CN203261255U - 牵引变流器和电力机车 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种牵引变流器和电力机车，该牵引变流器，包括主回路和控制单元，主回路中依次连接有电抗器、主开关、支撑电容和逆变桥臂，控制单元与主回路相连，还包括限流电阻和充电开关，限流电阻和充电开关串联后与主开关并联。一种电力机车，该电力机车车顶设置有受电弓，还包括上述的牵引变流器，所述牵引变流器中主回路经所述受电弓与供电电网相连。该牵引变流器通过对充电开关闭合或断开的控制，即可控制是否为支撑电容充电，可提高牵引变流器的安全性。

Description

牵引变流器和电力机车

技术领域

本实用新型涉及电路结构技术，尤其涉及一种牵引变流器和电力机车。 

背景技术

在电气化铁路中，接触网是电气化铁道的供电电网，电力机车的牵引变流器从接触网取得电能，机车车顶上安装有受电弓，牵引变流器的主回路通过受电弓与接触网接触以从接触网获取电能。 

图3为现有技术提供的牵引变流器的电路图，如图3所示，该牵引变流器的主回路可通过受电弓与接触网(图中未示出)相连，主回路中设置有电抗器L、电容C和三个由绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)和二极管组成的逆变桥臂1，电抗器L串接于主回路中，电容C并联于主回路中，并且，在主回路中设置有主开关KM，在主开关KM上并联一电阻R，控制单元2与主回路相连。 

控制单元2用于为逆变桥臂1提供控制信号，通过控制信号控制逆变桥臂中IGBT的导通或关断，逆变桥臂1根据控制信号对从接触网引入的电压进行整流逆变等处理后提供给机车上的牵引电机M，为机车提供牵引动力，进而通过电力机车牵引各节列车运行。并且，控制单元2还用于产生对主开关KM的开关控制信号，以控制主开关KM的断开与闭合。 

当因接触网与受电弓接触或脱离的瞬间主回路造成主回路中电流冲击时，电抗器的阻抗较大，可限制线路中的电流，以对牵引变流器中电气设备起到保护作用。 

电容可存储一定的能量，当列车在运行过程中，因受电弓和接触网接触不良引起的主回路中短暂性失电时，电容可在失电期间为牵引电机提供能量，以保证列车运行的稳定性。 

在启动逆变桥臂之前，需要首先为电容充电，而为该电容充电过程中充电电流不能过大，以免损坏电容，因此，首先断开主开关，电流将经过电阻 流入电容，通过该电阻将电容的充电电流限制在合适的范围，当电容充满电荷后，再闭合主开关，启动逆变桥臂。 

上述的牵引变流器结构，只要主回路中有电压，即使主开关处于断开状态，也会有电流流过电阻，将实时为电容提供充电电流，而在电力机车处于停止运行、维修等非运行状态时，并不需要为电容充电，如果此时对电容充电，因为电容中存储有电荷可能造成触电安全事故，但是，该牵引变流器的结构不能满足这种需求。 

实用新型内容

本实用新型的第一个方面是提供一种牵引变流器，以提高牵引变流器的安全性。 

该牵引变流器，包括主回路和控制单元，所述主回路中依次连接有电抗器、主开关、支撑电容和逆变桥臂，所述控制单元与所述主回路相连，还包括限流电阻和充电开关，所述限流电阻和充电开关串联后与所述主开关并联。 

如上所述的牵引变流器，其中， 

所述充电开关为绝缘栅双极型晶体管，该牵引变流器中还包括驱动电路，所述驱动电路连接于所述绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极之间，以为所述绝缘栅双极型晶体管提供导通或关断电压。 

如上所述的牵引变流器，其中， 

所述支撑电容为多个容量相同的第一电容串联而成，且各所述第一电容的两端分别并联一分压电阻，且各所述分压电阻的阻值相同。 

如上所述的牵引变流器，其中，还包括： 

电流传感器，分别串联在所述逆变桥臂的各相电流的输出线路中。 

运算器，分别与各所述电流传感器相连，用于将各所述电流传感器的检测电流值相加以得到电流累加值； 

比较器，分别与所述运算器和报警器相连，用于若判断获知所述电流累加值小于预设门限值状态下，输出报警控制信号，以控制报警器生成报警信号。 

如上所述的牵引变流器，其中， 

所述报警器包括继电器、电源和扬声器； 

其中，所述继电器的输入端与所述比较器相连，用于接收所述报警控制 信号，所述继电器的输出端的常开触点与所述电源和扬声器构成串联回路。 

如上所述的牵引变流器，其中， 

所述电抗器输入侧的主回路中并联有第一电压传感器； 

所述支撑电容的两端并联有第二电压传感器。 

本实用新型的另一个方面是提供一种电力机车，该电力机车车顶设置有受电弓，还包括本实用新型提供的牵引变流器，所述牵引变流器中主回路经所述受电弓与供电电网相连。 

本实用新型提供的牵引变流器，设置有限流电阻和充电开关，通过限流电阻限制支撑电容的充电电流，通过充电开关控制限流电阻是否接入主回路中，当需要为支撑电容充电时，闭合该充电开关，当电力机车处于停止运行、维修等非运行状态时，并不需要为电容充电时，断开该充电开关和主开关即可，避免因电容中存储有电荷造成触电安全事故，提高牵引变流器的安全性。 

附图说明

图1为本实用新型实施例所提供的牵引变流器的电路图； 

图2为本实用新型另一实施例所提供的牵引变流器的电路图； 

图3为现有技术提供的牵引变流器的电路图。 

具体实施方式

图1为本实用新型实施例所提供的牵引变流器的电路图，如图1所示，该牵引变流器包括主回路10和控制单元11，主回路10中依次连接有电抗器L₀、主开关KM₀、支撑电容C₀和逆变桥臂12，控制单元11与主回路10相连，还包括限流电阻R₀和充电开关13，限流电阻R₀和充电开关13串联后与主开关KM₀并联。 

电抗器L₀和主开关KM₀串接于主回路10中，支撑电容C₀并联于逆变桥臂12的输入侧，逆变桥臂12的输出侧用于与牵引电机14相连。 

控制单元11用于为逆变桥臂12提供控制信号，通过控制信号控制逆变桥臂12中各IGBT的导通或关断，逆变桥臂12根据控制信号对主回路 10引入的电压进行变换处理后提供给机车上的牵引电机14。并且，控制单元11还用于产生对主开关KM₀的开关控制信号，以控制主开关KM₀的断开与闭合。 

该牵引变流器中，主回路10用于与供电电网相连，以从供电电网中获取电能，主回路10中可以引入直流电压源，也可以引入交流电压源，本实施例中图1所示中主回路10引入的为直流电压源，牵引电机14采用交流直线电机，通过逆变桥臂将主回路10中的直流电压变换成交流电压后提供给牵引电机14。 

图1所示的逆变桥臂12为由IGBT和二极管组成的电路，共有三个桥臂，控制单元11分别对每个桥臂中的IGBT进行导通或关断的控制，每个桥臂分别输出一相电压U、V、W，完成将直流电压变化成三相交流电压的逆变功能。 

当然，逆变桥臂也可采用其他结构的电路，不限于图示所示的方式。 

控制单元上可引出485通信协议接口或CAN通信协议接口，既可以使用手持操作器对控制单元进行调试控制，也可以通过ECAN通信获得命令全自动对控制单元进行调试控制。 

当因接触网与受电弓接触或脱离的瞬间主回路造成主回路中电流冲击时，因电抗器的阻抗较大，可限制线路中的电流，以对逆变桥臂、牵引电机等电气设备起到保护作用。 

支撑电容可存储一定的能量，当列车在运行过程中，因受电弓和接触网接触不良引起的主回路中短暂性失电时，支撑电容可在失电期间为牵引电机提供能量，以保证列车运行的稳定性。 

在启动逆变桥臂12之前，需要首先为支撑电容C₀充电，而为该支撑电容C₀充电过程中充电电流不能过大，以免损坏支撑电容C₀，因此，首先断开主开关KM₀、闭合充电开关13，电流将经过限流电阻R₀流入支撑电容C₀，通过限流电阻R₀将对支撑电容C₀的充电电流限制在合适的范围，当支撑电容C₀充满电荷后，再断开充电开关13、闭合主开关KM₀，启动逆变桥臂12。 

由上述技术方案可知，该牵引变流器，设置有限流电阻和充电开关，通过限流电阻限制支撑电容的充电电流，通过充电开关控制限流电阻是否接入主回路中，当需要为支撑电容充电时，闭合该充电开关，当电力机车处于停止运行、维修等非运行状态时，并不需要为电容充电时，断开该充电开关和 主开关即可，避免因电容中存储有电荷造成触电安全事故，提高牵引变流器的安全性。 

图2为本实用新型另一实施例所提供的牵引变流器的电路图，在上述实施例的基础上，如图2所示，该充电开关为绝缘栅双极型晶体管Q₁，该牵引变流器中还包括驱动电路15，驱动电路15连接于绝缘栅双极型晶体管Q₁的栅极和发射极之间，以为绝缘栅双极型晶体管Q₁提供导通或关断电压。 

充电开关具体可采用多种形式的开关，例如，接触器或继电器等，本实施例中，将IGBT作为充电开关。 

驱动电路连接于IGBT的栅极和发射极之间，用于为IGBT提供导通或关断电压，根据IGBT的导通或关断要求在其栅极和发射极之间施加正向电压或负向电压。 

若在IGBT的栅极和发射极之间加上正向电压，则IGBT导通，也就是充电开关处于打开状态，此时，若同时断开主开关，电流可经限流电阻和IGBT流入支撑电容，为支撑电容充电；若在IGBT的栅极和发射极之间加上负向电压，则IGBT关断，也就是充电开关处于断开状态，此时，若同时断开主开关，不再支撑电容充电。 

采用IGBT作为充电开关，具有驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压低而容量大的优点。 

如图2所示，上述牵引变流器中的支撑电容为多个容量相同的第一电容C₁串联而成，且各第一电容C₁的两端分别并联一分压电阻R₁，且各分压电阻R₁的阻值相同。 

采用上述的电路结构，将多个第一电容串联组成支撑电容，可减小每个第一电容的容量，降低对支撑电容的容量要求。 

当各第一电容中电荷释放完毕，在刚接通电路，为各第一电容充电时，由于各第一电容相当于短路，会对后面的逆变桥臂产生危害，所以并联分压电阻降压，各第一电容充电完毕后，各第一电容上就分担了大部分电流，等于把各分压电阻开路。当各第一电容充满电荷后，各第一电容有轻微漏电现象，因漏电大小不等会造成各第一电容的分压不完全相等，因此，在各第一电容两端分别并联一阻值相同的分压电阻，可平衡各第一电容两端的电压，各分压电阻的阻值通常取小于各第一电容漏电电阻的十倍左右。 

并且，该牵引变流器中，还包括电流传感器、运算器和比较器。 

如图2所示，电流传感器T₁、T₂和T₃分别串联在逆变桥臂12的各相电流的输出线路中。 

运算器，分别与各电流传感器相连，用于将各电流传感器的检测电流值相加以得到电流累加值。 

比较器，分别与运算器和报警器相连，用于若判断获知电流累加值大于预设门限值状态下，输出报警控制信号，以控制报警器生成报警信号。 

本实施例中，在逆变桥臂的各相电流的输出线路中分别串联有电流传感器，以通过各电流传感器检测逆变桥臂各相输出电流的大小。 

若逆变桥臂正常运行，通过电流传感器检测的各相电流的输出线路中的电流值相加后得到的电流累加值应该为零，如果考虑到检测误差，电流累加值近似为零，如果电流累加值为大于近似零的值，可说明逆变桥臂发生故障。 

本实施例中，预设门限值可选择近似为零的值，可将比较器的同相输入端与运算器的输出端相连，用于接收运算器输出的电流累加值，比较器的反相输入端连接预设门限值，将该预设门限值作为参考阈值，当电流累加值大于预设门限值时，比较器的输出端可输出一高电平或低电平，可将该高电平或低电平作为报警控制信号，报警器接收到该报警控制信号后将产生报警信号。工作人员发现报警信号后，可获知该逆变桥臂发生故障，进而可采取相应的措施进行检查或维修，避免逆变桥臂故障运行影响电力机车的安全正常运行。 

报警器用于产生报警信号，可以为多种形式，例如，可以为一扬声器，通过扬声器发出的声音作为报警信号；也可以将一发光二极管作为报警器，通过发光二极管发出的光作为报警信号；该报警器也可以是串联的扬声器和电灯，通过扬声器发出的声音和电灯发出的光同时作为报警信号。 

本实施例中优选的是，报警器包括继电器、电源和扬声器，继电器的输入端与比较器相连，用于接收报警控制信号，继电器的输出端的常开触点与电源和扬声器构成串联回路。 

继电器接收到报警控制信号后，其常开触点将闭合，从而接通电源和扬声器的串联回路，扬声器发出声音作为报警信号。 

如图2所示，在该牵引变流器中，电抗器L₀输入侧的主回路10中并联有第一电压传感器T₄；支撑电容的两端并联有第二电压传感器T₅。

第一电压传感器T₄用于检测电抗器L₀输入侧的主回路10中电压值，第二电压传感器T₅用于检测支撑电容两端的电压值。 

在电力机车运行过程中，如果受电弓与接触网接触不良，此时，主回路中的电压将为零，通过第一电压传感器检测的电压值也会为零，而由于支撑电容两端存储有电荷，通过第二传感器检测的支撑电容两端的电压值并不为零，而为支撑电容两端的电压，随着支撑电容放电，第二传感器检测的电压值将逐渐减小，如果检测的电压值为零或者小于某一值时，需要再次为支撑电容充电，此时，需断开主开关、闭合充电开关，当电容充满电荷后，再断开充电开关、闭合主开关，启动逆变桥臂。 

由上述描述可知，本实施通过设置第一电压传感器和第二电压传感器，通过两电压传感器检测的电压值可作为了解牵引变流器运行情况的参考数据。 

本实用新型实施例还提供了一种电力机车，该电力机车车顶设置有受电弓，还包括本实用新型实施例提供的牵引变流器，牵引变流器中主回路经受电弓与供电电网相连。 

该电力机车，牵引变流器中主回路经受电弓与供电电网相连，供电电网可以为直流电压源，也可以为交流电压源，该电力机车采用本实用新型实施例提供的牵引变流器，该牵引变流器中设置有限流电阻和充电开关，通过限流电阻限制支撑电容的充电电流，通过充电开关控制限流电阻是否接入主回路中，当需要为支撑电容充电时，闭合该充电开关，当电力机车处于停止运行、维修等非运行状态时，并不需要为电容充电时，断开该充电开关和主开关即可，避免因电容中存储有电荷造成触电安全事故，提高牵引变流器的安全性。 

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的范围。 

Claims (7)

1.一种牵引变流器，包括主回路和控制单元，所述主回路中依次连接有电抗器、主开关、支撑电容和逆变桥臂，所述控制单元与所述主回路相连其特征在于：

还包括限流电阻和充电开关，所述限流电阻和充电开关串联后与所述主开关并联。

2.根据权利要求1所述的牵引变流器，其特征在于：

所述充电开关为绝缘栅双极型晶体管，该牵引变流器中还包括驱动电路，所述驱动电路连接于所述绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极之间，以为所述绝缘栅双极型晶体管提供导通或关断电压。

3.根据权利要求1或2所述的牵引变流器，其特征在于：

所述支撑电容为多个容量相同的第一电容串联而成，且各所述第一电容的两端分别并联一分压电阻，且各所述分压电阻的阻值相同。

4.根据权利要求1或2所述的牵引变流器，其特征在于，还包括：

电流传感器，分别串联在所述逆变桥臂的各相电流的输出线路中；

运算器，分别与各所述电流传感器相连，用于将各所述电流传感器的检测电流值相加以得到电流累加值；

比较器，分别与所述运算器和报警器相连，用于若判断获知所述电流累加值小于预设门限值状态下，输出报警控制信号，以控制报警器生成报警信号。

5.根据权利要求4所述的牵引变流器，其特征在于：

所述报警器包括继电器、电源和扬声器；

其中，所述继电器的输入端与所述比较器相连，用于接收所述报警控制信号，所述继电器的输出端的常开触点与所述电源和扬声器构成串联回路。

6.根据权利要求1或2所述的牵引变流器，其特征在于：

所述电抗器输入侧的主回路中并联有第一电压传感器；

所述支撑电容的两端并联有第二电压传感器。

7.一种电力机车，所述电力机车车顶设置有受电弓，其特征在于：还包括权利要求1-6任一所述的牵引变流器，所述牵引变流器中主回路经所述受电弓与供电电网相连。 

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