一种应急牵引工况下的辅助备用电源的制作方法

1.本发明涉及轨道交通技术，具体涉及一种应急牵引工况下的辅助备用电源。


背景技术：

2.一般城市轨道交通地铁牵引系统包含牵引变流器、辅助变流器、牵引电机、制动等部分组成，由牵引变流器带动牵引电机实现列车的正常运行，由制动电阻消耗制动时电机反转产生的能量或采用空压机为气制动提供气压，同时必须由辅助变流器为牵引变流器、制动电阻散热风机和空气压缩机提供供电电源，以确保牵引变流器和制动电阻的正常散热，空气压缩机的正常工作。当一台辅助故障时，由其他车的辅助进行扩展供电。
3.随着轨道交通的迅速发展，越来越多的车型得到客户的青睐和使用，特别是中低运量的轨道客车，这种车型编组少且灵活，如香港lrv，采用独立、灵活的编组方案，具体如下三种编组：dc车dc车+mt车dc车+dc车dc带司机室的动车，mt无司机室的动车，可单独运行或编组运行，无扩展供电功能；每车由两组牵引变流器和一个辅助变流器组成，当一个牵引变流器故障时，另一个牵引变流器依然可以运行，保证车辆的正常行驶。为保证灵活编组，其中各个车输入高压母线和输出交流母线不贯通，在车辆运行时无法实现扩展供电，该情况下当辅助故障时，整车无交流380v，包括牵引变流器的冷却风机，因此牵引变流器同时也无法工作，整车无冗余应急方案，在辅助变流器故障时，整车瘫痪，只能靠拖车拖走，影响线路正常运行。


技术实现要素：

4.本发明的急牵引目的在于提出一种应工况下的辅助备用电源。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种应急牵引工况下的辅助备用电源，包括输入预充电路、三相逆变电路、lc滤波电路和输出配电单元四个部分；外部dc750v电源通过连接器xs1
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a1\a2接入，通过内部输入防反二极管接入预充电电路；预充电电路用于根据其输入、输出电压对dc
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link电容进行预充电；三相逆变电路用于将预充电电路的输出从直流变换到交流；lc滤波电路用于抑制三相逆变电路交流输出的高次谐波，将三相逆变电路输出滤波为平滑的正弦波；输出配电单元用于bui与外部siv的供电切换、分时启动及系统逻辑的实现。
6.进一步的，所述预充电电路包括预充电接触器、预充电电阻、主接触器、dc
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link电容和放电电阻、输入电压传感器和电容电压传感器，高压直流母线电压正通过xs
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a1接到二极管的阳极，二极管的阴极接到主接触器的一端，同时接到预充电接触器一端，主接触的另一端接到输出1，预充电接触器的另一端接到预充电电阻的一端，预充电电阻的另一端接输出1，高压直流母线负通过xs1
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a2接入输出点2，输入防反二极管的阴极同时接到输入电压
传感器的一端，输入电压传感器的另一端接输出点2，电容电压传感器的一端接输出点1，另一端接输出点2，dc
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link电容一端接输出点1，另一端接输出点2，放电电阻一端接输出点1，另一端接输出点2。
7.进一步的，所述三相逆变电路采用6个igbt组成的三相全控逆变电路，三个桥臂上分别并联第一至第三snubber吸收电容，用于igbt上电压尖峰的吸收。
8.进一步的，所述lc滤波电路包含三相滤波电抗器，第一至第三输出滤波电容，第一至第三输出电流传感器和第一至第二输出电压检测传感器，三相逆变电路输出的3、4、5点分别通过第一至第三电流传感器接到三相滤波电抗器l1的1、3、5点，三相滤波电抗器输出2、4、6点分别接输出点6、7、8，第一电压传感器一端接输出点6，另一端接输出点7，第二电压传感器一端接输出点7，另一端接输出点8，第一滤波电容一端接输出点7，另一端接输出点8，第二滤波电容一端接输出点6，另一端接输出点7，第三滤波电容一端接输出点6，另一端接输出点8。
9.进一步的，所述输出配电单元包含第一至第二输出交流接触器，第一至第二电动操作断路器和继电器，lc滤波电路输出的6、7、8点分别接到第一输出接触器的1、3、5点位，第一输出接触器的2、4、6点位分别接到输出连接器的b4、b5、b6，第一输出连接器的b4、b5、b6分别接到牵引冷却风机的u、v、w，同时输出接触器的2、4、6点位分别接到第二输出接触器的1、3、5点位和第一电动操作断路器的1、3、5点位，第二输出接触器的2、4、6点位接到第一输出连接器的b7、b8、b9，第一输出连接器的b7、b8、b9接到空气压缩机的u、v、w，第一电动操作断路器的2、4、6点位分别接到第一输出连接器的b1、b2、b3，第一电动操作断路器的2、4点位分别接继电器的a
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和a+点位，第一输出连接器的b1、b2、b3分贝接到辅助变流器的u、v、w，同时接到第二电动操作断路器的2、4、6点位，第二电动操作断路器的1、3、5点位分别接到空压机的u、v、w。
10.更进一步的，所述第一至第二输出交流接触器，第一至第二电动操作断路器和继电器通过bui内部控制板完成整个系统工作逻辑状态，dc24v+信号接到第一输出接触器的常闭辅助触点31，辅助触点的另一端32接第二继电器的常闭辅助触点21，辅助触点的另一端22通过第二输出连接器的b4接到外部siv故障警示灯的1+，指示灯的2
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接dc24v
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；dc24v+信号接到第一电动操作断路器辅助电容操作装置的8点位，控制板的x6
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7、x6
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8分别接到第一电动操作断路器辅助电动操作装置的6和7点位，同时6点位接到继电器常开辅助触点的31，辅助触点的另一端34通过第二连接器的b5接到错误警示灯的1+，指示灯的2
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接到dc24v
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信号，第一电动操作断路器辅助电动操作装置的7点位同时通过第二输出连接器的b7接到第二外部继电器的线圈a+，线圈a
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接dc24v
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信号，主控板的x15
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1接第一电动操作断路器辅助电动操作装置的11点位，主控板的x15
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4接第一电动操作断路器辅助电动操作装置的9点位，主控板的x15
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2接继电器的常闭辅助触点41，辅助触点的另一端42接第一电动操作断路器辅助电动操作装置的10点位，第一电动操作断路器辅助电动操作装置的1和2点位分别接dc24v+和dc24v
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供电电源；dc24v+信号通过第一输出连接器的b20接到第二电动操作断路器辅助电动操作装置的8点位，控制板的x6
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5、x6
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6分别通过第一输出连接器的b18、b19接到第二电动操作断路器辅助电动操作装置的6和7点位，第二电动操作断路器辅助电动操作装置的1和2点位分别接dc24v+和dc24v
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供电电源，控制板的x15
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5\6\8分别通过第一连接器的b14、b15、b16接到第二电动操作断路器辅助电动操作装置的11、10、9点位，
同时第二电动操作断路器辅助电动操作装置的9点位接到重置按钮的1，重置按钮的2通过第二输出连接器的b2接到第二输出接触器常闭辅助触点的22，辅助触点的另一端21通过第二输出连接器的b1接到第二电动操作断路器辅助电动操作装置的11点位；控制板的x1
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2和x1
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3分别通过第一输出连接器b10、b11接到dc24v+和dc24v
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供电信号；dc24v+信号接到第一输出接触器常开辅助触点21，辅助触点的另一端24通过第一输出连接器的b17接到第一外部继电器的线包a+，线包a
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接到dc24v
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信号，同时第一输出接触器辅助触点的24通过第二输出连接器的b6接到bui运行指示灯的1+，指示灯的2
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接到dc24v
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信号；控制板的x7
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7接到第一输出接触器的线包a+，线包a
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通过第二输出连接器的b3连接dc24v
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信号；dc24v+信号通过第一输出连接器的b12连到启动按钮的一端，按钮的另一端通过第一输出连接器b13连到继电器的辅助触点12，辅助触点的另一端11连到控制板的x6
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9。
11.更进一步的，所述控制板完成整个系统工作逻辑状态，第一和第二输出交流接触器分时启动，确保其后面负载分时得电，第一和第二电动操作断路器控制bui与外部siv切换供电的转换，具体过程如下：（一）工作状态一，siv正常情况下，第一和第二电动操作断路器处于闭合状态，外部siv输出通过第一电动操作断路器给牵引冷却风机供电，通过第二电动操作断路器给空气压缩机供电，保证车辆牵引和制动正常工作，bui检测到第一和第二电动操作断路器闭合反馈信号不启动工作；如果第二电动操作断路器起始状态为断开时，则通过重置按钮使其闭合；（二）工作状态二，当外部siv发生不可恢复的故障时，司机室siv故障警示灯被点亮，提醒司机siv故障，启动应急预案，按下启动按钮，bui变流器通过继电器自动检测到失电信号，当启动按钮被按下时，控制板发出断开第一和第二电动操作断路器的指令，并在接下来的5s左右完成变流器的启动过程，在接到启动指令后，闭合第一输出接触器完成变流器输出，先启动牵引冷却风机运行；间隔3秒后，控制板发出第二输出接触器闭合指令，启动空压机运行，完成冷却风机和空压机的分时启动；外部siv失电后，继电器失电断开，继电器常闭辅助触点41、42闭合，bui发出第一和第二电动操作断路器的断开信号；第一输出接触器，其辅助常开辅助触点21、24闭合，位于司机室的bui运行指示灯被点亮，告知司机bui工作状态；同时通过第一输出连接器的xs1
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b17控制第一外部继电器吸合，将bui运行状态送至牵引变流器；第一电动操作断路器断开状态下，如果siv恢复供电，则继电器突然得电，继电器常开辅助触点31、34闭合，此时司机室错误警示灯被点亮；（三）工作状态三，bui工作状态下，当外部siv修复后或自恢复后，继电器自动检测到siv得电信号，控制板发出第一和第二输出交流接触器关断指令，断开第一和第二输出交流接触器停止输出，再间隔1.5s后，发出第一和第二电动操作断路器闭合指令，在共11.5s的时间内，间断发送3次，直至接到正常断开的反馈信号即停止发送，由外部siv正常供电。
12.一种应急牵引工况下的辅助备用电源控制方法，基于所述的应急牵引工况下的辅助备用电源，在列车辅助变流器故障时为牵引变流器散热风机和空气压缩机提供ac380v供电。
13.本发明与现有技术相比，其显著优点为：能够在列车辅助变流器故障时，为牵引变流器散热风机和空气压缩机供电ac380v，以确保辅助变流器故障情况下的应急牵引，满足车辆运行的需要，避免列车因辅助变流器故障而瘫痪在线路上。
附图说明
14.图1是应急牵引工况下的辅助备用电源的主电路拓扑图。
15.图2是输入预充电电路图。
16.图3是预充电过程电压变化曲线图。
17.图4是三相逆变电路图。
18.图5是lc滤波电路图。
19.图6是输出配电单元电路图。
20.图7是控制逻辑电路图。
21.图8是aux
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mcb示意图。
22.图9是控制单元示意图。
具体实施方式
23.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
24.本发明为列车牵引系统提供一种应急工况下的辅助备用电源，采用车底吊挂的安装方式，输入电压和原辅助变流器一样为列车输入dc750v高压母线，拓扑采用三相全控逆变电路，输出为3ac380v。该电源是一种冗余设计，设置该辅助备用电源，可以有效解决在列车辅助变流器故障情况下，牵引系统瘫痪的问题；该辅助备用电源仅考虑辅助变流器故障时牵引变流器风机和空气压缩机供电，不为其他辅助设备供电（如空调）。
25.如图1所示，主电路拓扑分为输入预充电路、三相逆变电路、lc滤波电路和输出配电单元四个部分。
26.外部dc750v电源通过连接器xs1
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a1\a2接入，通过内部输入防反二极管d1接入预充电电路。如图2所示，预充电电路有预充电接触器km2、预充电电阻rc、主接触器km1、dc
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link电容c1和放电电阻rf组成，另外还包含输入电压传感器tv1和电容电压传感器tv2。高压直流母线电压正通过xs
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a1接到二极管d1的阳极，二极管的阴极接到主接触器km1的一端，同时接到预充电接触器km2一端，主接触km1的另一端接到输出1，预充电接触器km2的另一端接到预充电电阻rc的一端，预充电电阻rc的另一端接输出1，高压直流母线负通过xs1
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a2接入输出点2，输入防反二极管d1的阴极同时接到输入电压传感器tv1的一端，输入电压传感器tv1的另一端接输出点2，电容电压传感器tv2的一端接输出点1，另一端接输出点2，dc
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link电容c1一端接输出点1，另一端接输出点2，放电电阻rf一端接输出点1，另一端接输出点2。
27.外部电源接入后，电压传感器tv1检测到正常输入电压时，通过控制单元发送预充电接触器km2吸合指令，由预充电电阻rc给dc
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link电容充电，由电压传感器tv2检测电容电压，当该电压与输入电压差值小于一定值时，控制单元发送主接触器km1闭合指令，完成预充电过程。图3显示了输入电压的波形和变流器内部dc
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link电容电压在预充电过程的关系。
28.三相逆变电路实现从直流到交流的变换。如图4所示，该部分采用了3个模块igbt1\igbt2\igbt3共6个igbt组成的三相全控逆变电路，c2、c3、c4为每个模块上并联的
snubber吸收电容，用于igbt上电压尖峰的吸收。该三相逆变器采用正弦脉宽调制svpwm技术完成有多重保护性能的三相交流电输出。如图4，预充电电路的输出1同时接到功率开关管igbt1、igbt2、igbt3的c1，预充电电路输出2同时接到功率开关管igbt1、igbt2、igbt3的e2，igbt1的e1c2接到输出3点，igbt2的e1c2接到输出4点，igbt3的e1c2接到输出5点，电容c2的两端分别接到igbt1的c1和e2，电容c3的两端分别接到igbt2的c1和e2，电容c4的两端分别接到igbt3的c1和e2。
29.为了保证输出交流电源的质量，减少高次谐波的含量，三相变流器的后极设计了典型的lc滤波电路。如图5所示，该电路包含三相滤波电抗器l1，输出滤波电容c5、c6、c7，输出电流传感器ta1、ta2、ta3和输出电压检测传感器tv3、tv4，以获取完全近似正弦波的高品质交流输出电源。如图5，三相逆变电路输出的3、4、5点分别穿过第一至第三电流传感器ta1、ta2、ta3接到三相滤波电抗器l1的1、3、5点，三相滤波电抗器输出2、4、6点分别接输出点6、7、8，电压传感器tv3一端接输出点6，另一端接输出点7，电压传感器tv4一端接输出点7，另一端接输出点8，第一滤波电容c5一端接输出点7，另一端接输出点8，第二滤波电容c6一端接输出点6，另一端接输出点7，第三滤波电容c7一端接输出点6，另一端接输出点8。
30.如图6所示，输出配电单元包含输出交流接触器kj1、kj3，电动操作断路器mcb1、mcb2（位于bui外部）和继电器kj2。kj1和kj3分时启动，已确保其后面负载分时得电，mcb1、mcb2用于bui与外部siv切换供电的转换。
31.如图7控制逻辑电路图所示，外部siv输出和变流器的输出分别由两个电动操作断路器mcb1、mcb2和三个接触器kj1、kj2、kj3通过bui（back
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up inverter）内部控制板a2的cpu控制，其中mcb1、mcb2作为siv直接供电和bui间接供电的转换器件，kj2用来检测外部siv是否正常，kj1和kj3串联输出，通过cpu控制分时吸合以实现负载风机和空压机的分时启动，控制逻辑如下：（一）工作状态一，siv正常情况下，mcb1、mcb2处于闭合状态，外部siv输出通过mcb1给牵引冷却风机供电，通过mcb2给空气压缩机供电，保证车辆牵引和制动正常工作，bui检测到mcb1和mcb2闭合反馈信号不启动工作。mcb1闭合，通过辅助电动操作装置aux
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mcb1辅助触点7控制外部继电器kk2，通过kk2将mcb1状态信号送至牵引，用于牵引对mcb1状态的检测信号，以判断牵引冷却风机的是否得电工作，同时kj2线圈得电闭合，kj2辅助常闭辅助触点11、12断开，该情况下无法通过外部启动按钮s1启动bui，即siv与bui互锁，避免siv正常输出情况下人为误操作bui启动造成输出380v并联短路环流情况，kj2常闭辅助触点41、42断开，mcb1的10点和11点无法连接，确保siv工作时mcb1不会误动作断开，该情况下如果kj2没有吸合，kj2的常闭辅助触点21、22则没有断开，此时siv故障警示灯hl1被点亮。
32.当mcb2起始状态为断开时，可以通过cz1按钮使其闭合，串联kj3常闭辅助触点21、22，在bui工作后kj3吸合时该按钮无效，已防止bui工作时siv突然得电通过mcb2输出,造成siv输出与bui输出并联短路环流。
33.注：mcb1和mcb2为电动操作断路器，有主体mcb和辅助电动操作装置aux
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mcb组成，如图8所示，1点和2点为外部供电dc24v，3、4、5和6、7、8为两组辅助触点，控制触点为9、10、11。
34.当无外部供电时，断路器可通过手动控制使其处于闭合状态或断开状态；当给外部供电时，可通过控制9点与11点连接，控制其闭合，通过控制11点与10点
连接，控制其断开；（二）工作状态二，当外部siv发生不可恢复的故障时，司机室siv故障警示灯hl1被点亮，提醒司机siv故障，启动应急预案，按下启动按钮s1，bui变流器通过kj2自动检测到失电信号，当启动按钮被按下时，通过cpu发出断开mcb1 mcb2的指令，并在接下来的5s左右完成变流器的启动过程，在接到启动指令后，闭合kj1完成变流器输出，先启动牵引冷却风机运行；间隔3秒后，cpu发出kj3闭合指令，启动空压机运行，完成冷却风机和空压机的分时启动。外部siv失电后，kj2失电断开，kj2常闭辅助触点41、42闭合，bui发出mcb1、mcb2的断开信号；kj1闭合，其辅助常开辅助触点21、24闭合，位于司机室的bui运行指示灯hl3被点亮，告知司机bui工作状态；同时通过连接器的xs1
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b17控制外部继电器kk1吸合，将bui运行状态送至牵引变流器。mcb1断开状态下，如果siv恢复供电，则kj2突然得电，kj2常开辅助触点31、34闭合，此时司机室错误警示灯hl2被点亮。
35.（三）工作状态三，bui工作状态下，当外部siv修复后或自恢复后，kj2自动检测到siv得电信号，立即通过cpu发出kj1、kj3关断指令，断开kj1 kj3停止输出，再间隔1.5s后，cpu发出mcb1 mcb2闭合指令（在共11.5s的时间内，间断发送3次，直至接到正常断开的反馈信号即停止发送），由外部siv正常供电。mcb1 mcb2的控制指令发送方式之所以设定为11.5s，是为了响应mcb的工作特性:在供电5s后才能开始操作，在关断8s后，才能重新闭合。
36.如图9所示，为一块a2控制电路板，采dsp作为控制芯片，包含如下功能：（1）辅助电源，通过外dc24v辅助电源转换成内部控制
±
15v电源、dc5v电源。
37.（2）igbt驱动与保护，通过端子x10输出6路pwm驱动，用于三相逆变器电路6个igbt的开关控制，通过端子x10的oi3、oi4、oi5检测igbt过流信号，用于igbt过流保护。
38.（3）接触器驱动信号，通过端子x7的输出信号控制接触器km1、km2、km3、kj1和kj3的吸合和关断。
39.（4）状态反馈信号，通过端子x6的di0
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di7信号，分别用于接触器km1、km2、kj1、kj3,电动操作断路器mcb1、mcb2的状态检测。
40.（5）各点电压、电流检测，通过端子x11的ad0
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ad6分别用于检测输入电压tv1，电容电压tv2，输出uv线电压tv3，输出vw电压和输出u、v、w三相电流的检测。
41.（6）电动操作断路器mcb1、mcb2的吸合和断开控制，端口x15。
42.（7）rs232通讯端口。
43.本发明还提出一种应急牵引工况下的辅助备用电源控制方法，基于所述的应急牵引工况下的辅助备用电源，在列车辅助变流器故障时为牵引变流器散热风机和空气压缩机提供ac380v供电。
44.综上所述，本发明为列车牵引系统提供一种应急工况下的辅助备用电源，采用车底吊挂的安装方式，输入电压和原辅助变流器一样为列车输入dc750v高压母线，拓扑采用三相全控逆变电路，输出为3ac380v。该电源是一种冗余设计，设置该辅助备用电源，可以有效解决在列车辅助变流器故障情况下，牵引系统瘫痪的问题；该辅助备用电源仅考虑辅助变流器故障时牵引变流器风机和空气压缩机供电，不为其他辅助设备供电（如空调），体积小、重量轻，输出电压稳态精度高，有较强的过载能力和抗负载冲击能力，动态响应快。
45.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛
盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
46.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。