一種輔助變流器、牽引動力單元及車輛的製作方法

2023-06-01 00:33:16

本發明涉及軌道交通領域，尤其涉及一種輔助變流器、牽引動力單元及車輛。

背景技術：

輔助變流器是軌道車輛的重要車載設備，可為整車空調、空氣壓縮機等三相負載和部分單相負載提供交流電源。傳統輔助變流器多採用工頻變壓器隔離和硬開關中頻變壓器隔離的方式。

工頻變壓器隔離方式是將直流電逆變成三相交流電後，由工頻變壓器轉換為三相工頻電源輸出，由於工頻變壓器的工作頻率較低，該類變壓器通常體積重量較大。

硬開關中頻變壓器隔離方式是先將直流電經h橋電路逆變為單相中頻交流電，經中頻變壓器隔離變壓後整流得到650-700v直流電壓，然後再由三相逆變器輸出三相工頻電源。此種方式由於採用硬開關方式，且整套拓撲中功率開關管數量較多，故損耗較大。

應該注意，上面對技術背景的介紹只是為了方便對本發明的技術方案進行清楚、完整的說明，並方便本領域技術人員的理解而闡述的。不能僅僅因為這些方案在本發明的背景技術部分進行了闡述而認為上述技術方案為本領域技術人員所公知。

技術實現要素：

本發明實施例提供一種輔助變流器、牽引動力單元及車輛，以解決現有的輔助變流器體積重量較大、損耗較高的問題。

為了達到上述目的，本發明實施例提供一種輔助變流器，包括輸入濾波單元、預充電單元、前級升壓單元、中頻隔離dc/dc變流器、三相逆變單元、輸出濾波單元以及對外輸出控制單元；所述輸入濾波單元的輸入端與高壓直流母線相連，輸出端連接所述預充電單元，用於濾除直流輸入的諧波和共模幹擾；所述預充電單元連接所述輸入濾波單元，用於對直流支撐電容進行預充電；所述前級升壓單元連接所述預充電單元，用於輸出期望的直流電壓；所述中頻隔離dc/dc變流器連接所述前級升壓單元，用於對所述前級升壓單元輸出的直流電壓進行中頻逆變，生成中頻的方波電壓，並對所述中頻的方波電壓進行隔離變壓後整流為中間直流電壓；所述三相逆變單元連接所述中頻隔離dc/dc變流器，用於將所述中間直流電壓逆變為三相工頻交流電；所述輸出濾波單元連接所述三相逆變單元，用於對所述三相工頻交流電進行濾波；所述對外輸出控制單元連接所述輸出濾波單元，用於控制並將所述濾波後的三相工頻交流電輸出給外部負載。

進一步地，在一實施例中，所述輸入濾波單元包括正負直流母線濾波電感、正負母線間並聯的rc串聯支路，並通過復用所述前級升壓單元中的升壓功能電感，形成lcl濾波器。

進一步地，在一實施例中，所述預充電單元包括主接觸器、旁路開關和預充電電阻；所述主接觸器用於接通或斷開所述高壓直流母線上的高壓，所述預充電電阻用於對直流支撐電容進行預充電，所述旁路開關與所述預充電電阻進行並聯，用於在預充電完成後旁路所述預充電電阻。

進一步地，在一實施例中，所述前級升壓單元包括boost升壓模塊，所述boost升壓模塊由升壓功能電感、二極體、igbt和直流電容構成，用於維持輸出期望的直流電壓。

進一步地，在一實施例中，所述中頻隔離dc/dc變流器包括llc中頻逆變單元和不控整流單元；所述llc中頻逆變單元包括單相逆變單元、諧振電容器組和中頻變壓器；所述單相逆變單元與所述boost升壓模塊相連，用於對所述boost升壓模塊輸出的直流電壓進行中頻逆變，生成中頻的方波電壓；所述諧振電容器組與所述中頻變壓器原邊漏感和激磁電感組成llc串聯諧振迴路，所述中頻變壓器對所述中頻的方波電壓進行變壓處理，並實現電氣隔離；所述不控整流單元包括二極體整流橋和電容器組；所述二極體整流橋輸入與所述中頻變壓器副邊相連，輸出與所述三相逆變單元相連，用於將所述中頻變壓器副邊的方波電壓整流為所述中間直流電壓；所述電容器組與所述二極體整流橋的輸出並聯，用於消除線路雜散參數對llc控制的影響。

進一步地，在一實施例中，所述三相逆變單元包括所述低壓直流支撐電容和三相逆變器；所述三相逆變器用於將所述不控整流單元輸出的直流電逆變為三相工頻交流電，輸出給所述輸出濾波單元；所述低壓直流支撐電容用於穩定所述三相逆變器的輸入電壓。

進一步地，在一實施例中，所述輸出濾波單元包括三相交流電感和三相交流電容，用於對所述三相逆變器輸出的三相工頻交流電進行濾波。

進一步地，在一實施例中，所述對外輸出控制單元包括三相輸出接觸器和庫用電預充電電路；所述三相輸出接觸器連接所述輸出濾波單元，用於在正常運行工況下控制輔助變流器的負載的接通或斷開；所述庫用電預充電電路用於在外接庫用電工況時，通過所述三相逆變器的反並聯二極體對所述直流支撐電容進行預充電，預充電完成後閉合所述三相輸出接觸器，為充電機供電。

為了達到上述目的，本發明實施例還提供一種牽引動力單元，包括牽引變流器和上述的輔助變流器。

為了達到上述目的，本發明實施例還提供一種車輛，包括上述的牽引動力單元。

本發明實施例的輔助變流器、牽引動力單元及車輛，由於採用了中頻隔離拓撲結構，相比工頻變壓器隔離方案，降低了輔助變流器的體積和重量，提高了輔助變流器的功率密度；並且，本發明實施例的不控整流單元的輸出並聯電容器組，消除了從不控整流單元到三相逆變單元之間線路雜散參數對llc電路軟開關效果的影響，保證了系統的高效性。

參照後文的說明和附圖，詳細公開了本發明的特定實施方式，指明了本發明的原理可以被採用的方式。應該理解，本發明的實施方式在範圍上並不因而受到限制。在所附權利要求的精神和條款的範圍內，本發明的實施方式包括許多改變、修改和等同。

針對一種實施方式描述和/或示出的特徵可以以相同或類似的方式在一個或更多個其它實施方式中使用，與其它實施方式中的特徵相組合，或替代其它實施方式中的特徵。

應該強調，術語「包括/包含」在本文使用時指特徵、整件、步驟或組件的存在，但並不排除一個或更多個其它特徵、整件、步驟或組件的存在或附加。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例的輔助變流器的結構示意圖；

圖2為本發明實施例的輔助變流器的具體電路圖。

具體實施方式

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，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做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。

本領域技術技術人員知道，本發明的實施方式可以實現為一種系統、裝置、設備、方法或電腦程式產品。因此，本公開可以具體實現為以下形式，即：完全的硬體、完全的軟體(包括固件、駐留軟體、微代碼等)，或者硬體和軟體結合的形式。

下面參考本發明的若干代表性實施方式，詳細闡釋本發明的原理和精神。

本發明的目的在於針對現有輔助變流器的不足，提供一種新的輔助變流器，以實現輔助變流器小型、輕量和高效的目的。

圖1為本發明實施例的輔助變流器的結構示意圖。如圖1所示，本實施例的輔助變流器包括：輸入濾波單元1、預充電單元2、前級升壓單元3、中頻隔離dc/dc變流器4、三相逆變單元5、輸出濾波單元6以及對外輸出控制單元7。

所述輸入濾波單元1的輸入端與高壓直流母線相連，輸出端連接所述預充電單元2，用於濾除直流輸入的諧波和共模幹擾；

所述預充電單元2連接所述輸入濾波單元1，用於對直流支撐電容進行預充電；

所述前級升壓單元3連接所述預充電單元2，用於輸出期望的直流電壓；

所述中頻隔離dc/dc變流器4連接所述前級升壓單元3，用於對所述前級升壓單元3輸出的直流電壓進行中頻逆變，生成中頻的方波電壓，並對所述中頻的方波電壓進行隔離變壓後整流為中間直流電壓；

所述三相逆變單元5連接所述中頻隔離dc/dc變流器4，用於將所述中間直流電壓逆變為三相工頻交流電；

所述輸出濾波單元6連接所述三相逆變單元5，用於對所述三相工頻交流電進行濾波；

所述對外輸出控制單元7連接所述輸出濾波單元6，用於控制並將所述濾波後的三相工頻交流電輸出給外部負載。

圖2為本發明實施例的輔助變流器的具體電路圖。以下結合圖1和圖2，詳細闡述本發明實施例的輔助變流器的每個組成單元。

1.輸入濾波單元1，輸入端與列車高壓直流母線相連，其包括：正負直流母線濾波電感11、正負母線間並聯的rc串聯支路(包括電容12和電阻13)，並復用boost電路的升壓功能電感31，形成lcl濾波器，用於減小變流器輸入諧波並防止變流器產生開關次諧波注入直流電網。所述電阻13用於增大系統阻尼，抑制了lcl電路諧振的發生。如圖2所示，接觸網電壓經過線路電感11、電容12和電阻13、boost功能電感31組成的lcl濾波器進入，濾除了接觸網上大量諧波幹擾，同時上述lcl濾波器抑制了變流器產生的開關次諧波注入接觸網。並且，電阻13增大了系統阻尼，抑制了lcl電路諧振的發生。

2.預充電單元2，用於對電容進行預充電，其包括：主接觸器21、旁路開關22和預充電電阻23，所述主接觸器21用於接通或斷開高壓，所述預充電電阻23對輸入濾波單元1中的電容12和前級升壓單元3中的電容32進行預充電，所述旁路開關22在預充電完成後旁路預充電電阻23。預充電單元2為輸入濾波單元1中的電容12和前級升壓單元3中的電容32進行預充電，是為了避免在充電初期時的大電流對電容器造成損傷或破壞。具體實施時，通常對中間直流迴路的電容器進行預充電，以在變流器的上電階段接入預充電單元限制充電電流的幅值，以防直接投入導致的過大的衝擊電流。

3.前級升壓單元3，包括：升壓功能電感31、二極體、igbt和電容32，構成boost升壓模塊，實現在接觸網電壓變化時維持輸出期望的直流電壓。

4.中頻隔離dc/dc變流器4，包括llc中頻逆變單元41和不控整流單元42。中頻是相對於工頻50hz而言的，其工作頻率可在5khz～100khz範圍內，根據主要部件的能力，通常可設置為18khz～25khz範圍內。在本實施例中，參看圖2所示，所述llc中頻逆變單元41包括單相逆變單元411、諧振電容器組412和中頻變壓器413。

所述單相逆變單元411與所述boost升壓模塊相連，用於對所述boost升壓模塊輸出的直流電壓進行中頻逆變，生成中頻的方波電壓；

所述諧振電容器組412與所述中頻變壓器413原邊漏感和激磁電感組成llc串聯諧振迴路，所述中頻變壓器413對所述中頻的方波電壓進行變壓處理，並實現電氣隔離。

所述不控整流單元42包括二極體整流橋421和電容器組422；

所述二極體整流橋421輸入與所述中頻變壓器413副邊相連，輸出與所述三相逆變單元5相連，用於將所述中頻變壓器413副邊的方波電壓整流為所述中間直流電壓；

所述電容器組422與所述二極體整流橋421的輸出並聯，用於消除線路雜散參數對llc控制的影響。

中頻隔離dc/dc變流器4可採用全橋或半橋llc模式，其中兩個串聯諧振電感復用中頻變壓器413的原邊漏感和激磁電感，通過單相逆變單元411開關頻率和兩個諧振頻率的配合，使得變壓器原邊逆變電路工作在零電壓軟開關狀態，變壓器副邊的二極體整流橋421工作在零電流軟開關狀態，在完成電壓轉換的同時提高了系統效率。

5.三相逆變單元5，輸入與不控整流單元42相連，輸出與輸出濾波單元6相連，其包括三相逆變器51和低壓直流支撐電容組52。所述三相逆變器51用於將直流電逆變為三相工頻交流電，所述低壓直流支撐電容52組用於穩定逆變器輸入電壓。三相逆變器51具備並聯控制功能，根據負載功率在公差範圍內調整三相工頻交流電的幅值和頻率，保證整列並聯機組功率平衡。

6.輸出濾波單元6，包括三相交流電感和三相交流電容，用於對所述三相逆變器輸出的三相工頻交流電進行濾波。

7.對外輸出控制單元7，包括三相輸出接觸器71和庫用電預充電電路72，所述三相輸出接觸器71連接所述輸出濾波單元，用於在正常運行工況下控制輔助變流器的負載的接通或斷開；所述庫用電預充電電路72用於在外接庫用電工況時，通過所述三相逆變器的反並聯二極體對所述直流支撐電容進行預充電，預充電完成後閉合所述三相輸出接觸器，為充電機供電，便於庫內或站內調試。

本發明實施例所揭示的輔助變流器可用於地鐵或者高鐵等軌道車輛的牽引動力單元中，並且，與現有技術相比，本發明存在以下技術效果：

1.本發明通過前級升壓電路可應對輸入電壓大範圍變化的工況；

2.本發明輸入端通過復用boost升壓功能電感，並增加rc串聯支路，形成lcl濾波器，減小變流器輸入諧波並防止變流器產生開關次諧波注入直流電網；

3.本發明在lcl濾波器的電容上串聯電阻，增大了系統阻尼，抑制了諧振的發生；

4.本發明的中頻隔離拓撲結構，相比工頻變壓器隔離方案，降低了輔助變流器的體積和重量，提高了輔助變流器的功率密度；

5.本發明的llc電路拓撲，可保證單相逆變單元工作在零電壓軟開關模式、不控整流單元工作在零電流軟開關模式，降低了系統損耗，提高了輔助變流器的變換效率；

6.本發明的不控整流單元的輸出並聯電容器，消除了從不控整流單元到三相逆變單元之間線路雜散參數對llc電路軟開關效果的影響，保證了系統的高效性；

7.本發明的庫用電預充電電路可在庫用電供電工況下通過三相逆變器的反並聯二極體對直流支撐電容進行充電，預充電完成後閉合輸出接觸器，可穩定為充電機供電，方便庫內或站內調試工作。

本領域內的技術人員應明白，本發明的實施例可提供為方法、系統、或電腦程式產品。因此，本發明可採用完全硬體實施例、完全軟體實施例、或結合軟體和硬體方面的實施例的形式。而且，本發明可採用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限於磁碟存儲器、cd-rom、光學存儲器等)上實施的電腦程式產品的形式。

本發明是參照根據本發明實施例的方法、設備(系統)、和電腦程式產品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由電腦程式指令實現流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些電腦程式指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器以產生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用於實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。

這些電腦程式指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指令裝置的製造品，該指令裝置實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些電腦程式指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供用於實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

本發明中應用了具體實施例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。