内电双源动力集中动车组牵引电路及相应的动车组的制作方法

1.本公开涉及动车组牵引系统技术领域，尤其涉及一种内电双源动力集中动车组牵引电路及相应的动车组。


背景技术：

2.随着我国轨道交通装备制造能力的提升，交流传动技术及其他核心部件制造水平的发展，为研制大功率内燃、电力集成式双源动车组产品奠定基础。内燃、电力集成式双源动力集中动车组在一节动力车内集成电力和内燃动力，可实现不停车、不换挂，内燃/电力牵引模式可便捷转换，“宜电则电，宜内则内”，具有运用更灵活，应急自保障能力强，节能环保，经济性好等技术优势。
3.现有技术一种内电双源牵引变流器主电路(cn 114244088 a)是集内燃和电力双源供电于一体，采用同一功率模块能够实现电网供电工况的四象限整流和内燃主发供电工况的三相不控整流功能，内燃模式下，采用电网供电工况的四象限整流内开关器件igbt的反并联二极管进行三相不控整流，属于内电共用四象限整流的电路结构，当动车组电力模式通过分相区时，牵引电路四象限整流器停止工作，此时牵引电机处于发电机工作模式，动车组处于再生制动工况，能量通过牵引逆变器回馈至中间直流回路，动车组辅助变流器及列车供电单元并联接入牵引电路的中间直流回路，通过中间直流回路为动力车辅助系统与列车供电系统供电。当动车组速度低于一定值，再生制动功率无法满足列车供电功率要求，因此动车组无法实现列车不间断供电功能。
4.现有技术一种内电双源牵引变流器主电路还存在存在如下问题：无法实现电力模式和内燃模式同时工作，即当电力模式工作时，四象限整流器内igbt开关器件的反并联二极管用于续流，此时内燃模式工作无法再利用二极管进行整流，该电路无法实现内燃和电力模式同时工作，列车运行过程中不具备混合牵引功能。而动车组运行中当电力模式故障部分动力情况下，内燃模式电路无法工作，无法为列车提供冗余动力，大大减弱了双动力源兼容动车组的适用性，降低列车运行可靠性。另外，在电力模式通过分相区时，电力模式断电后，主发电机输出三相交流电通过四象限整流器内可控器件igbt反并联二极管整流，进而通过中间直流回路理论上可为列车供电系统提供电源，但实际工作过程，从电力模式停止到内燃模式投入工作，存在切换时间，列车存在断电状态。同理出分相区时，内燃模式切换到电力模式，列车也会再次出现断电状态。因此，现有技术电路结构无法实现过分相列车供电系统不间断供电功能，无法为列车提供持续不间断供电电源，大大降低了列车旅客乘车舒适度。
5.另外，目前电力动力集中动车组动力车牵引电路普遍采用si基igbt构成的两电平四象限整流器和两电平牵引逆变器，四象限整流器和牵引逆变器最大开关频率为450hz。通过提高牵引电路四象限整流器的开关频率可降低牵引变压器短路阻抗和二次侧绕组谐波电流，进而实现对牵引变压器的减重。通过提高牵引电路牵引逆变器的开关频率可降低牵引电机低次谐波电流，改善电机温升，进而实现对牵引电机的减重。为满足内燃、电力双动
力源系统集成，需不断降低牵引系统重量，以适应整车轴重需求。现有si基igbt组成的两电平四象限整流器和两电平牵引逆变器开关频率最大为450hz，进一步提高开关频率后，igbt开关损耗增大，四象限整流器及牵引逆变器散热量增大，功率模块设计制造难度大，同时配置冷却系统散热器的体积及重量较重，因此现有si基igbt组成的两电平四象限整流器和两电平牵引逆变器开关频率受到限制，无法通过提高开关频率的方式实现对牵引变压器和牵引电机减重。
6.基于此，可实现动车组内燃模式和电力模式同时工作，且具备电力牵引、内燃牵引及内电混合牵引功能，以及过分相列车供电系统不间断供电功能和通过提高开关频率的方式实现对牵引变压器和牵引电机减重的牵引电路是本技术领域人员需要解决的问题。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本公开实施例一个方面提供了一种内电双源动力集中动车组牵引电路，包括：预充电电路、三电平四象限整流电路、中间直流电路、三电平逆变斩波电路、主发电机供电电路，其中，
8.预充电电路的输入侧与动车组的牵引变压器次边绕组连接，输出侧与三电平四象限整流电路的输入侧连接；
9.中间直流电路的输入侧与三电平四象限整流电路的输出侧连接，输出侧与三电平逆变斩波电路的输入侧连接，三电平逆变斩波电路的输出侧与动车组的牵引电机连接；
10.主发电机供电电路的输出侧与中间直流电路的输入侧连接；
11.牵引电路可采用内燃模式和电力模式同时为动车组的牵引电机供电。
12.进一步地，预充电电路包括预充电接触器、预充电电阻、主接触器和输入电流传感器。
13.进一步地，三电平四象限整流电路包括两个整流电路，两项整流电路并联，整流电路包括上桥臂和下桥臂，两项整流电路的0电平输出侧通过母线连接。
14.进一步地，中间直流电路包括多个均压电阻、多个滤波电容、两个接地检测回路分压电阻、中间直流支撑电容、慢放电电阻和多个电压检测单元。
15.进一步地，三电平逆变斩波电路包括三相逆变电路和斩波电路，三相逆变电路包括三个逆变电路，逆变电路包括上桥臂和下桥臂，三个逆变电路的0电平输出侧通过母排线连接，斩波电路包括二极管、桥臂和斩波电阻，三电平逆变斩波电路的输入侧连接至中间直流电路母线的dc 和dc-，三电平逆变斩波电路的0电平接至中间直流电路均压电阻中性点，三电平逆变斩波电路输出侧的三相分别连接至牵引电机的u相、v相和w相。
16.进一步地，主发电机供电电路包括主发电机、输出侧接触器，三相不控整流桥和多个电流传感器。
17.进一步地，预充电电路和三电平四象限整流电路分别包括两组，三电平逆变斩波电路包括三组，两组预充电电路并联，两组三电平四象限整流电路并联，三组三电平逆变斩波电路并联。
18.进一步地，中间直流电路的输出侧连接动车组的辅助供电电路。
19.进一步地，中间直流电路的输出侧连接动车组的列车供电电路。
20.本公开实施例的另一方面提供了一种动车组，包括上述的内电双源动力集中动车
组牵引电路，其中，牵引电路包括两组。
21.根据上述技术方案，本发明提供的一种内电双源动力集中动车组牵引电路及相应的动车组，可实现动车组内燃模式 电力模式可同时工作，同时具备电力牵引、内燃牵引及内电混合牵引功能，以适应更多运用场景需求。电力模式四象限整流电路故障时内燃模式可工作提供冗余动力，提高动车组运行可靠性；电力模式过分相区时，内燃模式可为列车提供不间断供电电源，同时为整车提供牵引动力输出，保持车辆平稳性，提高旅客舒适度。通过采用si/sic混合三电平anpc电路结构提高系统工作频率实现牵引系统部件轻量化，同时有效降低网侧总谐波电流，具有经济和社会效益。
附图说明
22.为了更清楚地说明本公开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，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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。
23.图1是本发明实施例公开的牵引电路原理图；
24.图2是本发明实施例公开的二组整流电路三组逆变电路的牵引电路图；
25.图3是本发明实施例公开的混合模式供电电路图；
26.图4是本发明实施例公开的三电平四象限整流电路图；
27.图5是本发明实施例公开的三电平牵引逆变电路图。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本公开的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本公开的原理，但不能用来限制本公开的范围，本公开可以以许多不同的形式实现，不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
29.本公开提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
30.需要说明的是，在本公开的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是大于或等于两个；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
31.此外，本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“垂直”并不是严格意义上的垂直，而是在误差允许范围之内。“平行”并不是严格意义上的平行，而是在误差允许范围之内。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。
32.还需要说明的是，在本公开的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。
33.本公开使用的所有术语与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
34.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
35.如在以上背景技术中所提到的，内电双源动力动车组牵引电路的现有技术无法满足内燃、电力模式同时工作和混合牵引相关功能的需求，受运用场景限制无法匹配运输需求；同时现有牵引电路结构无法满足双动力源系统集成整车重量要求，本发明人意识到，需进一步对整车牵引电路进行探究，以适应动车组设计制造及运用需求。因此，本技术的发明人在一个或多个实施例中提供了一种内电双源动力集中动车组牵引电路及相应的动车组，相信其能解决现有技术中的一个或多个问题。
36.针对前述提出的技术问题，本发明的一个方面给出了一种内电双源动力集中动车组牵引电路，如图1所示，牵引电路包括：预充电电路、三电平四象限整流电路anpc 4qc、中间直流电路、三电平逆变斩波电路anpc inv、主发电机供电电路，预充电电路的输入侧与牵引变压器次边绕组tr连接，预充电电路输出侧与三电平四象限整流电路anpc 4qc的输入侧连接，三电平四象限整流电路anpc 4qc的输出侧与中间直流电路的输入侧连接，中间直流电路的输出侧与三电平逆变斩波电路anpc inv的输入侧连接，三电平逆变斩波电路anpc inv的输出侧与牵引电机连接，其中，中间直流电路的输入侧并联接入主发电机供电电路的输出侧。本发明实现了内燃、电力模式同时工作和混合牵引相关功能。
37.本发明的主要工作原理：
38.单独电力模式下，如图1所示，牵引变压器次边绕组tr输出电能，控制预充电接触器ak闭合，为中间直流电路中间支撑电容c6充电，完成充电后预充电接触器ak断开，控制主接触器k闭合，控制三电平四象限整流电路anpc 4qc工作，将单相交流电整流变换成直流电，再通过三电平逆变斩波电路anpc inv变换成三相交流电为牵引电机供电。单独内燃模式下，控制主接触器k断开，控制主发电机输出侧接触器k3闭合，主发电机输出侧三相交流电经三相不控整流桥mrf整流后输出直流电，经三电平逆变斩波电路anpc inv变换成三相交流电为牵引电机供电。
39.在电力模式下，控制主接触器k闭合，三电平四象限整流电路anpc4qc投入工作，此时控制主发电机输出侧接触器k3闭合，主发电机输出侧三相交流电经三相不控整流桥mrf整流后投入至中间直流电路，可实现内燃、电力模式同时工作；控制主发电机输出侧接触器k3断开，三相不控整流桥mrf停止工作，主发电机供电切除，内燃模式停止工作，电力模式继续工作。在内燃模式下，控制主发电机输出侧接触器k3投入，三相不控整流桥mrf开始工作，此时控制主接触器k闭合，三电平四象限整流电路anpc 4qc开始工作，电力模式投入，实现
内燃、电力模式同时工作；断开主接触器k，三电平四象限整流电路anpc 4qc停止工作，电力模式退出，内燃模式继续工作。通过控制主发电机输出侧接触器k3开通和关断，可实现内燃动力的随时投入和随时切除；通过控制三电平四象限整流电路anpc 4qc输入侧主接触器k的开通和关断，可实现接触网能量的随时投入和随时切除，无缝切换，进而实现车辆内燃和电力模式混合牵引功能。
40.本发明的牵引电路，控制柴油机起机处于热备状态下，控制主发电机励磁，闭合主发电机输出侧三相接触器k3，为中间直流电路供电，当三电平四象限整流电路anpc 4qc停止工作时，中间直流电路电能由柴发机组提供，三电平逆变斩波电路anpc inv、辅助供电电路、列车供电电路分别并联接入到中间直流电路。主发电机供电电路通过中间直流电路、三电平逆变斩波电路anpc inv为牵引电机供电，提供车辆牵引功率，主发电机供电电路通过中间直流电路同时也可为辅助供电电路、列车供电电路供电提供不间断供电电源，保证车内负载和车辆负载持续供电。
41.如图4所示，三电平四象限整流电路anpc 4qc由相同的两相整流电路并联组成。每一相电路上桥臂和下桥臂开关管采用si基igbt并联，钳位管采用sic mosfet并联，通过一定的调制方式控制上桥臂igbt q1和igbt q2、下桥臂igbt q3和igbt q4低频通断，降低ibgt开关损耗，控制0电平侧钳位管sic q5和sic q6高频通断，因sic器件具有更低导通损耗和开关损耗的优势，高频通断可充分利用sic低损耗优势，以最经济方式提高四象限整流电路开关频率，降低牵引变压器二次侧绕组tr短路阻抗和谐波损耗，三电平四象限整流电路anpc 4qc开关频率可提高到1000hz以上，将牵引变压器二次侧绕组tr短路阻抗降低35％以上，将二次侧绕组谐波损耗降低50％，进而降低牵引变压器体积重量。
42.如图5所示，三电平逆变电路anpc inv由三相逆变电路加斩波电路组成。每一相逆变电路由上桥臂igbt q1和igbt q2、下桥臂igbt q3和igbt q4、0电平输出侧sic q5和sic q6通过母排连接组成，斩波电路由二极管、igbt及斩波电阻bre组成。连接关系：三电平逆变斩波电路anpc inv输入侧连接至中间直流电路母线dc 和dc-，0电平连接至中间直流电路均压电阻中性点。输出三相分别连接至牵引电机u、v、w相，u相和v相分别串联接入电流传感器ct3和ct4。三电平逆变电路anpc inv每一相电路上桥臂及下桥臂开关管采用si基igbt并联，钳位管采用sic mosfet并联，通过一定的调制方式控制上桥臂igbt q1和igbt q2、下桥臂igbt q3和igbt q4低频通断，降低ibgt开关损耗，控制0电平侧钳位管sic q5和sic q6高频通断，提高牵引逆变电路开关频率提高至1000hz以上，牵引电机低次谐波电流降低50％以上，改善电机温升降低损耗简化电机冷却结构，进而实现对牵引电机的减重。
43.实施例：
44.本实施例提供的牵引电路主要技术参数如下：
45.用途：内燃、电力集成式双源动力集中动车组动力车；
46.轴式：c0-c0；
47.轴重：22t；
48.运行模式：电力模式、内燃模式、混合模式
49.中间直流电路电压等级：dc 3600v；
50.三电平四象限整流anpc 4qc电路数量：2*2；
51.三电平逆变斩波电路anpc inv数量：2*3；
52.主发电机供电电路数量：2；
53.额定输出功率：6*1020kw～1225kw；
54.额定输出电压：3ac 2800v；
55.本实施例，电力模式下25kv/50hz单相交流电经受电弓和主断路器，为牵引变压器供电，牵引变压器次边绕组输出电能经牵引变流电路整流、逆变后为牵引电机供电，整车设置2组完全一致的变流装置pc1和pc2，每组变流装置分别为3组牵引电机供电，实现电力牵引。内燃模式下，柴油机转轴带动主发电机输出三相交流电，分别经两组相同变流装置整流、逆变后为6组牵引电机供电，实现内燃牵引。
56.本实施例，包括二组完全相同的牵引电路，以其中一组电路为例，如图2所示。包括预充电电路1、预充电电路2、三电平四象限整流电路anpc4qc1、三电平四象限整流电路anpc 4qc2、主发电机供电电路、中间直流电路、三电平牵引逆变斩波电路anpc inv1、三电平牵引逆变斩波电路anpc inv2、三电平牵引逆变斩波电路anpc inv3、辅助供电电路及列车供电电路。
57.预充电电路1包含预充电接触器ak1、预充电电阻chre1、主接触器k1、输入电流传感器ct1。连接关系：输入侧连接至牵引变压器次边绕组tr1，输出侧连接至三电平四象限整流电路anpc 4qc1的a、b相。预充电电路2包含预充电接触器ak2、、预充电电阻chre2、主接触器k2、输入电流传感器ct2，结构与预充电电路1完全一致。连接关系：输入侧连接至牵引变压器次边绕组tr2，输出侧连接至三电平四象限整流电路anpc4qc2的a、b相。
58.三电平四象限整流电路anpc 4qc1由相同的两相整流电路并联组成。每一相整流电路由上桥臂igbt q1和igbt q2、下桥臂igbt q3和igbt q4、0电平输出侧sic q5和sic q6通过母排连接组成。连接关系：三电平四象限整流电路anpc 4qc1输出侧连接至中间直流电路母线dc 和dc-，输出0电平连接至中间直流电路均压电阻中性点。三电平四象限整流电路anpc 4qc2和三电平四象限整流电路anpc 4qc1结构相同。
59.主发电机供电电路由主发电机m，输出侧接触器k3，三相不控整流桥mrf及电流传感器ct9、ct10、ct11组成。连接关系：主发电机m输出侧经三相接触器k3，连接至三相不控整流桥mrf，整流后并联接入中间直流电路。
60.中间直流电路包括多组均压电阻r11和r12、r21和r22、r31和r32、r41和r42、r51和r52，多组滤波电容c11和c12、c21和c22、c31和c32、c41和c42、c51和c52，接地检测回路分压电阻r61和r62，中间直流支撑电容c6，慢放电电阻r7，多个电压检测单元gcpt。
61.三电平逆变斩波电路anpc inv1由三相逆变电路加斩波电路组成。每一相逆变电路由上桥臂igbt q1和igbt q2、下桥臂igbt q3和igbt q4、0电平输出侧sic q5和sic q6通过母排连接组成，斩波电路由二极管、igbt及斩波电阻bre组成。连接关系：三电平逆变斩波电路anpc inv1输入侧连接至中间直流电路母线dc 和dc-，0电平连接至中间直流电路均压电阻中性点。输出三相分别连接至牵引电机u、v、w相，u相和v相分别串联接入电流传感器ct3和ct4。三电平逆变斩波电路anpc inv2和三电平逆变斩波电路anpc inv3与三电平逆变斩波电路anpc inv1的结构相同。
62.单独电力模式下，25kv/50hz单相交流电经受电弓和主断路器，为牵引变压器供电，牵引变压器次边绕组tr1、tr2输出电能至预充电电路1和预充电电路2，ak1和ak2闭合后，为中间直流电路中间支撑电容c6充电，完成充电后ak1和ak2断开，控制主接触器k1和k2
闭合，两组三电平四象限整流电路anpc 4qc工作，将单相交流电整流变换成直流电，再通过三组三电平逆变斩波电路anpc inv变换成三相交流电为牵引电机供电。此时k3处于断开状态，主发电力供电电路不工作，内燃模式无输出。
63.单独内燃模式下，控制接触器k3闭合，主发电机输出侧三相交流电经三相不控整流桥mrf整流后输出直流电，经三组三电平逆变斩波电路anpc inv变换成三相交流电为牵引电机供电。此时电力模式主接触器k1和k2处于断开状态，三电平四象限整流电路anpc 4qc1和三电平四象限整流电路anpc 4qc1停止工作，电力模式不工作。
64.如图3混合模式供电电路所示，电力模式和内燃模式采用各自独立整流 共用中间直流电路 共用牵引逆变电路回路结构，当电力模式下三电平四象限整流电路anpc 4qc发生故障时，通过闭合主发电机输出侧接触器k3，电能经共用的中间直流电路、牵引逆变电路为牵引电机提供电能，实现内燃 电力模式同时工作。电力模式k1和k2闭合，三电平四象限整流电路4qc1和三电平四象限整流电路4qc2投入工作时，通过控制主发电机输出侧接触器k3开通和关断，可实现内燃动力的随时投入和随时切除，无缝切换，进而实现车辆内燃和电力模式混合牵引功能，大大增加了动车组运用场景。根据统计数据，受网压波动及控制等因素影响，电力车运行中四象限整流器故障率约为牵引逆变器故障率的7倍，采用本牵引电路大大提高了车辆冗余性和运用可靠性。
65.在电力模式下动车组通过分相区时，接触网处于断电状态，变压器次边绕组停止供电，整流电路停止工作，动车组处于再生制动工况，牵引电机处于发电机状态，将机械能转化成电能，通过牵引逆变电路工作在整流模式，将电能回馈至中间直流电路，通过中间直流电路为动力车辅助负载供电同时为列车提供dc600v直流电源。当动车组速度低于一定值时，再生制动电功率无法保证持续为列车提供不间断电源，大大降低了旅客舒适性，同时，动车组运行中处于低速工况下，分相区较长时，存在车辆掉速度情况，车辆平稳性受到一定影响。本发明牵引电路，柴油机起机处于热备状态下，主发电力励磁后输出三相交流电，闭合输出侧三相接触器k3后，为中间直流电路供电，因辅助变流器1、辅助变流器2、列车供电单元并联到中间直流电路，柴油机可作为冗余动力源通过主发电机为动力车辅助负载供电，同时为列车提供不间断供电电源，实现列车不间断供电功能，同时，也可为牵引系统提供补充功率，提供车钩保持力，增强整车平稳性，提高旅客舒适性。
66.根据本发明的另一个方面，还提供了一种动车组，包括上述任一实施例所述的内电双源动力集中动车组牵引电路，其中，牵引电路包括两组。应当理解，在相互不冲突的情况下，以上针对根据本发明第一方面的内电双源动力集中动车组牵引电路阐述的所有实施方式、特征和优势同样地适用于根据本发明的该另一个方面的动车组。也就是说，上面所述的实施例及其变化都可以直接转移应用并结合于此。为了本公开的简洁起见，在此不再重新阐述
67.综上所述，相比于现有技术，本公开提供的一种内电双源动力集中动车组牵引电路及相应的动车组，通过主发电机供电电路和三电平四象限整流电路anpc 4qc并联接入中间直流电路，实现了动车组内燃模式 电力模式可同时工作，同时具备电力牵引、内燃牵引及内电混合牵引功能，以适应更多运用场景需求。电力模式四象限整流电路故障时内燃模式可工作提供冗余动力，提高动车组运行可靠性；电力模式过分相区时，内燃模式可为列车提供不间断供电电源，同时为整车提供牵引动力输出，保持车辆平稳性，提高旅客舒适度。
通过采用si/sic混合三电平anpc电路结构提高系统工作频率实现牵引系统部件轻量化，同时有效降低网侧总谐波电流，具有经济和社会效益。
68.至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
69.虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。