CN202856629U - 一种机车变流装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机车变流装置，包括冷却***以及安装于同一个柜体中的整流模块单元、中间直流回路单元、逆变模块单元、一路辅助逆变模块单元；整流模块单元用来将电网交流电转变为中间直流电，中间直流电经中间直流回路单元后，一路由逆变模块单元转变为三相交流电并最终供给牵引电机，另一路由辅助逆变模块单元转变为三相交流电供给机车辅助设备。本实用新型具有结构更加简单紧凑、体积更小、设计制作更加方便、能够综合有效解决空气循环和散热问题等优点。

Description

一种机车变流装置

技术领域

本实用新型主要涉及到机车用变流设备领域，特指一种机车变流装置。

背景技术

目前，随着轨道交通快速发展，各种电力机车或者动车组等普遍均采用大功率的机车变流装置，例如绝缘栅双极晶体管（Insulate Gate Bipolar Transistor,IGBT）机车变流装置。

传统的机车变流装置主要包括主牵引变流装置和辅助变流装置，且上述两部分装置均单独成柜。主牵引变流装置，主要是用来给电压、电流或者功率等级高的机车牵引电机供电。该设备一般由整流模块、中间直流回路、逆变模块、控制单元、网络通信单元、电压电流检测单元、充电短接回路等主电路设备构成。由于单位体积内的功率模块个数众多，其运行时热流量很大，使得设备散热问题突出。现有主牵引变流装置的冷却***，主要是针对整流模块和逆变模块等带有大功率IGBT器件的设备进行水冷散热，设计时并未考虑柜体内部其他发热元件引起的柜体内部环境散热问题。

辅助变流装置，主要是用来给电压、电流或者功率等级低的机车辅助设备供电。辅助变流装置一般也是由PWM整流器、中间直流回路、逆变模块、控制单元、网络通信单元、电压电流检测单元、充电短接回路等电路设备构成。由于单位体积内的功率模块个数不多，运行时热流量不大，该设备散热通常采用强迫风冷散热进行冷却。但是，采用强迫风冷散热的风道设计非常讲究且冷却风机噪声很大。

从上述结构看来，现有主牵引变流装置主要给电压、电流等级高的机车牵引电机供电，而不具有给机车上的电压、电流等级低的辅助负载设备（通风机组、空气压缩机组、空调、加热器、蓄电池充电器、油泵、水泵等辅助设备）供电的功能。一般机车上的辅助负载设备通过辅助变流装置供电。因为机车负载设备众多，负载供电制式不同，导致机车一般配置两台辅助变流装置。这样的两台辅助变流装置安装在机车机械室内将占据很大的空间；使得本来复杂的机械室，更加拥挤不堪。

以上传统结构存在以下几个技术问题：

1. 两套变流装置均独立成柜，造成其电能变换交直交环节、冷却***、控制单元、网络通信***等重复设计，集成度不高，导致设备成本增加，可靠性大大降低。

2.主辅单独成柜，各柜体供电***使用牵引变压器的不同绕组供电，导致机车布线繁杂，增加了空间布局难度。过分相时，牵引变压器失电，导致辅助负载停机；过度的起停，将会导致辅助负载寿命降低，负载可靠性降低。另外，柜体数量增加，造成机车机械室内空间利用率低，人力物力资源浪费严重，导致机车机械室布置难度加大，占用更多的机车机械室空间，使得运行可靠性大大降低。

3.现有机车变流装置的冷却***，主要是针对整流模块和逆变模块等带有大功率IGBT器件的设备进行水冷散热，设计时并未考虑柜体内部其他发热元件引起的柜体内部空气循环和散热问题，这样将导致密闭柜体内部环境温度持续升高，将会影响功率模块和柜内其他器件的正常运行，严重时将会导致器件因工作温度过高而烧损。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种结构更加简单紧凑、体积更小、设计制作更加方便、能够综合有效解决空气循环和散热问题的机车变流装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种机车变流装置，包括冷却***以及安装于同一个柜体中的整流模块单元、中间直流回路单元、逆变模块单元、一路辅助逆变模块单元；所述整流模块单元用来将电网交流电转变为中间直流电，所述中间直流电经中间直流回路单元后，一路由逆变模块单元转变为三相交流电并最终供给牵引电机，另一路由辅助逆变模块单元转变为三相交流电供给机车辅助设备。

作为本实用新型的进一步改进：

所述整流模块单元为两个，分别为对应主牵引变流一侧的第一整流模块单元和对应辅助变流一侧的第二整流模块单元。

所述整流模块单元包括整流模块前级电路和整流模块；所述整流模块前级电路包括充电电阻、充电接触器和工作接触器，所述整流模块的功率开关器件为IGBT，采用两电平单相桥式电压型变流电路。

所述中间直流回路单元包括第一中间电压支撑电容、第二中间电压支撑电容、谐振滤波电容、谐振滤波电感、斩波模块以及中间电压测量电路。

所述辅助逆变模块单元采用两电平三相桥式电压型电路，功率开关器件为IGBT。

所述柜体正面的左上方布置有控制单元，所述控制单元的下方设有高压电器箱，所述高压电器箱中装设有充电接触器、充电电阻、固定放电电阻；所述整流模块单元放置在柜体正面的中间位置，两个整流模块单元呈上、下布置；所述逆变模块单元中的多个逆变模块以及斩波模块分别位于整流模块单元的两侧，所述辅助逆变模块单元位于柜体最下层的右下角；所述柜体正面最下层的左下角设置有工作接触器及输入输出端子。

所述冷却***包括位于柜体外部的冷却塔和位于柜体内的柜内功率单元冷却***和柜内空气循环与降温冷却***；所述柜内空气循环与降温冷却***包括安装于柜体内部的水气热交换器和冷却风机，所述水气热交换器与冷却风机集成在一起，所述柜内功率单元冷却***包括水冷却管，所述水冷却管流经整流模块单元、逆变模块单元、辅助逆变模块单元以及水气热交换器并与冷却塔保持连通。

所述冷却塔内通有冷却水，所述冷却塔包括膨胀水箱、热交换器以及水泵，所述水冷却管中循环回来的热的冷却水经热交换器进行冷却后由水泵泵送回水冷却管中。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、本实用新型中将主牵引变流部件和辅助变流部件集成在同一柜体内，整体集成度高。相对于独立成柜而言，整个设备的数量减少，成本下降，节省了人力物力，节省了机车机械室空间。

2、本实用新型中的冷却***，不仅能够对功率单元迅速的散热，还可以保证箱体内部的环境温升较小，两者相辅相成，缺一不可。

3、本实用新型的机车变流装置，其辅助逆变模块单元从变流装置中间直流回路取电，避免了辅助变流装置通过牵引变压器辅助绕组供电，减少了交直整流环节。

4、本实用新型的机车变流装置，为主辅一体的变流装置，过分相区有条件控制牵引电机微制动回馈能量，维持辅助逆变模块不断电工作，从而维持辅助负载不间断供电，减少负载不断起停的工作状态，进而延长了辅助负载寿命，减少对变流装置的冲击。

5、本实用新型的机车变流装置，为主辅一体的变流装置，共用冷却一套冷却***，从而避免了重复设计不同的冷却***，减少设计难度；共用一套控制***，从而减少控制***个数，增加可靠性；共用一套网络通信***，从而减少网络通信走线，增强了通信可靠性能。

附图说明

图1是本实用新型机车变流装置的框架结构示意图。

图2是本实用新型中柜体内正面的布置示意图。

图3是本实用新型中冷却***的布置示意图。

图例说明：

1、整流模块单元；2、中间直流回路单元；201、第一中间电压支撑电容；202、第二中间电压支撑电容；203、谐振滤波电容；204、谐振滤波电感；205、斩波模块；3、逆变模块单元；301、第一逆变模块；302、第二逆变模块；303、第三逆变模块；4、辅助逆变模块单元；5、柜体；6、控制单元；7、高压电器箱；8、水冷却管；9、工作接触器及输入输出端子；10、冷却风机；11、冷却塔；111、膨胀水箱；112、热交换器；113、水泵；12、水气热交换器。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型的机车变流装置，包括安装于同一个柜体5中的整流模块单元1、中间直流回路单元2、逆变模块单元3、一路辅助逆变模块单元4以及冷却***。其中，整流模块单元1用来将电网交流电转变为中间直流电，中间直流电经中间直流回路单元2后，一路由逆变模块单元3转变为三相交流电并最终供给牵引电机，另一路由辅助逆变模块单元4转变为三相交流电供给机车辅助设备。冷却***用来对整个变流装置进行冷却。

本实施例中，整流模块单元1为两个，分别为第一整流模块单元和第二整流模块单元，分别对应主牵引变流一侧和辅助变流一侧。整流模块单元1的作用实际为向电机侧逆变模块提供一个相匹配的、恒定的直流电压源。整流模块单元1包括整流模块前级电路和整流模块。整流模块前级电路主要包括充电电阻、充电接触器和工作接触器。在变流装置工作前，变流装置的控制部件根据微机控制监视***来的信号，先闭合充电接触器，经过充电电阻限流，整流模块向中间直流回路单元2进行充电，建立初始电压。接入充电电阻的目的是为了减少对中间直流回路单元中支撑电容的电流冲击。当检测到中间直流回路单元2中的电压到达一定值后，闭合工作接触器，继续向直流环节充电。整流模块的功率开关器件为IGBT，采用两电平单相桥式电压型变流电路，其作用是：当电网交流电压在一个范围内波动时，利用脉冲调制电压控制技术，使中间直流回路单元2中的直流电压保持恒定，确保逆变模块单元3的正常工作。同时，通过调整脉冲调制角，在电网侧要获得一个近似正弦波的电流，使变压器一次侧的功率因数可接近于1。

本实施例中，中间直流回路单元2是整流模块单元1与逆变模块单元3或整流模块单元1与辅助逆变模块单元4之间的中间环节；中间直流回路单元2为储能环节，其作用是保持中间直流电压的稳定，实现对主变压器和牵引电机的能量解耦。本实施例中，中间直流回路单元2包括第一中间电压支撑电容201、第二中间电压支撑电容202、谐振滤波电容203、谐振滤波电感204、斩波模块205、中间电压测量电路等。其中，第一中间电压支撑电容201和第二中间电压支撑电容202的作用主要是稳定中间回路电压；谐振滤波电容203和谐振滤波电感204主要是过滤直流支撑回路中的两倍基频输入电压，减少谐波通过直流支撑回路电容器；中间电压测量电路主要是通过电压传感器对中间回路的电压进行监测（主要是主牵引变流一侧），以保证中间电压维持在正常许用值范围内；固定放电电阻用于在斩波模块205出现故障后将电容上的电压放至安全电压以下。斩波模块205由IGBT元件和限流电阻组成，主要是限制中间直流回路中瞬时过电压，也用于停机后的快速放电。

本实施例中，逆变模块单元3包括第一逆变模块301、第二逆变模块302和第三逆变模块303，其电路均是由IGBT元件组成。在本实例中，逆变模块与整流模块的结构相同，装置可以互换，只是改变控制方式就能实现整流或者逆变功能。逆变模块采用直接转矩控制模式，可实现牵引电动机的独立控制。

本实施例中，辅助逆变模块单元4主要采用两电平三相桥式电压型电路，功率开关器件为IGBT；其作用是将恒定的直流电压转换为三相交流电压供给辅助设备，输出为PWM波。机车辅助***采用三相交流恒压恒频（ 440V/60Hz）或者变压变频 (0～440V、0～60HZ)供电制式，由辅助逆变模块单元4经过降压滤波装置向通风机组、空气压缩机组、空调、加热器、蓄电池充电器、油泵、水泵等辅助设备供电。

本实施例中，在柜体5的正面主要布置了整流模块单元1、逆变模块单元3、辅助逆变模块单元4、控制单元6、高压电器箱7、水冷却管8、工作接触器及输入输出端子9等等；而柜体5的背面主要布置有谐振滤波电容203（由于谐振电感发热量较大，变流装置内不考虑安装谐振电感）、柜内的冷却风机10和斩波电阻等等；柜体5的侧面主要布置控制插头、网络通信插头和水冷却管接口等等。

如图2所示，在柜体5的正面，控制单元6布置在柜体5的左上方，控制单元6的下方为高压电器箱7，高压电器箱7中主要布置充电接触器、充电电阻、固定放电电阻、热交换器等等。整流模块单元1放置在柜体5的中间位置，两个整流模块单元1呈上、下布置。逆变模块单元3中的多个逆变模块以及斩波模块205分别位于整流模块单元1的两侧，辅助逆变模块单元4位于柜体5最下层的右下角。水冷却管8通过软管连接整流模块单元1、逆变模块、辅助逆变模块单元4和斩波模块205；工作接触器及输入输出端子9则位于柜体5最下层的左下角。

采用上述结构后，本实用新型通过将发热量大的各变流器件均匀分布在柜体5内的前半部分，并尽量靠近柜体5的边缘，有利于保持柜体5内部温度的均衡，不会造成柜体5内部局部温度过高的现象。

另外，本实用新型将斩波电阻布置在柜体5的左后方靠近顶板的位置，在柜体5上分别留有进风口和出风口；并通过安装在斩波电阻下方的风机组件对斩波电阻进行由下而上的冷却，可以很方便地将斩波电阻散发出来的热量带出柜体，不会将热量传给柜体5内的其他元器件。

本实施例中，参见图3所示，冷却***包括位于柜体5外部的冷却塔11和位于柜体5内的柜内功率单元冷却***和柜内空气循环与降温冷却***。

冷却塔11内通有冷却水。冷却塔11包括膨胀水箱111、热交换器112以及水泵113。冷却塔11的主要作用是为冷却水提供循环动力，并对从各变流器件循环回来的热的冷却水进行冷却。

柜内功率单元冷却***将由外部冷却塔11提供的循环冷却水对内部功率模块进行散热。柜内空气循环与降温冷却***包括安装于柜体5内部的水气热交换器12和冷却风机10，水气热交换器12与冷却风机10集成在一起，用于对变流器柜体5内部的空气进行循环与降温。本实例中，柜内功率单元冷却***包括水冷却管8，水冷却管8流经整流模块单元1、逆变模块单元3、辅助逆变模块单元4等内部功率器件以及水气热交换器12，并与冷却塔11保持连通，由冷却塔11提供循环冷却水对内部功率器件进行散热。本实用新型的机车变流装置将发热量大的变流器模块均匀分布在变流器柜体5内的前半部分，并尽量靠近柜体5的边缘，水冷却管8（进出水管道）分布在各功率模块的中间位置，各功率模块通过软管连接进出水管，这样集中布置功率模块和合理的水冷却管8布置有利于保持功率模块散热和柜体5内部温度的均衡。

因为整个冷却***中没有柜体5外的空气流入，通过水气热交换器12和冷却风机10可以实现水冷向风冷的过度。这样，通过柜体5中的柜内空气循环与降温冷却***，可以防止出现柜体5内局部过热点的问题。如此一来，无论是设置相对集中的功率单元，还是设置相对分散的电阻、传感器等器件，都能够从整体上进行散热，控制电器设备的温升。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种机车变流装置，其特征在于：包括冷却***以及安装于同一个柜体（5）中的整流模块单元（1）、中间直流回路单元（2）、逆变模块单元（3）、一路辅助逆变模块单元（4）；所述整流模块单元（1）用来将电网交流电转变为中间直流电，所述中间直流电经中间直流回路单元（2）后，一路由逆变模块单元（3）转变为三相交流电并最终供给牵引电机，另一路由辅助逆变模块单元（4）转变为三相交流电供给机车辅助设备。

2.根据权利要求1所述的机车变流装置，其特征在于：所述整流模块单元（1）为两个，分别为对应主牵引变流一侧的第一整流模块单元和对应辅助变流一侧的第二整流模块单元。

3.根据权利要求2所述的机车变流装置，其特征在于：所述整流模块单元（1）包括整流模块前级电路和整流模块；所述整流模块前级电路包括充电电阻、充电接触器和工作接触器，所述整流模块的功率开关器件为IGBT，采用两电平单相桥式电压型变流电路。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的机车变流装置，其特征在于：所述中间直流回路单元（2）包括第一中间电压支撑电容（201）、第二中间电压支撑电容（202）、谐振滤波电容（203）、谐振滤波电感（204）、斩波模块（205）以及中间电压测量电路。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的机车变流装置，其特征在于：所述辅助逆变模块单元（4）采用两电平三相桥式电压型电路，所述辅助逆变模块单元（4）的功率开关器件为IGBT。

6.根据权利要求4所述的机车变流装置，其特征在于：所述柜体（5）正面的左上方布置有控制单元（6），所述控制单元（6）的下方设有高压电器箱（7），所述高压电器箱（7）中装设有充电接触器、充电电阻、固定放电电阻；所述整流模块单元（1）放置在柜体（5）正面的中间位置，两个整流模块单元（1）呈上、下布置；所述逆变模块单元（3）中的多个逆变模块以及斩波模块（205）分别位于整流模块单元（1）的两侧，所述辅助逆变模块单元（4）位于柜体（5）最下层的右下角；所述柜体（5）正面最下层的左下角设置有工作接触器及输入输出端子（9）。

7.根据权利要求1～3中任意一项所述的机车变流装置，其特征在于：所述冷却***包括位于柜体（5）外部的冷却塔（11）和位于柜体（5）内的柜内功率单元冷却***和柜内空气循环与降温冷却***；所述柜内空气循环与降温冷却***包括安装于柜体（5）内部的水气热交换器（12）和冷却风机（10），所述水气热交换器（12）与冷却风机（10）集成在一起，所述柜内功率单元冷却***包括水冷却管（8），所述水冷却管（8）流经整流模块单元（1）、逆变模块单元（3）、辅助逆变模块单元（4）以及水气热交换器（12）并与冷却塔（11）保持连通。

8.根据权利要求7所述的机车变流装置，其特征在于：所述冷却塔（11）内通有冷却水，所述冷却塔（11）包括膨胀水箱（111）、热交换器（112）以及水泵（113），所述水冷却管（8）中循环回来的热的冷却水经热交换器（112）进行冷却后由水泵（113）泵送回水冷却管（8）中。

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