CN101222151A - 相互独立互为冗余的车载配电网 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相互独立互为冗余的车载配电网，包括：由受流器、外部供电电网分配器、直线发电机、升压斩波器、蓄电池组组成的主电网和分电网。相互独立互为冗余的主电网分别给不同位置的负载供电。每套主电网配有至少一套应急蓄电池组，一个主电网单元至少由一个连接外部供电线路和发电机的升压斩波器和一路蓄电池充放电线路，以及对应连接升压斩波器的直线发电机组分别组成，外部供电轨直流电通过可自动伸缩受流器，经外部供电车载电网分配器输入至升压斩波器供给电网。每套电网间相互独立，互为冗余，一套电网故障，其它电网能维持列车的安全运行。解决了现有技术一套主电网，在某个直线发电机或负载出现故障，影响整个配电网络的。

Description

相互独立互为冗余的车载配电网
技术领域
本发明涉及一种主要用于高速轨道列车的车载电源配电电网。
技术背景
公知技术中，现行的各种轨道交通工具，大多采用传统的发电机供电或外部输电线路长期供电，最多考虑主配电加应急配电网络，不需要考虑配有四套冗余的电网供电，其配电网络相对简单。不考虑同一工作模块上各工作点负载需分别接入相互独立的供电网，一旦主电网有故障，所有负载将全部停止工作。因为车上有多组相互独立的靠切割磁力线发电的直线发电机，如果采用传统的配电网络，只有一套主电网，一旦某组直线发电机或负载故障，将影响整个配电网络。若仅有一组应急电源供通信***使用，这对于高速运行的列车来说是非常危险的，因此，传统的配电方法用在高速磁浮列车上就无法解决列车平稳运行和应急安全的问题。
传统的各种轨道交通工具配电方式通常是主电源-短路保护装置-汇流装置-用电负载。其配电方式要求有长期接触式的供电线路或带传动装置的发电机供电。这种需要带传动装置的发电机，既占用大量的空间又增加重量，还必须消耗大量的能源，那就失去了高速车节能的目的。如果使用有长期接触式的供电线路，受输电线的影响就无法实现列车悬浮并高速运行。
传统的各种轨道交通工具配电方式无法管理多组独立的蓄电池组，也不能实现蓄电池的大容量供电。传统的配电方式无法处理多个相互独立的直线发电机。
发明内容
本发明目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种在某一套电网有故障时，其它电网能提供稳定直流电供给电网维持列车安全运行，具有备用和紧急电源，能够通过受流器短时外部供电，外部供电仅在列车进站或出站时才使用的相互独立互为冗余的车载电源电网。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种相互独立互为冗余的车载配电网，包括：由受流器、外部供电电网分配器、直线发电机、升压斩波器、蓄电池组、车载电网开关箱组成的主电网和连接主电网的分电网，其特征在于：四套相互独立、互为冗余的主电网分别给不同位置的车载电网负载供电和短时自动连接外部供电轨供电的自动受流器；每套主电网配有一套蓄电池组，且各设有相互独立互为冗余的分电网；一个主电网单元至少由一个连接外部供电线路和发电机的升压斩波器和一路蓄电池充放电线路，以及对应连接升压斩波器的直线发电机组分别组成，外部供电轨直流电通过可自动伸缩受流器，经外部供电车载电网分配器输入至升压斩波器供给电网，当直线发电机被启动发电并将发出的电输送至升压斩波器时，该升压斩波器将直线发电机提供的交流电与外部供电轨提供的直流电处理成稳定的直流电供给电网输送给车载电网负载设备；其中，与车载电网开关箱连接的蓄电池，在列车正常运行时由升压斩波器对其进行充放电管理，并在应急时，通过车载电网开关箱对电网供电。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
本发明同一***具有的四套相互独立互为冗余的车载主电网可分别为不同位置的悬浮、导向电磁铁、空调KLM等车载电网负载供电，能够保证在某一套电网故障时、其它电网能维持列车的安全运行。而且可以把应急用的蓄电池组分成相互独立的四组，能采用独立的充、放电网进行充电和放电管理，增大了整车蓄电池的总容量和安全性，便于紧急时有足够的电能供列车使用。
列车只在进出站由外部供电，沿途不设列车供电线路网，车上不设由传动机构驱动的发电机；独立的直线发电机在列车正常运行自主发电。每五个直线发电机由一个升压斩波器处理，可以将直线发电机分成多组，且相互独立，一旦某组配电网故障，不影响整车运行安全。
全车有四组作为应急备用电源的镍氢蓄电池组，为列车在牵引***失效时的安全制动、通讯、控制、照明、逃生***提供电源。节约列车空间、减少了车身重量。
采用的升压斩波器除将直线发电机提供的交流电与外部供电轨提供的直流电处理成稳定的直流电外，还能对镍氢蓄电池充放电进行管理。解决了现有技术一套主电网，在某个直线发电机或负载出现故障，影响整个配电网络的问题。
附图说明
下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施范围之中。所有这些构思应视为本发明所公开的内容和保护范围。
图1是本发明实施例的主配电网组成结构示意图。
图2是本发明一个主配电网单元的供电结构原理图。
图3是本发明冗余配电网络结构示意图。
图4是本发明配电网1结构示意图。
图5是本发明配电网2结构示意图。
图6是本发明配电网3结构示意图。
图7是本发明配电网4结构示意图。
具体实施方式
图1描述了本发明440VDC主电网的基本组成及电网设备的输入/输出连接关系。主电网由受流器、外部供电车载电网分配器、直线发电机、升压斩波器HS、440V蓄电池、440V车载电网开关箱等组成。4套采用大容量、环保型镍氢440VDC蓄电池的主电网互为冗余，电网直线发电机输出电源处理与控制采用专用升压斩波器，短时外部供电采用能自动伸缩的受流器。
连接在悬浮车体下端走行机构上的受流器通过自动伸缩接触连接外部供电轨和地面供电设备，受流器将外部供电轨提供的直流电输送至外部供电车载电网分配器，经外部供电车载电网分配器输送至升压斩波器HS。在列车速度大于20km/h后，直线发电机切割磁力线自行开始发电，并通过输电网将发出的电输送至升压斩波器HS，该升压斩波器将直线发电机提供的交流电与外部供电轨提供的直流电处理成稳定的440V直流电供给440V电网，电网将电源输送给直/直变换器、逆变器VWR、悬浮、导向器、涡流制动器、空调器KLM等车载电网负载设备。作为备用和紧急电源的蓄电池组通过440V车载电网开关箱并入电网。
相互独立互为冗余的主电网为四套，且每套主电网分成四组，每组分别给在不同位置的悬浮、导向、制动磁铁供电，其中，电磁铁的每组模块的不同的工作点由不同的主电网供电，以保证在某一电网故障时该模块还能稳定工作，做到运行安全；电每套主电网给不同的24V直流电网、230VAC交流电网供电，使多套冗余的通信和列车的运行调节机构至少能保证列车安全工作。
在图2中，一个主电网单元由一个升压斩波器HS、五个直线发电机、一路外部供电线路、一路蓄电池组充放电线路组成。作为备用和紧急电源的蓄电池组经车载电网开关箱由一路蓄电池线路并入电网。蓄电池组可采用环保型镍氢440VDC蓄电池。
升压斩波器HS里有五个升压模块s，六个整流模块z。在六个整流模块z中有一个通过外部电源开关箱连接受流器，有五个整流模块z分别对应连接五个直线发电机，该五个直线发电机与一条来自外部供电车载电网分配器的电缆连接。升压斩波器HS中的五个升压模块s的输出端并联至440V电网。升压斩波器HS将直线发电机提供的交流电进行整流、升压或斩波(DC/DC变换)，提供稳定的440V直流电供给电网。一路由受流器提供的270V～350V的直流电经外部供电车载电网分配器过压保护、分配处理后输入至升压斩波器HS。外部供电车载电网分配器提供的直流电经整流电路模块处理输出后与一个直线发电机共用一个升压或斩波(DC/DC变换)电路模块进行处理提供稳定的440V直流电供给电网。其中升压斩波器的1～4组由直线发电机供电，第5组既用于直线发电机供电，也用于供电轨的供电。直线发电机与供电轨提供的电能在升压斩波器HS中先通过整流器进行一次整流，再通过升压模块s进行升压，并将电压提高到蓄电池电压水平。三个开关与斩波器HS的开关晶体管的通断通过升压斩波器HS内的控制板接受来自车载电网控制器的相应控制信号进行控制。升压斩波器HS由直线发电机单独供电还是和外部供电轨一起供电取决于车载电网控制发出的“供电启动”信号与“起浮”信号的逻辑组合。
并入电网的蓄电池在列车正常运行时通过440V车载电网开关箱，由升压崭波器HS对其进行充电及管理。应急状态下，蓄电池组通过440V车载电网开关箱对电网供电。蓄电池组到440VDC车载电网的通断和变换器DC/DC到440V蓄电池组连接的通断由功率开关LS控制。有八相互间独立电流传感器LEM对蓄电池电流进行监测，并将监测值分别送到本电网内相应的八个或七个升压斩波器HS。电流传感器的电源由对应的升压斩波器HS供给。
蓄电池到440VDC车载电网开关箱的输入动力电缆与开关箱到涡流制动器的输出动力电缆在接地与短路时能保证安全。
图3描述的是主电网1～电网4给N个负载模块冗余配电的原理示意框图。每个主电网都给同一位置或相同功能的负载模块供电，即使某一电网故障，同一位置或相同功能的负载模块供电能保证其基本功能，  从而保证列车的安全。
图4、图5、图6、图7分别描述了四套相互独立且互为冗余的440V电网1、电网2、电网3、电网4的组成及负载分配连接关系。
为了增加列车运行***的可靠性与安全性，每套电网分为六组，前四组Q1～Q4组分别并联输出到逆变器VWR、悬浮/导向控制器MF，后二组对直/直变换器、涡流制动控制器MB又分别各输出一组电源对其供电。二个蓄电池箱体B440串联后组成一组，通过440V车载电网开关箱与升压斩波器HS并联。每套电网有一组蓄电池组作为备份或应急电源。四套电网单独有一组同时给四个直/直变换器DC/DC供电。由一套电网的一组输出单独供电。440VDC车载电网开关箱共有四组电源输出到440VDC用电设备，四组输出端并联输出。每一组输出端有一个额定电流为80A的保险器进行保护。
电网1、3均配有七个升压斩波器HS。
电网1的Q1～Q4组配接关系：Q1组有2个升压斩波器HS供电，负载有二个悬浮控制器MT、二个导向控制器MF、一个气路压缩机逆变器VWR；Q2组有1个升压斩波器HS供电，负载有二个悬浮控制器MT、二个导向控制器MF；Q3组有二个升压斩波器HS供电，负载有二个悬浮控制器MT、二个导向控制器MF；Q4组有二个升压斩波器HS供电，负载有二个悬浮控制器MT、二个导向控制器MF、一个空调器KLM_A)。
电网3的Q1～Q4组配接关系：Q1组有二个升压斩波器HS供电，负载有二个悬浮控制器MT、二个导向控制器MF、一个空调器KLM_B；Q2组有二个升压斩波器HS供电，负载有二个悬浮控制器MT、二个导向控制器MF、一个空调器KLM风机用逆变器WR；Q3组有一个升压斩波器HS供电，负载有二个悬浮控制器MT、二个导向控制器MF；Q4组有二个升压斩波器HS供电，负载有二个悬浮控制器MT、二个导向控制器MF、一个230V电网用逆变器WR。
电网2、4均配有八个升压斩波器。
电网2的Q1～Q4组配接关系：Q1组有二个升压斩波器HS供电，负载有二个悬浮控制器MT、二个导向控制器MF、一个空调器KLM风机用逆变器WR；Q2组有二个升压斩波器HS供电，负载有二个悬浮控制器MT、二个导向控制器MF、一个空调器KLM压缩机用逆变器VWR；Q3组有二个升压斩波器HS供电，负载有二个悬浮控制器MT、二个导向控制器MF。Q4组有二个升压斩波器HS供电，负载有二个悬浮控制器MT、2个导向控制器MF、一个空调器KLM_A。
电网4的Q1～Q4组配接关系：Q1组有二个升压斩波器HS供电，负载有二个悬浮控制器MT、二个导向控制器MF、一个230V电网用逆变器WR；Q2组有二个升压斩波器HS供电，负载有二个悬浮控制器MT、二个导向控制器MF；Q3组有二个升压斩波器HS供电，负载有二个悬浮控制器MT、二个导向控制器MF、一个空调压缩机用逆变器VWR；Q4组有二个升压斩波器HS供电，负载有二悬浮控制器MT、二导向控制器MF、一空调器KLM_B。
本发明的执行程序是：列车停止和速度小于约20km/h时完全由供电轨供电；速度在约20～100km/h运行时由供电轨与列车自带的直线发电机联合对列车供电；在大于100km/h速度行驶时完全由直线发电机供电。正常运行时列车速度均大于100km/h，外部供电仅在列车进站或出站时才使用。440VDC蓄电池作为列车的备用和紧急电源。在使用涡流制动器紧急制动时，高速运行段(速度大于约200km/h以上)电能由直线发电机完全提供，当较低速度直线发电机电能不能满足涡流制动需要时，由蓄电池与直线发电机联合提供，涡流制动时不通过供电轨对列车提供电能。
以上所述是本发明的基本内容。应当指出，本发明采用互为冗余电网的新技术，不仅可以用于高速磁浮列车，也可用于其它领域的城轨交通车辆。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种相互独立互为冗余的车载配电网，包括：由受流器、外部供电电网分配器、直线发电机、升压斩波器、蓄电池组、车载电网开关箱组成的主电网和连接主电网的分电网，其特征在于：四套相互独立、互为冗余的主电网分别给不同位置的车载电网负载供电和短时自动连接外部供电轨供电的自动受流器；每套主电网配有一套蓄电池组，且各设有相互独立互为冗余的分电网；一个主电网单元至少由一个连接外部供电线路和发电机的升压斩波器和一路蓄电池充放电线路，以及对应连接升压斩波器的直线发电机组分别组成，外部供电轨直流电通过可自动伸缩受流器，经外部供电车载电网分配器输入至升压斩波器供给电网，当直线发电机被启动发电并将发出的电输送至升压斩波器时，该升压斩波器将直线发电机提供的交流电与外部供电轨提供的直流电处理成稳定的直流电供给电网输送给车载电网负载设备；其中，与车载电网开关箱连接的蓄电池，在列车正常运行时由升压斩波器对其进行充放电管理，并在应急时，通过车载电网开关箱对电网供电。
2.按权利要求1所述的车载电源电网，其特征在于，所述几套相互独立互为冗余的主电网为四套，每套主电网给不同的24V直流电网、230VAC交流电网供电，且每套主电网分成四组，每组分别给在不同位置的悬浮、导向、制动磁铁供电，其中，电磁铁的每组模块的不同工作点由不同的主电网供电。
3.按权利要求1所述的车载电源电网，其特征在于，一个主电网单元由一个升压斩波器HS、五个直线发电机、一路外部供电线路和一路蓄电池组充放电线路组成。
4.按权利要求1所述的车载电源电网，其特征在于，升压斩波器里有五个升压模块和六个整流模块，在六个整流模块中有一个通过外部电源开关箱连接受流器，并有五个整流模块分别对应连接五个直线发电机，该五个直线发电机与一条来自外部供电车载电网分配器的电缆连接。
5.按权利要求1所述的车载电源电网，其特征在于，升压斩波器中的五个升压模块的输出端并联至440V电网，所述升压斩波器将直线发电机提供的交流电进行整流、升压或斩波.
6.按权利要求1所述的车载电源电网，其特征在于，外部供电车载电网分配器提供的直流电经整流电路模块处理输出后与一个直线发电机共用一个升压或斩波，提供稳定的440V直流电供给电网。
7.按权利要求1所述的车载电源电网，其特征在于，蓄电池组到440VDC车载电网的通断和变换器DC/DC到440V蓄电池组连接的通断由功率开关(LS)控制，并有八相互独立的电流传感器(LEM)对蓄电池电流进行监测，并将监测值分别送到本电网内相应的八个或七个升压斩波器。
8.按权利要求1所述的车载电源电网，其特征在于，所述的电流传感器的电源由对应的升压斩波器供给。
9.按权利要求7所述的车载电源电网，其特征在于，每套电网分为六组，前四组分别并联输出到逆变器VWR、悬浮/导向控制器MF，后二组对直/直变换器、涡流制动控制器MB又分别各输出一组电源对其供电。
10.按权利要求1所述的车载电源电网，其特征在于，电网1、3配有七个升压斩波器，电网2、4均配有八个升压斩波器。
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