CN105904987A - 城市轨道交通牵引*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种城市轨道交通牵引***，包括：控制单元、储能单元、牵引变流单元和牵引电机。牵引变流单元连接于外部供电单元的两直流母线之间，储能单元分别与外部供电单元的直流母线和牵引变流单元连接，储能单元用于存储外部供电单元提供的电能，牵引变流单元分别与控制单元和牵引电机连接，控制单元用于控制牵引变流单元对储能单元充电储能和/或放电释能；将储能单元存储的直流电能转换为交流电能，输出至牵引电机驱动列车运行。本发明提供的城市轨道交通牵引***，储能单元在列车进站停靠时充电，在列车运行期间依靠储能单元存储的电能为列车供电，无需采用不间断的接触网为列车供电，降低了工程造价，也降低了不间断接触网带来的安全隐患。

Description

城市轨道交通牵引***
技术领域
本发明涉及动力牵引技术领域，特别是涉及城市轨道交通牵引***。
背景技术
城市轨道交通主要指的是城市地铁、城市快轨、轻轨、有轨电车等。城市轨道交通的牵引***的基本功能是为城市轨道列车的运行提供动力驱动。
在现有技术中，城市轨道交通一般都采用连续受电的方式，通过采用架空接触网或者地面供电轨，随着列车的运行为列车提供不间断的电能。相应的，目前城轨交通的牵引***一般采用“逆变器+牵引电机”的主电路拓扑，逆变器的作用是把来自架空接触网或者地面供电轨的电能变换为适合牵引电机的电能，牵引电机的作用是把电能转换为机械能从而驱动城轨列车的运行。
但是，现有技术的牵引***需要来自电网不间断的直流电为其供电，因此受电***必须采用接触网或者供电轨等方式，而采用不间断的接触网或者供电轨的方式，无疑增加了工程造价，也具有一定的安全隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种城市轨道交通牵引***，用以解决现有技术的全程架设供电接触网的方式存在一定的安全问题，增加了工程造价，也具有一定的安全隐患的问题。
本发明提供一种城市轨道交通牵引***，包括：
控制单元、储能单元、牵引变流单元和牵引电机；
所述牵引变流单元连接于外部供电单元的两直流母线之间，所述储能单元分别与外部供电单元的一直流母线和牵引变流单元连接；
所述储能单元用于存储外部供电单元提供的电能；
所述牵引变流单元分别与控制单元和所述牵引电机连接，所述控制单元用于控制所述牵引变流单元对所述储能单元进行充电储能和/或放电释能；并将储能单元存储的直流电能转换为交流电能，输出至牵引电机驱动列车运行。
本发明提供的城市轨道交通牵引***中，可以通过储能单元在列车进站停靠时充电，而在列车运行期间依靠储能单元存储的电能为列车供电，从而无需采用不间断的接触网为列车供电，只需在车站地面安装一小段的外部供电单元，降低了工程造价，并且也降低了不间断接触网带来的安全隐患。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的城市轨道交通牵引***的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的城市轨道交通牵引***的结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的又一城市轨道交通牵引***的结构示意图。
附图标记：
1-控制单元； 2-储能单元；
3-牵引变流单元； 4-牵引电机；
5-外部供电单元； 6-开关切换单元；
611-第一开关； 621-第二开关；
622-限流电阻； 31-充放电子单元；
32-逆变子单元； 21-续流电抗器；
7-高速断路器。
具体实施方式
实施例一
图1为本发明实施例一提供的城市轨道交通牵引***的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的城市轨道交通牵引***包括：控制单元1、储能单元2、牵引变流单元3和牵引电机4，其中，牵引变流单元3连接于外部供电单元5的两直流母线之间，储能单元2分别与外部供电单元5的一直流母线和牵引变流单元3连接，储能单元2用于存储外部供电单元5提供的电能，牵引变流单元3分别与控制单元1和牵引电机4连接，控制单元1用于控制牵引变流单元3对所述储能单元2进行充电储能和/或放电释能，并将存储单元2存储的直流电能转换为交流电能，输出至牵引电机4驱动列车运行。
其中，牵引变流单元3包括但不限于两电平逆变器、三电平逆变器中的一种。牵引电机4可以但不限于为三相异步电机、永磁同步电机、直线电机。储能单元2可以为超级电容或蓄电池或并联的超级电容和蓄电池中的一种。
超级电容具有能量密度大、充电放电速度快的优势，因此可以实现列车进站停靠的短时间内存储足够的电能，以供列车运行期间的牵引。
具体的，储能单元2可以在短时间进行大电流充电的，从而可以在列车停站时把来自外部供电单元的直流电能通过牵引变流单元3快速存储在超能电容或者超级电容中。或者，在列车运行时，牵引变流单元3可以把来储能单元2的直流电能转换为适合牵引电机4的交流电能，进一步的，牵引电机4把电能转换为机械能从而驱动列车运行。
本实施例提供的城市轨道交通牵引***中，可以通过储能单元2在列车进站停靠时充电，而在列车运行期间依靠储能单元2存储的电能为列车供电，从而无需采用不间断的接触网为列车供电，只需在车站地面安装一小段的外部供电单元，降低了工程造价，并且也降低了不间断接触网带来的安全隐患。
实施例二
在上述实施例的基础上，如图1所示，本实施例提供的城市轨道交通牵引***还包括：外部供电单元5与牵引变流单元3之间连接的开关切换单元6，开关切换单元6包括：相互并联的第一开关支路和第二开关支路，其中，第一开关支路包括第一开关611，第二开关支路包括相互串联的第二开关621和限流电阻622。开关切换单元6还与控制单元1连接，控制单元1用于控制第一开关611和第二开关621的闭合或者断开。
具体的，当列车减速进站后，控制单元1控制第二开关621闭合，限流电阻622进行限流充电控制，控制单元1还控制牵引变流单元3处于充电工作模式下，外部供电单元1对储能单元2供电。进一步的，控制单元1控制第二开关621断开，第一开关611闭合，外部供电单元1对储能单元2进行恒压充电。
本实施例还提供一种牵引变流单元3的具体实施方式。图2为本发明实施例二提供的城市轨道交通牵引***的结构示意图，如图2所示，牵引变流单元3包括：充放电子单元31和逆变子单元32，其中，充放电子单元31用于接收控制单元1发送的外部充电控制信号，以根据外部充电控制信号对外部供电单元5输出的电压进行降压，对储能单元2进行充电储能。
充放电子单元31还用于接收控制单元1发送的放电控制信号，以根据放电控制信号对储能单元2输出的直流电压进行升压，对储能单元2进行放电释能，充放电子单元31还用于将升压后的直流电压输出至逆变子单元32。
需要说明的是，充放电子单元31接收外部充电控制信号和放电控制信号时，可以是只接收其中的一种信号，即对于储能单元2只进行充电储能或者放电释能。当然，充放电子单元31页可以接收两种信号，即储能单元2可以在充电储能的同时，也进行放电释能。
逆变子单元32用于接收控制单元1发送的牵引控制信号，以根据牵引控制信号对充放电子单元32输出的升压后的直流电压转换为交流电压输出至牵引电机4，以驱动牵引电机4。
逆变子单元32还用于接收控制单元1发送的电制动回收信号，以根据电制动回收信号将牵引电机在制动时再生的交流电压转换为直流电压输出至充放电子单元31。
充放电子单元31用于接收控制单元1发送的电制动充电信号，以根据电制动充电信号将逆变子单元32输出的直流电压进行降压输出至储能单元2，以对储能单元2进行充电储能。
具体的，本实施例对列车的进站充电模式、牵引运行模式、制动减速模式三种模式下牵引***的工作状态进行详细的说明。
进站充电模式：列车进站后，控制单元1控制第二开关621闭合，限流电阻622进行限流充电控制，控制单元1还控制充放电子单元31处于充电工作模式下，即充放电子单元31接收控制单元1发送的外部充电控制信号，则充放电子单元31通过对外部供电单元5输出的电压进行PWM控制降压后,把电能储存在储能单元2中，储能单元2处于充电状态。进一步的，控制单元1控制第二开关621断开，第一开关611闭合，外部供电单元5对储能单元2进行恒压充电。
牵引运行模式：列车充电完毕后，列车启动进入牵引运行模式，充放电子单元31接收控制单元1发送的放电控制信号，充放电子单元31根据该放电控制信号把储能装置2中存储的电能进行PWM控制升压后,把储能单元2的电能释放到逆变子单元32的直流母线上，另一方面控制逆变子单元32接收控制单元1发送的牵引控制信号，把直流母线上来自储能单元2的直流电能进行PWM控制变换为适合驱动牵引电机4的交流电能，牵引电机4完成电能到机械能的转换，从而驱动列车牵引运行。
制动减速模式：当列车制动减速时，牵引电机4可以将机械能转换为电能，这部分转换的电能就是再生电能。逆变子单元32一方面接收控制单元1发送的电制动回收信号，逆变子单元32根据该电制动回收信号将来自牵引电机4的再生交流电能进行PWM控制转换为直流电能反馈到直流母线上，另一方面充放电子单元31同时接收控制单元1发送的电制动回收信号，充放电子单元31将直流母线上的再生直流电压进行PWM控制降压后,把再生的电能存储至储能单元2中，这部分再生的电能可以在下次牵引时重复使用。
由于城市轨道列车的特点就是频繁的启动和停车，本实施例提供的牵引变流单元3通过控制逆变子单元32和充放电子单元31可以实现对列车制动时的再生电能存储至储能单元2中，实现再生电能的重复利用，因此本发明提供的牵引***具有很高的节能效果。
可选的，逆变子单元32可以为多个绝缘栅双极型晶体管功率器件(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)组成的两电平逆变器或者三电平逆变器。
图3为本发明实施例二提供的又一城市轨道交通牵引***的结构示意图，如图3所示，充放电子单元31包括两个串联的IGBT，逆变子单元32包括：相互并联的三个桥臂，每个桥臂包括两个串联的IGBT。
牵引变流单元3可以等效为四桥臂的变流器，控制单元1通过控制充放电子单元31中的IGBT的导通时间、以及开关周期等实现降压或升压，通过控制逆变子单元32中的IGBT导通时间、以及开关周期等可以实现将储能单元2输出的直流电转换为交流电，通过脉冲调制实现对驱动电机4的驱动。
可选的，储能单元2的一端可以通过续流电抗器21连接在充放电子单元的两个串联的IGBT之间。续流电抗器21可以稳定储能单元2输出的直流电压，还可以隔断外部供电单元5带来的高频干扰。
进一步的，在上述实施例的基础上，为了保护电路的安全，可以在开关切换单元6与外部供电单元5之间设置高速断路器7，从而可以在发生故障时可以快速切断牵引变流单元3与外部供电单元5之间的线路，保证牵引变流单元3以及储能单元2等的线路安全。
另外，在外部供电单元5与高速断路器7之间可以设置有避雷针，避雷针可以吸收感应过电压或者操作过电压保护电路的安全。
本实施例提供的城市轨道交通牵引***，牵引变流单元3可以等效为四桥臂的变流器，控制单元1通过控制充放电子单元31中的IGBT的导通时间、开关周期等实现降压或升压，通过控制逆变子单元32中的IGBT导通时间、开关周期等可以实现将储能单元2输出的直流电转换为交流电，进而实现对驱动电机4的驱动。
最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种城市轨道交通牵引***，其特征在于，包括：控制单元、储能单元、牵引变流单元和牵引电机；
所述牵引变流单元连接于外部供电单元的两直流母线之间；
所述储能单元分别与外部供电单元的一直流母线和牵引变流单元连接，所述储能单元用于存储外部供电单元提供的电能；
所述牵引变流单元分别与控制单元和所述牵引电机连接，所述控制单元用于控制所述牵引变流单元对所述储能单元进行充电储能和/或放电释能，并将储能单元存储的直流电能转换为交流电能，输出至牵引电机驱动列车运行。
2.根据权利要求1所述的城市轨道交通牵引***，其特征在于，所述外部供电单元与所述牵引变流单元之间还连接有开关切换单元，所述开关切换单元包括：相互并联的第一开关支路和第二开关支路，所述第一开关支路包括第一开关，所述第二开关支路包括相互串联的第二开关和限流电阻；
所述开关切换单元还与所述控制单元连接，所述控制单元用于控制所述第一开关和所述第二开关的闭合或者断开。
3.根据权利要求1所述的城市轨道交通牵引***，其特征在于，牵引变流单元包括：充放电子单元和逆变子单元；
所述充放电子单元用于接收控制单元发送的外部充电控制信号，以根据所述外部充电控制信号对所述外部供电单元输出的电压进行降压，对所述储能单元进行充电储能；
所述充放电子单元还用于接收控制单元发送的放电控制信号，以根据所述放电控制信号对所述储能单元输出的直流电压进行升压，对所述储能单元进行放电释能，所述充放电子单元还用于将升压后的直流电压输出至所述逆变子单元。
4.根据权利要求3所述的城市轨道交通牵引***，其特征在于，
所述逆变子单元用于接收控制单元发送的牵引控制信号，以根据所述牵引控制信号对所述充放电子单元输出的升压后的直流电压转换为交流电压输出至牵引电机，以驱动所述牵引电机。
5.根据权利要求3所述的城市轨道交通牵引***，其特征在于，所述逆变子单元还用于接收控制单元发送的电制动回收信号，以根据所述电制动回收信号将牵引电机在制动时再生的交流电压转换为直流电压输出至所述充放电子单元。
6.根据权利要求5所述的城市轨道交通牵引***，其特征在于，所述充放电子单元用于接收控制单元发送的电制动充电信号，以根据所述电制动充电信号将所述逆变子单元输出的直流电压进行降压输出至所述储能单元，以对所述储能单元进行充电储能。
7.根据权利要求1所述的城市轨道交通牵引***，其特征在于，所述储能单元为超级电容或蓄电池或并联的超级电容和蓄电池。
8.根据权利要求3所述的城市轨道交通牵引***，其特征在于，所述充放电子单元包括两个串联的IGBT，所述逆变子单元包括：相互并联的三个桥臂，每个桥臂包括两个串联的IGBT。
9.根据权利要求8所述的城市轨道交通牵引***，其特征在于，所述储能单元的一端通过续流电抗器连接在所述充放电子单元的两个串联的IGBT之间。
10.根据权利要求2所述的城市轨道交通牵引***，其特征在于，所述开关切换单元与所述外部供电单元之间还连接有高速断路器。
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