一种机车谐波治理装置和系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电力机车谐波治理装置和系统，该装置安装在机车上，包括：降压变压器，其原边并联在机车牵引变压器的输入端，用于将牵引供电网提供的电源进行降压，并输出降压后的电源；无源滤波电路，其与降压变压器的副边连接，用于滤除机车产生的高次谐波，进而降低机车产生的谐波对牵引供电网的影响。本发明简单可靠、体积小、成本低、安全性高，能够有效滤除本车产生的高次谐波，避免了高次谐波对牵引供电系统及相关设备的损害。
【专利说明】一种机车谐波治理装置和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子【技术领域】，具体地说，涉及一种机车谐波治理装置和系统。
【背景技术】
[0002]我国铁路运输在相当长的时间里一直以直流传动电力机车为主，传统的直流电力机车采用晶闸管半控桥式整流，功率因数低，产生的谐波也多为3次、5次、7次等低次谐波。近年来随着电气化铁路的高速发展，以及交流传动技术的成熟和广泛应用，越来越多的新型大功率交流传动电力机车开始投入应用，并逐渐成为铁路运输的主力。
[0003]交流传动电力机车采用PWM变流技术，功率因数高，低次谐波电流较小，但其产生的电流谐波频带范围宽，运行时会向牵引供电网注入大量20次以上的高次谐波电流。而我国传统的电气化铁路牵引供电系统及其相关设备主要是针对直流传动电力机车设计的，交流机车产生的高次谐波可能导致同一牵引供电网中的直流传动电力机车的RC回路毁坏，甚至可能导致车载或变电所的避雷器损坏、车载设备的绝缘击穿、变电所的交直屏烧损及保护装置误动作等问题，还可能导致牵引供电网发生谐振，形成较大的过电压和过电流。高次谐波带来的上述问题将严重危害铁路运输的正常秩序，制约了交流传动电力机车的扩大运用，对各路局的行车调度和安全行车带来了巨大挑战，所以就需要对交流传动电力机车产生的高次谐波进行治理。
[0004]目前对于电力机车产生的高次谐波的治理主要是以电力机车牵引供电网中的高次谐波为治理对象，通过安装在牵引变电所或编组站内的、与牵引供电网的馈线并联的地面谐波治理装置，对某一供电臂内的高次谐波进行集中治理。这种治理方式使得地面谐波治理装置的电压等级较高，对治理装置的容量要求相对较大，器件选型困难，装置的安全性也不容易保证，且装置体积大。
[0005]基于上述情况，亟需一种体积小、结构简单、能够有效滤除电力机车产生的高次谐波的谐波治理装置。
【发明内容】
[0006]为解决上述问题，本发明提供了一种机车谐波治理装置，以此来对电力机车或电动车组产生的高次谐波进行治理。所述装置安装在电力机车上，包括:
[0007]降压变压器，其原边并联在机车牵引变压器的输入端，用于将牵引供电网提供的电源进行降压，并输出降压后的电源；
[0008]无源滤波电路，其与所述降压变压器的副边连接，用于滤除机车产生的高次谐波，以降低所述机车产生的谐波对所述牵引供电网的影响。
[0009]根据本发明的一个实施例，所述无源滤波电路包括第一无源滤波电路，其电连接在所述降压变压器副边的两端，用于滤除机车牵引变流器开关频率边带阈值范围内的高次谐波。
[0010]根据本发明的一个实施例，所述第一无源滤波电路包括若干并联的第一无源滤波支路，所述第一无源滤波支路包括以下所列项中的任一项或几项:
[0011]一阶无源高通滤波器、二阶无源高通滤波器、三阶无源高通滤波器。
[0012]根据本发明的一个实施例，所述第一无源滤波支路还包括:
[0013]第一开关单元，其串联在所述第一无源滤波支路中，用于对所述第一无源滤波支路进行投切；和/或，
[0014]第一熔断器，其串联在所述第一无源滤波支路中，用于对所述第一无源滤波支路进行过流保护。
[0015]根据本发明的一个实施例，所述无源滤波电路还包括第二无源滤波电路，其电连接在所述降压变压器副边的两端，用于滤除机车辅助变流器开关频率边带阈值范围内的高次谐波。
[0016]根据本发明的一个实施例，所述第二无源滤波电路包括若干并联的第二无源滤波支路，所述第二无源滤波支路包括以下所列项中的任一项或几项:
[0017]一阶无源高通滤波器、二阶无源高通滤波器、三阶无源高通滤波器。
[0018]根据本发明的一个实施例，所述第二无源滤波支路还包括:
[0019]第二开关单元，其串联在所述第二无源滤波支路中，用于对所述第二无源滤波支路进行投切；和/或，
[0020]第二熔断器，其串联在所述第二无源滤波支路中，用于对所述第二无源滤波支路进行过流保护。
[0021]根据本发明的一个实施例，所述无源滤波电路还用于滤除所述牵引供电网的高次谐波。
[0022]本发明还提供了一种机车谐波治理系统，所述系统包括:
[0023]机车负载；
[0024]牵引供电网，其与所述机车负载连接，用于为所述机车负载提供电源；
[0025]如上所述的机车谐波治理装置，其并联在所述机车负载的输入端。
[0026]相对于现有的地面谐波治理装置，本发明提供的机车谐波治理装置安装在交流传动电力机车或电动车组上，采用简单可靠的无源滤波器来对本车产生的高次谐波电流进行治理，对变压器和滤波器的容量要求降低，这样能够有效降低整个装置的体积和成本。同时在低压环境下进行谐波治理不仅能够使得无源滤波器的选型更为方便，还装置的可靠性和安全性也更能够得到保障。当无源滤波器的容量有余时，该装置还能够对牵引供电网中由其他电力机车反馈来的高次谐波进行治理。本装置能够解决上述我国铁路牵引供电网中高次谐波引起的诸多问题，提高了我国机车装备的整体技术水平，为电力机车车载的和牵引变电所中的用电设备的安全运行提供了保障，为交流传动电力机车的扩大运用奠定了基础，有利于推动我国铁路的快速健康发展。
[0027]本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍:
[0029]图1是根据本发明的一个实施例的机车谐波治理系统的结构图；
[0030]图2是根据本发明的一个实施例的机车谐波治理系统的电路图。
【具体实施方式】
[0031]以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0032]图1示出了本实施例中机车谐波治理系统的结构图。
[0033]如图1所示，电力机车谐波治理系统包括牵引供电网101、谐波治理装置102和机车负载103。其中，牵引供电网101与机车负载103连接，来为机车负载103提供电源，以驱动机车负载103运行。需要说明的是，在本发明的不同实施例中，机车负载103可以为电力机车负载，也可以为电动车组负载，本发明不限于此。
[0034]谐波治理装置102包括降压变压器104和无源滤波电路105，降压变压器104的原边并联在机车负载103中机车牵引变压器的输入端，用于将牵引供电网101提供的电源进行降压后输出。无源滤波电路105与降压变压器的副边连接，用于滤除机车负载103产生的高次谐波，避免上述高次谐波反馈到牵引供电网101中而给同一供电臂中的其他电力机车以及牵引变电所或编组站内的设备造成不利影响。本实施例中，无源滤波电路105还兼顾无功补偿功能。
[0035]降压变压器104的使用能够有效降低无源滤波电路105的电压等级，这样有利于提高整个装置的安全性，同时还能够降低整个装置的成本。相较于现有的谐波治理装置采用有源滤波电路进行谐波滤除，无源滤波电路的电路结构更加简单可靠，能够有效地克服有源滤波电路电路复杂、成本较高的缺点。
[0036]现有的交流传动电力机车多采用PWM变流技术，其产生的电流谐波频带范围宽，其中包含有大量20次以上的高次谐波，通过合理地配置滤波电路结构及参数，无源滤波电路105能够有效地将上述高次谐波滤除，从而减小机车负载103产生的高次谐波对牵引供电网101的影响。
[0037]需要说明的是，在应用过程中，当无源滤波电路105的容量还有剩余时，其还可以用于滤除牵引供电网101提供的电源中存在的高次谐波，从而进一步改善牵引供电网101中的电能质量。
[0038]图2示出了机车谐波治理系统的电路结构图。
[0039]如图2所示，机车负载103通过受电弓搭接牵引供电网101，以接收牵引供电网101提供的电源。
[0040]本实施例中，机车负载103包括车载牵引变压器201、牵引变流器202和辅助变流器203。如图2所示，车载牵引变压器201的原边通过受电弓与牵引供电网101连接，副边包括若干牵引绕组和辅助绕组。其中，牵引绕组与牵引变流器202连接，来为牵引变流器202提供电源，辅助绕组与辅助变流器203连接，来为辅助变流器203提供电源。
[0041]牵引变流器202和辅助变流器203在运行的过程中均会产生大量的高次谐波，而产生的高次谐波可以通过受电弓反馈到牵引供电网101中，从而对供电网电源的电源质量
产生影响。
[0042]为了有效滤除牵引变流器202和辅助变流器203产生的高次谐波，本实施例中，无源滤波电路105包括并联的第一无源滤波电路204和第二无源滤波电路205。其中，第一无源滤波电路204用于滤除牵引变流器202开关频率边带预设阈值范围内的高次谐波，第二无源滤波电路205用于滤除辅助变流器203开关频率边带预设阈值范围内的高次谐波。通过合理配置第一无源滤波电路204和第二无源滤波电路205，来有效滤除牵引变流器202和辅助变流器203产生的高次谐波。
[0043]如图2所示，本实施例中，第一无源滤波电路204由第一开关单元K1、一阶RC高通滤波器和第一熔断器FUl串接构成。第一开关单元Kl采用接触器，用于对该滤波支路进行投切。第一熔断器FUl用于在该滤波支路中流过的电流过大时自动断开该滤波支路，从而达到对该滤波支路进行过流保护的目的。通过合理地配置一阶RC高通滤波器中电阻Rl和电容Cl的参数值，使得该一阶RC高通滤波器的滤波范围与牵引变流器202产生的高次谐波的频率范围相匹配，从而达到有效滤除牵引变流器开关频率边带附近的高次谐波的目的。
[0044]第二无源滤波器205由第二开关单元K2、二阶RLC高通滤波器和第二熔断器FU2串接而成。其中第二开关单元K2同样采用接触器，用于对该滤波支路进行投切，第二熔断器FU2对该滤波支路进行过流保护。二阶RLC高通滤波器由电阻R2和电感LI并联组成的电路与电容C2串接而成，通过配置合适的电阻R2、电感LI和电容C2的参数值，使得该二阶RLC高通滤波器的滤波范围与辅助变流器203产生的高次谐波的频率范围相匹配，从而达到有效滤除辅助变流器开关频率边带附近的高次谐波的目的。
[0045]电力机车牵引变流器202和辅助变流器203在运行的过程中产生大量的高次谐波频带范围较宽，但其中500Hz?3000Hz频带范围内的高次谐波所带来的不利影响最为主要。所以本实施例中，通过合理地配置第一无源滤波电路204和第二无源滤波电路205中的各个元件的参数值，使得第一无源滤波电路204和第二无源滤波电路205能有有效滤除500Hz?3000Hz频带范围内的高次谐波。
[0046]需要说明的是，本实施例中，第一无源滤波电路204和第二无源滤波电路205各包含一个滤波支路，其目的仅是为了更好地阐述本发明的目的、原理以及优点，其并不是对本发明的限定。在实际应用中，第一无源滤波电路204和第二无源滤波电路205根据滤波目的的需要，其均可以包括多个滤波支路，各个滤波支路中包含的高通滤波器根据需要滤除的谐波频率，可以选择多种合理的滤波器形式，例如一阶无源高通滤波器、二阶无源高通滤波器、三阶无源高通滤波器等滤波器中的一种或几种。此外，根据电力机车负载的不同，第一无源滤波电路和第二无源滤波电路还可以只配置一个，例如当电力机车无辅助变流器时，无源滤波电路中即可不用配置第二无源滤波电路，这样能够使得整个装置的结构更为合理、成本更加具有竞争力。
[0047]相对于现有的地面谐波治理装置，本发明提供的机车谐波治理装置安装在交流传动电力机车或电动车组上，这样就可以对机车自身产生的高次谐波进行就地治理，避免了高次谐波进入牵引供电网后随着线路阻抗的增加而被放大，从而影响线路上其他机车及设备的运行。本装置采用简单可靠的无源滤波器来对本车产生的高次谐波电流进行治理，装置的体积、容量相对较小。此外，本装置的连接方便，在安装时不需要对现有电力机车的电路做任何的改动，只需要根据实际滤波需求增加若干套谐波治理装置，降低了安装和维护成本。本发明提供的谐波治理装置能够解决上述我国铁路牵引供电网中高次谐波引起的诸多问题，提高了我国机车装备的整体技术水平，有助于推动我国铁路的快速、健康发展。
[0048]虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属【技术领域】内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
【权利要求】
1.一种机车谐波治理装置，其特征在于，所述装置安装在机车上，包括: 降压变压器，其原边并联在机车牵引变压器的输入端，用于将牵引供电网提供的电源进行降压，并输出降压后的电源； 无源滤波电路，其与所述降压变压器的副边连接，用于滤除机车产生的高次谐波，以降低所述机车产生的谐波对所述牵引供电网的影响。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述无源滤波电路包括第一无源滤波电路，其电连接在所述降压变压器副边的两端，用于滤除机车牵引变流器开关频率边带阈值范围内的高次谐波。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一无源滤波电路包括若干并联的第一无源滤波支路，所述第一无源滤波支路包括以下所列项中的任一项或几项: 一阶无源高通滤波器、二阶无源高通滤波器、三阶无源高通滤波器。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一无源滤波支路还包括: 第一开关单元，其串联在所述第一无源滤波支路中，用于对所述第一无源滤波支路进行投切；和/或， 第一熔断器，其串联在所述第一无源滤波支路中，用于对所述第一无源滤波支路进行过流保护。
5.如权利要求1?4中任一项所述的装置，其特征在于，所述无源滤波电路还包括第二无源滤波电路，其电连接在所述降压变压器副边的两端，用于滤除机车辅助变流器开关频率边带阈值范围内的高次谐波。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二无源滤波电路包括若干并联的第二无源滤波支路，所述第二无源滤波支路包括以下所列项中的任一项或几项: 一阶无源高通滤波器、二阶无源高通滤波器、三阶无源高通滤波器。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二无源滤波支路还包括: 第二开关单元，其串联在所述第二无源滤波支路中，用于对所述第二无源滤波支路进行投切；和/或， 第二熔断器，其串联在所述第二无源滤波支路中，用于对所述第二无源滤波支路进行过流保护。
8.如权利要求1?7中任一项所述的装置，其特征在于，所述无源滤波电路还用于滤除所述牵弓丨供电网的高次谐波。
9.一种机车谐波治理系统，其特征在于，所述系统包括: 机车负载； 牵引供电网，其与所述机车负载连接，用于为所述机车负载提供电源； 如权利要求1?8中任一项所述的机车谐波治理装置，其并联在所述机车负载的输入端。
【文档编号】H02J3/01GK103840465SQ201410066478
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2014年2月26日
【发明者】何多昌, 罗文广, 张志学, 李华, 章志兵, 尚敬, 孙璐, 张定华, 陈涛, 刘华东 申请人:南车株洲电力机车研究所有限公司