本发明从属于变流装置领域，更具体地，涉及一种具有自动隔离功能的变流装置及故障隔离控制方法。
背景技术：
目前交流传动机车的主变流器普遍采用igbt元件组成的功率模块作为主要器件，此时，igbt的稳定、高效率工作就成了整个机车运行稳定性和效率的关键。针对目前的交流传动机车的变流装置，有以下缺陷。
传统电力机车，当功率模块故障时，由于轴间电路通过中间回路互相连通，很容易导致电路上能量都向故障模块涌入，导致模块完全损坏；同时，模块损坏很容易导致中间直流回路短路故障，只能通过封锁整个转向架的功率模块，此时就会失去一个转向架的动力，机车的可用性大大降低。
尤其在货运领域，变流装置使用过程中，不间断运行的时间长，牵引吨位大，需求的牵引力也大，功率单元（如整流装置、逆变装置等）故障时有发生，而且一旦出现故障，很有可能出现动力不足的情况，甚至发生机破。同时，发生上述短路故障对于整个变流装置的其他元件损害很大，大大降低其寿命。
现有技术中，只要中间回路发生短路故障，出于对电路的保护，只能切除与整个转向架的功率单元。虽然现有技术中，也有使用一种类似闸刀的手动隔离装置，用于故障单元的切除，但动力切除装置是针对整个变流器本身无法切除动力提出的方案，仅仅只是用于故障时的所有动力切除。
另外，传统交流电力机车的变流器接地检测单元利用两个电阻的中性点接地，再利用电压传感器检测半电压来达到检测中间回路是否发生接地故障，但是由于中性点直接接地存在很多干扰，检测的波形不稳定，往往导致误报，对机车行车稳定性造成一定影响。
本说明书中，pmw：脉宽调制；vvvf：变压变频；igbt：一种电力电子开关元器件；辅助电源：给电力机车上如空压机、牵引风机等辅助设备供电；机破：机车在运行过程中发生故障被迫停车的事故；功率单元：为后续负载提供动力的模块，如由igbt组成的pwm整流模块、vvvf逆变模块、辅助逆变模块。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是针对现有变流装置的不足，提供一种当功率单元发生故障时，能够自动隔离相关的功率单元，避免当功率单元发生故障时，不同轴间能量都向故障模块涌入，导致故障模块损坏的情况的具有自动隔离功能的变流装置。
本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现：
提供一种具有自动隔离功能的变流装置，包括至少两重变流电路；每重变流电路均包括依次连接的预充电回路、整流装置、逆变装置；预充电回路外接牵引供电单元；整流装置通过公共的中间直流回路与逆变装置连接；整流装置和中间直流回路间连接有隔离接触器；预充电回路、整流装置、隔离接触器、中间直流回路以及逆变装置均与传动控制单元连接；
所述预充电回路用于对中间直流回路进行预充电；所述整流装置对牵引供电单元输入的交流电进行整流为恒定的直流电；所述隔离接触器在为后续负载提供动力的功率单元故障时将故障的功率单元与变流装置进行隔离；所述逆变装置将直流电逆变为电压和频率可调的三相交流电供给外部的用电装置；所述传动控制单元接收中间直流回路的反馈信号，对预充电回路、整流装置、逆变装置以及隔离接触器进行隔离动作指令。
本发明变流装置集成了自动隔离装置，用于功率单元发生故障致中间回路发生短路时，自动切除此重变流电路对应的故障功率单元，对比于故障时必须对整个变流装置进行断电的传统变流装置，达到了既隔离故障又尽可能减少动力损失的目的。
进一步地，预充电回路包括充电接触器km3和充电电阻r1以及线路接触器km1，充电接触器km3的触点开关和充电电阻r1串联后再与线路接触器km1的触点开关并联；充电接触器km3和线路接触器km1的线圈均与所述传动控制单元相连。当线路接触器km1断开时，相应的一重变流电路与牵引供电单元断开。
进一步地，所述中间直流回路通过隔离接触器的常闭触点与整流装置连接；当常闭触点断开时，相应的一重变流电路的功率单元与中间直流回路断开。
进一步优选地，包括两重变流电路，所述整流装置包括第一整流装置、第二整流装置，与第一整流装置、第二整流装置对应的两个逆变装置分别为第一逆变装置、第二逆变装置；所述隔离接触器包括km4a和km4b，第一整流装置、第二整流装置的一个输出端分别通过km4a和km4b的常闭触点与中间直流回路的一个输入端连接，两个整流装置的另一个输出端均与中间直流回路的另一个输入端连接。
进一步地，为了提高对故障的响应速率，在同一重变流电路中，所述线路接触器与隔离接触器为同一个接触器，所述隔离接触器的常闭触点为在线路接触器增加的一极。在线路接触器（即隔离接触器）动作时，既能进行对线路进行通断，同时也将故障的功率单元进行隔离，既提高了故障隔离效率，也减少了因多个接触器而导致增加的故障几率。
进一步地，所述隔离接触器还包括km5；所述逆变装置还包括辅助逆变装置，所述辅助逆变装置的一个输入端通过km5的常闭触点与中间直流回路连接，另一个输入端连接中间直流回路的另一端口。
进一步地，所述中间直流回路的正负端口间设置有接地检测单元、与接地检测单元并联连接的电压检测单元、二次谐振单元、支撑电容单元、过压斩波单元；所述接地检测单元设置有接地电容；二次谐振单元以及支撑电容单元均设有独立的放电单元；所述放电单元的放电电阻分别与二次谐振单元的谐振电容、支撑电容单元的支撑电容并联。在中间直流回路的支撑电容和二次谐振电容部分，各配有一组放电单元，每个单元由两只串联的放电电阻构成，同时接地电容也与放电电阻并联，至此主电路中所有接入电容的部分，都有单独的放电回路，确保在隔离接触器动作后，斩波回路损坏情况下电容的能量都能够得到释放。
进一步地，所述接地检测单元，包括电阻r5a和与电阻r5a连接的电阻r6a，两电阻的公共连接点接地；还包括与电阻r5a并联的电压检测元件以及与电阻r6a并联的接地电容c3a；电阻r5a、电阻r6a的非接地端分别作为接地检测单元的两个输出接点与中间直流回路的正负端口连接。接地检测单元采用接入一个接地电容，通过电容的高频滤波作用，有效提升半电压的检测波形质量，提高接地检测效果。避免了传统采用半电压检测法的接地检测单元由于接地干扰，而产生的不稳定误报的情况。
本发明的另一目的在于，提供一种具有自动隔离功能的变流装置的故障隔离控制方法，包括以下步骤：
s1.判断功率单元是否存在短路故障；
s2.若存在短路故障，查找并判断故障所在处；当检测到功率单元发生短路故障时，使该功率单元所属的轴间电路从牵引变压器次边侧和中间回路隔离开。
当变流装置中设有接地检测单元时，进一步地，所述s1的具体步骤为，通过接地检测单元判断功率单元是否存在短路故障；
进一步地，所述s2的具体步骤为，通过逐一断开功率单元，查看变流装置中是否仍存在短路故障；若断开一功率单元，故障消除，则判断该功率单元存在故障。
进一步地，当在同一重变流电路中，当线路接触器和隔离接触器为同一个接触器时，所述步骤s2中，通过传动控制单元逐一控制每一重变流电路中的所述接触器动作，在判断出故障的同时将故障隔离，使故障的功率单元与此重变流电路的高压连接断开的同时，该轴连接中间回路的正负极母排短路故障消除，隔离故障的功率单元；并且，通过传动控制单元控制功率单元进行igbt封锁动作。
进一步地，所述步骤s3中，所述功率单元发生故障时，在线路接触器动作的同时，通过与线路接触器互锁的硬件驱动电路或传动控制单元开通过压斩波单元，迅速释放轴电路上电容的能量。
本发明的有益效果为：
（1）本发明的变流装置集成了在单极线路接触器基础上增加一极接触器主触点，构成每轴的隔离接触器，当发生模块故障时，线路接触器和隔离接触器同时动作，将单轴电路从变压器次边侧及中间回路中隔离开，达到故障隔离的作用，同时与此轴的逆变模块的过压斩波单元驱动电路组成硬触发电路，强制开通igbt进行斩波放电，快速释放轴电路上电容能量，达到保护故障模块的作用；本发明当检测到中间回路发生短路故障时，通过隔离接触器动作，仅将该轴的故障单元隔离，减少动力的损失，从而减少了机车发生故障后由于动力不足导致机破的概率，并有效提高了机车整体的可靠性与可用性；同时通过对故障单元的三重隔离，大大提高了故障隔离的可靠性；
（2）本发明采用相同的两只电阻串联，中性点接地的方法实现接地检测功能，并且通过并联接地电容的方法，有效改善接地检测的电压波形，避免了干扰导致接地故障误报的情况；
（3）通过重新开发放电单元的结构，使得每一组电容都有独立的放电回路，确保隔离接触器动作后的能量释放。
本变流装置提高了能源利用率，运行可靠，能广泛应用于风电、工业传动、电动汽车领域，具有重要的推广价值。
附图说明
图1为实施例1变流装置控制拓扑示意图。
图2为实施例1变流装置主电路的部分结构示意图。
图3为实施例1正常工况下的变流装置隔离接触器电路示意图。
图4为实施例1故障工况下的变流装置隔离接触器电路示意图。
图5为实施例1控制方法流程示意图。
图6为实施例2变流装置主电路的部分结构示意图。
图中，1、牵引供电单元；2、预充电回路；3、信号检测单元；4、pwm整流装置；5、二次电抗器单元；6、谐振电容单元；7、放电单元；8、支撑电容单元；9、过压斩波单元；10、vvvf逆变装置；11、电压检测单元；12、接地检测单元；13、辅助逆变装置；14、隔离接触器、15、传动控制单元。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种具有自动隔离功能的变流装置，包括至少两重变流电路；每重变流电路均包括依次连接的预充电回路、整流装置、逆变装置；预充电回路外接牵引供电单元；整流装置通过公共的中间直流回路与逆变装置连接；整流装置和中间直流回路间连接有隔离接触器；预充电回路、整流装置、隔离接触器、中间直流回路以及逆变装置均与传动控制单元连接；
所述预充电回路用于对中间直流回路进行预充电；所述整流装置对牵引供电单元输入的交流电进行整流为恒定的直流电；所述隔离接触器在为后续负载提供动力的功率单元故障时将故障的功率单元与变流装置进行隔离；所述逆变装置将直流电逆变为电压和频率可调的三相交流电供给外部的用电装置；所述传动控制单元接收中间直流回路的反馈信号，对预充电回路、整流装置、逆变装置以及隔离接触器进行隔离动作指令。
如图2为变流装置主电路的部分结构示意图，此电路仅为一个转向架的主电路构成，即为变流器的一半，另外一半的电路结构完全相同。具体地，本变流装置包括预充电回路2、信号检测单元3、pwm整流装置4、中间直流回路、vvvf逆变装置10、辅助逆变装置13、隔离接触器14、传动控制单元15。其中，中间直流回路包括接地检测单元12、与接地检测单元12并联连接的电压检测单元11以及相互并联连接的支撑电容单元8、由二次电抗器单元5和谐振电容单元6构成的二次谐振单元、过压斩波单元9；所述接地检测单元12设置有接地电容；二次谐振单元以及支撑电容单元均设有放电电阻，各放电电阻组成放电单元7。
预充电回路2包括充电接触器km3和充电电阻r1以及线路接触器km1，充电接触器km3的触点开关和充电电阻r1串联后再与线路接触器km1的触点开关并联；充电接触器和线路接触器的线圈均与传动控制单元15相连。电压检测单元11包括分别与接地检测单元12并联的传感器wh3和传感器wh2。主要用于中间回路电压的检测，用于传动控制单元15发出指令控制pwm整流装置4，维持所述中间回路电压的稳定。牵引工况下，通过牵引供电单元输入单相交流电，经过pwm整流装置，当传动控制单元15通过电压检测单元11检测中间电压达到设定值时，控制线路接触器km1闭合，充电接触器km3断开，完成一次中间电容预充电环节。
整流装置包括第一整流装置、第二整流装置，对应的两个逆变装置分别为第一逆变装置、第二逆变装置；隔离接触器包括接触器km4a和接触器km4b，第一整流装置、第二整流装置的一个输出端分别通过接触器km4a和接触器km4b的常闭触点与中间直流回路的一个输入端连接，两个整流装置的另一个输出端均与中间直流回路的另一个输出端连接。
接地检测单元12包括电阻r5a和与电阻r5a连接的电阻r6a，两电阻的公共连接点接地；还包括与电阻r5a并联的传感器wh1a以及与电阻r6a并联的接地电容c3a；电阻r5a和电阻r5a的非接地端分别作为接地检测单元12的两个输出接点与电压检测单元11并联连接。传动控制单元15检测输出传感器wh1a以判断故障情况；当牵引供电回路、中间回路正接地或中间回路负接地时，电阻中性点电压失衡，通过硬件设置及软件判断，对不同位置的接地波形进行比较，判断故障点，通过切断电源方式进行电路的自我保护，同时电阻r5a和电阻r5a也用作中间回路支撑电容残余电量的释放。
接地检测单元12通过二次电抗器单元5与二次谐振电容单元6连接；二次电抗单元5包括电抗l2a，二次谐振电容单元6包括二次谐振电容c21，二次谐振电容c21一端连接电抗l2，一端连接pwm整流装置的一个输出端；用于将pwm整流装置输出包含的二次谐波滤除，保障直流侧电压的恒定。
支撑电容单元8包括支撑电容c11，支撑电容c11的两端与逆变装置10的两输入端连接。
放电单元7包括与二次谐振电容c21并联的放电电阻r3、与支撑电容c11并联的放电电阻r2，分别用于将二次谐振电容和每轴的支撑电容上残余电量的释放。本发明在正常工作情况下，接地电容通过滤波，提供相对稳定的接地检测波形；放电单元7确保故障后电容能量的释放。
vvvf逆变装置10直接与中间直流回路耦合，根据传动控制单元15发送的逆变输出指令，在牵引工况下将所述的直流电压逆变为电压和频率可调的三相交流电供给牵引电机；在制动工况下，将所述牵引电机输出的三相交流电整流、逆变反馈给所述的牵引供电单元1。vvvf逆变装置10内同时包含了过压斩波单元9，如图中斩波电阻rch1，在停机或者车轮打滑的情况下，可通过斩波电阻rch1进行中间能量的快速释放及过电压抑制，保障机车的行车安全。辅助逆变装置13直接与中间直流回路耦合，用于根据所述控制装置发送的逆变控制指令，将所述中间直流回路输入的直流电逆变为恒定的电压和频率，为机车辅助设备进行供电。
变流装置主电路采用pwm整流＋vvvf逆变模式。一个pwm整流装置由两个相位模块（半桥）组成，vvvf逆变装置包括3个相构件（每一相做成一个相构件），模块中的另外1个相构件，一个igbt作为斩波管，另一个仅利用其反向二极管部分参与保护，其igbt部分备用。四重pwm整流装置和四个逆变装置构成整个牵引装置的供电单元，为4台三相异步牵引电动机供电。pwm整流模块和vvvf逆变模块采用模块化设计，两者之间可以完全互换。
牵引供电单元的牵引绕组1.1－1.2输入电压首先经由预充电单元2对直流回路的支撑电容进行充电，信号检测单元3用于检测变流装置输入电流的大小，用于所述装置的保护。牵引工况时单相工频电网电压经pwm整流模块4整流为直流电压，经vvvf逆变模块10逆变为三相电压、频率可调供给牵引电机，经辅助逆变模块13逆变为恒压恒频交流电控制辅助设备，制动工况时牵引电机发出的三相电压经整流、逆变后通过牵引供电单元1反馈回电网。
如图1所示，传动控制单元15是变流装置的核心单元，主要实现机车的牵引/制动特性控制、逻辑控制和故障保护，实现对pwm整流装置、vvvf逆变装置、辅助逆变装置及交流异步牵引电机的实时控制、粘着利用控制，满足机车在动力性能、故障运行、救援能力及预期的运行速度等方面的要求。
如图5所示，当功率单元发生短路故障时，通过传动控制单元对自动隔离装置等进行相应控制，实现故障的隔离，具体包括以下步骤：
s1.判断功率单元是否存在短路故障；
通过接地检测单元判断功率单元是否存在短路故障；
s2.若存在短路故障，查找并判断故障所在处；
通过逐一断开功率单元，查看变流装置中是否仍存在短路故障；若断开一功率单元，故障消除，则判断该功率单元存在故障；当检测到功率单元发生短路故障时，使该功率单元所属的轴间电路从牵引变压器次边侧和中间回路隔离开。
传动控制单元控制预充电单元的线路接触器动作，使牵引供电单元与存在故障的此重变流电路的高压连接断开；同时控制故障点所在处的隔离接触器动作，该轴连接中间回路的正负极母排短路故障消除，使故障的功率单元与中间回路断开，从而隔离故障的功率单元；并且，通过传动控制单元控制功率单元进行igbt封锁动作，使故障的功率单元与负载断开。
并且，当功率单元发生故障时，在线路接触器动作的同时，迅速释放轴电路上电容的能量。本实施例中通过与线路接触器互锁的硬件驱动电路开通过压斩波单元以释放轴电路上电容的能量，相较于通过传动控制单元开通过压斩波单元，时间更快，效率更高。
通过此三重控制对故障进行隔离，以及电容能量的释放，有效确保了故障的完全隔离。
具体地，本实施例中，如图3所示，隔离接触器包括km4a和km4b；隔离接触器km4a与同一变流电路(同轴)中的线路接触器km1a为同一接触器；相应地，隔离接触器km4b与同一变流电路中的线路接触器km1b为同一接触器；km4a和km4b分别为线路接触器km1a和km2a上增加的一极。整流装置通过隔离接触器的常闭触点与中间直流回路连接。在正常牵引工况下，通过牵引供电系统给变流装置进行供电，维持正常的牵引工作；
若接地检测单元12判断出存在短路故障，接地检测单元12将短路故障信号传递给传动控制单元，通过传动控制单元逐一控制每一重变流电路中的线路接触器（也就是隔离接触器）动作，使此轴功率单元与供电单元和中间回路中隔离，同时通过与线路接触器互锁的硬件电路强制开通斩波回路，迅速释放电容能量。如图4所示，控制a轴预充电单元2断开线路接触器km1a，同时该轴的隔离接触器km4a的常闭触点断开，使牵引供电单元与此轴的高压连接断开，并且连接中间回路的正负极母排短路；若在断开a轴的功率单元时传动控制单元15检测出短路故障消除，则可判断出故障所在之处为a轴的功率单元；如此在判断出故障单元的同时也隔离了此回路上的功率单元，同时短路故障也得到了解决。有效提高了故障的隔离的效率。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，隔离接触器还包括km5，辅助逆变装置13的一个输入端通过km5的常闭触点与中间直流回路连接，另一个输入端连接中间直流回路的另一端口。
隔离接触器km5独立控制，为单独的一隔离接触器。当检测到故障功率单元为辅助逆变装置时，km4a,km4b保持闭合，通过断开km5断开故障的功率单元。
本发明的进行故障隔离时无需手动操作，仅当功率单元发生故障才对相应的故障单元进行隔离，是针对有无特殊故障做出的细化故障处理手段。当发生功率单元短路故障时，和传统电力机车相比，通过该方案能够更好地处理此类情况，同时保证电路中其他部分不受影响，有效提升变流装置的可靠性与可用性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。