一种基于架控拓扑的小型化大功率牵引辅助一体式变流器的制作方法

本实用新型属于轨道交通设备技术领域，涉及一种变流器，尤其是一种基于架控拓扑的小型化大功率牵引辅助一体式变流器。

背景技术：

随着中国高铁事业的蓬勃发展，中国高铁已然成为一张“金名片”，从最初的技术引进消化吸收，到现在的“复兴号”顺利开通，标志着中国高铁已经完全自主化，具有完全自主知识产权。未来的动车组发展趋势是打造先进成熟、安全可靠、节能环保的动车组系列产品。轻量化、小型化、经济适用、节能环保成为未来动车组及其配套设施要解决的关键问题。

图1是用于速度等级为250km/h的某动车组的牵引变流器电路示意图，牵引变流器由四象限整流器、中间回路和牵引逆变器构成，该图中， 4QC1和4QC2为两个四象限整流器，INV1和INV2为两个牵引逆变器，两个牵引逆变器分别控制一台牵引电机，来实现车辆的牵引和制动控制。中间回路包含电阻、电容、传感器等一系列部件来稳定中间电流的电压值。这种现有方案中，中间电压为3600V，功率器件采用6500V等级的器件，每台牵引电机功率为650kW，一台牵引变流器的牵引功率为 1300kW。但是，这种现有的技术方案存在以下缺陷：

1)中间电压高，部件耐压等级高，体积大，重量重，损耗大。

2)牵引电机台数有限，牵引能力有限，造成整机功率密度低。

3)部件电压等级高，整机成本高。

4)发热电阻采用风冷，电阻体积大，重量重。

5)整机重量过大，体积大，无法满足目前对整机小型化、轻量化的技术特点。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于架控拓扑的小型化大功率牵引辅助一体式变流器。其能够在整车运行速度等级不变的前提下，降低中间电压等级，降低器件电压等级，采用架控的拓扑电路形式，控制多台牵引电机，并且将牵引变流器和辅助变流器和冷却装置集成在一个箱体内，满足动车组的牵引、制动及辅助供电的要求，提高了功率密度，明显降低了体积和重量，减少了成本，满足了动车组整车对部件的小型化、经济性的要求。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种基于架控拓扑的小型化大功率牵引辅助一体式变流器，主电路由牵引变流器和辅助变流器构成，包括牵引变流器、辅助变流器及其冷却系统；其中电网电压经牵引变压器降压后进入牵引变流器，辅助变流器从牵引变流器的中间回路取电，输出采用工频隔离。

进一步，上述牵引变流器包括输入电路，两个四象限整流器4QC1、 4QC2，谐振电路，中间回路和两个牵引逆变器INV1、INV2；四象限整流器4QC1和四象限整流器4QC2分别由牵引变压器的两个绕组供电，每个逆变器为两台并联的牵引电机供电。

进一步，上述四象限整流器由两个相同的四象限功率模块并联组成，每个四象限功率模块内包括若干3300V的IGBT；四象限整流器给牵引逆变器和辅助变流器供电。

进一步，上述牵引逆变器由两个相同的逆变功率模块并联组成，每个逆变功率模块内包括若干3300V的IGBT；牵引逆变器架控控制四台异步牵引电机。

进一步，上述谐振电路：串联谐振电路谐振频率为基波频率的两倍，用来滤除中间回路中两倍于输入电压频率的能量流产生的纹波；谐振电路的结构由谐振电容器和电感器组成，集成在牵引辅助变流器内部。

进一步，上述中间回路由储能电路、测量及保护电路构成。储能电路由中间支撑电容器组成，用以稳定中间回路电压，向牵引电机提供无功功率，同时对四象限整流器和牵引逆变器产生的高次谐波进行滤波。

进一步，本实用新型的基于架控拓扑的小型化大功率牵引辅助一体式变流器包括设置在柜体内的输入电路部分、谐振电容、中间回路部分、两个对称布置的四象限整流器、两个对称布置的牵引逆变器、辅助逆变器、变压器电抗器组件和冷却系统散热器和冷却系统通风机；所述变压器电抗器组件包含工频隔离变压器、直流电抗器、交流电抗器和谐振电感；冷却系统还包含水泵和膨胀水箱，为整个系统进行冷却；还包括将相应的信号传递给控制单元的测量部件，该测量部件包括电压电流传感器、压力传感器和温度传感器。

进一步，以上中间回路部分的慢性放电电阻和接地电阻全部采用水冷电阻，水冷电阻安装在小的水冷基板上，通过快速接头与水冷却主管路的支管连接。

进一步，以上快速接头能够快速插拔，与功率模块水冷板一起通过水循环冷却带走发热电阻的热量。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型基于架控拓扑的小型化大功率牵引辅助一体式变流器是一种小型化大功率的牵引辅助一体集成的装置，通过降低电压等级，部件耐压等级降低，体积和重量得到了有效控制；通过架控的方式控制多台牵引电机，整机牵引功率增大，牵引能力增大，功率密度增大。通过改变发热电阻的冷却方式使得电阻重量和体积大幅度减少。

通过以上方式装置整机体积和重量明显减少，适应了目前对轨道交通车辆小型化和轻量化的要求。

附图说明

图1为现有技术用于速度等级为250km/h的某动车组的牵引变流器电路示意图；

图2为本实用新型的主电路原理图；

图3为本实用新型的水冷却电阻工作示意图；

图4为水冷电阻13和电阻水冷板14的应用示意图。

其中：1为输入电路部分；2为谐振电容；3为中间回路部分；4为两个四象限整流器；5为两个牵引逆变器；6为辅助逆变器；7为变压器电抗器组件；8为冷却系统散热器和冷却系统通风机；9为快速接头；10 为冷却主管路；11为冷却支管；12为功率模块水冷板；13为水冷电阻； 14为电阻水冷板。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

本实用新型基于架控拓扑的小型化大功率牵引辅助一体式变流器，参见图1，主电路由牵引变流器和辅助变流器构成，包括牵引变流器、辅助变流器及其冷却系统；其中电网电压经牵引变压器降压后进入牵引变流器，辅助变流器从牵引变流器的中间回路取电，输出采用工频隔离。

受电弓从25kV的接触网获得电能，通过牵引变压器降压后供给四象限变流器，四象限变流器将牵引变压器二次侧单相交流电转变成 1800V直流电，通过控制使牵引变流器网侧功率因数接近1。中间直流环节的1800V直流电通过牵引逆变器，在牵引控制单元的控制下向牵引电动机提供电压、频率可以调节的电源，实现动车组的牵引制动和速度调节。主电路采用架控方式，每个牵引逆变器架控驱动两台350kW的牵引电机。辅助变流器由牵引变流器中间回路供电，将直流电压变换为3 相380V/50Hz的电压，为辅助负载提供电源。

如图2，整个电路包括四象限整流器4QC1，四象限整流器4QC2，牵引逆变器INV1，牵引逆变器INV2，辅助逆变器INV3，谐振电容器 C31，谐振电容器C32，谐振电感器L1，谐振电感器L2为，工频隔离变压器IVTR，直流电抗器DCL，交流电抗器ACL，交流滤波电容ACC。

其中，在图2中，本实用新型的牵引变流器包括输入电路，两个四象限整流器4QC1、4QC2，谐振电路，中间回路和两个牵引逆变器INV1、 INV2；四象限整流器4QC1和四象限整流器4QC2分别由牵引变压器的两个绕组供电，每个牵引逆变器为两台并联的牵引电机供电。

四象限整流器(也称四象限脉冲整流器)由两个相同的四象限功率模块并联组成，每个四象限功率模块内包括若干3300V的IGBT以及相关器件；四象限整流器给牵引逆变器和辅助变流器供电。

牵引逆变器由两个相同的逆变功率模块并联组成，每个逆变功率模块内包括若干3300V的IGBT以及相应器件；牵引逆变器架控控制四台异步牵引电机。

谐振电路：串联谐振电路谐振频率为基波频率的两倍，用来滤除中间回路中两倍于输入电压频率的能量流产生的纹波；谐振电路的结构由谐振电容器和电感器组成，集成在牵引辅助变流器内部。

中间回路(也称中间直流电路)由储能电路、测量及保护电路构成。储能电路由中间支撑电容器组成，用以稳定中间回路电压，向牵引电机提供无功功率，同时对四象限整流器和牵引逆变器产生的高次谐波进行滤波。本实用新型的最佳实施例中，中间回路电压为1800V，牵引变流器中间电压降低后，四象限整流器和逆变功率模块的功率器件由6500V 将为3300V，无论从体积还是价格方面，都有了很大的优势。

参见图3：基于以上方案，本实用新型的基于架控拓扑的小型化大功率牵引辅助一体式变流器，其整个装置由柜体以及牵引变流器、辅助变流器及其冷却系统三大功能部分组成，具体包括设置在柜体内的输入电路部分1、谐振电容2(谐振电感集成在变压器电抗器组件7中)、中间回路部分3、两个对称布置的四象限整流器4、两个对称布置的牵引逆变器5、辅助逆变器6、变压器电抗器组件7和冷却系统散热器和冷却系统通风机8；所述变压器电抗器组件7包含工频隔离变压器、直流电抗器、交流电抗器和谐振电感；冷却系统还包含水泵和膨胀水箱，为整个系统进行冷却；另外，该装置还包括将相应的信号传递给控制单元的一系列测量部件，这些测量部件包括有电压电流传感器、压力传感器和温度传感器等部件。装置工作时会将相应的信号传递给控制单元，通过一系列复杂的控制和保护动作来保证装置的正常工作。

参见图4：中间回路部分3的慢性放电电阻和接地电阻全部采用水冷电阻13，水冷电阻13安装在小的电阻水冷板14上，通过快速接头9 与冷却主管路10的冷却支管11连接。快速接头9能够快速插拔，且不漏液，与功率模块水冷板12一起通过水循环冷却带走发热电阻的热量，从而保证部件的正常工作。本实用新型的发热电阻通过水循环冷却，电阻体积重量大幅度降低，重量减少大约30％，体积减小50％，适应了目前动车组小型化、轻量化的要求。

在本实用新型的最佳实施例中，牵引变流器内部每个逆变器架控驱动2台牵引电机，整台变流器驱动4台牵引电机，每台牵引电机功率为 350kW，整机功率为1400kW，对比已有方案的1300kW，牵引功率更大，装置体积减小，功率密度更大。

功率器件电压等级降低，中间回路电压等级降低，整个牵引变流器内部部件电压等级降低，部件重量减轻，电气间隙降低，有效地控制了整机的重量，整机实现了小型化。