路的电路图。本实施例提供的输入滤波电路包括输入EMI滤波器Z1、第一电感Li、第一滤波电容Cl ；第一电感Ll串联在主回路中，第一滤波电容Cl并联在逆变电路的输入端；所述软启动电路包括第一电阻R1、防反二极管VDl和接触器KMl ；所述第一电阻Rl和防反二极管VDl串联后并联在接触器KMl的两端；所述接触器 KMl串联在输入滤波电路中的第一电感Ll和第一滤波电容Cl之间；充电机启动过程中，控制电路控制所述接触器KMl断开，输入的高压直流电源通过Rl和VDl为Cl进行充电，这样可以减小充电过程中的冲击电流。当控制电路检测到充电完成即启动完毕后，控制所述接触器KMl闭合，进而将Rl和VDl短路。VDl用于防止高压直流电源的极性接反从而导致Cl承受反向电压而损坏。压敏电阻RV并联在输入的高压直流电源两端，用于吸收电压突变产生的特高电压，并在高压直流电源的正负线之间起保护输入电路的作用。电压传感器(SVl和SV2)用于检测逆变电路的输入电压。由于本申请中的逆变电路 采用了两个逆变模块，因此每个逆变模块对应一个电压传感器，其中第一电压传感器SVi 用于检测第一个逆变模块的输入端的电压，第二电压传感器SV2用于检测第二个逆变模块的输入端的电压。参见图3，该图为本发明提供的逆变电路和隔离变压器的示意图。本实施例中的逆变电路优选包括两个逆变模块，分别是第一逆变模块和第二逆变模块。两个逆变模块的电路结构和器件参数均相同。可以理解的是，两个逆变模块平分输入的高压直流电源，每个逆变模块传输一半的功率。当然，为了降低逆变电路中开关器件的电压应力，可以考虑添加逆变模块，这样每个逆变模块分到的高压直流电源的电压等级将下降，传输的功率将减小。本实施例中优选采用半桥逆变电路，因为半桥逆变电路中的器件较少，控制比较简单。可以理解的是，也可以采用全桥逆变电路。第一逆变模块包括第二电容C2、第六电容C6、第四电阻R4、第五电阻R5、第一开关管VTl和第二开关管VT2 ；C2和C6串联后与串联的VTl和VT2并联，R4并联在C2的两端，R5并联在C6的两端。第二逆变模块包括第十电容C10、第十四电容C14、第六电阻R6、第七电阻R7、第三开关管VT3和第四开关管VT4;ClO和C14串联后与串联的VT3和VT4并联，R6并联在ClO的两端，R7并联在C14 的两端。需要说明的是，C2和C6串联后两端的电压为高压直流电源的一半，ClO和C14串联后两端的电压也为高压直流电源的一半。这样两个逆变模块各传输一半的功率。由于逆变模块采用半桥逆变的方式，因此，每个开关管所承受的电压应力只有高压直流电源的 1/4。需要说明的是，逆变模块中的开关管可以采用MOSFET模块、IGBT模块或智能功率模块(IPM, Intelligent Power Module)。由于该实施例中的逆变电路包括两个逆变模块，因此对应有两个变压器，从图3 中可以看出，每个逆变模块的输出端连接一个变压器，第一逆变模块的输出端连接第一变压器Tl、第二逆变模块的输出端连接第二变压器T2。本实施例提供的充电机还包括连接在每个变压器的初级绕组两端的第一抗干扰电路，包括串联的电阻和电容。Tl的初级绕组两端连接的第一抗干扰电路包括串联的两个电阻和一个电容，分别为Rio、Rll和C18。T2的初级绕组两端连接的第一抗干扰电路也包括串联的两个电阻和一个电容，分别为R12、R13和C19。第一抗干扰电路的作用是吸收变压器初级绕组上的尖峰脉冲。每个变压器的次级绕组连接一个整流电路，为了降低整流电路中整流器件的电压应力，本实施例中优选的每个变压器包括两个次级绕组，因此，每个变压器后续连接两个整流电路。可以理解的是，可以根据需要设置变压器次级绕组的个数，例如可以为一个、可以为两个、也可以为三个。次级绕组的个数越多，整流电路中的整流器件承受的电压应力越小。下面介绍整流电路。参见图4，该图为本发明提供的整流电路的电路图。本实施例中的整流电路优选采用由不可控的二极管组成的全桥整流电路，由于图 3所示实施例中采用两个变压器，每个变压器包括两个次级绕组，每个次级绕组连接一个整流电路，因此，图4示出了四个全桥整流电 路。第一整流电路包括四个二极管，分别是VD2、VD3、VD6和VD7。第二整流电路包括四个二极管，分别是VD10、VD11、VD14和VD15。第三整流电路包括四个二极管，分别是VD4、VD5、VD8和VD9。第四整流电路包括四个二极管，分别是VD12、VD13、VD16和VD17。
需要说明的是，图4中仅示意出了全桥整流电路最简单的形式，可以理解的是，每个二极管可以由多个二极管并联来实现，第一整流电路和第二整流电路的输出端并联第二十二电阻R22 ；第三整流电路和第四整流电路的输出端并联第二十三电阻R23。R22和R23均是稳压电阻，作用是避免电压浮动。
每个次级绕组的两端连接第二抗干扰电路，包括串联的电阻和电容。本实施例中的第二抗干扰电路包括串联的两个电阻和一个电容，如图4所示，第一变压器Tl的第一次级绕组的两端连接串联的第十四电阻R14、第二十电容C20和第十五电阻R15;第一变压器Tl的第二次级绕组的两端连接串联的第十六电阻R16、第二十一电容C21和第十七电阻 R17 ；第二变压器T2的第一次级绕组的两端连接串联的第十八电阻R18、第二十二电容C22 和第十九电阻R19 ；第二变压器T2的第二次级绕组的两端连接串联的第二十电阻R20、第二十三电容C23和第二i^一电阻R21。第二抗干扰电路的作用主要是为了吸收变压器次级绕组上的尖峰脉冲。参见图5，该图为本发明提供的磁悬浮列车用大功率充电机的电路图。从图5可以看出，该图中的电路包括了图2-图4的部分，并且该图中添加了电压传感器，用于检测逆变电路输入端的电压和整流电路输出端的电压，并将检测的电压反馈给控制电路，控制电路根据检测的电压控制输出的PWM脉冲的占空比，PWM脉冲用来驱动逆变电路中开关管的开关状态。逆变电路输入端的电压传感器有第一电压传感器SV1、第二电压传感器SV2 ；整流电路输出端的电压传感器有第三电压传感器SV3，用于测量整个充电机输出的电压，并反馈给控制电路，控制电路根据逆变电路输入端的电压和充电机的输出电压调整PWM脉冲。本实施例中充电机还包括两个电流传感器，分别是第一电流传感器SCl和第二电流传感器SC2，其中SCl用于测量充电机的输出总电流，SC2用于测量给蓄电池充电的输出电流，其中充电电流是输出总电流的一部分。SCl和SC2的测量值反馈给控制电路，控制电路根据测量值控制充电机的输出电流。本发明实施例提供的磁悬浮列车用大功率充电机采用直-交-直的变流方式，由于电压等级比较高(DC1500)，功率比较大(60kW)，因为电压承受能力高的开关管的价格较高，而且风险较大。高压等级的开关管体积一般比低压等级的开关管体积大一倍以上，重量也重很多。高压等级的开关管散热要求会比低压等级的开关管散热要求高很多，不在一个数量级上。因此为了节省成本，降低逆变电路中开关管的电压承受能力，采用两个逆变模块串联对于输入的高压直流电源进行逆变，实现了较低电压等级的开关器件应用于较高电压的场合。为了降低整流电路中二极管的电压应力，隔离变压器的次级绕组采用两个，当然也可以采取多个。隔离变压器起到降压隔离的作用，并且可以降低干扰，使输出滤波电路中的电感减小，进而减小重量和体积。整流电路输出的直流电压经过输出滤波器滤波后输出稳定的直流电压330，一路供给列车干线，一路给蓄电池充电。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变 化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种磁悬浮列车用大功率充电机，其特征在于，包括输入滤波电路、逆变电路、隔离变压器、整流电路、输出滤波电路和控制电路； 所述输入滤波电路的输入端连接高压直流电源，用于对高压直流电源进行滤波，输出端连接所述逆变电路的输入端；所述逆变电路包括至少两个逆变模块，所有的逆变模块串联在一起将高压直流电源逆变为交流电源；所述隔离变压器包括至少两个变压器，用于对交流电源进行降压和电气隔离，每个变压器分别对应一个逆变模块，每个变压器的每个次级绕组连接一个整流电路；每个变压器包括至少一个次级绕组；每个所述整流电路用于将每个变压器输出的交流电源整流为直流电源，每个所述整流电路的输出端并联在一起；所述整流电路的输出端连接输出滤波电路，用于对整流电路输出的直流电源进行滤波；控制电路，用于控制逆变模块中的开关器件的开关状态。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮列车用大功率充电机，其特征在于，所述每个变压器包括两个次级绕组，每个次级绕组的输出端连接一个整流电路。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮列车用大功率充电机，其特征在于，所述整流电路为由不可控二极管构成的全桥整流电路。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮列车用大功率充电机，其特征在于，所述逆变电路为全桥逆变电路或半桥逆变电路。
5.根据权利要求4所述的磁悬浮列车用大功率充电机，其特征在于，所述逆变电路中的开关器件为MOSFET模块、IGBT模块或智能功率模块IPM。
6.根据权利要求1所述的磁悬浮列车用大功率充电机，其特征在于，还包括连接在所述每个变压器的初级绕组两端的第一抗干扰电路；所述第一抗干扰电路包括串联的电阻和电容。
7.根据权利要求1或2所述的磁悬浮列车用大功率充电机，其特征在于，还包括连接在每个变压器的每个次级绕组两端的第二抗干扰电路；所述第二抗干扰电路包括串联的电阻和电容。
8.根据权利要求1所述的磁悬浮列车用大功率充电机，其特征在于，还包括软启动电路；所述软启动电路包括第一电阻、防反二极管和接触器；所述第一电阻和防反二极管串联后并联在接触器的两端；所述接触器串联在输入滤波电路中的电感和电容之间；充电机启动过程中，所述接触器断开，启动完毕后，所述接触器闭合。
9.根据权利要求1所述的磁悬浮列车用大功率充电机，其特征在于，还包括电压互感器，用于测量逆变电路的输入电压和整流电路的输出电压，将测量的电压发送给控制电路， 控制电路根据测量的电压控制输出的PWM波，所述PWM波用于驱动逆变电路中开关器件的开关状态。
10.根据权利要求1所述的磁悬浮列车用大功率充电机，其特征在于，所述整流电路的输出端并联稳压电阻。
全文摘要
本发明提供的磁悬浮列车用大功率充电机，包括输入滤波电路、逆变电路、隔离变压器、整流电路、输出滤波电路和控制电路；逆变电路包括至少两个逆变模块，所有的逆变模块串联在一起；隔离变压器包括至少两个变压器，每个变压器分别对应一个逆变模块，每个变压器的每个次级绕组连接一个整流电路；每个变压器包括至少一个次级绕组；每个整流电路的输出端并联在一起；整流电路的输出端连接输出滤波电路，采用直流-交流-直流供电模式，其中采用隔离变压器将高压和低压进行电气隔离，保证乘客和工作人员的安全，隔离变压器对低频信号的抗干扰能力较强，输出滤波电路中的电感可以做的比较小，从而降低整个充电机的体积和重量，以满足车载电源的要求。
文档编号H02M1/36GK102157968SQ201110095529
公开日2011年8月17日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者唐洲, 唐海燕, 孙立辉, 魏培华 申请人:株洲南车时代电气股份有限公司