CN112737354A - 大功率永磁直驱货运机车牵引变流器 - Google Patents

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CN112737354A CN202011530090.7A CN202011530090A CN112737354A CN 112737354 A CN112737354 A CN 112737354A CN 202011530090 A CN202011530090 A CN 202011530090A CN 112737354 A CN112737354 A CN 112737354A
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刘立刚
王雷
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Abstract

本发明涉及货运机车牵引变流器，具体为大功率永磁直驱货运机车牵引变流器。一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，变流器采用2组独立的牵引主电路，每组牵引主电路包含一个预充电功能电路、一个四象限功率模块、一个四象限斩波模块、一个独立的中间回路、一个牵引逆变功率模块和一个三极隔离接触器。本发明一个变流柜内设置有两套完全相同的牵引装置，轴功率输出大于1200kW，适用于永磁直驱***电力机车。本发明专利不但可以突破大功率高转矩货运永磁直驱电传动***关键技术，又可以为轨道交通车辆节约能源，实现绿色环保，带来经济效益。

Description

大功率永磁直驱货运机车牵引变流器
技术领域
本发明涉及货运机车牵引变流器，具体为大功率永磁直驱货运机车牵引变流器。
背景技术
近年来，绿色、安全、节能成为轨道交通车辆装备的重点发展方向，永磁直驱电传动***相比传统的异步电机电传动***，在全工况下节能效果明显，解决了齿轮传动带来的传递损耗、噪声和维修等问题，避免了齿轮箱润滑油脂的使用带来的环境污染问题，进一步提高了牵引传动效率，是未来牵引***的发展方向。
目前大功率货运电力机车均采用异步交流电传动***，异步电传动***通过齿轮箱进行传动控制，受到传动***各个组成部分的机械装置的限制，传动效率的提升受到限制。永磁直驱电传动***通过采用联轴节直驱轮对的方式替代齿轮箱的传动方式，消除了传动***中齿轮箱环节带来的传递损耗，提高了电力机车电传动***的传动效率。但是永磁电机存在反电势，在正常情况下通过软件弱磁控制，反电势不会对变流器造成影响，但是在故障的情况下，若没有隔离装置的设计，高反电势电压会加载在逆变功率模块及中间回路中的器件，造成器件的损坏。因传统大功率货运电力机车的牵引变流器没有隔离反电势的设计，无法直接应用于永磁直驱电传动***。
目前现有电力机车永磁电传动***的***方案有两种，其中一种为采用中间电压等级为2800V，使用4500V电压等级的IGBT功率模块，其中一种为中间电压等级为3600V，使用6500V电压等级的IGBT功率模块。以上两种方案均适用于高速客运电力机车和高速动车组，受到功率模块的限制，逆变器的输出电流受到限制，电机的转矩受到限制，不适用于重载牵引的货运电力机车。与目前机车领域应用广泛的3300V/1500A功率模块技术方案相比，变流器技术方案中采用的功率模块、支撑电容和其他主要部件相比较，以上两种方案部件成本较高。
发明内容
针对传统大功率货运电力机车的牵引变流器无法直接应用于永磁直驱电传动***，以及永磁电传动***成本高的问题，提供了大功率永磁直驱货运机车牵引变流器。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，变流器牵引主电路包括一个四象限功率模块、一个四象限斩波模块、一个独立的中间回路、一个牵引逆变功率模块，还包括一个三极隔离接触器，三极隔离接触器位于牵引逆变功率模块与永磁电机中间，三极隔离接触器的三极分别接入永磁电机输入电路U相、V相和W相。电机隔离接触器作用是当牵引电机惰性产生较高反电势时，将牵引电机和变流器隔离。
上述的一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，四象限功率模块包括两个并联的半桥电路，并联构成变流器输入电流A相，四象限斩波模块包含三个并联的半桥电路，其中两个并联的半桥电路构成变流器输入电流B相，且与四象限功率模块的两个半桥电路共同构成四象限整流电路；四象限斩波模块的最后一个半桥电路与斩波电阻一起构成斩波电路；牵引逆变功率模块包括三个并联的半桥电路，在结构上与四象限斩波模块实现统型设计。
上述的一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，四象限功率模块、四象限斩波模块和逆变功率模块中均选择3300V/1500A规格IGBT，轴功率输出大于1200kW，一个牵引主电路驱动一个永磁电机，八个牵引主电路共同驱动八轴永磁直驱电力机车，满足货运八轴永磁直驱电力机车轮周功率9600kW的功率输出需求。
上述的一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，变流器内包括2组独立的牵引主电路，每组牵引主电路都包括一个预充电功能电路，一个四象限功率模块，一个四象限斩波模块，一个独立的中间回路，一个牵引逆变功率模块，一个三极隔离接触器。驱动八轴永磁直驱电力机车总共需要四个变流器。
上述的一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，牵引主电路还包括一个预充电电路，预充电电路包括：预充电接触器、主接触器以及充电电阻，其中，预充电接触器与充电电阻串联形成的电路与主接触器并联；四象限功率模块通过预充电电路与输入电源连接。
上述的一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，中间回路包括中间支撑电容、二次滤波回路、接地检测装置、中间电压传感器和高压指示电路；二次滤波回路包括二次滤波电容和二次滤波电感，二次滤波电容和二次滤波电感串接后连接在四象限斩波模块正负输出端之间，接地检测装置包括接地电阻、接地电压传感器，接地电阻串接后连接在四象限斩波模块正负输出端之间，接地电阻的中间连接点为接地点，接地电压传感器和其中一接地电阻并联；中间电压传感器连接在四象限斩波模块正负输出端之间，高压指示电路包括指示灯和电阻，指示灯和电阻串联后连接在四象限斩波模块正负输出端之间。
上述的一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，中间支撑电容的数量定义为3个，四象限功率模块、四象限斩波模块和牵引逆变功率模块一侧分别安装一个支撑电容。
上述的一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，变流器柜内中间支撑电容与功率模块并排安放，通过复合母排连接，一方面减少中间回路中的杂散电感，一方面每个功率模块搭配一个支撑电容的结构，可以通过支撑电容吸收IGBT在开通和关断过程中产生的峰值过电压，有助于提高IGBT的使用寿命；二次滤波电容安装在变流器的后方，电容的端子向电容的一侧引出，通过复合母排实现两个二次滤波电容端子的连接，同时引出一组输出端子，分别为对外接线端子“﹢”和对外接线端子“-”；其中复合母排对外接线端子“+”通过铜排与对外接线端子相连接，对外连接到二次滤波电感和放电电阻；复合母排对外接线端子“-”通过铜排连接到中间回路负线。
上述的一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，中间回路预留辅助输入接口，用于辅助变流器从中间回路取电；中间回路预留库内动车接口，用于连接电力机车库内动车电源；中间回路预留放电电阻接口，用于连接位于放电电阻，放电电阻包括二次滤波电容放电电阻和支撑电容慢放电阻；中间回路预留接地接口，用于中间回路接地测量电路中的参考地连接。
由于永磁直驱牵引***具有高效率、高功率密度、全寿命成本低、噪声低等优点，代表了当前高效节能、绿色环保的发展方向，大功率永磁直驱电力机车变流器作为永磁直驱电传动***的核心装置，本发明专利不但可以突破大功率高转矩货运永磁直驱电传动***关键技术，又可以为轨道交通车辆节约能源，实现绿色环保，带来经济效益。
附图说明
图1为本发明牵引主电路的电路原理图。
图2为变流器柜结构布局（正面）图。
图3为变流器结构布局（背面）图。
图中：1-中间支撑电容，2-二次滤波电容，3-四象限功率模块，4-四象限斩波模块，5-牵引逆变功率模块，6-主接触器，7-一个预充电接触器，8-电压传感器，9-加热装置，10-牵引控制单元，11-隔离接触器，12-水泵，13-高压接口，14-低压接口，15-水冷接口，16-斩波电阻，17-膨胀水箱。
具体实施方式
一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，变流器采用2组独立的牵引主电路，每组牵引主电路包含一个预充电功能电路、一个四象限功率模块、一个四象限斩波模块、一个独立的中间回路、一个牵引逆变功率模块和一个三极隔离接触器11。本发明一个变流柜内设置有两套完全相同的牵引装置，轴功率输出大于1200kW，适用于永磁直驱***电力机车。
变流器每个牵引主电路在结构布局上独立，本方案不限制于变流器内两组牵引主电路，可进行两组牵引和三组牵引的结构化布局设计扩展，其中冷却管路为独立冷却回路。
其中预充电功能电路包括一个主接触器6、一个预充电接触器7、一个预充电电阻和一个输入电流传感器。四象限功率模块包含两个并联的半桥电路，并联构成变流器输入电流A相。四象限斩波模块包含三个并联的半桥电路，其中两个并联的半桥电路构成变流器输入电流B相，且与四象限功率模块的两个半桥电路共同构成四象限整流电路。四象限斩波模块的一个半桥电路与斩波电阻16和斩波电流传感器一起构成斩波电路。一个独立的中间回路包括中间支撑电容、二次滤波回路、接地测量电路、中间电压传感器、高压指示电路。中间回路预留辅助输入接口，用于辅助变流器从中间回路取电；中间回路预留库内动车接口，用于连接电力机车库内动车电源；中间回路预留放电电阻接口，用于连接位于机械间电阻柜内的放电电阻，放电电阻包括二次滤波电容放电电阻和支撑电容慢放电阻；中间回路预留接地接口，用于中间回路接地测量电路中的参考地连接。牵引逆变功率模块包含三个并联的半桥电路，在结构上与四象限斩波功率模块实现统型设计。三极隔离接触器位于逆变器输出与永磁电机中间，接触器的三极分别接入电机输入电路U相V相和W相。
牵引逆变功率模块通过电机隔离接触器、电流传感器和牵引电机连接，牵引逆变功率模块作用是为牵引电机提供3相交流电源，电机隔离接触器作用是当牵引电机惰性产生较高反电势时，将牵引电机和变流器隔离，电流传感器作用是实时监控并保护变流器。
四象限功率模块、四象限斩波模块和逆变功率模块中均选择3300V/1500A规格IGBT。IGBT规格的选择需要考虑永磁直驱牵引电机的反电势电压的数值。本方案中的永磁电机反电势的电压考虑最高转速和电机运行的环境温度等因素，电机的最高反电势电压小于3300V。
中间回路的额定电压值为1800V±5%，本方案中可适用的永磁电机的功率不大于1300kW，考虑中间回路电压纹波指标要求，考虑中间回路带辅助功率后的总功率，考虑二次滤波电容的容值，选择9mF电容作为中间支撑电容的总电容参数选择。考虑功率模块的数量，考虑电容与功率模块通过复合母排连接以减小线路杂散电感，同时支撑电容与功率模块的位置有利于功率模块的工作，发明方案中支撑电容的数量定义为3个，分别与四象限功率模块、四象限斩波功率模块、牵引逆变功率模块相邻安装设计，且通过复合母排连接减少电容到功率模块的线路上的杂散电感。考虑永磁电机反电势，支撑电容和二次滤波电容的重复峰值过电压值应大于等于永磁电机反电势电压值。
具体实施例
具体实施例的牵引变流柜内装有2套牵引装置，每套装置由1个预充电回路、1 个四象限模块、1个四象限+斩波模块、1套中间直流环节和1个三相逆变器组成，驱动1台永磁同步电机（轴控）。两套牵引装置电气原理及结构完全相同，冷却***相互独立，增加***的冗余度。
可在本方案变流器基础上根据需要进行模块化扩展，例如可扩展为3组牵引装置，冷却***可选择共用水冷***或独立水冷***。
辅助变流器从牵引变流器的第2轴（或第4 轴）中间直流环节取电，中间回路预留有引出端子至变流器底部高压接口区域，通过穿墙端子铜排对外接线。
中间回路预留库内动车的接线，通过穿墙端子铜排对外接线。
中间回路预留慢放电阻的接线，用于中间回路中支撑电容和二次滤波电容的放电，慢放电阻位于车上滤波电阻柜内，通过穿墙端子铜排对外接线。
牵引变流器的主电路原理图如图1所示。
预充电电路包括：预充电接触器AK1、主接触器K1以及充电电阻CHR2。其中，预充电接触器AK1与充电电阻CHR2串联形成的电路与主接触器K1并联。牵引变压器的次级线圈(即牵引绕组)所输出的电压首先经过预充电接触器AK1以及充电电阻CHR2来对牵引变流装置的直流回路中的支撑电容进行充电。在充电完成后，主接触器K1闭合，从使得预充电接触器AK1与充电电阻CHR2组成的导电回路短接。且K1闭合后延迟0.5s，断开AK1。预充电电路能够有效防止由于大电流对直流回路中的支撑电容所噪声的冲击。
四象限功率模块中IGBT TPX21和TNX21构成一路半桥，IGBT TPX22和TNX22构成另一路并联半桥。四象限斩波功率模块中IGBT TPY21和TNY21构成一路半桥，IGBT TPY22和TNY22构成一路并联半桥，IGBT OVT3和OVT4构成一路并联半桥。四象限功率模块中两路半桥与四象限斩波功率模块中的两路半桥电路构成四象限整流器功能，其中四象限功率模块中的两路并联半桥电路通过铜排与预充电回路中的主接触器的一端连接，其中四象限斩波功率模块中的两路并联半桥电路与输入电路传感器连接，同时输入电流传感器的另一端连接到变压器次边绕组，与预充电回路连接的变压器次边绕组为同一绕组的两端。四象限整流器用于将变压器次边的交流电整流为中间直流回路的直流电。且需要保证中间电压的幅值满足指标1800V±5%的要求，并使交流侧电流、电压为同相位，从而使网侧的功率因数接近于1.0。
中间直流电路由储能电路、测量及保护等电路构成。储能环节由支撑电容器FC5、FC6和FC2组成，主要作用是稳定中间回路电压，同时可对四象限脉冲整流器和电机逆变器产生的高次谐波进行滤波。测量及保护电路由接地测量电路，中间电压传感器PT3和高压指示电路组成。
接地测量电路包括电阻GRe1、GRe2、GRe3、电容GC1和电压传感器PT2，电阻GRe1、GRe2、GRe3依次串联后连接在四象限斩波功率模块的正负输出端之间，电阻GRe2、GRe3之间的连接点作为接地点，电容GC1和电压传感器PT2并联在电阻GRe3两端。
中间电压传感器PT3连接在四象限斩波功率模块的正负输出端之间。
高压指示电路包括电阻HR2和指示灯HD2，电阻HR2和指示灯HD2串接后连接在四象限斩波功率模块的正负输出端之间。
二次滤波回路由二次滤波电容C2-2F、C4-2F和集成在牵引变压器中的二次滤波电感L2-2F组成，二次滤波电感L2-2F、二次滤波电容C2-2F串接后连接在四象限斩波功率模块的正负输出端之间，C4-2F与C2-2F并联。其中二次滤波电容和支撑电容的重复峰值过电压要求根据电机的反电势电压进行要求。二次滤波电容放电电阻R1-2F与二次滤波电容并联连接。
和支撑电容慢放电阻DR连接在四象限斩波功率模块的正负输出端之间。
应用本发明专利的实例变流器结构如图2和图3所示，在结构方面，支撑电容与功率模块并排安放，通过复合母排连接，一方面减少中间回路中的杂散电感，一方面每个功率模块搭配一个支撑电容的结构，可以通过支撑电容吸收IGBT在开通和关断过程中产生的峰值过电压，有助于提高IGBT的使用寿命。二次滤波电容安装在变流器的后方，电容的端子向电容的一侧引出，通过复合母排实现两个二次滤波电容端子的连接，同时引出一组输出端子，分别为对外接线端子“﹢”和对外接线端子“-”。其中复合母排对外接线端子“+”通过铜排与对外接线端子相连接，对外连接到二次滤波电感和放电电阻；复合母排对外接线端子“-”通过铜排连接到中间回路负线。
逆变器和永磁电机之间设计有三极隔离接触器，三极隔离接触器的安装位置位于变流器左下方，且每一个牵引单元均设计安装有一个三极隔离接触器，三极分别对应逆变器输出铜排的U相、V相和W相，从物理上实现故障工况下将变流器和电机隔离。
功率模块的设计主要适应永磁***的设计变动，根据变流器设计要求，正常工况下，通过弱磁控制，母线电压会抑制在正常范围内，只有在极端工况下，即控制失效、隔离接触器粘连、机车处于高速状态下，此时牵引电机反电势会对中间母线电压抬升，因此将原驱动电路中的一级静态钳位，更改为两级动态钳位，第一级动态钳位值为2400V用于包括IGBT在正常开通关断过程中的过电压保护，第二级静态钳位值为4000V用于适应异常工况下反电势，提高功率模块的可靠性。
本发明所要解决的技术问题：
1)为大功率货运永磁直驱电力机车提供电传动***解决方案，满足货运八轴永磁直驱电力机车轮周功率9600kW的功率输出需求；
2)牵引变流器中间电压等级为1800V，功率模块采用3300V/1500A功率模块，在兼顾成本的基础上为大功率且高转矩的货运永磁电机提供电源；
3)针对永磁电机的反电势电压，3300V/1500A逆变功率模块采用两级钳位的设计进行***保护；
4)功率模块的统型方案设计，四象限斩波功率模块和牵引逆变功率模块统型，减少备品备件数量，降低用户检修成本。

Claims (9)

1.一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，变流器牵引主电路包括一个四象限功率模块（3）、一个四象限斩波模块（4）、一个独立的中间回路、一个牵引逆变功率模块（5），其特征在于：还包括一个三极隔离接触器（11），三极隔离接触器（11）位于牵引逆变功率模块与永磁电机中间，三极隔离接触器的三极分别接入永磁电机输入电路U相、V相和W相。
2.根据权利要求1所述的一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，其特征在于：四象限功率模块包括两个并联的半桥电路，并联构成变流器输入电流A相，四象限斩波模块包含三个并联的半桥电路，其中两个并联的半桥电路构成变流器输入电流B相，且与四象限功率模块的两个半桥电路共同构成四象限整流电路；四象限斩波模块的最后一个半桥电路与斩波电阻（16）一起构成斩波电路；牵引逆变功率模块包括三个并联的半桥电路，在结构上与四象限斩波模块实现统型设计。
3.根据权利要求2所述的一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，其特征在于：四象限功率模块、四象限斩波模块和逆变功率模块中均选择3300V/1500A规格IGBT，轴功率输出大于1200kW，一个牵引主电路驱动一个永磁电机，八个牵引主电路共同驱动八轴永磁直驱电力机车，满足货运八轴永磁直驱电力机车轮周功率9600kW的功率输出需求。
4.根据权利要求3所述的一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，其特征在于：变流器内包括2组独立的牵引主电路，每组牵引主电路都包括一个预充电功能电路，一个四象限功率模块，一个四象限斩波模块，一个独立的中间回路，一个牵引逆变功率模块，一个三极隔离接触器。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，其特征在于：牵引主电路还包括一个预充电电路，预充电电路包括：预充电接触器（7）、主接触器（6）以及充电电阻，其中，预充电接触器（7）与充电电阻串联形成的电路与主接触器（6）并联；四象限功率模块通过预充电电路与输入电源连接。
6.根据权利要求4所述的一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，其特征在于：中间回路包括中间支撑电容、二次滤波回路、接地检测装置、中间电压传感器和高压指示电路；二次滤波回路包括二次滤波电容和二次滤波电感，二次滤波电容和二次滤波电感串接后连接在四象限斩波模块正负输出端之间，接地检测装置包括接地电阻、接地电压传感器，接地电阻串接后连接在四象限斩波模块正负输出端之间，接地电阻的中间连接点为接地点，接地电压传感器和其中一接地电阻并联；中间电压传感器连接在四象限斩波模块正负输出端之间，高压指示电路包括指示灯和电阻，指示灯和电阻串联后连接在四象限斩波模块正负输出端之间。
7.根据权利要求6所述的一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，其特征在于：中间支撑电容（1）的数量定义为3个，四象限功率模块、四象限斩波模块和牵引逆变功率模块一侧分别安装一个支撑电容。
8.根据权利要求7所述的一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，其特征在于：变流器柜内2组独立的牵引主电路左右分别独立布置，每个牵引主电路中的中间支撑电容（1）与功率模块并排安放，通过复合母排连接，一方面减少中间回路中的杂散电感，一方面每个功率模块搭配一个支撑电容的结构，可以通过支撑电容吸收IGBT在开通和关断过程中产生的峰值过电压，有助于提高IGBT的使用寿命；二次滤波电容（2）安装在变流器的后方，电容的端子向电容的一侧引出，通过复合母排实现两个二次滤波电容端子的连接，同时引出一组输出端子，分别为对外接线端子“﹢”和对外接线端子“-”；其中复合母排对外接线端子“+”通过铜排与对外接线端子相连接，对外连接到二次滤波电感和放电电阻；复合母排对外接线端子“-”通过铜排连接到中间回路负线。
9.根据权利要求8所述的一种大功率货运永磁直驱电力机车变流器，其特征在于：中间回路预留辅助输入接口，用于辅助变流器从中间回路取电；中间回路预留库内动车接口，用于连接电力机车库内动车电源；中间回路预留放电电阻接口，用于连接位于放电电阻，放电电阻包括二次滤波电容放电电阻和支撑电容慢放电阻；中间回路预留接地接口，用于中间回路接地测量电路中的参考地连接。
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