變流器裝置以及變流器系統的製作方法

2023-09-18 11:05:00 2

本發明涉及牽引電機的供電領域，具體而言，涉及一種變流器裝置以及變流器系統。

背景技術：

目前牽引電機的變流器的工作原理為，通過牽引變壓器降壓後經過四象限整流器將交流整流為直流電啟動牽引電機。這種變流器主要存在問題是，牽引變流器為工頻變壓器，體積大，重量重，無法滿足以後雙層高鐵的尺寸的布局要求。

如何解決上述問題，是目前亟待解決的問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種變流器裝置，實現了降低重量、減少體積、減少了諧波產生的紋波的功能

為了實現上述目的，本發明實施例採用的技術方案如下：

本發明實施例提供了一種變流器裝置，應用於對牽引電機的輸入電流幅值和頻率進行調整，所述變流器裝置包括四象限整流單元、單相逆變單元、電子變壓器單元以及多相整流單元，所述四象限整流單元、所述單相逆變單元、所述電子變壓器單元以及所述多相整流單元依次電性連接；

所述四象限整流單元與外部供電端電性連接並將外電整流為直流電發送給所述單相逆變單元；

所述單相逆變單元將所述直流電轉化為第一頻率的交流電後傳輸給所述電子變壓器單元；

所述電子變壓器單元將所述第一頻率的交流電轉化為第二頻率的交流電後傳輸給所述多相整流單元，其中所述第二頻率的交流電大於所述第一頻率的交流電；

所述多相整流單元將所述第二頻率的交流電轉化為第三頻率的交流電後傳輸給所述牽引電機。

在本發明較佳的實施例中，所述變流器裝置還包括隔離單元，所述隔離單元設置於所述電子變壓器單元與所述多相整流單元之間，用於將所述電子變壓器單元與所述多相整流單元進行電氣隔離，經過所述隔離單元與所述多相整流單元電性連接。

在本發明較佳的實施例中，所述隔離單元包括第一電感和第一電容；

所述第一電感的一端與所述電子變壓器單元電性連接，另一端與所述多相整流單元電性連接；

所述第一電容的一端與所述電子變壓器單元電性連接，另一端與所述多相整流單元電性連接。

在本發明較佳的實施例中，所述變流器裝置還包括直流支撐電容，所述四象限整流單元兩個輸出埠之間接入所述直流支撐電容後與所述單相逆變單元電性連接。

在本發明較佳的實施例中，所述多相整流單元包括第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂、第四橋臂、第五橋臂、第六橋臂、第二電容、第三電容、第四電容、第二電感、第三電感以及第四電感，所述第一橋臂以及所述第二橋臂串聯後與所述電子變壓器單元電性連接，所述第三橋臂以及所述第四橋臂串聯後與所述電子變壓器單元電性連接，所述第五橋臂以及所述第六橋臂串聯後與所述電子變壓器單元電性連接；

所述第一橋臂與所述第二橋臂之間電性連接所述第二電感後與三相電中的第一相電連接，所述第三橋臂與所述第四橋臂之間電性連接所述第三電感後與三相電中的第二相電連接，所述第五橋臂與所述第六橋臂之間電性連接所述第四電感後與三相電中的第三相電連接；

所述第二電容、所述第三電容以及所述第四電容一端對應與所述第二電感、所述第三電感以及所述第四電感電性連接，所述第二電容、所述第三電容以及所述第四電容連接於一公共端。

在本發明較佳的實施例中，所述第一橋臂由兩個功率器件組成，在兩個所述功率器件採用mosfet或igbt時，所述第一橋臂採用共源極連接方式或共射極連接方式；在兩個所述功率器件採用rb-igbt時，所述第一橋臂採用反向並聯。

在本發明較佳的實施例中，所述四象限整流單元包括單相矩陣開關電路。

在本發明較佳的實施例中，所述單相逆變單元包括單相矩陣開關電路。

本發明實施例還提供了一種變流器系統，應用於對牽引電機的輸入電流幅值和頻率進行調整，包括多個上述的變流器裝置，多個所述變流器裝置的所述四象限整流單元串聯，多個所述變流器裝置的所述多相整流單元並聯。

在本發明較佳的實施例中，所述變流器裝置的數量為3個。

相對於現有技術，本發明實施例具有以下有益效果：

本發明實施例提供的一種變流器裝置，應用於對牽引電機的輸入電流幅值和頻率進行調整，所述變流器裝置包括四象限整流單元、單相逆變單元、電子變壓器單元以及多相整流單元，所述四象限整流單元、所述單相逆變單元、所述電子變壓器單元以及所述多相整流單元依次電性連接；所述四象限整流單元與外部供電端電性連接並將外電整流為直流電發送給所述單相逆變單元；所述單相逆變單元將所述直流電轉化為第一頻率的交流電後傳輸給所述電子變壓器單元；所述電子變壓器單元將所述第一頻率的交流電轉化為第二頻率的交流電後傳輸給所述多相整流單元，其中所述第二頻率的交流電大於所述第一頻率的交流電，所述多相整流單元將所述第二頻率的交流電轉化為第三頻率的交流電後傳輸給所述牽引電機。降低了重量，減小了體積，據研究表明功率升高10倍，體積減小5倍。因此使用電子變壓器，減小了牽引變流器的安裝空間和重量，為乘客騰出更多的空間，提高了空間的利用率。使用軟開關技術，減小了工作時對輸入產生的諧波和直流母線產生的紋波，減小無源器件的尺寸和重量。

為使本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附附圖，作詳細說明如下。

附圖說明

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

圖1示出了本發明實施例所提供的一種變流器裝置的原理示意圖。

圖2示出了本發明實施例所提供的一種變流器裝置的電路的原理示意圖。

圖3示出了本發明實施例所提供的一種變流器裝置的功率器件的部分電路圖。

圖4示出了本發明實施例所提供的一種變流器裝置的功率器件另一部分電路圖。

圖5示出了本發明實施例所提供的一種變流器系統的原理示意圖。

圖中：100-變流器裝置；110-外部供電端；120-四象限整流單元；130-單相逆變單元；140-電子變壓器單元；150-多相整流單元；160-牽引電機；170-隔離單元；200-變流器系統。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。同時，在本發明的描述中，術語「第一」、「第二」等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

實施例

請參閱圖1，本發明實施例提供了一種變流器裝置100，應用於對牽引電機160的輸入電流進行調整。變流器裝置100包括四象限整流單元120、單相逆變單元130、電子變壓器單元140以及多相整流單元150。四象限整流單元120、單相逆變單元130、電子變壓器單元140以及多相整流單元150依次電性連接。變流器裝置100分別與外部供電端110以及牽引電機160電性連接。

請參閱圖2，變流器裝置100還包括隔離單元170。隔離單元170設置於電子變壓器單元140與多相整流單元150之間，用於將電子變壓器單元140與多相整流單元150進行電氣隔離，經過隔離單元170與多相整流單元150電性連接。

隔離單元170將電子變壓器單元140與多相整流單元150進行電氣隔離，提高安全和可靠性，實用性強。

在本實施例中，隔離單元170包括第一電感l4和第一電容c4，第一電容c4的一端與電子變壓器單元140電性連接，另一端與多相整流單元150電性連接；第一電感l4的一端與電子變壓器單元140電性連接，另一端與多相整流單元150電性連接。

在本實施例中，變流器裝置100還包括直流支撐電容c5，四象限整流單元120兩個輸出埠之間接入直流支撐電容c5後與單相逆變單元130電性連接。用於為單相逆變單元130提供穩定的電壓。

多相整流單元150包括第一橋臂s1、第二橋臂s2、第三橋臂s3、第四橋臂s4、第五橋臂s5、第六橋臂s6、第一電感l1、第二電感l2、第三電感l3、第二電容c1、第三電容c2以及第四電容c3。第一橋臂s1以及第二橋臂s2串聯後與電子變壓器單元140電性連接，第三橋臂s3以及第四橋臂s4串聯後與電子變壓器單元140電性連接，第五橋臂s5以及第六橋臂s6串聯後與電子變壓器單元140電性連接，第一橋臂s1與第二橋臂s2之間電性連接第二電感l1後與三相電中的第一相a電連接，第三橋臂s3與第四橋臂s4之間電性連接第三電感l2後與三相電中的第二相b電連接，所述第五橋臂s5與第六橋臂s6之間電性連接所述第四電感l3後與三相電中的第三相c電連接；第二電容c1、第三電容c2以及第四電容c3一端對應與第二電感l1、第三電感l2以及第四電感l3電性連接，第二電容c1、第三電容c2以及第四電容c3連接與一公共端。

在本實施例中，第一橋臂s1、第二橋臂s2、第三橋臂s3、第四橋臂s4、第五橋臂s5以及第六橋臂s6六個橋臂由十二個功率器件組成，每兩隻功率器件組成一個橋臂，形成一個雙向開關，功率器件可以採用金氧半場效電晶體(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，mosfet)或絕緣柵雙極型電晶體(insulatedgatebipolartransistor，igbt)時，所述第一橋臂採用共源極連接方式或共射極連接方式(如圖3)；功率器件採用rb-igbt時，兩隻功率器件採用反向並聯(如圖4)。採用軟開關技術，減小了工作時對輸入產生的諧波和直流母線產生的紋波，提高牽引電機160的壽命和安全性。

單相逆變單元130包括單相矩陣開關電路，單相矩陣開關電路包括第七橋臂s7、第八橋臂s8、第九橋臂s9丶第十橋臂s10，第七橋臂s7以及第八橋臂s8串聯後與四象限整流單元120電性連接，第九橋臂s9以及第十橋臂s10串聯後與四象限整流單元120電性連接，電子變壓器單元140兩個埠分別接入第七橋臂s7、第八橋臂s8之間和第九橋臂s9、第十橋臂s10之間。

在本實施例中，第七橋臂s7、第八橋臂s8、第九橋臂s9以及第十橋臂s10由八個功率器件組成，每兩隻功率器件組成一個橋臂，形成一個雙向開關，功率器件可以採用金氧半場效電晶體(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，mosfet)或絕緣柵雙極型電晶體(insulatedgatebipolartransistor，igbt)時，所述第一橋臂採用共源極連接方式或共射極連接方式(如圖3)；功率器件採用rb-igbt時，兩隻功率器件採用反向並聯(如圖4)。

四象限整流單元120包括單相矩陣開關電路，單相矩陣開關電路包括第十一橋臂s11、第十二橋臂s12、第十三橋臂s13以及第十四橋臂s14，第十一橋臂s11以及第十二橋臂s12串聯後與單相逆變單元130電性連接，第十三橋臂s13以及第十四橋臂s14串聯後與單相逆變單元130電性連接，外部供電段110的兩個埠分別接入第十一橋臂s11、第十二橋臂s12之間和第十三橋臂s13、第十四橋臂s14之間。

在本實施例中，第十一橋臂s11、第十二橋臂s12、第十三橋臂s13以及第十四橋臂s14由八個功率器件組成，每兩隻功率器件組成一個橋臂，形成一個雙向開關，功率器件可以採用金氧半場效電晶體(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，mosfet)或絕緣柵雙極型電晶體(insulatedgatebipolartransistor，igbt)時，所述第一橋臂採用共源極連接方式或共射極連接方式(如圖3)；功率器件採用rb-igbt時，兩隻功率器件採用反向並聯(如圖4)。

工作原理如下：

四象限整流單元120與外部供電端110電性連接並將外電整流為直流電發送給單相逆變單元130；單相逆變單元130將直流電轉化為第一頻率的交流電後傳輸給電子變壓器單元140；電子變壓器單元140將第一頻率的交流電轉化為第二頻率的交流電後傳輸給多相整流單元150，其中第二頻率的交流電大於第一頻率的交流電，多相整流單元150將第二頻率的交流電轉化為第三頻率的交流電後傳輸給牽引電機160。

請參閱圖5，本發明實施例還提供了一種變流器系統200。應用於對牽引電機160的輸入電流進行調整。包括多個變流器裝置100，多個變流器裝置100的四象限整流單元120串聯，多個變流器裝置100的多相整流單元150並聯。

在本實施例中變流器裝置100的數量為3個，提高牽引的功率，滿足用戶的需求。

綜上所述，本發明實施例提供了一種變流器裝置以及變流器系統，應用於對牽引電機的輸入電流幅值和頻率進行調整，變流器裝置包括四象限整流單元、單相逆變單元、電子變壓器單元以及多相整流單元，四象限整流單元、單相逆變單元、電子變壓器單元以及多相整流單元依次電性連接；四象限整流單元與外部供電端電性連接並將外電整流為直流電發送給單相逆變單元；單相逆變單元將直流電轉化為第一頻率的交流電後傳輸給電子變壓器單元；電子變壓器單元將第一頻率的交流電轉化為第二頻率的交流電後傳輸給多相整流單元，其中第二頻率的交流電大於第一頻率的交流電，多相整流單元將第二頻率的交流電轉化為第三頻率的交流電後傳輸給牽引電機。降低了重量，減小了體積，據研究表明功率升高10倍，體積減小5倍。因此使用電子變壓器，減小了牽引變流器的安裝空間和重量，為乘客騰出更多的空間，提高了空間的利用率。使用軟開關技術，減小了工作時對輸入產生的諧波和直流母線產生的紋波，減小無源器件的尺寸和重量。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個…...」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「設置」、「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語「上」、「下」、「左」、「右」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。