CN103158566B - 一种交流电传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种交流电传动系统，所述系统包括以下：主发电机，用于产生交流电并输出；变流模块，用于对主发电机产生的交流电进行变流处理；将处理后得到的符合牵引电动机额定标准的交流电输出至牵引电动机；将处理后得到的符合辅助组件额定标准的交流电输出至辅助组件；励磁模块，用于接收主发电机输出的交流电并转换为励磁电流，将励磁电流输出至主发电机；通过所述励磁电流控制主发电机的输出功率。

Description

一种交流电传动系统

技术领域

本发明轨道车辆技术领域，特别涉及一种交流电传动系统。

背景技术

当前，轨道车辆在很多大型城市内部以及城市与城市之间一直起到骨干的作用。轨道车辆交通这一名词涵盖范围非常广泛，种类繁多；包括动车组、城市铁路、地下铁道、轻轨交通、磁悬浮线路、机场联络铁路等。新式的轨道车辆往往以电力作为能源，因此目前的轨道车辆交通有着节能、省地、运量大、全天候、无污染（或少污染）又安全等优点，属绿色环保交通体系，符合可持续发展的原则。而且顾名思义，轨道车辆即是车辆与轨道上运行的交通方式，所以基本上不会受到交通拥堵的影响，在交通压力繁重的大城市里，其相比汽车交通更加高效快速。而随着各方面技术的进步，轨道车辆的相关技术也在向更安全、更快速的方向不断的完善，尽可能的为市民的出行带来更大的方便。

传统的依靠电力的轨道车辆，往往采用直流传动的形式，也就是依靠直流电为轨道车辆的牵引电动机供电，从而产生牵引力推动车辆的形式。但是传统直流牵引电动机由于结构的原因，功率收到限制，功率提升存在技术上的瓶颈；而且直流牵引电动机负载特性较软，粘着利用率偏低；随着轨道车辆技术的发展，直流传动与直流牵引电机已经越来越不能够满足实际的需求。

随着电子器件的高速发展，轨道车辆中的交流传动技术逐步出现，并得到快速的发展。交流传动与相应的交流牵引电机能够克服功率提升上的技术瓶颈，而且有着良好的负载特性和粘着利用率，已经成为未来的发展趋势。

根据轨道车辆的实际工作情况，应用在轨道车辆当中的交流传动系统主要对两部分组件进行供电。一部分组件及牵引电动机本身，另一部分组件为牵引电动机通风机、空压机、冷却风扇及其他辅助通风机、机车空调机、机车生活用电等辅助电气组件。在现有的交流传动系统中，发电机为两部分组件分别供电，甚至会单独设立一台辅助发电机专门为辅助组件供电。现有的牵引电动机与辅助组件分离的交流传动系统主要存在以下缺陷：主辅分离的交流传动系统不便于系统集成、结构安装及维护以及部件通用，使用程度较低；辅助组件从主发电机取电或设置独立的辅助发电机的布置，会增加轨道车辆的重量，提高了车辆的制造成本及运行负担；此外，分离的传动系统必然要为辅助组件的供电设置更多额外的逆变器，也增加整个系统的复杂性和造价。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种交流电传动系统，所述系统通过一台发电机同时为牵引电动机及辅助组件供电，实现了交流电传动系统对于全车的一体化供电。

为实现上述目的，本发明有如下技术方案：

一种交流电传动系统，所述系统包括以下：

主发电机，用于产生交流电并输出；

变流模块，用于对主发电机产生的交流电进行变流处理；将处理后得到的符合牵引电动机额定标准的交流电输出至牵引电动机；将处理后得到的符合辅助组件额定标准的交流电输出至辅助组件；

励磁模块，用于接收主发电机输出的交流电并转换为励磁电流，将励磁电流输出至主发电机；通过所述励磁电流控制主发电机的输出功率。

所述变流模块具体包括：

整流单元，用于主发电机输出的交流电转换为直流电；

牵引逆变器，用于将所述直流电转换为符合牵引电动机额定标准的交流电，并输出至牵引电动机；

辅助逆变器，用于将所述直流电转换为符合辅助组件额定标准的交流电，并输出至辅助组件。

所述系统包括两个并联的变流模块，分别为第一变流模块和第二变流模块，每个变流模块为一个转向架的多个牵引电动机供电，则所述牵引逆变器的数量为等于一个转向架中牵引电动机的数量。

所述变流模块还包括：

接触开关，用于在故障时断开，将该变流模块隔离；

直流回路单元，用于对变流模块进行故障检测、监控、滤波，并接收牵引逆变器的反馈电流；

制动电阻，用于将所述牵引逆变器的反馈电流以热能的形式消耗。

所述辅助组件具体包括：

冷却风机、空压机、主发电机风机、牵引电动机风机、制动电阻风机、排尘风扇。

所述第一变流模块包括的辅助逆变器为第一辅助逆变器，第二变流模块包括的辅助逆变器为第二辅助逆变器，具体的；

第一辅助逆变器向冷却风机输出交流电；

第二辅助逆变器向空压机、主发电机风机、牵引电动机风机、制动电阻风机和排尘风扇输出交流电。

所述系统还包括：

第三辅助逆变器，用于将所述直流电转换为符合充电机额定标准的交流电，并输出至充电机；

充电机，用于将第三辅助逆变器输出的交流电转换成直流电为蓄电池充电；

蓄电池，用于存储电能，并在所述主发电机变频启动过程中释放电能。

所述蓄电池藕接所述直流回路单元及牵引逆变器；则在主发电机变频启动的过程中，所述蓄电池通过直流回路单元及牵引逆变器向主发电机供电，使主发电机完成变频启动。

所述第一辅助逆变器、第二辅助逆变器和第三辅助逆变器互为冗余。

所述系统还包括：

标准转换器，藕接所述充电机，用于将所述充电机输出的直流电转换为标准民用电。

所述主发电机具体为双绕组电机，每个绕组向一个变流模块输出交流电。

所述励磁模块藕接辅助逆变器，或所述励磁模块藕接主发电机。

所述变流模块还包括：

列供单元，用于将所述直流电转换为符合特定标准的交流电，并输出至车辆的照明系统和供暖系统。

所述系统好包括：

控制模块，用于发送控制指令，以控制系统其它各部分的运行。

通过以上技术方案可知，本发明存在以下有益效果：利用所述变流模块为车辆牵引电动机和辅助组件分别提供符合其额定标准的电流，实现了一体化的交流电传动；使得所述系统的集成度更高，而且部件的通用性更强，便于结构的安装及维护；本实施例所述系统中，辅助组件不再需要利用特别的装置从主发电机取电或设置独立的辅助发电机，简化了发电机在车辆中的布置，降低了轨道车辆的重量、制造成本及运行负担；并尽可能的减少了逆变器的数量，更便于列车空间的布置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述系统结构示意图；

图2为本发明另一实施例所述系统结构示意图；

图3为本发明实施例所述系统在轨道车辆行驶过程中工作流程示意图；

图4为本发明实施例所述系统在轨道车辆制动过程中工作流程示意图；

图5为本发明实施例所述系统在主发电机变频启动过程中工作流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示，为本发明所述交流电传动系统的一个具体的实施例。本实施例为本发明所述系统的一个基础实施例，本实施例中，仅以一个主发电机为输出电能的源头，所述变流模块同时向牵引电动机和辅助组件提供特定电压等级的交流电，实现了对于牵引电动机与辅助组件的一体化供电。本实施例中，所述系统包括以下：

主发电机，用于产生交流电并输出。

本实施例中所述主发电机为产生电能的唯一装置，所述牵引电动机与辅助组件的电力来源均为主发电机。

变流模块，用于对主发电机产生的交流电进行变流处理；将处理后得到的符合牵引电动机额定标准的交流电输出至牵引电动机；将处理后得到的符合辅助组件额定标准的交流电输出至辅助组件。

主发电机中产生的交流电由于频率和电压等级的差异，无法被所述牵引电动机和辅助组件所利用。所以主发电机需首先将交流电输出至变流模块，所述变流模块将有针对性的对所述交流电进行变流处理，调整所述交流电的频率及电压等级。

本实施例中，所述交流电对于该交流电的处理主要是针对两部分，及牵引电动机与辅助组件。本发明交流电传动的背景之下，上述两部分均以交流电供电，但二者所需交流电源的额定电压等级和频率一般存在较大的差异。所以在本实施例中，所述变流模块有针对性的对主发电机产生的交流电进行处理，将处理后得到的符合牵引电动机额定标准的交流电输出至牵引电动机；将处理后得到的符合辅助组件额定标准的交流电输出至辅助组件。

励磁模块，用于接收主发电机输出的交流电并转换为励磁电流，将励磁电流输出至主发电机；通过所述励磁电流控制主发电机的输出功率。

励磁即为发电机定子提供电流，使定子产生磁场的过程，是发电机工作的一项基本原理。所以本发明所述励磁模块是所述主发电机运行过程中必不可少的一项辅助功能模块。

本实施例中，所述主发电机的励磁模式为自励，也就是利用主发电机本身输出的电流作为自身定子的励磁电流。所述励磁模块的功能即接收主发电机的输出电流并将其转换为励磁电流，将所述励磁电流提供给主发电机的定子。

通过以上技术方案可见，本实施例所述系统存在的有益效果是，利用所述变流模块为车辆牵引电动机和辅助组件分别提供符合其额定标准的电流，实现了一体化的交流电传动；使得所述系统的集成度更高，而且部件的通用性更强，便于结构的安装及维护；本实施例所述系统中，辅助组件不再需要利用特别的装置从主发电机取电或设置独立的辅助发电机，简化了发电机在车辆中的布置，降低了轨道车辆的重量、制造成本及运行负担。

参见图2所示，本发明所述系统的另一个具体的实施例，本实施例中在图1所示实施例的基础之上，对所述变流模块的具体形态做出了更具体的描述。本实施例中，所述系统包括两个并联的变流模块，分别为第一变流模块和第二变流模块，每个变流模块为一个转向架的多个牵引电动机供电。所述转向架为支撑车体的重要部件，转向架承受并传递从车体与车轮之间各种载荷与作用力。不同的轨道车辆中，一个转向架上包括的轮对数量不同；但现阶段的转向架一般包括2-3个轮对，也就是四轴转向架与六轴转向架；本实施例中以六轴转向架为例。六轴转向架中，为每个轮对设置一台牵引电动机，也就是说，一个六轴转向架包括3个牵引电动机。

本实施例中所述系统具体如下：

主发电机，用于产生交流电并输出。本实施例中，所述主发电机的功能与图1所示实施例中一致。

变流模块，用于对主发电机产生的交流电进行变流处理；将处理后得到的符合牵引电动机额定标准的交流电输出至牵引电动机；将处理后得到的符合辅助组件额定标准的交流电输出至辅助组件。

本实施例中，所述变流模块分为第一变流模块和第二变流模块，二者从结构上来说，基本为对称设置，仅在一个辅助逆变器的设置上存在不同。本实施例中，所述变流模块具体包括以下：

整流单元，用于主发电机输出的交流电转换为直流电；

变流模块接收到的交流电首先经过所述整流单元进行交直流转换，以便对于转换后的直流进行下一步的处理。本实施例中，所述整流单元的核心硬件装置可采用三相不可控整流装置。

牵引逆变器，用于将所述直流电转换为符合牵引电动机额定标准的交流电，并输出至牵引电动机。

所述牵引逆变器及用于为牵引电动机转换并输出交流电的装置。本实施例中，所述牵引逆变器的数量等于一个转向架中牵引电动机的数量，即一个变流模块中包括三个牵引逆变器，每个牵引逆变器为一个牵引电动机供电。本实施例中，所述牵引逆变器采用变频变压逆变器(VVVF逆变器)。

辅助逆变器，用于将所述直流电转换为符合辅助组件额定标准的交流电，并输出至辅助组件。

本实施例中，所述辅助组件具体包括：冷却风机、空压机、主发电机风机、牵引电动机风机、制动电阻风机、排尘风扇。在对于上述诸多辅助组件的供电过程中，两个变流模块存在一定的分工。

所述第一变流模块包括的辅助逆变器为第一辅助逆变器，第二变流模块包括的辅助逆变器为第二辅助逆变器，具体的；第一辅助逆变器向冷却风机输出交流电；第二辅助逆变器向空压机、主发电机风机、牵引电动机风机、制动电阻风机和排尘风扇输出交流电。

根据上述职能的区别，本实施例中所述第一辅助逆变器采取变频变压逆变器(VVVF逆变器)；所述第二辅助逆变器采取恒频恒压逆变器（CVCF逆变器）。

接触开关，用于在故障时断开，将该变流模块隔离。

本实施例中，第一变流单元与第二变流单元彼此独立，当二者之一发生故障，则可以通过所述接触开关将故障的变流单元整个隔离，以防止故障的延伸。

直流回路单元，用于对变流模块进行故障检测、监控、滤波，并接收牵引逆变器的反馈电流。

直流回路单元的位置位于所述整流单元与逆变器之间，其具体结构可以体现为多种形式，并不唯一。本实施例中所述直流回路单元具体包括一个接地检测子单元、一个滤波电容和一个电压传感器；所述接地检测子单元结构包括两个串联的接地电阻，用于检测变流模块电路中是否出现故障导致电压失衡；所述滤波电容对直流电起到滤波的作用；所述电压传感器用于监测电路中的电压情况。

制动电阻，用于将所述牵引逆变器的反馈电流以热能的形式消耗。

当轨道车辆处于制动状态，则牵引逆变器不再为牵引电动机输出交流电以提供牵引力。所以在这一过程中牵引逆变器中一部分电流会发生回流。这一部分回流的电能即进入制动电阻当中，制动电阻以热能的形式将这部分电能进行消耗。

励磁模块，用于接收主发电机输出的交流电并转换为励磁电流，将励磁电流输出至主发电机；通过所述励磁电流控制主发电机的输出功率。本实施例中，所述励磁模块可以藕接辅助逆变器，接收辅助逆变器输出的交流电并将其转换为励磁电流；或所述励磁模块藕接主发电机，将主发电机输出的交流电转换为励磁电流。

本实施例中，由于主发电机采取自励的励磁模式，在启动之初励磁模块并不能够立刻向主发电机提供励磁电流，所以本发明还涉及关于主发电机变频机动的相关技术方案。为此，本实施例中，所述系统还包括：

第三辅助逆变器，用于将所述直流电转换为符合充电机额定标准的交流电，并输出至充电机。

充电机，用于将第三辅助逆变器输出的交流电转换成直流电为蓄电池充电。

蓄电池，用于存储电能，并在所述主发电机变频启动过程中释放电能。

在主发电机变频启动的过程中，蓄电池向主发电机提供启动所需的电能，直到主发电机完成变频启动。而所述第三辅助逆变器与充电机均为向蓄电池充电的必要组件。所述蓄电池藕接所述直流回路单元及牵引逆变器；则在主发电机变频启动的过程中，所述蓄电池通过直流回路单元及牵引逆变器向主发电机供电，使主发电机完成变频启动。

另外，本实施例中，所述系统还包括以下的优选方案：

本实施例中，所述第一辅助逆变器、第二辅助逆变器和第三辅助逆变器互为冗余。如图2所示电路中，三个辅助逆变器采用互为冗余的设置，以便当某一辅助逆变器故障时，其他两个辅助逆变器得以暂时取代故障的辅助逆变器工作，避免系统的正常运行收到影响。

本实施例中，所述系统还可以包括：

标准转换器，藕接所述充电机，用于将所述充电机输出的直流电转换为标准民用电。所述标准民用电，在我国即220V交流电。标准转换器输出标准民用电即可向车辆中的空调系统供电，或向乘客提供生活用电。

列供单元，用于将所述直流电转换为符合特定标准的交流电，并输出至车辆的照明系统和供暖系统。所述列供单元在系统中的设置方式基本上与第一辅助逆变器或第二辅助逆变器类似。所述照明系统和供暖系统一般设置在客运车辆中，而在货运车辆上设置列供单元，即可匹配的设置照明系统和供暖系统，实现了货运车辆与客运车辆的通用。

控制模块，用于发送控制指令，以控制系统其它各部分的运行。

控制模块可以基于计算机系统来实现，通过所述控制模块来对本发明所述系统进行更加精确的控制。

另外，本实施例中所述主发电机可以采用双绕组电机，每个绕组向一个变流模块输出交流电。从而实现真正意义上的两个转向架各自单独控制。针对功率需求大的具体应用环境，双绕组电机可充分的满足其功率需求。

在图1所示实施例的基础之上，本实施例进一步存在的有益效果是：本实施例中所述系统技术方案更加完整，公开更加充分，安全性、稳定性和适用性都存在明显的提升；所述三个辅助逆变器的设置，即实现了对于全部辅助组件及蓄电池的供电，尽可能的减少了逆变器的数量，更便于列车空间的布置。

下面将结合图2所示实施例中所述系统，对于轨道车辆正常行驶、变频启动及制动三种行驶状态下，所述交流电传动系统的工作方式进行具体的描述。

参见图3所示，为轨道车辆正常行驶状态下，本发明所述系统的工作流程示意图。在车辆正常行驶的状态下，主发电机产生交流电并输出至整流单元，由整流单元将交流电转换为直流电，并经过直流回路单元将直流电输出至各逆变器；其中牵引逆变器将直流电转换后为牵引电动机供电，辅助逆变器将直流电转换后向辅助组件供电，并且辅助转换器还将需向励磁模块供电并为蓄电池充电。

参见图4所示为轨道车辆制动过程中所述系统工作流程的示意图。制动过程相比正常行驶过程，辅助逆变器的工作状态不发生改变，区别在于制动过程中牵引逆变器不再向牵引发电机提供电能，而是将过剩的电能导入制动电阻，使制动电阻以热能的形式将过剩的电能消耗。

参见图5所示，为轨道车辆变频启动过程中，所述系统工作流程的示意图。在变频启动的过程中，蓄电池通过藕接直流回路模块输出直流电，并借助所述牵引逆变器进行交直流转换，最终输出交流电为主发电机励磁，带动主发电机完成变频启动的过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种交流电传动系统，其特征在于，所述系统包括以下：

主发电机，用于产生交流电并输出；

变流模块，用于对主发电机产生的交流电进行变流处理；将处理后得到的符合牵引电动机额定标准的交流电输出至牵引电动机；将处理后得到的符合辅助组件额定标准的交流电输出至辅助组件；

励磁模块，用于接收主发电机输出的交流电并转换为励磁电流，将励磁电流输出至主发电机；通过所述励磁电流控制主发电机的输出功率；

所述系统包括两个并联的变流模块，分别为第一变流模块和第二变流模块，每个变流模块为一个转向架的多个牵引电动机供电，则所述牵引逆变器的数量为等于一个转向架中牵引电动机的数量。

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述变流模块具体包括：

整流单元，用于主发电机输出的交流电转换为直流电；

牵引逆变器，用于将所述直流电转换为符合牵引电动机额定标准的交流电，并输出至牵引电动机；

辅助逆变器，用于将所述直流电转换为符合辅助组件额定标准的交流电，并输出至辅助组件。

3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述变流模块还包括：

接触开关，用于在故障时断开，将该变流模块隔离；

直流回路单元，用于对变流模块进行故障检测、监控、滤波，并接收牵引逆变器的反馈电流；

制动电阻，用于将所述牵引逆变器的反馈电流以热能的形式消耗。

4.根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述辅助组件具体包括：

冷却风机、空压机、主发电机风机、牵引电动机风机、制动电阻风机、排尘风扇。

5.根据权利要求4所述系统，其特征在于，所述第一变流模块包括的辅助逆变器为第一辅助逆变器，第二变流模块包括的辅助逆变器为第二辅助逆变器，具体的；

第一辅助逆变器向冷却风机输出交流电；

第二辅助逆变器向空压机、主发电机风机、牵引电动机风机、制动电阻风机和排尘风扇输出交流电。

6.根据权利要求5所述系统，其特征在于，所述系统还包括：

第三辅助逆变器，用于将所述直流电转换为符合充电机额定标准的交流电，并输出至充电机；

充电机，用于将第三辅助逆变器输出的交流电转换成直流电为蓄电池充电；

蓄电池，用于存储电能，并在所述主发电机变频启动过程中释放电能。

7.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述蓄电池藕接所述直流回路单元及牵引逆变器；则在主发电机变频启动的过程中，所述蓄电池通过直流回路单元及牵引逆变器向主发电机供电，使主发电机完成变频启动。

8.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述第一辅助逆变器、第二辅助逆变器和第三辅助逆变器互为冗余。

9.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述系统还包括：

标准转换器，藕接所述充电机，用于将所述充电机输出的直流电转换为标准民用电。

10.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述主发电机具体为双绕组电机，每个绕组向一个变流模块输出交流电。

11.根据权利要求2所述系统，其特征在于：

所述励磁模块藕接辅助逆变器，或所述励磁模块藕接主发电机。

12.根据权利要求2所述系统，其特征在于，所述变流模块还包括：

列供单元，用于将所述直流电转换为符合特定标准的交流电，并输出至车辆的照明系统和供暖系统。

13.根据权利要求1-12任意一项所述系统，其特征在于，所述系统好包括：

控制模块，用于发送控制指令，以控制系统其它各部分的运行。