CN103568851B - 轨道车辆的再生制动电能吸收装置和轨道车辆 - Google Patents

轨道车辆的再生制动电能吸收装置和轨道车辆 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种轨道车辆的再生制动电能吸收装置和轨道车辆，该吸收装置包括电压检测单元、第一控制单元、多个升降压变换器和超级电容，其中，第一控制单元与电压检测单元相连；各升降压变换器并联，各升降压变换器并联后的输入端用于与供电电网的输出线路相连，且各升降压变换器的并联后的输出端与超级电容相连。该吸收装置，各升降压变换器输出电压的峰值相互交错，各输出电压相互叠加后的电压的波动幅度小，可为超级电容提供稳定的充电电压，因此，可提高超级电容的使用寿命，并且，由于各升降压变换器中的功率开关管交替导通，可相应减小各功率开关管电流应力和热效应，提高整个装置运行的可靠性。

Description

轨道车辆的再生制动电能吸收装置和轨道车辆
技术领域
本发明涉及电路结构技术，尤其涉及一种轨道车辆的再生制动电能吸收装置和轨道车辆。
背景技术
目前轨道交通车辆中，为节约能源需要，车辆的制动可采用再生制动的方式，所谓再生制动指将车辆制动时，牵引电机的电动机工况将转变为发电机工况，将车辆制动的机械能转化为电能，并将该电能反馈给供电电网，反馈给供电电网的电能可提供给相邻运行的车辆使用，或通过储能装置进行存储。
现有的再生制动电能吸收装置主要包括升降压变换器和超级电容，在车辆制动时，由于将有电能反馈给供电电网，如果此时没有相邻运行的车辆吸收这部分电能，供电电网的电压将升高，此时，控制升降压变换器降压，将供电电网的电压转换为对超级电容的充电电压，为超级电容充电，通过超级电容存储制动产生的电能。
现有的这种再生制动装置中通常设置有一台升降压变换器，而升降压变换器为由可控晶闸管、电容、电感和电阻等元件组成的电路，通过控制可控晶闸管的导通或关断实现降压功能，在此过程中，经过升降压变换器变换后的输出电压中并不是平直的，因为超级电容的充电电压会存在较大幅度的波动，因此，影响超级电容的使用寿命。
发明内容
本发明第一方面是提供一种轨道车辆的再生制动电能吸收装置，以在车辆再生制动时，减小为超级电容的充电电压的波动幅度，提高超级电容的使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供了一种该轨道车辆的再生制动电能吸收装置，包括：
电压检测单元，用于采集供电电网的输出电压；
第一控制单元，与所述电压检测单元相连，且分别与各升降压变换器中的功率开关管相连，用于在判断获知所述输出电压大于第一预设阈值时，生成对各功率开关管的降压控制信号，所述各降压控制信号频率相同且相互错开第一设定相角；
多个升降压变换器，所述各升降压变换器并联，所述各升降压变换器并联后的输入端用于与供电电网的输出线路相连，且所述各升降压变换器的并联后的输出端与一超级电容相连，所述各升降压变换器中各功率开关管分别在接收到所述各降压控制信号时，依次交错导通第一设定角度，以将供电电网的电压转换为对所述超级电容的充电电压。
本发明第二个方面是提供一种轨道车辆，包括受电弓，所述受电弓用于与供电电网的输出线路接触，所述车辆上设置有本发明提供的再生制动电能吸收装置，所述再生制动电能吸收装置中各升降压变换器并联后的输入端通过所述受电弓与供电电网的输出线路相连。
本发明提供的轨道车辆的再生制动电能吸收装置和轨道车辆，该吸收装置中设置有多个升降压变换器，在车辆处于制动状态时，通过第一控制单元控制各升降压变换器中功率开关管相互错开交替导通，各升降压变换器分别将供电电网电压转换为对超级电容的充电电压，为一种交错并联运行的控制方式，各升降压变换器输出电压的峰值相互交错，各输出电压相互叠加后的电压的波动幅度小，可为超级电容提供稳定的充电电压，因此，可提高超级电容的使用寿命，并且，由于各升降压变换器中的功率开关管交替导通，可相应减小各功率开关管电流应力和热效应，提高整个装置运行的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的轨道车辆的再生制动电能吸收装置的结构示意图；
图2为本发明另一实施例所提供的轨道车辆的再生制动电能吸收装置的结构示意图。
具体实施方式
轨道车辆的再生制动电能吸收装置是一种应用于轨道车辆上的装置，用于吸收车辆制动时反馈给供电电网的电能。
图1为本发明实施例所提供的轨道车辆的再生制动电能吸收装置的结构示意图，如图1所示，该吸收装置包括电压检测单元10、第一控制单元11、多个升降压变换器12和超级电容13。
电压检测单元10，用于采集供电电网的输出电压。
电压检测单元可采用电压传感器、电压表或其他能够测量电压的硬件电路实现，可将电压检测单元连接至供电电网的输出线路中，电压检测单元会实时采集供电电网的输出电压，电压检测单元可通过无线或有线方式与第一控制单元相连，以将采集的输出电压传送给第一控制单元，例如，可通过轨道交通的通信网络将采集的输出电压传送给第一控制单元。
第一控制单元11，与所述电压检测单元10相连，且分别与各升降压变换器12中的功率开关管相连，用于在判断获知所述输出电压大于第一预设阈值时，生成对各功率开关管的降压控制信号，所述各降压控制信号频率相同且相互错开第一设定相角。
当车辆制动时，牵引电机的电动机工况将转变为发电机工况，将车辆制动的机械能转化为电能，并将该电能反馈给供电电网，如果此时没有相邻运行的车辆吸收这部分电能，供电电网的输出电压将在短时间内迅速升高，该第一预设阈值以此时供电电网的输出电压为参考，可以等于或者略小于此时的输出电压。
第一控制单元在接收到电压检测单元传送的输出电压后，将该输出电压与第一预设阈值进行比较，当判断出该输出电压大于第一预设阈值时，生成对各功率开关管的降压控制信号。
多个升降压变换器12，所述各升降压变换器12并联，所述各升降压变换器12并联后的输入端用于与供电电网的输出线路相连，所述各升降压变换器12的并联后的输出端与一超级电容13相连，所述各升降压变换器12中各功率开关管分别在接收到所述各降压控制信号时，依次交错导通第一设定角度，以将供电电网的电压转换为对所述超级电容13的充电电压。
升降压变换器是一种调压装置，可将一种幅值的直流电压变化成另一种幅值的直流电压，通常为由功率开光管、电感、电容和电阻等元件组成的电路，其中，功率开关管可以为绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor，简称IGBT）、门极可关断晶闸管（GateTurn-OffThyristor，简称GTO）或者其他类型的功率开关管。
通过控制升降压变换器中功率开光管的导通角度，可实现升压或降压功能，其输出电压可以大于输入电压也可以小于输入电压。
第一控制单元生成的降压控制信号即为用于驱动各升降压变换器中功率开关管导通或关断的信号，该控制信号通常为一定频率、宽度和幅值的脉冲信号。
所谓导通角度是指在一个周期内功率开关管导通时间的电角度，例如，假设降压控制信号为一脉冲信号，该脉冲信号的一个周期为180度，脉冲信号的高电平为50度，低电平为130度，在脉冲信号为高电平时，功率开关管导通，在脉冲信号为低电平时，功率开关管关断，则功率开关管的导通角度为50度。
当功率开关管的导通角度在某一范围内时，升降压变换器的输出电压可小于输入电压，也就是实现降压功能，本实施例中的第一设定角度为该范围内的一导通角度。并且，当功率开关管的导通角度在另一范围内时，升降压变换器的输出电压也可大于输入电压，也就是实现升压功能。
对于实现升压或降压功率开关管导通角度的范围根据具体的电路结构确定。
本实施例中各控制信号的频率相同，但相互错开第一设定相角，也就是各降压控制信号中的高电平的上升沿的到来时刻彼此相隔第一设定相角，而高电平的上升沿到来时刻不同，各功率开关管的导通时刻也就不同，因此，各功率开关管在各控制信号的驱动下，相互错开而交替导通第一设定角度，将供电电网的电压转换为对超级电容的充电电压，通过超级电容吸收存储车辆制动产生的电能。
由上述技术方案可知，该再生制动电能吸收装置，设置有多个升降压变换器，在车辆处于制动状态时，通过第一控制单元控制各升降压变换器中功率开关管相互错开交替导通，各升降压变换器分别将供电电网电压转换为对超级电容的充电电压，为一种交错并联运行的控制方式，各升降压变换器输出电压的峰值相互交错，各输出电压相互叠加后的电压的波动幅度小，可为超级电容提供稳定的充电电压，因此，可提高超级电容的使用寿命，并且，由于各升降压变换器中的功率开关管交替导通，可相应减小各功率开关管电流应力和热效应，提高整个装置运行的可靠性。
图2为本发明另一实施例所提供的轨道车辆的再生制动电能吸收装置的结构示意图，在上述实施例的基础上，进一步的，如图2所示，该再生制动电能吸收装置中，还可以包括第二控制单元14。
第二控制单元14，与所述电压检测单元10相连，且分别与所述各升降压变换器12中功率开关管相连，用于在判断获知所述输出电压小于第二预设阈值时，生成对各功率开关管的升压控制信号，所述各升压控制信号频率相同，且相互错开第二设定相角；
所述各升降压变换器12中各功率开关管分别在接收到所述各升压控制信号时，依次交错导通第二设定角度，以将超级电容13两端的电压转换供电电网的输出电压。
当车辆在刚刚启动时，或者是由于车辆载重的增加，车辆上坡运行等状态时，所需的牵引功率较大，此时，车辆需要从电网短时间内吸收比正常运行更大的电能，供电电网的输出电压将在短时间内迅速降低，该第二预设阈值以此时供电电网的输出电压为参考，可以等于或者略大于此时的输出电压。
本实施例中，进一步的设置第二控制单元，第二控制单元在接收到电压检测单元传送的输出电压后，将该输出电压与第二预设阈值进行比较，当判断出该输出电压小于第二预设阈值时，生成对各功率开关管的升压控制信号。
该升压控制信号为用于驱动升降压变换器中功率开关管导通或关断的信号，且各升压控制信号频率相同，相互错开第二设定相角，各功率开关管在各升压控制信号的驱动下，相互错开而交替导通第二设定角度，此时，各升降压变换器可实现升压功能，其输出电压大于输入电压，也就是将超级电容两端的电压转换为供电电网的输出电压，通过超级电容向供电电网输出电能，提高供电电网的输出电压，以保证车辆正常启动或大功率运行。
由于各升降压变换器交错输出电压的峰值，各输出电压相互叠加后，可减小反馈给供电电网的电压的波动幅度，提高供电电网输出电压的质量，减小对供电电网的污染。
并且，如图2所示，该再生制动电能吸收装置中，所述各升降压变换器12所在的支路中分别串联一电抗器15。
通过在升降压变换器所在的支路中串联电抗器，可增大电路的短路阻抗，限制电路中的短路电流，并且，在发生短路时，由于电抗器上的电压降落较大，所以可起到维持供电电压输出线路的输出电压的作用，进一步减小供电电网输出电压的波动幅度。
并且，本实施例中，由于各升降压变换器采用交错并联的控制方法，各电抗器所承受的电流应力相应减小，因此，可减小各电抗器的电感值，从而减小所需电抗器的尺寸和体积，可有效降低整个装置的体积和重量。
在另一实施例中，该制动装置还包括断路器。
所述断路器联设置于所述各升降压变换器并联后的输入端与供电电网的输出线路之间，用于当所述各升降压变换器并联后的输入端的电流大于设定阈值时，断开所述各升降压变换器并联后的输入端与供电电网的输出线路之间的连接线路。
当该装置的线路中发生短路故障或者因其他故障时，可能造成流过各升降压变换器并联后的输入端的电流大于正常工作时的电流值，如果此时继续运行该装置，会损坏其中的各升降压变换器和超级电容，因此，本实施例中，进一步的设置断路器，当流过各升降压变换器并联后的输入端的电流大于设定阈值（该设定阈值以正常工作时流过输入端的电流值为参考，该设定阈值确定后，选择合适型号断路器即可）时，断路器会自动断开各升降压变换器并联后的输入端与供电电网的输出线路之间的连接线路，使该装置停止运行，以对该装置进行保护。
本发明实施例还提供了一种轨道车辆，包括受电弓，所述受电弓用于与供电电网的输出线路接触，所述车辆上设置有本发明实施例提供的再生制动电能吸收装置，所述再生制动电能吸收装置中各升降压变换器并联后的输入端通过所述受电弓与供电电网的输出线路相连。
在轨道车辆的车顶上安装有受电弓，通过受电弓与供电电网的输出线路接触，以将供电电网的电能引入该电能吸收装置。
该轨道车辆中，设置有本发明实施例提供的吸收装置，在车辆处于制动状态时，将供电电网的电压转换为对超级电容的充电电压，通过超级电容吸收存储车辆制动反馈给供电电网的电能，该吸收装置可为超级电容提供稳定的充电电压，因此，可提高超级电容的使用寿命，并且，由于各升降压变换器中的功率开关管交替导通，可相应减小各功率开关管电流应力和热效应，提高整个装置运行的可靠性。
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。

Claims (4)

1.一种轨道车辆的再生制动电能吸收装置，其特征在于，包括：
电压检测单元，用于采集供电电网的输出电压；
第一控制单元，与所述电压检测单元相连，且分别与各升降压变换器中的功率开关管相连，用于在判断获知所述输出电压大于第一预设阈值时，生成对各功率开关管的降压控制信号，所述各降压控制信号频率相同且相互错开第一设定相角；
多个升降压变换器，所述各升降压变换器并联，所述各升降压变换器并联后的输入端用于与供电电网的输出线路相连，且所述各升降压变换器的并联后的输出端与一超级电容相连，所述各升降压变换器中各功率开关管分别在接收到所述各降压控制信号时，依次交错导通第一设定角度，以将供电电网的电压转换为对所述超级电容的充电电压；
第二控制单元，与所述电压检测单元相连，且分别与所述各升降压变换器中功率开关管相连，用于在判断获知所述输出电压小于第二预设阈值时，生成对各功率开关管的升压控制信号，所述各升压控制信号频率相同，且相互错开第二设定相角；其中，所述各升降压变换器中各功率开关管分别在接收到所述各升压控制信号时，依次交错导通第二设定角度，以将超级电容两端的电压转换供电电网的输出电压。
2.根据权利要求1所述的轨道车辆的再生制动电能吸收装置，其特征在于：
所述各升降压变换器所在的支路中分别串联一电抗器。
3.根据权利要求1所述的轨道车辆的再生制动电能吸收装置，其特征在于，还包括：
断路器，所述断路器联设置于所述各升降压变换器并联后的输入端与供电电网的输出线路之间，用于当流过所述各升降压变换器并联后的输入端的电流大于设定阈值时，断开所述各升降压变换器并联后的输入端与供电电网的输出线路之间的连接线路。
4.一种轨道车辆，包括受电弓，所述受电弓用于与供电电网的输出线路接触，其特征在于：所述车辆上设置有权利要求1-3任一所述的轨道车辆的再生制动电能吸收装置，所述轨道车辆的再生制动电能吸收装置中各升降压变换器并联后的输入端通过所述受电弓与供电电网的输出线路相连。
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