一种直流回路过压保护系统及轨道车辆的制作方法

本发明涉及直流回路过压保护技术领域，尤其涉及一种直流回路过压保护系统及轨道车辆。

背景技术：

轨道车辆中通常包括发电机、整流器、逆变器和牵引电机，发电机通过发动机拖动旋转以产生三相交流电，整流器将三相交流电转换成直流电，直流电通过逆变器输出给牵引电机，以使牵引电机带动车辆运行。

在实际应用过程中，发电机产生三相交流电时，可能出现三相交流电的电压过高的现象，使得整流器和逆变器之间的直流回路中产生过压现象，会给整流器、逆变器等变流装置造成伤害。因此，当直流回路产生过压时，机车控制系统必须能够及时、有效地进行过压保护。

传统的直流回路过压保护系统如图1所示，包括电压传感器100、主控微机200、过压放电装置300和放电电阻400，主控微机200通过电压传感器100实时监测直流回路的电压，当电压超过允许值时，主控微机200发送过压保护信号至过压放电装置300，过压放电装置300内部的绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)导通，将直流回路过电压在放电电阻400上进行消耗，以此实现直流回路过压保护。

这种直流回路过压保护完全是通过软件实现的，由于主控微机是按照一定周期对电压传感器输出的电压信号进行监测和处理的，这就使得在直流回路发生过压时，过电压在放电电阻上消耗不及时，从而导致逆变器等装置因过压而被击穿。

技术实现要素：

本发明提供一种直流回路过压保护系统及轨道车辆，以克服传统过压保护系统对过电压处理不及时，导致变流装置被击穿的问题。

一方面，本发明提供一种直流回路过压保护系统，包括：电信号采集单元、电压比较单元和放电单元，其中，

电信号采集单元的输入端和输出端分别与直流回路和电压比较单元的输入端连接，电信号采集单元用于采集直流回路中的电信号，并向电压比较单元发送电压信号；

电压比较单元包括第一电压比较模块和第二电压比较模块，第二电压比较模块包括比较器，第一电压比较模块的输入端和比较器的第一输入端均与电信号采集单元连接，第一电压比较模块和比较器的输出端均与放电单元连接；

电压信号大于第一预设电压信号且电压信号小于第二预设电压信号时，由第一电压比较模块向放电单元发送过压保护信号；电压信号大于第二预设电压信号时，由比较器向放电单元发送过压保护信号，过压保护信号用于使放电单元对直流回路进行放电；其中，第二预设电压信号的幅值大于第一预设电压信号的幅值。

另一方面，本发明提供一种轨道车辆，轨道车辆包括如上所述的直流回路过压保护系统。

本发明提供的直流回路过压保护系统及轨道车辆，直流回路过压保护系统包括：电信号采集单元、电压比较单元和放电单元，其中，电信号采集单元的输入端和输出端分别与直流回路和电压比较单元的输入端连接，电信号采集单元用于采集直流回路中的电信号，并向电压比较单元发送电压信号；电压比较单元包括第一电压比较模块和第二电压比较模块，第二电压比较模块包括比较器，第一电压比较模块的输入端和比较器的第一输入端均与电信号采集单元连接，第一电压比较模块和比较器的输出端均与放电单元连接；电压信号大于第一预设电压信号且电压信号小于第二预设电压信号时，由第一电压比较模块向放电单元发送过压保护信号；电压信号大于第二预设电压信号时，由比较器向放电单元发送过压保护信号，过压保护信号用于使放电单元对直流回路进行放电；其中，第二预设电压信号大于第一预设电压信号。这样在电压信号大于第一预设电压信号时，第一电压比较模块对电压信号采集不及时或者是对电压信号处理不及时，导致电压信号大于第二预设电压信号的情况下，可以由比较器及时、有效的对电压信号进行采集和处理，保证直流回路过压保护的及时性和有效性，避免对变流装置造成伤害。

附图说明

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使用的附图作一简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的直流回路过压保护系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的直流回路过压保护系统的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的直流回路过压保护系统的一种具体结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的直流回路过压保护系统的另一种具体结构示意图。

附图标记说明：

100—电压传感器；200—主控微机；300—过压放电装置；400—放电电阻；1—电信号采集单元；11—电流型电压传感器；12—电流-电压转换电路；13—电压型电压传感器；2—电压比较单元；21—第一电压比较模块；211—处理器；22—第二电压比较模块；221—比较器；23—预输出模块；3—放电单元；31—放电开关；32—放电电阻。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

轨道车辆的牵引传动系统一般由发电机、整流器、逆变器和牵引电机组成，发电机产生三相交流电，产生的交流电经整流器转化为直流电，直流电在通过逆变器又转换为交流电输出给牵引电机，以使牵引电机带动车辆运行。在这交流电转换为直流电再转换为交流电的过程中，最初由发电机产生的交流电便变成为牵引电机中的持续、稳定的交流电，以使车辆平稳、安全、可靠的运行。

直流回路过压保护系统设置于上述整流器和逆变器之间，用于监测直流回路上的电压信号，当直流回路中的电压超过允许值时，依靠过压保护系统中的放电电阻对过电压进行消耗，以此实现直流回路过压保护，避免过电压对整流器、逆变器等变流装置造成伤害，避免击穿事故的发生。

但传统的直流回路过压保护系统，当直流回路中的电压超过允许值时，仅仅依靠轨道车辆的主控微机对过电压信号进行传递和处理，由于主控微机对电压信号的采集及处理都具有一定的周期性，往往会导致对过电压信号的采集和处理不及时，进而造成放电电阻对过电压的消耗也发生延迟，不能够及时、有效的消除过电压，就会由于保护不及时导致变流装置发生击穿事故。

有鉴于此，本发明实施例一提供了一种直流回路过压保护系统，图2为本发明实施例一提供的直流回路过压保护系统的结构示意图。如图2所示，本发明提供一种直流回路过压保护系统，包括：电信号采集单元1、电压比较单元2和放电单元3，其中，

电信号采集单元1的输入端和输出端分别与直流回路和电压比较单元2的输入端连接，电信号采集单元1用于采集直流回路中的电信号，并向电压比较单元2发送电压信号。

本发明实施例一提供的直流回路过压保护系统设置于如上所述的整流器和逆变器之间的直流回路中。如图2所示，本发明实施例一提供的直流回路过压保护系统由电信号采集单元1、电压比较单元2和放电单元3三部分组成。其中，电信号采集单元1的输入端和直流回路连接，其输出端和电压比较单元2的输入端连接，电信号采集单元1可采集直流回路中的电信号，并且将电压信号发送至电压比较单元2。其中，电信号采集单元1采集的直流回路中的电信号可以是电流信号，也可以是电压信号；若为电流信号，则电信号采集单元1需要将电流信号转换为电压信号之后，在发送至电压比较单元2；若为电压信号，则电信号采集单元1可直接向电压比较单元2发送所采集的电信号。

电压比较单元2包括第一电压比较模块21和第二电压比较模块22，第二电压比较模块22包括比较器221，第一电压比较模块21的输入端和比较器221的第一输入端均与电信号采集单元1连接，第一电压比较模块21和比较器221的输出端均与放电单元3连接。

如图2所示，电压比较单元2包括第一电压比较模块21和第二电压比较模块22，这两个电压比较模块的输入端均和电信号采集单元1连接，输出端均与放电单元3连接。两者都用于将电信号采集单元1发送的电压信号与自身设置的不同的预设电压信号进行比较，在电压信号大于自身设置的预设电压信号时，将电压信号发送至放电单元3，由放电单元3对电压信号进行放电处理。

其中，第二电压比较模块22为比较器221，比较器221可以是电压比较器或电流比较器。若比较器221是电压比较器，则可对电信号采集单元1发送的电压信号与自身的预设电压信号进行直接比较；若比较器221是电流比较器，则可以选择与电流比较器串接电阻的方式来产生预设电压信号，达到比较电信号采集单元1发送的电压信号与自身预设电压信号的目的。

电压信号大于第一预设电压信号且电压信号小于第二预设电压信号时，由第一电压比较模块21向放电单元3发送过压保护信号；电压信号大于第二预设电压信号时，由比较器221向放电单元3发送过压保护信号，过压保护信号用于使放电单元3对直流回路进行放电；其中，第二预设电压信号的幅值大于第一预设电压信号的幅值。

电压比较单元2中的第一电压比较模块21和第二电压比较模块22，实质上是对电信号采集单元1发送的电压信号进行二级处理。具体的，第一电压比较模块21可对大于第一预设电压信号的电压信号进行采集和处理，将大于第一预设电压信号的电压信号发送至放电单元3，由放电单元3进行放电处理；而由于第一电压比较模块21对电压信号的采集或处理不及时的情况下，输出至放电单元3的电压信号就会出现延迟现象，进一步导致放电单元3对过电压的消耗一直处于滞后状态，这会导致电压信号进一步增大，由于对过电压的处理不及时，而引发变流装置的击穿事故。

因此，如图2所示，本发明实施例一在第一电压比较模块21的基础上，又引入了第二电压比较模块22，也就是比较器221，对电压信号进行二级处理。具体的，比较器221可在电压信号大于第二预设电压信号时，直接由比较器221将电压信号发送至放电单元3进行放电处理。即是说，当第一电压比较模块21无法及时、有效的将电压信号发送至放电单元3，从而使已经大于第一预设电压信号的电压信号进一步增大，进而大于第二预设电压信号后，将电压信号发送至放电单元3便不再由第一电压比较模块21进行，而是通过比较器221进行发送。

由于比较器221为纯硬件电路，结构简单、灵敏度高，响应速度和传输速度快，延迟时间非常短，因此，比较器221可做到将电压信号及时、有效的发送至放电单元3，以使放电单元3及时对过电压进行放电处理，可确保直流回路得到及时、有效的保护，不会导致整流器、逆变器等装置由于过压而发生击穿事故。

可选的，电信号采集单元1包括电流型电压传感器11和电流-电压转换电路12，其中，

电流型电压传感器11分别与直流回路和电流-电压转换电路12的输入端连接，电流型电压传感器11用于输出电流信号；

电流-电压转换电路12的输出端与电压比较单元2连接，电流-电压转换电路12用于将电流信号转换为电压信号。

图3为本发明实施例一提供的直流回路过压保护系统的一种具体结构示意图。如图3所示，电信号采集单元1由电流型电压传感器11和电流-电压转换电路12组成，电流型电压传感器11的输入端和直流回路连接，其可采集直流电路中的直流母线电压，并成比例相应的输出小电流信号，例如采集的直流母线电压为5000v，则电流型电压传感器11输出5ma的电流信号。

由于电压比较单元2是用来比较直流回路中的电压信号与自身的预设电压信号的，因此，发送至电压比较单元2的应为电压信号。所以，在电流型电压传感器11的基础上，本发明实施例一还增加了电流-电压转换电路12。电流-电压转换电路12的输入端和电流型电压传感器11的输出端连接，用于将电流型电压传感器11采集的直流回路中的电流信号转换为电压信号；电流-电压转换电路12的输出端和电压比较单元2连接，用于将直流回路中的电压信号发送至电压比较单元2，电压比较单元2通过比较直流回路中的电压信号与自身的预设电压信号，若直流回路中的电压信号大于预设电压信号，则将电压信号发送至放电单元3，由放电单元3对电压信号中的过电压进行放电处理。

具体的，电流型电压传感器11采集直流电路中的电压信号，并将电压信号以电流的形式发送至电流-电压转换电路12，电流-电压转换电路12将电流信号转换为电压信号并发送至电压比较单元2，若电压信号大于第一预设电压信号而小于第二预设电压信号，则由第一电压比较模块21向放电单元3发送过压保护信号，即是说，电压信号经第一电压比较模块21向放电单元3传输，放电单元3对直流电路进行放电；若电压信号大于第二预设电压信号，则由充当第二电压比较模块22的比较器221向放电单元3发送过压保护信号，即是说，电压信号经比较器221向放电单元3传输，放电单元3对直流电路进行放电。

可选的，放电单元3包括放电开关31和放电电阻32，其中，

放电开关31的第一输入端与电压比较单元2的输出端连接，放电开关31的输出端与放电电阻32的一端连接；

放电开关31的第二输入端及放电电阻32的另一端分别与直流回路连接。

如图3所示，放电单元3由放电开关31和放电电阻32组成。其中，放电开关31的第一输入端与电压比较单元2的输出端连接，放电开关31的第二输入端与直流回路连接，放电开关31的输出端与放电电阻32的输入端连接，放电电阻32的输出端与直流回路连接。

当电压比较单元2监测到直流回路中存在过电压时，无论电压信号是通过第一电压比较模块21还是通过第二电压比较模块22的比较器221传输至放电单元3，只要是放电单元3接收到了过压保护信号，则放电开关31导通，将直流回路中的电压信号发送至与其连接的放电电阻32，电压信号中的一部分电压，即过电压，便会被放电电阻32消耗。

从电信号采集单元1对直流电路中的电信号的采集，并将直流电路中的电压信号发送至电压比较单元2，若直流电路中存在过电压，电压比较单元2向放电单元3发送过压保护信号，放电单元3接收到过压保护信号，放电开关31导通，直流电路中的过电压便会在放电电阻32上被消耗，这便是本实施例提供的直流回路过压保护系统对直流回路进行过压保护的一个完整流程。其中值得注意的是，本实施例的电压比较单元2包括第一电压比较模块21和第二电压比较模块22，可实现对直流回路的电压信号的二级处理，在第一电压比较模块21无法及时、有效传输和处理电压信号的情况下，启动第二电压比较模块22的比较器221，对电压信号进行及时、有效的传输和处理，可确保系统对直流回路进行过压保护的及时性和有效性。

进一步的，放电开关31可以为绝缘栅双极型晶体管igbt。

具体的，放电开关31为绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)。当放电单元3接收到电压比较单元2发送的过压保护信号后，igbt导通，将直流回路中的过电压在放电电阻32上进行消耗，以此实现对直流回路的过压保护。

igbt是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点，其驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于直流电压为600v及以上的变流系统，如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

可选的，电压比较单元2还包括预输出模块23，预输出模块23与比较器221的第二输入端连接，用于向比较器221发送第二预设电压信号。

如图3所示，电压比较单元2中还包括有预输出模块23，预输出模块23和比较器221连接，具体的，预输出模块23和比较器221的第二输入端连接。由于比较器221用于将电信号采集单元1发送的直流回路的电压信号与第二预设电压信号进行比较，所以，比较器221的两个输入端应分别输入直流回路的电压信号和第二预设电压信号。在本实施例中，具体的，比较器221的第一输入端输入直流回路的电压信号，比较器221的第二输入端输入第二预设电压信号。这其中，第二预设电压信号便是由预输出模块23发送的。

进一步的，预输出模块23可以包括直流电源，直流电源用于产生第二预设电压信号。

作为一种具体的实施方式，本实施例选择直流电源作为预输出模块23，直流电源与比较器221的第二输入端连接，其用于产生第二预设电压信号，并将第二预设电压信号发送至比较器221。自然地，预输出模块23不仅可以是直流电源，也可以是电阻或其他用电器，预输出模块23只要是可以产生第二预设电压信号的器件即可，本实施例不作具体限制。

可选的，第一电压比较模块21包括处理器211，处理器211为轨道车辆的主控微机；

主控微机用于获取电压信号，在电压信号大于第一预设电压信号且电压信号小于第二预设电压信号时，向放电单元3发送过压保护信号。

具体的，电压比较单元2中的第一电压比较模块21为处理器211，处理器211可获取电信号采集单元1发送的直流回路的电压信号，并将直流回路的电压信号与存储于自身的预设电压信号进行比较，当直流回路的电压信号大于预设电压信号时，处理器211便向放电单元3发送过压保护信号，放电单元3接收到过压保护信号之后，放电开关31导通，将直流回路的过电压在放电电阻32上进行消耗。

一种具体的实施方式是，在轨道车辆系统中，上述处理器211为车辆的主控微机，主控微机可获取电信号采集单元1发送的直流回路的电压信号，并且将直流回路的电压信号与存储于主控微机内部的第一预设电压信号进行比较，当直流回路的电压信号大于主控微机内部存储的第一预设电压信号时，主控微机会向放电单元3发送过压保护信号，放电单元3接收到主控微机发送的过压保护信号之后，放电开关31导通，将直流回路的过电压在放电电阻32上进行消耗。

值得注意的是，轨道车辆的主控微机接收和处理电信号采集单元1发送的直流回路的电压信号具有一定的周期性，在电压信号超过第一预设电压信号后，往往无法及时、有效的将电压信号发送至放电单元3，导致放电电阻32对直流回路的过电压的消耗比较滞后，无法及时将过电压消耗掉，这会进一步导致电压信号增大，无法做到对直流回路进行及时、有效的保护。

因此，在主控微机无法及时、有效处理电信号采集单元1发送的直流回路的电压信号的情况下，当电压信号逐渐增大至大于第二预设电压信号后，本实施例采用为纯硬件电路的比较器221对上述电压信号进行传输和处理，通过比较器221将电压信号发送至放电单元3进行过电压消耗，以此来确保系统对直流回路过压保护的及时性和有效性。

另外，第二预设电压信号的幅值和第一预设电压信号的幅值可根据直流回路的具体需求来设定，本实施例不作具体限制。其中，第二预设电压信号的幅值与第一预设电压信号的幅值之间的差值越小，对比较器221的触发更及时，系统对直流回路的过压保护也就更有效、更完全。

进一步的，比较器221可以为电压比较器。

具体的，作为第二电压比较模块22的比较器221可以选择电压比较器，电压比较器的第一输入端与电信号采集单元1的输出端连接，用于将电信号采集单元1采集的直流电路的电压信号传输给电压比较器，电压比较器的第二输入端与上述预输出模块23连接，用于将第二预设电压信号传输至电压比较器；电压比较器的输出端与放电单元3连接，电压比较器将直流电路的电压信号与第二预设电压信号进行比较之后，若直流电路的电压信号大于第二预设电压信号，电压比较器向放电单元3发送过压保护信号，放电单元3接收到过压放电保护信号之后，放电开关31导通，将直流回路的过电压在放电电阻32上进行消耗。

实施例二

图4为本发明实施例二提供的直流回路过压保护系统的另一种具体结构示意图。如图4所示，本实施例中，直流回路过压保护系统的整体结构与实施例一中的直流回路过压保护系统的类似，所不同的是，本实施例的直流回路过压保护系统中，电信号采集单元1包括电压型电压传感器13，其中，

电压型电压传感器13分别与直流回路和电压比较单元2连接，电压型电压传感器13用于输出电压信号。

电压型电压传感器13可直接采集直流回路的直流母线电压，并成比例的相应输出小电压信号，例如采集的直流母线电压为5000v，则电压型电压传感器输出5v的电压信号。因此，不必像实施例一中的电流型传感器输出的是电流信号，还需要增加电流-电压转换电路12将电流信号转换为电压信号，本实施例的电压型电压传感器13可以只包括电压型电压传感器13。

其中，电压型电压传感器13的输入端和直流回路连接，用于采集直流回路的电压信号，电压型电压传感器13的输出端和电压比较单元2连接，用于将直流回路的电压信号发送至电压比较单元2，以使电压比较单元2将直流回路的电压信号与预设电压信号作比较，当直流回路的电压信号大于预设电压信号时，电压比较单元2向放电单元3发送过压保护信号，放电单元3接收到过压保护信号后，对直流电路的过电压进行放电。

具体的，电压比较单元2包括第一电压比较模块21和作为第二电压比较模块22的比较器221，当直流回路的电压信号大于第一预设电压信号并小于第二预设电压信号时，由第一电压比较模块21向放电单元3发送过压保护信号；当直流回路的电压信号大于第二预设电压信号时，由比较器221向放电单元3发送过压保护信号。

实施例三

本发明实施例三提供一种轨道车辆，轨道车辆包括如上所述的直流回路过压保护系统。

本实施例提供的轨道车辆包括如实施例一或实施例二提供的直流回路过压保护系统，直流回路过压保护系统用于对轨道车辆的电力系统中的整流器和逆变器之间的直流回路进行过压保护。

如上所述，直流回路过压保护系统包括电信号采集单元、电压比较单元和放电单元。

其中，电信号采集单元的输入端与直流回路连接，输出端与电压比较单元连接，电信号采集单元包括电流型电压传感器和电流电压转换电路，或电信号采集单元包括电压型电压传感器，电信号采集单元用于采集直流回路的电信号并以电压信号的形式发送至电压比较单元。

电压比较单元的输入端和电信号采集的输出端连接，输出端与放电单元连接，电压比较单元用于将电信号采集单元发送的直流回路的电压信号与预设电压信号进行比较，在直流回路的电压信号大于预设电压信号时向放电单元发送过压保护信号。具体的，电压比较单元包括第一电压比较模块和作为第二电压比较模块的比较器，预设电压信号包括第一预设电压信号和第二预设电压信号，当直流回路的电压信号大于第一预设电压信号并且小于第二预设电压信号时，由第一电压比较模块向放电单元发送过压保护信号；当直流回路的电压信号大于第二预设电压信号时，由比较器向放电单元发送过压保护信号。

放电单元的输入端与电压比较单元连接，输出端与直流回路连接，用于接收到电压比较单元发送的过压保护信号之后，对直流电路的过电压进行放电。

本实施例中轨道车辆的直流回路过压保护系统，在第一电压比较模块无法及时、有效传输和处理直流电路的电压信号的情况下，通过设置第二电压比较模块，即比较器，可以及时、有效的对直流回路的电压信号进行传输和处理，将过压保护信号发送至放电单元，以使放电单元及时、有效的对直流回路的过电压进行放电，确保系统对直流回路的过压保护的及时性和有效性，避免由于保护不及时而造成的整流器和逆变器等变流装置的击穿事故。

本发明提供的直流回路过压保护系统及轨道车辆，直流回路过压保护系统包括：电信号采集单元、电压比较单元和放电单元，其中，电信号采集单元的输入端和输出端分别与直流回路和电压比较单元的输入端连接，电信号采集单元用于采集直流回路中的电信号，并向电压比较单元发送电压信号；电压比较单元包括第一电压比较模块和第二电压比较模块，第二电压比较模块包括比较器，第一电压比较模块的输入端和比较器的第一输入端均与电信号采集单元连接，第一电压比较模块和比较器的输出端均与放电单元连接；电压信号大于第一预设电压信号且电压信号小于第二预设电压信号时，由第一电压比较模块向放电单元发送过压保护信号；电压信号大于第二预设电压信号时，由比较器向放电单元发送过压保护信号，过压保护信号用于使放电单元对直流回路进行放电；其中，第二预设电压信号大于第一预设电压信号。这样在电压信号大于第一预设电压信号时，第一电压比较模块对电压信号采集不及时或者是对电压信号处理不及时，导致电压信号大于第二预设电压信号的情况下，可以由比较器及时、有效的对电压信号进行采集和处理，保证直流回路过压保护的及时性和有效性，避免对变流装置造成伤害。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。