專利名稱：電氣化鐵路接觸網(wǎng)配套單/三相電源變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電源變換裝置，尤其涉及一種電氣化鐵路接觸網(wǎng)配套 單/三相電源變換裝置。
背景技術(shù)：
隨著世界鐵路的高速發(fā)展以及我國鐵路跨越式的發(fā)展，鐵路網(wǎng)的覆蓋面也 越來越廣，鐵路沿線的用電需求也隨之增加。由于國家電網(wǎng)建設(shè)和維護(hù)的費(fèi)用 很高，不可能輻射到所有鐵路用電單位及鐵路施工地點(diǎn)，取電方便、降低成本
必然成為對(duì)其配套供電電源的要求。鐵路沿線雖然有鐵路專用25kV供電接觸網(wǎng)， 但因其為單相高壓交流電，且電壓波動(dòng)范圍可達(dá)-30% +24%之大，同時(shí)電力機(jī) 車在運(yùn)行過程中也會(huì)造成接觸網(wǎng)電壓畸變，其供電質(zhì)量明顯低于公共電力網(wǎng)， 用普通電力設(shè)備很難滿足電源變換要求。鐵路沿線的用電除了需求三相380V交 流電外還需要單相220V交流電，這就存在普通逆變器的三相不平衡輸出而導(dǎo)致 輸出三相矢量三角形中心點(diǎn)偏移的問題，供電能力和供電質(zhì)量就會(huì)大打折扣。
經(jīng)歷大約三十年的研發(fā)與應(yīng)用實(shí)踐，隨著新型電力電子器件和高性能微處 理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變流器的性能價(jià)格比越來越高，體積越來越 小，而廠家仍然在不斷地為提高可靠性實(shí)現(xiàn)變流器的進(jìn)一步小型輕量化、高性 能化和多功能化以及無公害化而做著新的努力，因此其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。 以交一直一交變流器為例，從技術(shù)上看在以下幾個(gè)方面會(huì)得到了充分的發(fā)展
(1) 主電路功率開關(guān)元件的自關(guān)斷化、模塊化、集成化、智能化，開關(guān)頻 率不斷提高，開關(guān)損耗進(jìn)一步降低。
(2) 變頻器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)。
(3) 脈寬調(diào)制變壓變頻器的控制方法正弦波脈寬調(diào)制(SP麗)控制。消 除指定次數(shù)諧波的P麗控制。電流跟蹤控制。電壓空間矢量控制(磁鏈跟蹤控 制)。
(4) 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)整控制方法的進(jìn)展由標(biāo)量控制(V/f控制和轉(zhuǎn)差 頻率控制)向高動(dòng)態(tài)性能的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制發(fā)展。
(5) 微處理器的進(jìn)步使數(shù)字控制成為現(xiàn)代控制器的發(fā)展方向，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是快速系統(tǒng)，特別是交流電動(dòng)機(jī)高性能的控制需要存儲(chǔ)多種數(shù)據(jù)和快速實(shí)時(shí) 處理大量信息。
基于上述技術(shù)的發(fā)展，為解決鐵路沿線供電設(shè)備的供電能力和供電質(zhì)量底 的問題提供了一種解決的途徑。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型針對(duì)以上問題的提出，而研制一種輸出電能質(zhì)量好，且可靠性 與穩(wěn)定性高的電氣化鐵路接觸網(wǎng)配套單/三相電源變換裝置。其采用的技術(shù)手段 如下-
一種電氣化鐵路接觸網(wǎng)配套單/三相電源變換裝置，其特征在于包括高壓斷
路器、單相變壓器、儲(chǔ)能電抗器、交直交變流功率單元、LC濾波器和隔離變壓 器；
所述高壓斷路器同所述單相變壓器相連接，將從鐵路接觸網(wǎng)上取得單相高 電壓傳輸給單相變壓器，并由單相變壓器將其變換成單相338VAC低電壓；所 述單相變壓器、儲(chǔ)能電抗器、交直交變流功率單元、LC濾波器濾波和隔離變壓 器依次相連接，其中儲(chǔ)能電抗器和交直交變流功率單元將單相變壓器變換成單 相338VAC低電壓進(jìn)行交直交變換，再經(jīng)LC濾波器濾波和隔離變壓器隔離輸出 后供外部使用。
在交直交變流功率單元中裝有兩單元級(jí)聯(lián)的環(huán)型熱管散熱器和/或冷卻風(fēng)機(jī)。
在交直交變流功率單元中裝有兩單元級(jí)聯(lián)的環(huán)型熱管散熱器和/或冷卻風(fēng) 機(jī)。另外在交直交變流功率單元中的IGBT開關(guān)元件通過EUS100型光纖同驅(qū)動(dòng) 電路相連接，并且該IGBT開關(guān)元件還通過光纖同控制電路進(jìn)行相連接。
由于采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型提供的電氣化鐵路接觸網(wǎng)配套單/三 相電源變換裝置，具有輸入功率因數(shù)高、輸出電能質(zhì)量好、可靠性與穩(wěn)定性高、 體積小、自動(dòng)化程度高和反應(yīng)快等特點(diǎn)，在用電行業(yè)具有良好的推廣前景。

圖l為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。
圖中1、高壓斷路器，2、單相變壓器，3、儲(chǔ)能電抗器，4、交直交變流 功率單元，5、 LC濾波器，6、隔離變壓器具體實(shí)施方式
如圖1所示，該電氣化鐵路接觸網(wǎng)配套單/三相電源變換裝置，包括由高壓斷路器l、單相變壓器2、儲(chǔ)能電抗器3、交直交變流功率單元4、 LC濾波器5 和隔離變壓器6等構(gòu)成。其中高壓斷路器1從鐵路接觸網(wǎng)上取得單相25kVAC高 電壓傳輸給單相變壓器2,經(jīng)過單相變壓器2的轉(zhuǎn)化將高壓斷路器輸送進(jìn)來的單 相高電壓變換成單相338VAC低電壓；所述的338VAC低電壓經(jīng)儲(chǔ)能電抗器3 與交直交變流功率單元4配合進(jìn)行交直交變換，再經(jīng)LC濾波器濾波5和隔離變 壓器6隔離輸出后形成穩(wěn)定的三相380VAC及單相220VAC的三相四線制工頻電 輸出供外部設(shè)備使用。
其中交直交變流功率單元4主電路設(shè)計(jì)上，采用模塊化功率單元設(shè)計(jì)，具 有結(jié)構(gòu)緊湊、低雜散線路電感、功率易擴(kuò)充等特點(diǎn)。以IGBT作為主功率開關(guān)元 件，并采用低電感層疊復(fù)合母排技術(shù)，通過復(fù)合母排將IGBT元件與中間直流支 撐電容器緊密地結(jié)合在一起，有效降低了線路電感，使IGBT關(guān)斷過電壓低于4 %，提高了 IGBT的可靠性和利用率。另外，交直交變流功率單元4的功率散熱 器模塊采用環(huán)型熱管散熱冷卻技術(shù)，該環(huán)型熱管采用水作冷媒，并在熱管中添 加導(dǎo)向介質(zhì)，其主要特點(diǎn)是可以經(jīng)過環(huán)型熱管進(jìn)行級(jí)聯(lián)，散熱器的級(jí)聯(lián)數(shù)量越 多，散熱能力越強(qiáng)；同時(shí)，由于熱管散熱器自身的特點(diǎn)，其外界溫度越高，熱 管中冷媒的循環(huán)速度越快，也就是散熱效率越高。在交直交變流功率單元中， 采用兩單元級(jí)聯(lián)的環(huán)型熱管散熱器外加冷卻風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷。功率電路采用模塊 化設(shè)計(jì)，將IGBT、中間直流支撐電容器以及冷卻風(fēng)機(jī)等有機(jī)地結(jié)合在一起，形 成一個(gè)完整的功率模塊。其散熱效果明顯優(yōu)于普通的鋁型材散熱方式，有效降 低了功率單元滿負(fù)荷、長期工作的溫升，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。
控制電路采用鐵路上通用規(guī)格的印制板及接插件，具有較好的可靠性。采 用光隔離控制技術(shù)。IGBT開關(guān)元件的控制信號(hào)通過EUS100型光纖將光信號(hào)送入 驅(qū)動(dòng)電路，禾U用光纖傳輸IGBT觸發(fā)信號(hào)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)高低電壓隔離，避 免主電路對(duì)控制電路的干擾。IGBT驅(qū)動(dòng)電路本身具有IGBT過流和電源欠壓保護(hù) 功能，并通過光纖將過流信號(hào)送回控制電路進(jìn)行處理。
所述控制箱采用標(biāo)準(zhǔn)控制機(jī)箱，內(nèi)置四象限控制板、逆變器控制板和信號(hào) 處理板，采用16位單片機(jī)80C196MC和16位數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F240作為 控制平臺(tái)，控制方式和控制參數(shù)均通過軟件編程計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。通過雙閉環(huán)單相 四象限P麗整流控制技術(shù)，可保證系統(tǒng)電流與電壓保持同相，力求實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電 流正弦化，且運(yùn)行于單位功率因數(shù)，以達(dá)到減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染、綠色應(yīng)用 電能之目的。試驗(yàn)證明網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變很小，且輸入功率因數(shù)基本可以保持在0.95以上。正是由于這種技術(shù)，使得供電網(wǎng)電壓質(zhì)量?jī)?yōu)劣不會(huì)對(duì)系統(tǒng)對(duì)外供 電輸出質(zhì)量產(chǎn)生影響，不論電網(wǎng)輸入如何變化，仍可維持系統(tǒng)中間直流電壓穩(wěn) 定。由于除了給三相對(duì)稱負(fù)載供電的同時(shí)還需給單相負(fù)載供電，這就存在三相 不平衡而導(dǎo)致輸出三相矢量三角形中點(diǎn)偏移問題，因此在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用V/F 恒磁通空間矢量逆變控制技術(shù)結(jié)合三相不平衡中心點(diǎn)偏移糾正技術(shù)，對(duì)控制程 序進(jìn)行了優(yōu)化處理，增強(qiáng)帶單相負(fù)載能力的同時(shí)又使單、三相輸出工作穩(wěn)定可 靠，從而自根本上解決了這一問題。V/F恒磁通空間矢量逆變控制技術(shù)結(jié)合三相 不平衡中心點(diǎn)偏移糾正技術(shù)的基礎(chǔ)上再配上LC濾波器作用于輸出，明顯減小了 輸出電壓的諧波含量，提高了輸出電能質(zhì)量。采用V/F恒磁通空間矢量逆變控 制技術(shù)，具備降壓降頻輸出能力，需要時(shí)可支持通風(fēng)機(jī)類負(fù)載進(jìn)行軟啟動(dòng)或降 頻運(yùn)行。支持壓縮機(jī)類負(fù)載突投，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響。這是由于無論后端負(fù) 載沖擊多大，該電氣化鐵路接觸網(wǎng)配套單/三相電源變換裝置維持系統(tǒng)中間直流 電壓穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。
該裝置可以適應(yīng)寬范圍電壓輸入，在電網(wǎng)電壓17. 5kV 31kV范圍內(nèi)可保持 滿功率運(yùn)行，不需要減功率，為了能夠提供三相四線制輸出和進(jìn)行輸出隔離設(shè) 置了隔離變壓器，該隔離變壓器原邊采用三角形接法，副邊采用星型接法，在 星型中點(diǎn)抽出可走50A電流的零線，并在零線設(shè)過流保護(hù)，需要時(shí)可支持通風(fēng) 機(jī)類負(fù)載進(jìn)行軟啟動(dòng)或降頻運(yùn)行，支持壓縮機(jī)類負(fù)載突投，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影 響。
另外，為了提高可靠性，采用了較完善的保護(hù)措施，包括網(wǎng)側(cè)過壓、欠壓 及過流，中間直流回路過壓及欠壓，負(fù)載側(cè)過壓及過流，功率模塊單元過溫、 短路等保護(hù)措施。
在投入使用前進(jìn)行嚴(yán)格的型式試驗(yàn)，包括一般檢査、絕緣性能試驗(yàn)、電磁 兼容性試驗(yàn)、輸出特性試驗(yàn)、啟動(dòng)性能試驗(yàn)、單相負(fù)載試驗(yàn)、三相負(fù)載試驗(yàn)、 單/三相負(fù)載試驗(yàn)、負(fù)載突變?cè)囼?yàn)、溫升試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、低溫存放 試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、耐濕熱試驗(yàn)，各項(xiàng)功能均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)后方可投入使用。
本電氣化鐵路接觸網(wǎng)配套單/三相電源變換裝置的用戶是鐵路接觸網(wǎng)輻射 范圍內(nèi)所有可以從接觸網(wǎng)取電、用電的單位。主要用于-
1、 為電氣化鐵路半閉塞區(qū)段車站進(jìn)行供電技術(shù)改造，或?yàn)殡姎饣F路鐵路 全閉塞區(qū)段車站供電；
2、 提供一路直接從牽引網(wǎng)取電的新型單、三相備用電源，保障車站信號(hào)、通訊等系統(tǒng)的雙電源供電，節(jié)約用電成本，并為鐵路大提速提供技術(shù)支持；
3、 為鐵路沿線施工作業(yè)提供單、三相電源，方便且節(jié)約供電成本；
4、 在邊遠(yuǎn)山區(qū)等供電欠發(fā)達(dá)區(qū)段，還可以為車站提供生活用電。 以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的具體實(shí)施方式
，但本實(shí)用新型的保護(hù)范
圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范 圍內(nèi)，根據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵 蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種電氣化鐵路接觸網(wǎng)配套單/三相電源變換裝置，其特征在于包括高壓斷路器(1)、單相變壓器(2)、儲(chǔ)能電抗器(3)、交直交變流功率單元(4)、LC濾波器(5)和隔離變壓器(6)；所述高壓斷路器(1)同所述單相變壓器(2)相連接，將從鐵路接觸網(wǎng)上取得單相高電壓傳輸給單相變壓器(2)，并由單相變壓器(2)將其變換成單相338VAC低電壓；所述單相變壓器(2)、儲(chǔ)能電抗器(3)、交直交變流功率單元(4)、LC濾波器(5)濾波和隔離變壓器(6)依次相連接，其中儲(chǔ)能電抗器(3)和交直交變流功率單元(4)將單相變壓器(2)變換成單相338VAC低電壓進(jìn)行交直交變換，再經(jīng)LC濾波器(5)濾波和隔離變壓器(6)隔離輸出后供外部使用。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣化鐵路接觸網(wǎng)配套單/三相電源變換裝置，其 特征在于在交直交變流功率單元中裝有兩單元級(jí)聯(lián)的環(huán)型熱管散熱器和/或冷卻 風(fēng)機(jī)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電氣化鐵路接觸網(wǎng)配套單/三相電源變換裝置，其 特征在于交直交變流功率單元中的IGBT開關(guān)元件通過EUS100型光纖同驅(qū)動(dòng)電 路相連接，并且該IGBT開關(guān)元件還通過光纖同控制電路進(jìn)行相連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種電氣化鐵路接觸網(wǎng)配套單/三相電源變換裝置，其特征在于包括高壓斷路器、單相變壓器、儲(chǔ)能電抗器、交直交變流功率單元、LC濾波器和隔離變壓器；所述高壓斷路器，用于作為開關(guān)裝置從鐵路接觸網(wǎng)上取得單相高電壓傳輸給單相變壓器，并對(duì)系統(tǒng)起短路與過流保護(hù)作用；所述單相變壓器，用于將高壓斷路器輸送進(jìn)來的單相高電壓變換成單相338VAC低電壓，并對(duì)系統(tǒng)起高低壓隔離作用；所述的338VAC低電壓經(jīng)儲(chǔ)能電抗器與交直交變流功率單元配合進(jìn)行交直交變換，再經(jīng)LC濾波器濾波和隔離變壓器隔離輸出后供外部使用。該裝置具有輸入功率因數(shù)高、輸出電能質(zhì)量好、可靠性與穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，在用電行業(yè)具有良好的推廣前景。
文檔編號(hào)B60M3/00GK201309432SQ200820014499
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日
發(fā)明者姜悅禮, 張可飛, 蒲延洲, 馬惠春 申請(qǐng)人:中國北車股份有限公司大連電力牽引研發(fā)中心