一種集成式鐵路客車逆變模塊及逆變器箱的製作方法
2024-03-04 18:35:15
本發明涉及鐵路客車技術領域，尤其涉及一種集成式鐵路客車逆變模塊及逆變器箱。
背景技術：
目前國內鐵路客運列車中，除動車組和高速列車外，仍然還有快速（K）、直達特快（Z）型快速客運列車在運營。快速客運列車為了給乘客一個舒適的乘坐環境，都裝配有空調機和電暖等設備，列車還同時配置有餐車，配備的各設備以及餐車均需要提供生活用電。客車逆變器作為鐵路客運列車核心部件，即是通過將DC600V的直流輸入電壓逆變成3AC380/50Hz交流電，給客車的空調、電暖以及餐車等交流負載供電。逆變模塊即為客車逆變器中核心部件，因而其性能的好壞將直接影響到列車的舒適性。
目前在鐵路客車中，逆變模塊的所有器件都是分散安裝在逆變器箱內，逆變模塊本身只集成功率器件和驅動電路，因而存在以下問題：
（1）模塊各部件分散安裝，不便於進行故障檢測及維護，進站維修時需要耗費長時間查找故障點、更換故障單元；
（2）模塊通過獨立設置的控制箱作為控制系統，控制箱的體積較大，需要佔用模塊大量空間，導致模塊空間非常緊湊，進一步使得不便於安裝、維修；
（3）在變流器開發、調試過程中，需要外部配置控制系統，同時逆變模塊在普通車和餐車上以及執行調試時分別採用不同的控制算法，不同應用的模塊之間不能通用，因而需要開發對應的變流器控制軟體，使得變流器開發投入人力資源較多，延長了產品開發周期，同時提高了產品開發成本；
（4）模塊內未設置信號檢測傳感器，使得模塊不能單獨調試，需要配備相應的調試工裝。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題就在於：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種結構緊湊、集成化程度高、易於安裝維護及調試且兼容性好的集成式鐵路客車逆變模塊及逆變器箱。
為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：
一種集成式鐵路客車逆變模塊，包括櫃體以及集成設置於所述櫃體內的主電路單元、傳感器檢測單元、以及具有多種電壓輸出控制模式的控制單元，所述傳感器檢測單元檢測所述主電路單元的信號，所述控制單元根據所需電壓輸出控制模式，以及所述傳感器檢測單元檢測到的信號，控制所述主電路單元將直流電轉換為三相交流電。
作為本發明逆變模塊的進一步改進：所述主電路單元包括兩條相同結構的逆變支路，所述逆變支路包括依次連接的輸入接觸器、預充電電路、DC/AC逆變器以及輸出接觸器；兩條所述逆變支路的輸出端通過互備接觸器連接，當其中一條所述逆變支路發生故障時，通過所述互備接觸器切換接入另一條所述逆變支路。
作為本發明逆變模塊的進一步改進：所述傳感器檢測單元包括用於檢測所述逆變支路的輸入電壓的第一電壓傳感器、用於檢測所述逆變支路的中間直流電壓的第二電壓傳感器、用於檢測所述逆變支路的輸出電壓的第三電壓傳感器、第四電壓傳感器，以及用於檢測所述DC/AC逆變器的三相輸出電流的電流傳感器。
作為本發明逆變模塊的進一步改進：所述DC/AC逆變器為三相全橋電壓型IGBT逆變器。
作為本發明逆變模塊的進一步改進：所述逆變支路的輸入端還設置有熔斷器，輸出端還設置有輸出濾波電抗器。
作為本發明逆變模塊的進一步改進：所述控制單元包括基於DSP的CPU控制板。
作為本發明逆變模塊的進一步改進：所述控制單元上設置有多個地址線接口，通過所述地址線接口的接線配置所述控制單元的電壓輸出控制模式。
作為本發明逆變模塊的進一步改進：所述控制單元集成有對應不同輸出電壓特性曲線的多種電壓輸出控制模式，每一種所述地址線接口的接線對應一種輸出電壓特性曲線的電壓輸出控制模式。
作為本發明逆變模塊的進一步改進：所述櫃體內依次分隔設置有前端控制板、中間腔體以及後端腔體，所述控制單元設置在所述前端控制板上，所述傳感器檢測單元設置在所述傳中間腔體內，所述主電路單元中逆變器設置在所述後端腔體內。
作為本發明逆變模塊的進一步改進：所述櫃體的前側壁上設置有安裝孔；所述櫃體的後側壁貼合設置有密封墊。
作為本發明逆變模塊的進一步改進：所述控制單元還設置有對外電源接口以及RS485通信接口。
本發明進一步提供一種集成式鐵路客車逆變器箱，包括箱體以及設置在箱體內的一個以上的上述逆變模塊。
作為本發明逆變器箱的進一步改進：所述逆變模塊為多個時，各個逆變模塊通過地址線接口的接線分別配置為不同電壓輸出控制模式。
與現有技術相比，本發明集成式客車逆變模塊的優點在於：
1）本發明集成式客車逆變模塊，通過集成設置主電路單元、傳感器檢測單元以及控制單元，實現模塊化，集成化程度高，所需空間小，且易於安裝以及模塊維護；集成的控制單元具有多種電壓輸出控制模式，可以根據需求控制輸出電壓，通用性以及兼容性好，結合集成設置有傳感器檢測單元，模塊可以方便的單獨執行調試，無需配備調試工裝；
2）本發明集成式客車逆變模塊，通過設置具有電壓輸出控制模式的控制單元，在控制單元中集成所需模式的電壓輸出控制模式，如普通車模式、餐車模式以及調試模式，啟動控制單元中不同電壓輸出控制模式，即可控制主電路單元按照對應模式的輸出電壓特性以及啟動時序執行電壓轉換，由一個逆變模塊可同時滿足各種負載的需求，兼容性以及通用性能好；
3）本發明集成式客車逆變模塊，進一步設置有多個地址線接口，通過地址線接口的接線可以方便的配置控制單元的電壓輸出控制模式，從而自動識別實現所需的普通車、餐車或調試等所需的控制模式，滿足多種負載的需求，且根據配置的地址可直接查找逆變模塊故障，不需要單獨工裝調試，節約成本且維護方便；
4）本發明集成式客車逆變模塊，進一步通過集成設置預充電電路、電壓檢測傳感器以及逆變器，模塊本身即可組成一臺完整的變流器系統，實現預充電、輸入電壓檢測、中間直流電壓檢測以及逆變轉換，從而具有單獨進行預充電故障保護、輸出電壓不平衡保護、輸出電壓過壓、欠壓保護的功能；
5）本發明集成式客車逆變模塊，進一步通過電流傳感器分別檢測DC/AC逆變器的三相輸出交流電，由電流傳感器組成電流反饋控制系統，能夠實現輸出電流過流保護、過載保護、輸出三相電流不平衡保護功能；
6）本發明集成式客車逆變模塊，進一步採用基於DSP的CPU控制板，與採用單片機為核心的控制箱相比，可以節約大量模塊尺寸，響應速度快且穩定性與實時性更高。
與現有技術相比，本發明集成式客車逆變箱的優點在於：
1）本發明集成式客車逆變箱，同一逆變器箱內裝配一個以上逆變模塊，若裝配單個，相鄰兩車的逆變箱可擴展供電，實現系統冗餘供電，能夠降低產品成本；若裝配兩個，配置的兩個逆變模塊之間可互備供電；當裝配為兩個以上逆變模塊時，各逆變模塊完全相同，可以互換，便於現場維護，當逆變模塊發生故障時可以直接更換，縮短維修時間，保證車輛正常運行；
2）本發明集成式客車逆變箱，逆變器箱內裝配有多個逆變模塊時，各個逆變模塊通過地址線接口的接線分別配置為不同電壓輸出控制模式，可以避免通信時總線衝突問題，逆變模塊裝配在不同的位置，不同位置逆變模塊的地址即不相同，基於地址線配置能夠自動選擇相對應的負載所需輸出電壓，同時可減少逆變箱現場維護的出錯機率。
附圖說明
圖1是本實施例集成式鐵路客車逆變模塊的結構原理示意圖。
圖2是本實施例主電路單元及電壓傳感器設置的結構示意圖。
圖3是本實施例DC/AC逆變器的電路結構示意圖。
圖4是本實施例集成式鐵路客車逆變模塊的主視示意圖。
圖5是本實施例集成式鐵路客車逆變模塊的側視示意圖。
圖6是本實施例集成式鐵路客車逆變模塊的俯視示意圖。
圖7是本實施例集成式鐵路客車逆變箱的主視示意圖。
圖例說明：1、櫃體；11、前端控制板；12、中間腔體；13、後端腔體；2、主電路單元；21、預充電電路；22、DC/AC逆變器； 23、輸入接觸器；24、輸出接觸器；25、熔斷器；3、傳感器檢測單元；31、電壓傳感器TV1/TV2；33、電流傳感器；32、電壓傳感器TV3/TV4；4、控制單元；41、CPU控制板；42、地址線接口；43、接線端子；5、安裝孔；6、密封墊；7、散熱器。
具體實施方式
以下結合說明書附圖和具體優選的實施例對本發明作進一步描述，但並不因此而限制本發明的保護範圍。
如圖1～3所示，本實施例集成式鐵路客車逆變模塊，包括櫃體1以及集成設置於櫃體1內的主電路單元2、傳感器檢測單元3、以及具有多種電壓輸出控制模式的控制單元4，傳感器檢測單元3檢測主電路單元2的信號，控制單元4根據所需電壓輸出控制模式，以及傳感器檢測單元3檢測到的信號，控制主電路單元2執行電能逆變轉換。
本實施例通過集成設置主電路單元2、傳感器檢測單元3以及控制單元4，實現模塊化，集成化程度高，所需空間小，且易於安裝以及模塊維護；集成的控制單元4具有多種電壓輸出控制模式，可以根據需求控制輸出電壓，通用性以及兼容性好，結合集成設置有傳感器檢測單元3，模塊可以方便的單獨執行調試，無需配備調試工裝。
如圖2所示，本實施例中主電路單元2包括兩條相同結構的逆變支路，逆變支路包括依次連接的輸入接觸器23、預充電電路21、DC/AC逆變器22以及輸出接觸器24；兩條逆變支路的輸出端通過互備接觸器KM3連接，當其中一條逆變模塊發生故障時，通過互備接觸器KM3切換接入另一條逆變支路，實現互用。預充電電路21具體包括並聯連接的充電電阻R1以及短接接觸器KM2。
本實施例中，逆變支路的輸入端還設置有熔斷器25，輸出端還設置有輸出濾波電抗器（L1、L2），由熔斷器25進行輸入端過流保護，輸出濾波電抗器（L1、L2）對輸出電壓進行濾波。參見圖2，主電路單元2具體包括第一逆變支路、第二逆變支路，每條逆變支路通過熔斷器25接入DC600V電源，熔斷器25另一端通過輸入接觸器23（KM1）連接預充電電路21，輸出濾波電抗器（L1、L2）的輸入端連接DC/AC逆變器22，輸出端連接輸出接觸器24（KM13），通過輸入接觸器23（KM1）、輸出接觸器24（KM13）的通斷控制第一逆變支路、第二逆變支路的接入與斷開。當第一逆變支路發生故障時，閉合互備接觸器KM3，發出減載信號，負載降功率運行，由第二逆變支路帶所有負載；同理，當第二逆變支路發生故障時，閉合互備接觸器KM3，發出減載信號，負載降功率運行，由第一逆變支路帶所有負載。
本實施例中，傳感器檢測單元3包括用於檢測逆變支路的輸入電壓的第一電壓傳感器TV1、用於檢測逆變支路的中間直流電壓的第二電壓傳感器TV2、用於檢測逆變支路的輸出電壓的第三電壓傳感器TV3、第四電壓傳感器TV4，以及用於檢測DC/AC逆變器22的三相輸出電流的電流傳感器。如圖2所示，逆變支路的輸入端設置第一電壓傳感器TV1以測量輸入電壓，預充電電路21與DC/AC逆變器22之間設置第二電壓傳感器TV2以測量中間直流電壓，逆變支路的輸出端設置第三電壓傳感器TV3以測量輸出UV線電壓、以及設置第四電壓傳感器TV4以測量輸出VW線電壓。逆變模塊通過集成設置預充電電路21、電壓檢測傳感器（TV1~TV4）以及逆變器，模塊本身即可組成一臺完整的變流器系統，實現預充電、輸入電壓檢測、中間直流電壓檢測以及逆變轉換，從而具有單獨進行預充電故障保護、輸出電壓不平衡保護、輸出電壓過壓、欠壓保護的功能。
如圖3所示，本實施例中DC/AC逆變器22為三相全橋電壓型IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型電晶體）逆變器，具體包括IGBT（Q1、Q2和Q3）、支撐電容器（C1、C2）、放電電阻（R31、R32）以及IGBT驅動板，其中支撐電容器（C1、C2）連接於輸入端與逆變器之間，對輸入電壓起濾波和儲能作用；放電電阻（R31、R32）設置於支撐電容器（C1、C2）兩端，當逆變模塊故障或外部輸入停電時，用於漏放電容器儲存的電能；IGBT驅動板用於脈衝信號調整、隔離和放大，控制3個IGBT功率器件的開通和關斷，同時將IGBT功率器件狀態信號反饋給控制單元4。DC/AC逆變器22具體採用脈寬調製技術，即由控制單元4通過脈寬調製控制將輸入直流電壓變換為三相交流電壓輸出。
參見圖3，本實施例具體設置電流傳感器TA1、TA2和TA3分別檢測DC/AC逆變器22的三相輸出交流電，DC/AC逆變器22的輸出線R、S、T分別穿過電流傳感器TA1、TA2和TA3，由電流傳感器TA1、TA2和TA3組成電流反饋控制系統，能夠實現輸出電流過流保護、過載保護、輸出三相電流不平衡保護功能。
本實施例中，控制單元4包括基於DSP的CPU控制板41，即以DSP為控制核心實現模塊控制箱的功能，具體包括逆變模塊的信號採樣、與車輛上四合一櫃通信、檢測變流器的狀態以及IGBT驅動脈衝的計算和處理功能，以實時控制DC/AC逆變器22的輸出電壓。與採用單片機為核心的控制箱相比，採用基於DSP的CPU控制板41可以節約大量模塊尺寸，響應速度快且穩定性與實時性更高。
本實施例中，控制單元4上還設置有對外電源接口以及RS485通信接口，由對外電源接口接入電源，通過RS485通信接口與車輛上四合一櫃內部顯示器連接，以將逆變模塊工作狀態發送至顯示器顯示，便於實時進行觀察。
本實施例逆變模塊還設置有控制電源板，控制電源板將輸入直流110V電壓轉換為5V、+24V、-24V、+15V和-15V電源，為CPU控制板41和IGBT驅動板供電。
本實施例在控制單元4中集成有所需的電壓輸出控制模式，電壓輸出控制模式包括輸出電壓特性（如輸出電壓的電壓和頻率大小）以及主電路單元2的啟動時序，啟動控制單元中不同電壓輸出控制模式，以控制主電路單元2按照對應模式的輸出電壓特性以及啟動時序執行電壓轉換，從而能夠兼容適用於不同電壓輸出控制模式的應用中，由一個逆變模塊可同時滿足各種負載的需求，應用於各個不同負載中的逆變模塊則可互換。
逆變模塊應用於普通車和餐車時，如圖2所示第二逆變支路的啟動時序需要比第一逆變支路晚1s，輸入電壓範圍為：DC500V～DC700V，輸出電壓為3AC380V（1±5%）/50Hz，過分相時，應用於普通車需延時55s～60s啟動，餐車延時25s～30s啟動；調試模式下，輸入電壓範圍為：DC200V～DC700V，輸出電壓3AC140V/50Hz～3AC380V/50Hz。本實施例針對應用於普通車、餐車以及調試模式需要不同的輸出電壓以及啟動時序，預先在控制單元4中集成分別對應於普通車模式、餐車模式以及調試模式的電壓輸出控制模式，各模式所對應的輸出電壓特性以及啟動時序如上所述。通過啟動控制單元4中不同電壓輸出控制模式，控制主電路單元2按照對應模式的輸出電壓特性以及啟動時序執行電壓轉換，使得可以兼容適用於普通車、餐車中，同時可兼容用於執行調試，能夠同時滿足普通車、餐車對於第一逆變支路、第二逆變支路的輸出電壓、啟動時序，以及調試模式的輸出電壓等不同的設計需求。控制單元4當然還可以根據實際需求設置除普通車、餐車以及調試模式外的電壓輸出控制模式，以兼容多種模式電壓輸出控制。
逆變模塊為普通車或餐車控制模式時，控制將DC600V的直流輸入電壓逆變成3AC380/50Hz交流電，給客車空調、電暖及其他交流負載供電；調試控制模式時，具體可以從低壓開始給電，當電壓不滿足380V/50Hz輸出時按恆壓頻比輸出，在低壓調試時即能查找模塊故障，以及測量各種參數，無需調試工裝，調試操作實現簡單，且安全性以及效率高。
本實施例中，櫃體1上設置有多個地址線接口42（XS11），地址線接口42與控制單元4連接，通過地址線接口42的接線所表示的地址信號配置控制單元4的電壓輸出控制模式，不同地址信號對應不同電壓輸出控制模式。通過地址線接口42，可以方便的配置所需的電壓輸出控制模式，控制輸出普通車、餐車或調試等所需模式要求的電壓與頻率，且根據配置的地址可直接在車下查找逆變模塊故障，不需要單獨工裝調試，節約成本且維護方便。
本實施例控制單元4具體集成有對應不同輸出電壓特性曲線的多種電壓輸出控制模式，每一種地址線接口42的接線對應一種輸出電壓特性曲線的電壓輸出控制模式，由不同輸出電壓特性曲線選擇相對應負載特性的電壓、頻率以及啟動時序。給定輸入電壓，上述逆變模塊即可按地址線接口42接線所對應的電壓輸出控制模式輸出電壓，實現操作簡單，大大降低了模塊使用的複雜度，且通用性好。
本實施例中，地址線接口42具體為四個，其中三個地址線接口（地址2、地址1、地址0）為電壓輸出控制模式設置線接口，通過上拉電阻連接控制單元4，另一個地址線接口為公共地線接口。當地址2/地址1/地址0接口不接線時，對應狀態為1；當地址2/地址1/地址0接口與公共地線相連時，對應狀態為0；則如地址2、地址1接口外部與公共地線相連，地址0接線懸空，則表示該模塊地址為（001），以此類推，3根地址線共可表示8種地址，通過讀取地址狀態，可選擇相對應負載特性的電壓、頻率、啟動時序。
如圖4～6所示，櫃體1內依次分隔設置有前端控制板11、中間腔體12以及後端腔體13，控制單元4設置在前端控制板11上，傳感器檢測單元3設置在中間腔體12內，主電路單元2中逆變器設置在後端腔體13內，所構成的逆變模塊結構緊湊、所需空間小，易於安裝以及進行維護，同時利於進行散熱。由於DC/AC逆變器22的IGBT單元工作時發熱嚴重，本實施例具體將DC/AC逆變器22安裝於模塊後部便於散熱，通過如圖6所示散熱器7將熱量散發於櫃體1外部；控制單元4設置於櫃體前端，便於通過設置LED燈顯等觀察逆變模塊的狀態，使得打開櫃門即可觀察LED燈顯，具體可由不同燈顯對應逆變模塊不同工作狀態，如輸入有電、逆變器故障等。
如圖4所示，本實施例前端控制板11具體包括CPU控制板41、熔斷器25、接線端子43、以及地址線接口42（XS11）；如圖5、6所示，中間腔體12內安裝有電壓傳感器TV1/TV2 31、電壓傳感器TV3/TV4 32，電流傳感器33以及輸入接觸器23、輸出接觸器24；如圖5所示，後端腔體13設置有DC/AC逆變器22。
本實施例中，櫃體1的前側壁上設置有安裝孔5；櫃體1的後側壁貼合設置有密封墊6，如圖5所示，密封墊6為具有彈性的密封條，圍繞櫃體1後側壁邊緣安裝，模塊裝入櫃體1後由密封條與櫃體1受力，密封條受力壓縮後使得能夠與櫃體1緊密接觸。通過設置密封墊6，可以防止雨雪、沙塵進入逆變模塊內部。本實施例櫃體1正面的前側壁具體設置有四個安裝螺孔，以通過四個安裝螺孔進行固定安裝，模塊的散熱器7設置在櫃體1後端。本實施例各逆變模塊通過四個安裝螺孔與櫃體1固定，逆變模塊的底部與櫃體1接觸，並安裝於櫃體1的導軌上，各逆變模塊後側通過密封墊6與櫃體緊密接觸，防止雨雪、沙塵進入箱體內部，拆卸模塊時，只需將正面四個螺栓拆除，輸入輸出連線拆除即可將模塊拖出，不需要到箱體後部狹小空間操作，方便進行維修。
如圖7所示，本實施例中集成式鐵路客車逆變器箱，包括箱體以及設置在箱體內的一個以上（本實施例具體為兩個：逆變模塊1#、逆變模塊2#）的上述逆變模塊。若逆變箱裝配單個上述逆變模塊，相鄰兩車的逆變箱可擴展供電，實現系統冗餘供電，能夠降低產品成本；若逆變箱裝配兩個逆變模塊時，配置的兩個逆變模塊之間可互備供電；若逆變箱裝配兩個以上逆變模塊，各個逆變模塊中控制單元4可配置為不同電壓輸出控制模式。本實施例各個逆變模塊的安裝孔5相互錯開，互不影響安裝。
本實施例同一逆變器箱內各個逆變模塊完全相同，逆變模塊之間可以互換，便於現場維護；逆變模塊通過正面四顆螺釘安裝，後部不設置安裝螺釘，因而不需要到箱體背面進行維護，拆卸方便，當逆變模塊發生故障後，在車輛段維護時間短的情況下可以直接更換逆變模塊，縮短維修時間，保證車輛正常運用。
本實施例中，逆變器箱內裝配有多個逆變模塊時，各個逆變模塊通過地址線接口42的接線分別配置為不同電壓輸出控制模式，即由地址線接口42的接線配置將各個逆變模塊設置為不相同的地址，可以避免通信時總線衝突問題，逆變模塊裝配在不同的位置，不同位置逆變模塊的地址即不相同，基於地址線配置能夠自動選擇相對應的負載所需輸出電壓，同時可減少逆變箱現場維護的出錯機率。
上述只是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何形式上的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本發明技術方案保護的範圍內。