一種具有環(huán)流消除功能的城軌中壓型能饋供電裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種具有環(huán)流消除功能的城軌中壓型能饋供電裝置，裝置包括高壓開關(guān)單元、變壓器、二極管整流器、第一直流開關(guān)單元、能饋?zhàn)兞髌?、第二直流開關(guān)單元、大功率電子開關(guān)器件和開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路，變壓器的初級(jí)線圈通過高壓開關(guān)單元與中壓交流網(wǎng)相連，大功率電子開關(guān)器件串聯(lián)連接于二極管整流器的直流側(cè)出口的正負(fù)極和第一直流開關(guān)單元之間，開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與大功率電子開關(guān)器件的控制端相連。本實(shí)用新型能夠確保在城軌列車在牽引供電狀態(tài)、能量回饋狀態(tài)以及兩種工作狀態(tài)切換的所有過程中能饋?zhàn)兞髌髋c二極管整流器之間不構(gòu)成回路，從而達(dá)到消除環(huán)流的功能，并且不需要增加隔離變壓器和電抗器，成本相對(duì)較低，結(jié)構(gòu)緊湊。
【專利說明】一種具有環(huán)流消除功能的城軌中壓型能饋供電裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及城軌牽引供電系統(tǒng)的能饋供電裝置，具體涉及一種具有環(huán)流消除功能的城軌中壓型能饋供電裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]城軌的再生制動(dòng)能量回收裝置中，能饋供電裝置能夠充分利用列車的再生制動(dòng)能量，節(jié)能效果好，與中壓交流網(wǎng)兼容性好，再生制動(dòng)能量能夠直接回饋至交流電網(wǎng)供其他設(shè)備使用，沒有耗能電阻的發(fā)熱問題，也不需要其他儲(chǔ)能元件，因此成為了城軌牽引供電系統(tǒng)最有前景的再生能量回收方案。
[0003]城軌能饋供電裝置按交流回饋點(diǎn)的不同分為城軌高壓型能饋供電裝置、城軌中壓型能饋供電裝置、城軌低壓型能饋供電裝置。其中城軌高壓型能饋供電裝置、城軌低壓型能饋供電裝置都通過能饋?zhàn)儔浩鲗⒛孀兒蟮慕涣麟娚龎夯蚪祲汉蠡仞佒磷冸娝鶅?nèi)部的中壓交流網(wǎng)或低壓配電網(wǎng)。城軌中壓型能饋供電裝置包括二極管整流器、能饋?zhàn)兞髌饕约肮灿玫淖儔浩?，城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)依次通過二極管整流器、變壓器與中壓交流網(wǎng)相連，且所述能饋?zhàn)兞髌髋c二極管整流器并聯(lián)連接，在城軌列車制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)能量通過能饋?zhàn)兞髌髂孀兒螅玫降慕涣麟娀仞佒翣恳冸娝鶅?nèi)整流機(jī)組中的整流變壓器低壓側(cè)，通過整流變壓器升壓，最終將能量回饋到牽引變電所內(nèi)的中壓交流網(wǎng)中。城軌中壓型能饋供電裝置由于節(jié)省了能饋?zhàn)儔浩餮b置，成本相對(duì)較低，占地面積小，并且回饋的電能能完全利用，是一種很有前景的能量回饋裝置方案。
[0004]目前在城軌牽引供電系統(tǒng)中應(yīng)用的城軌中壓型能饋供電裝置中，能饋?zhàn)兞髌髋c二極管整流器共用一個(gè)變壓器，這樣雖然能節(jié)省能饋?zhàn)儔浩鞯某杀?，減小能饋供電裝置體積，但該技術(shù)方案中能饋?zhàn)兞髌髋c整流器能構(gòu)成一個(gè)回路，在能量回饋的過程中，當(dāng)能饋?zhàn)兞髌鹘涣鱾?cè)的線電壓達(dá)到峰值時(shí)，再生制動(dòng)能量會(huì)導(dǎo)致整流變壓器二次側(cè)電壓升高，部分峰值電壓會(huì)高于直流電網(wǎng)的直流母線電壓，從而導(dǎo)致二極管整流器的二極管自開通，與能饋?zhàn)兞髌餍纬苫芈?，產(chǎn)生環(huán)流。該環(huán)流在城軌中壓型能饋供電裝置中會(huì)引起電流畸變，降低裝置的整體性能，增加裝置的系統(tǒng)損耗，增大供電裝置噪音，降低裝置的回饋效率，這成為目前城軌中壓型能饋供電裝置的一個(gè)固有缺點(diǎn)，不利于能量回饋供電系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，限制了城軌中壓型能饋供電裝置的推廣和應(yīng)用。
[0005]因此，環(huán)流問題已經(jīng)成為城軌中壓型能饋供電裝置亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。針對(duì)該技術(shù)問題，現(xiàn)有技術(shù)有以下幾種解決方案。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)一:在能饋?zhàn)兞髌鹘涣鱾?cè)串聯(lián)電抗器，由于環(huán)流電流量的大小與環(huán)路電感的大小成反比，因此可以通過外加電抗器增大環(huán)路電感的方法抑制環(huán)流。但該方案在實(shí)施過程中，為了防止電感飽和，需要選用較大體積的磁心或空心電抗器，從而增大了裝置體積和重量，增加了成本。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)二:在能饋?zhàn)兞髌髦绷鱾?cè)串聯(lián)電抗器，與現(xiàn)有技術(shù)一的原理相同，通過增大環(huán)路電感來抑制環(huán)流。但電抗器將引起變流器交流側(cè)和直流網(wǎng)壓升高，而以上兩種方案都只能盡量減小環(huán)流，并不能完全抑制環(huán)流。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)三:通過在能饋?zhàn)兞髌鞯蛪航涣鱾?cè)加入隔離變壓器抑制環(huán)流，利用隔離變壓器的隔離作用，能斷開環(huán)流通路，從而實(shí)現(xiàn)抑制環(huán)流的功能。該方案相對(duì)上述兩種方案的環(huán)流抑制效果要好，但增加了隔離變壓器，增加了成本，也使體積增大。
[0009]綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)的城軌中壓型能饋供電裝置存在的最主要的缺點(diǎn)是在能饋裝置投入運(yùn)行時(shí)，能饋?zhàn)兞髌髋c整流器之間存在環(huán)流。環(huán)流將會(huì)引起電流畸變，增大系統(tǒng)損耗，降低系統(tǒng)的性能和效率，這都影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。目前存在的幾種抑制環(huán)流的技術(shù)方案，都有增加裝置成本，增大裝置體積的缺點(diǎn)，且增加環(huán)路電感的方案只能盡量減小環(huán)流，環(huán)流對(duì)系統(tǒng)的影響仍然存在。眾所周知，城軌能饋式供電系統(tǒng)已經(jīng)成為一種基本成熟的應(yīng)用系統(tǒng)，在地鐵等軌道交通領(lǐng)域使用，能量回饋裝置的可靠性、穩(wěn)定性成為城軌供電系統(tǒng)的重要指標(biāo)。因此，如何提供一種可靠性、穩(wěn)定性的具有環(huán)流消除功能的城軌中壓型能饋供電裝置，已經(jīng)成為一項(xiàng)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0010]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述技術(shù)問題，提供一種能夠確保在城軌列車在牽引供電狀態(tài)、能量回饋狀態(tài)以及兩種工作狀態(tài)切換的所有過程中能饋?zhàn)兞髌髋c二極管整流器之間不構(gòu)成回路，從而達(dá)到消除環(huán)流的功能，并且不需要增加隔離變壓器和電抗器，成本相對(duì)較低，結(jié)構(gòu)緊湊的具有環(huán)流消除功能的城軌中壓型能饋供電裝置。
[0011]為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為:
[0012]本實(shí)用新型還提供一種具有環(huán)流消除功能的城軌中壓型能饋供電裝置，包括高壓開關(guān)單元、變壓器、二極管整流器、第一直流開關(guān)單元、能饋?zhàn)兞髌?、第二直流開關(guān)單元、大功率電子開關(guān)器件和開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路，所述變壓器的初級(jí)線圈通過高壓開關(guān)單元與中壓交流網(wǎng)相連，所述變壓器的次級(jí)線圈依次通過二極管整流器、第一直流開關(guān)單元與城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)相連，且所述變壓器的次級(jí)線圈還依次通過能饋?zhàn)兞髌?、第二直流開關(guān)單元與城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)相連，所述大功率電子開關(guān)器件串聯(lián)連接于二極管整流器的直流側(cè)出口的正負(fù)極和第一直流開關(guān)單元之間，所述開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與大功率電子開關(guān)器件的控制端相連。
[0013]優(yōu)選地，所述變壓器包括一個(gè)初級(jí)線圈和至少兩個(gè)次級(jí)線圈。
[0014]優(yōu)選地，所述二極管整流器為24脈波整流器。
[0015]優(yōu)選地，所述大功率電子開關(guān)器件為集成門極換流晶閘管。
[0016]優(yōu)選地，所述開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路包括電源模塊、邏輯控制器、開通維持模塊、關(guān)斷模塊、檢測保護(hù)模塊、發(fā)送模塊、接收模塊和狀態(tài)顯示模塊，所述電源模塊的輸出端分別與邏輯控制器、開通維持模塊、關(guān)斷模塊相連，所述邏輯控制器的輸出端分別與開通維持模塊、關(guān)斷模塊、發(fā)送模塊、狀態(tài)顯示模塊相連，所述邏輯控制器的輸入端分別與檢測保護(hù)模塊、接收模塊相連。
[0017]優(yōu)選地，所述邏輯控制器為可編程邏輯控制芯片F(xiàn)PGA，所述發(fā)送模塊為光纖發(fā)送模塊，所述接收模塊為光纖接收模塊。
[0018]本實(shí)用新型具有環(huán)流消除功能的城軌中壓型能饋供電裝置具有下述優(yōu)點(diǎn):本實(shí)用新型變壓器的次級(jí)線圈依次通過二極管整流器、第一直流開關(guān)單元與城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)相連，且變壓器的次級(jí)線圈還依次通過能饋?zhàn)兞髌?、第二直流開關(guān)單元與城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)相連，大功率電子開關(guān)器件串聯(lián)連接于二極管整流器的直流側(cè)出口的正負(fù)極和第一直流開關(guān)單元之間，開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與大功率電子開關(guān)器件的控制端相連，以控制二極管整流器直流側(cè)電子開關(guān)在各種工作狀態(tài)下進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，即可確保在城軌列車的牽引供電狀態(tài)、能量回饋狀態(tài)以及兩種工作狀態(tài)切換的所有過程中，通過對(duì)二極管整流機(jī)組直流側(cè)大功率電子開關(guān)器件的通斷控制，能饋?zhàn)兞髌髋c二極管整流器之間不構(gòu)成回路，從而實(shí)現(xiàn)完全消除環(huán)流的功能，并且不需要增加隔離變壓器和電抗器，成本相對(duì)較低，不會(huì)增大裝置體積。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例裝置的工作原理示意圖。
[0020]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3為現(xiàn)有技術(shù)GCT結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。
[0022]圖4為現(xiàn)有技術(shù)IGCT導(dǎo)通時(shí)的等效電路圖。
[0023]圖5為現(xiàn)有技術(shù)IGCT關(guān)斷時(shí)的等效電路圖。
[0024]圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例中開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路的框架結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例中在大功率電子開關(guān)器件閉合時(shí)的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖例說明:1、高壓開關(guān)單元；2、變壓器；3、二極管整流器；4、第一直流開關(guān)單元；5、能饋?zhàn)兞髌鳎?、第二直流開關(guān)單元；7、大功率電子開關(guān)器件；8、開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路；81、電源模塊；82、邏輯控制器；83、開通維持模塊；84、關(guān)斷模塊；85、檢測保護(hù)模塊；86、發(fā)送模塊；87、接收申旲塊；88、狀態(tài)顯不申旲塊。

【具體實(shí)施方式】
[0027]如圖1所示，本實(shí)施例的具有環(huán)流消除功能的城軌中壓型能饋供電裝置的工作原理為:
[0028]I)在城軌中壓型能饋供電裝置的二極管整流器的直流側(cè)出口的正負(fù)極和城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)之間布置大功率電子開關(guān)器件，城軌中壓型能饋供電裝置包括二極管整流器、能饋?zhàn)兞髌饕约肮灿玫淖儔浩?，城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)依次通過二極管整流器、變壓器與中壓交流網(wǎng)相連，且能饋?zhàn)兞髌髋c二極管整流器并聯(lián)連接；初始化設(shè)置能饋?zhàn)兞髌鞯耐度腚妷洪T檻值以及退出電壓門檻值、退出電流門檻值，默認(rèn)斷開大功率電子開關(guān)器件；
[0029]2)在城軌列車運(yùn)行過程中，檢測城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)的直流網(wǎng)壓(簡稱直流網(wǎng)壓)，獲取二極管整流器的整流器空載電壓；如果直流網(wǎng)壓小于或等于整流器空載電壓，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟3);如果直流網(wǎng)壓大于整流器空載電壓、且小于投入電壓門檻值，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟4);如果直流網(wǎng)壓大于或等于投入電壓門檻值與整流器空載電壓，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟5)；
[0030]3)判定無城軌列車制動(dòng)、未達(dá)到能量回饋條件，閉合大功率電子開關(guān)器件，二極管整流器處于投入態(tài)、能饋?zhàn)兞髌魈幱谕顺鰬B(tài)，使得二極管整流器和能饋?zhàn)兞髌髦g沒有環(huán)流，中壓交流網(wǎng)的交流電經(jīng)過變壓器變壓、再經(jīng)過二極管整流器整流后為城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)供電；跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟2);
[0031 ] 4)判定有城軌列車制動(dòng)但制動(dòng)能量較小或者部分制動(dòng)能量被附近的其他城軌列車吸收、未達(dá)到能量回饋條件，斷開大功率電子開關(guān)器件，二極管整流器處于退出態(tài)、能饋?zhàn)兞髌魈幱谕顺鰬B(tài)，使得二極管整流器和能饋?zhàn)兞髌髦g沒有環(huán)流，通過城軌列車制動(dòng)產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量支撐直流網(wǎng)壓；跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟2);
[0032]5)判定有城軌列車制動(dòng)、達(dá)到能量回饋條件，斷開大功率電子開關(guān)器件，二極管整流器處于退出態(tài)、能饋?zhàn)兞髌魈幱谕度霊B(tài)，使得二極管整流器和能饋?zhàn)兞髌髦g沒有環(huán)流，來自城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)的多余再生制動(dòng)能量通過能饋?zhàn)兞髌髂孀優(yōu)槿嘟涣麟姟⒃俳?jīng)過變壓器變壓后回饋至中壓交流網(wǎng)；跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟6);
[0033]6)檢測能饋?zhàn)兞髌髦绷鱾?cè)電流，如果直流網(wǎng)壓大于或等于退出電壓門檻值、能饋?zhàn)兞髌髦绷鱾?cè)電流大于或等于退出電流門檻值兩個(gè)條件同時(shí)成立，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟7);如果直流網(wǎng)壓小于退出電壓門檻值、能饋?zhàn)兞髌髦绷鱾?cè)電流小于退出電流門檻值兩個(gè)條件同時(shí)成立，貝lJ判定達(dá)到退出能量回饋條件，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟8)；
[0034]7)判定未達(dá)到退出能量回饋條件，斷開大功率電子開關(guān)器件，二極管整流器處于退出態(tài)、能饋?zhàn)兞髌魈幱谕度霊B(tài)，使得二極管整流器和能饋?zhàn)兞髌髦g沒有環(huán)流，此時(shí)來自城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)的多余再生制動(dòng)能量的回饋尚未完成，繼續(xù)通過能饋?zhàn)兞髌髂孀優(yōu)槿嘟涣麟姟⒃俳?jīng)過變壓器變壓后回饋至中壓交流網(wǎng)；跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟6);
[0035]8)閉合大功率電子開關(guān)器件，二極管整流器處于退出態(tài)、能饋?zhàn)兞髌魈幱谕顺鰬B(tài)，使得二極管整流器和能饋?zhàn)兞髌髦g沒有環(huán)流；跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟9);
[0036]9)檢測城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)的直流網(wǎng)壓，獲取二極管整流器的整流器空載電壓，當(dāng)直流網(wǎng)壓大于整流器空載電壓、且直流網(wǎng)壓小于退出電壓門檻值時(shí)判定系統(tǒng)處于完成能量回饋后母線電壓恢復(fù)穩(wěn)定的過程，保持閉合大功率電子開關(guān)器件、二極管整流器處于退出態(tài)、能饋?zhàn)兞髌魈幱谕顺鰬B(tài)，當(dāng)所述直流網(wǎng)壓小于或等于整流器空載電壓時(shí)跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟2)。
[0037]由于城軌供電系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，大功率電子開關(guān)器件7的實(shí)現(xiàn)比較困難，一個(gè)方面的原因是針對(duì)大功率電子開關(guān)器件7的通斷狀態(tài)邏輯控制非常復(fù)雜，因此現(xiàn)有技術(shù)普遍想到的是通過增加電抗器的方式來增大環(huán)路電感并達(dá)到抑制環(huán)流的功能，本實(shí)施例通過上述步驟I)?9)，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)大功率電子開關(guān)器件7的完整的邏輯控制，從而能夠?qū)崿F(xiàn)基于大功率電子開關(guān)器件7來消除城軌中壓型能饋供電的環(huán)流，確保在城軌列車的牽引供電狀態(tài)、能量回饋狀態(tài)以及兩種工作狀態(tài)切換的所有過程中，通過對(duì)二極管整流機(jī)組直流側(cè)大功率電子開關(guān)器件的通斷控制，能饋?zhàn)兞髌髋c二極管整流器之間不構(gòu)成回路，從而實(shí)現(xiàn)完全消除環(huán)流的功能，并且不需要增加隔離變壓器和電抗器，成本相對(duì)較低，不會(huì)增大裝置體積。
[0038]本實(shí)施例中步驟2)的詳細(xì)步驟包括:
[0039]2.1)在城軌列車運(yùn)行過程中，檢測城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)的直流網(wǎng)壓(簡稱直流網(wǎng)壓)，獲取二極管整流器的整流器空載電壓；
[0040]2.2)將檢測得到的城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)的直流網(wǎng)壓與二極管整流器的整流器空載電壓進(jìn)行對(duì)比，如果直流網(wǎng)壓發(fā)生電壓變化時(shí)整流器空載電壓也同步發(fā)生相應(yīng)變化，則說明直流網(wǎng)壓的變化是由交流網(wǎng)電壓變化引起，而不是由列車運(yùn)行狀態(tài)改變引起，結(jié)束并退出；否則判定直流網(wǎng)壓的變化是由列車運(yùn)行狀態(tài)改變引起的，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟2.3)；
[0041]2.3)針對(duì)城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)的直流網(wǎng)壓、整流器空載電壓進(jìn)行判斷，如果直流網(wǎng)壓小于或等于整流器空載電壓，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟3);如果直流網(wǎng)壓大于整流器空載電壓、且小于投入電壓門檻值，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟4);如果直流網(wǎng)壓大于或等于投入電壓門檻值與整流器空載電壓，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟5)。
[0042]綜上步驟2.1)?2.3)，當(dāng)直流網(wǎng)壓發(fā)生變化時(shí)，本實(shí)施例首先通過上述步驟排除引起直流網(wǎng)壓變化的干擾情況，即非列車牽引、制動(dòng)而引起的網(wǎng)壓變化，避免誤操作。當(dāng)確定了直流網(wǎng)壓變化是由列車運(yùn)行引起的，則進(jìn)行列車運(yùn)行狀態(tài)的判斷。
[0043]如圖2所示，本實(shí)施例的具有環(huán)流消除功能的城軌中壓型能饋供電裝置包括高壓開關(guān)單元1、變壓器2、二極管整流器3、第一直流開關(guān)單元4、能饋?zhàn)兞髌?、第二直流開關(guān)單元6、大功率電子開關(guān)器件7和開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路8，變壓器2的初級(jí)線圈通過高壓開關(guān)單元I與中壓交流網(wǎng)相連，變壓器2的次級(jí)線圈依次通過二極管整流器3、第一直流開關(guān)單元4與城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)相連，且變壓器2的次級(jí)線圈還依次通過能饋?zhàn)兞髌?、第二直流開關(guān)單元6與城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)相連，大功率電子開關(guān)器件7串聯(lián)連接于二極管整流器3的直流側(cè)出口的正負(fù)極和第一直流開關(guān)單元4之間，開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路8的輸出端與大功率電子開關(guān)器件7的控制端相連。
[0044]本實(shí)施例中，高壓開關(guān)單元I布置在高壓開關(guān)柜內(nèi)，第一直流開關(guān)單元4、第二直流開關(guān)單元6分別布置在直流開關(guān)柜內(nèi)，二極管整流器3布置在二極管整流柜內(nèi)，能饋?zhàn)兞髌?布置在能饋?zhàn)兞鞴駜?nèi)，能饋?zhàn)兞鞴衽c交流側(cè)PT柜連接，交流側(cè)PT柜用于對(duì)交流電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣，將采樣信號(hào)通過內(nèi)部的同步變壓器轉(zhuǎn)換為電壓同步信號(hào)。
[0045]本實(shí)施例中，變壓器2包括一個(gè)初級(jí)線圈和至少兩個(gè)次級(jí)線圈。
[0046]二極管整流器3通過控制二極管開關(guān)，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，供給列車的直流接觸網(wǎng)。本實(shí)施例中，二極管整流器3為24脈波整流器，此外二極管整流器3也可以根據(jù)需要采用其他類型的基于二極管的整流器。
[0047]本實(shí)施例中對(duì)于大功率電子開關(guān)器件7的選擇，考慮到斷路器受開關(guān)次數(shù)的影響，不能使用在頻繁通斷的位置，因此不適用于本實(shí)施例；接觸器在開關(guān)速度和承受電流的能力上都達(dá)不到要求；GTO開關(guān)損耗過高；IGBT電流等級(jí)達(dá)不到要求。綜合考慮大功率電子開關(guān)器件7的電流等級(jí)、開關(guān)壽命、開關(guān)速度等各方面因素，本實(shí)施例中選擇集成門極換流晶閘管(IGCT)作為二極管整流器2直流側(cè)的電子開關(guān)器件，通過采用IGCT能夠保證大功率電子開關(guān)器件7的開關(guān)速度、實(shí)時(shí)性，以及使用壽命；而且當(dāng)二極管整流器2的交流側(cè)斷電后，再恢復(fù)上電時(shí)會(huì)對(duì)二極管整流器2中的二極管造成沖擊，頻繁斷電將會(huì)影響二極管壽命，因此選擇在二極管整流器的直流側(cè)加入大功率電子開關(guān)器件7，還能夠起到有效保護(hù)二極管整流器2中的二極管的目的。IGCT是由門極換流晶閘管(GCT)和硬門極驅(qū)動(dòng)電路集成而來的，結(jié)合了 IGBT和GTO的優(yōu)點(diǎn)，GCT是在GTO (門極可關(guān)斷晶閘管)芯片上引入緩沖層、可穿透發(fā)射區(qū)和逆導(dǎo)結(jié)構(gòu)形成的，其機(jī)械結(jié)構(gòu)與IGBT相比要簡單。如圖3所示的GCT結(jié)構(gòu)剖面可知，GCT是四層三端器件，即由四層半導(dǎo)體材料(PNPN)構(gòu)成，外部引出三個(gè)極，GCT內(nèi)部由成百上千個(gè)GCT元組成，與GTO結(jié)構(gòu)類似。但GCT利用緩沖層技術(shù)，在相同的阻斷電壓下，硅片更薄，可大大降低導(dǎo)通損耗，同時(shí)采用可穿透發(fā)射技術(shù)使GCT陽極更薄，且為弱摻雜，關(guān)斷時(shí)電子可以被掃過陽極發(fā)射區(qū)，而無空穴注入，提高了關(guān)斷速度，降低了關(guān)斷損耗。IGCT采用門極硬驅(qū)動(dòng)技術(shù)，將門極驅(qū)動(dòng)電路、GCT集成在一起，其導(dǎo)通是通過驅(qū)動(dòng)電路向門極提供驅(qū)動(dòng)電流來控制的，通過提高驅(qū)動(dòng)電流的幅值和上升率，可以大大縮小芯片中不同梳條單元開通過程中延遲時(shí)間的差異。采用這樣的硬驅(qū)動(dòng)門極觸發(fā)電流方式，可以提高IGCT自身的di/dt (即電流變化率，相應(yīng)的dv/dt即電壓變化率)耐量，從而減小IGCT陽極回路所需的抑制電感量。強(qiáng)開通門極觸發(fā)電流脈沖使陰極電子注入非常均勻，在陽極電流增大之前降低了 IGCT器件的通態(tài)壓降，從而提高器件開通速度，減小損耗。IGCT的工作原理取決于GCT的工作過程，可用兩個(gè)晶體管表示，其導(dǎo)通時(shí)等效電路圖以及關(guān)斷時(shí)等效電路圖如圖4和圖5所示。IGCT開通時(shí)的瞬間，門極施加正強(qiáng)電壓，GCT處于NPN晶體管狀態(tài)。導(dǎo)通以后，GCT等效為兩正反饋的晶體管，強(qiáng)烈的正反饋使得兩晶體管都飽和導(dǎo)通，因此GCT在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，等效于一個(gè)類似晶閘管的正反饋開關(guān)，攜帶電流能力強(qiáng)，通態(tài)壓降低。當(dāng)IGCT關(guān)斷，電荷從陽極N基區(qū)完全被抽出之前，整個(gè)陽極電流由陰極迅速轉(zhuǎn)向門極，即強(qiáng)關(guān)斷時(shí)讓GCT門-陰極PN結(jié)提前進(jìn)入反向偏置并退出工作，陰極注入瞬間停止，使器件在雙極晶體管模式下關(guān)斷。在承受任何阻斷電壓之前，IGCT即已變成晶體管，所以無外加dv/dt的限制，無需吸收電路，因此IGCT無二次擊穿，拖尾電流雖大但時(shí)間很短。綜上，在合適的門極強(qiáng)驅(qū)動(dòng)下，IGCT開通瞬間處于NPN晶體管狀態(tài)，導(dǎo)通時(shí)為晶閘管狀態(tài)，關(guān)斷瞬間和截止?fàn)顟B(tài)均為PNP晶體管狀態(tài)。
[0048]如圖6所示，開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路8包括電源模塊81、邏輯控制器82、開通維持模塊83、關(guān)斷模塊84、檢測保護(hù)模塊85、發(fā)送模塊86、接收模塊87和狀態(tài)顯示模塊88，電源模塊81的輸出端分別與邏輯控制器82、開通維持模塊83、關(guān)斷模塊84相連，邏輯控制器82的輸出端分別與開通維持模塊83、關(guān)斷模塊84、發(fā)送模塊86、狀態(tài)顯示模塊88相連，邏輯控制器82的輸入端分別與檢測保護(hù)模塊85、接收模塊87相連。目前大功率電子開關(guān)器件7難以在城軌中壓型能饋供電裝置中應(yīng)用的另一個(gè)原因是大功率電子開關(guān)器件7的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)都有難度，因此現(xiàn)有技術(shù)普遍通過增加電抗器的方式來增大環(huán)路電感并達(dá)到抑制環(huán)流的功能，而不會(huì)使用增加大功率電子開關(guān)器件7的方法。本實(shí)施例基于上述開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路8的結(jié)構(gòu)，能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率電子開關(guān)器件7的通斷控制。
[0049]本實(shí)施例中，電源模塊81采用20V直流電源，并生成5V、15V的控制電源，開通維持模塊83在獲得邏輯控制器82的導(dǎo)通信號(hào)時(shí)向IGCT提供開通脈沖電流和通態(tài)門極維持電流，關(guān)斷模塊84在獲得邏輯控制器82關(guān)斷信號(hào)時(shí)控制IGCT關(guān)斷，檢測保護(hù)模塊85負(fù)責(zé)監(jiān)視驅(qū)動(dòng)電路板和IGCT工作狀態(tài)，在故障時(shí)進(jìn)行保護(hù)和報(bào)警，邏輯控制器82為可編程邏輯控制芯片F(xiàn)PGA，發(fā)送模塊86、接收模塊87用于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器與控制系統(tǒng)的信號(hào)聯(lián)系。本實(shí)施例中，發(fā)送模塊86為光纖發(fā)送模塊，接收模塊87為光纖接收模塊；此外也可以根據(jù)需要采用其他類型的收發(fā)接口模塊。
[0050]在工作狀態(tài)下，通過對(duì)中壓交流網(wǎng)、城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)以及本實(shí)施例的具有環(huán)流消除功能的城軌中壓型能饋供電裝置電壓電流的實(shí)時(shí)采樣監(jiān)測，對(duì)各電壓電流信號(hào)進(jìn)行處理，判斷列車的運(yùn)行狀態(tài)以及是否滿足能量回饋的條件，從而控制能饋?zhàn)兞髌?的運(yùn)行狀態(tài)和二極管整流器3直流側(cè)大功率電子開關(guān)器件7的通斷，最終達(dá)到消除能饋?zhàn)兞髌?與二極管整流器3之間環(huán)流的目的。
[0051]本實(shí)施例中針對(duì)大功率電子開關(guān)器件7的控制實(shí)現(xiàn)供電的過程如下:在城軌列車運(yùn)行過程中，交流側(cè)PT柜對(duì)交流側(cè)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣監(jiān)測，采集到的信號(hào)通過同步變壓器輸送至能饋?zhàn)兞鞴竦目刂葡到y(tǒng)，同時(shí)對(duì)直流接觸網(wǎng)、能饋裝置以及整流器的電壓電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，主要基于檢測城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)的直流網(wǎng)壓、二極管整流器的整流器空載電壓、能饋?zhàn)兞髌髦绷鱾?cè)電流來實(shí)現(xiàn)判斷能饋?zhàn)兞髌?的運(yùn)行狀態(tài)和二極管整流器的投入、退出的條件，及控制大功率電子開關(guān)器件7的通斷。當(dāng)直流網(wǎng)壓發(fā)生變化時(shí)，首先需要根據(jù)整流器空載電壓排除引起直流網(wǎng)壓變化的干擾情況，即非列車牽引、制動(dòng)而引起的網(wǎng)壓變化，避免誤操作。當(dāng)確定了直流網(wǎng)壓變化是由列車運(yùn)行引起的，則進(jìn)行列車運(yùn)行狀態(tài)的判斷。
[0052]結(jié)合圖1可知，本實(shí)施例中能饋?zhàn)兞髌?進(jìn)入投入態(tài)的判斷有以下幾種情況:
[0053](I)直流網(wǎng)壓彡整流器空載電壓。判定無城軌列車制動(dòng)、未達(dá)到能量回饋條件，閉合大功率電子開關(guān)器件7，二極管整流器3處于投入態(tài)、能饋?zhàn)兞髌?處于退出態(tài)，使得二極管整流器3和能饋?zhàn)兞髌?之間沒有環(huán)流，供電系統(tǒng)處于牽引供電狀態(tài)，中壓交流網(wǎng)的交流電經(jīng)過變壓器2變壓、再經(jīng)過二極管整流器3整流后為城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)供電。
[0054](2)整流器空載電壓<直流網(wǎng)壓<投入電壓門檻值。判定有城軌列車制動(dòng)但制動(dòng)能量較小或者部分制動(dòng)能量被附近的其他城軌列車吸收、未達(dá)到能量回饋條件，斷開大功率電子開關(guān)器件7，二極管整流器3處于退出態(tài)、能饋?zhàn)兞髌?處于退出態(tài)，使得二極管整流器3和能饋?zhàn)兞髌?之間沒有環(huán)流。此時(shí)由于仍未達(dá)到能量回饋的條件，因此能饋?zhàn)兞髌?未投入使用，與二極管整流器3之間沒有環(huán)流，斷開大功率電子開關(guān)器件7后二極管整流器3所在的整流支路斷開，由于此時(shí)有城軌列車處于制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)能量能夠支撐直流網(wǎng)壓，保持正常運(yùn)行。斷開大功率電子開關(guān)器件7時(shí)，相當(dāng)于只有能饋?zhàn)兞髌?支路，其等效電路圖如圖7所示。
[0055](3)直流網(wǎng)壓多整流器空載電壓及投入電壓門檻值。
[0056]判定有城軌列車制動(dòng)、達(dá)到能量回饋條件，斷開大功率電子開關(guān)器件7，二極管整流器處于退出態(tài)3、能饋?zhàn)兞髌?處于投入態(tài)，使得二極管整流器3和能饋?zhàn)兞髌?之間沒有環(huán)流，系統(tǒng)處于能量回饋狀態(tài)，來自城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)的多余在再生制動(dòng)能量通過能饋?zhàn)兞髌? (IGBT變流模塊)逆變?yōu)槿嘟涣麟?、再?jīng)過變壓器2變壓后回饋至中壓交流網(wǎng)。直流網(wǎng)壓達(dá)到投入電壓門檻值之前處于一個(gè)上升過程，當(dāng)直流網(wǎng)壓大于整流器空載電壓時(shí)且小于能饋裝置的投入電壓門檻值時(shí)，即處于上述情況(2)，則大功率電子開關(guān)器件7能在能饋?zhàn)兞髌?啟動(dòng)投入前迅速斷開，避免了二極管整流器3與能饋?zhàn)兞髌?在系統(tǒng)牽引供電與能量回饋狀態(tài)切換時(shí)構(gòu)成回路，因此避免了狀態(tài)切換瞬間的沖擊電流和環(huán)流，使城軌供電系統(tǒng)能夠平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)從牽引供電狀態(tài)到能量回饋狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。在整個(gè)能量回饋過程中，由于斷開了大功率電子開關(guān)器件7，二極管整流器3所在的整流支路斷開，二極管整流器3與能饋?zhàn)兞髌?不再形成一個(gè)回路，因此二者之間不存在環(huán)流。
[0057]結(jié)合圖1可知，本實(shí)施例中進(jìn)入投入態(tài)后，退出投入態(tài)、進(jìn)入退出態(tài)有以下幾種情況。
[0058](4)直流網(wǎng)壓多退出電壓門檻值、能饋?zhàn)兞髌髦绷鱾?cè)電流多退出電流門檻值。
[0059]判定未達(dá)到退出能量回饋條件，斷開大功率電子開關(guān)器件7，二極管整流器3處于退出態(tài)、能饋?zhàn)兞髌?處于投入態(tài)，使得二極管整流器3和能饋?zhàn)兞髌?之間沒有環(huán)流，此時(shí)來自城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)的多余在再生制動(dòng)能量的回饋尚未完成，繼續(xù)通過能饋?zhàn)兞髌?逆變?yōu)槿嘟涣麟姟⒃俳?jīng)過變壓器2變壓后回饋至中壓交流網(wǎng)。
[0060](5)直流網(wǎng)壓<退出電壓門檻值、能饋?zhàn)兞髌髦绷鱾?cè)電流<退出電流門檻值。判定達(dá)到退出能量回饋條件，閉合大功率電子開關(guān)器件7，二極管整流器3處于退出態(tài)、能饋?zhàn)兞髌?處于退出態(tài)，使得二極管整流器和能饋?zhàn)兞髌髦g沒有環(huán)流。
[0061](6)整流器空載電壓〈直流網(wǎng)壓〈退出電壓門檻值。判定系統(tǒng)處于完成能量回饋后母線電壓恢復(fù)穩(wěn)定的過程，保持閉合大功率電子開關(guān)器件、二極管整流器處于退出態(tài)、能饋?zhàn)兞髌魈幱谕顺鰬B(tài)，當(dāng)所述直流網(wǎng)壓<整流器空載電壓時(shí)跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟2)。
[0062]步驟2)中參見前述的條件(1)，當(dāng)直流網(wǎng)壓<整流器空載電壓時(shí)判定處于牽引供電狀態(tài)下，閉合大功率電子開關(guān)器件7，二極管整流器3處于投入態(tài)、能饋?zhàn)兞髌?處于退出態(tài)，使得二極管整流器3和能饋?zhàn)兞髌?之間沒有環(huán)流，中壓交流網(wǎng)的交流電經(jīng)過變壓器2變壓、再經(jīng)過二極管整流器3整流后為城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)供電，等待城軌列車制動(dòng)。
[0063]綜上，本實(shí)施例在中壓型能量回饋供電系統(tǒng)中，在列車牽引供電狀態(tài)、能量回饋狀態(tài)以及兩種狀態(tài)切換的所有過程中，通過對(duì)各電壓電流信號(hào)的處理和判斷，控制二極管整流器3直流側(cè)的大功率電子開關(guān)器件7，能夠在整個(gè)供電系統(tǒng)運(yùn)行的過程中都將能饋?zhàn)兞髌?與二極管整流器3的回路斷開，消除二者間的環(huán)流。本實(shí)施例在二極管整流器3的直流側(cè)加入大功率電子開關(guān)器件7，由交流側(cè)PT柜提供電壓同步信號(hào)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采樣監(jiān)測直流電網(wǎng)、能饋?zhàn)兞髌?的電壓電流，并設(shè)置能饋?zhàn)兞髌?的投入電壓門檻值、退出電流門檻值?；跈z測的直流網(wǎng)壓、整流器空載電壓、能饋?zhàn)兞髌髦绷鱾?cè)電流判斷列車運(yùn)行狀態(tài)及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)判斷得到的狀態(tài)得到運(yùn)行指令，對(duì)二極管整流器直流側(cè)電子開關(guān)狀態(tài)及能饋裝置運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的控制，使列車在牽引供電狀態(tài)、能量回饋狀態(tài)以及兩種狀態(tài)切換的所有過程中，能饋?zhàn)兞髌髋c二極管整流器都不構(gòu)成回路，達(dá)到了消除環(huán)流的目的，相比常規(guī)的中壓型能量回饋裝置抑制環(huán)流的方法，本實(shí)施例消除環(huán)流的效果更好，能夠完全消除環(huán)流，而不是盡量抑制環(huán)流；而且本實(shí)施例的可靠性高，在消除環(huán)流的同時(shí)，還保證了系統(tǒng)各種運(yùn)行狀態(tài)之間的切換平穩(wěn)，安全穩(wěn)定性高；此外，本實(shí)施例相比常規(guī)的中壓型能量回饋裝置抑制環(huán)流的方法，省去了隔離變壓器和電抗器裝置，節(jié)約了系統(tǒng)成本，減小了體積。
[0064]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本實(shí)用新型思路下的技術(shù)方案均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種具有環(huán)流消除功能的城軌中壓型能饋供電裝置，其特征在于:包括高壓開關(guān)單元(1)、變壓器(2)、二極管整流器(3)、第一直流開關(guān)單元(4)、能饋?zhàn)兞髌?5)、第二直流開關(guān)單元(6 )、大功率電子開關(guān)器件(7 )和開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路(8 )，所述變壓器(2 )的初級(jí)線圈通過高壓開關(guān)單元(1)與中壓交流網(wǎng)相連，所述變壓器(2)的次級(jí)線圈依次通過二極管整流器(3)、第一直流開關(guān)單元(4)與城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)相連，且所述變壓器(2)的次級(jí)線圈還依次通過能饋?zhàn)兞髌?5)、第二直流開關(guān)單元(6)與城軌牽引供電系統(tǒng)的直流電網(wǎng)相連，所述大功率電子開關(guān)器件(7)串聯(lián)連接于二極管整流器(3)的直流側(cè)出口的正負(fù)極和第一直流開關(guān)單元(4)之間，所述開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路(8)的輸出端與大功率電子開關(guān)器件(7)的控制端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有環(huán)流消除功能的城軌中壓型能饋供電裝置，其特征在于:所述變壓器(2)包括一個(gè)初級(jí)線圈和至少兩個(gè)次級(jí)線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有環(huán)流消除功能的城軌中壓型能饋供電裝置，其特征在于:所述二極管整流器(3)為24脈波整流器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的具有環(huán)流消除功能的城軌中壓型能饋供電裝置，其特征在于:所述大功率電子開關(guān)器件(7)為集成門極換流晶閘管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有環(huán)流消除功能的城軌中壓型能饋供電裝置，其特征在于:所述開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路(8)包括電源模塊(81)、邏輯控制器(82)、開通維持模塊(83)、關(guān)斷模塊(84)、檢測保護(hù)模塊(85)、發(fā)送模塊(86)、接收模塊(87)和狀態(tài)顯示模塊(88)，所述電源模塊(81)的輸出端分別與邏輯控制器(82)、開通維持模塊(83)、關(guān)斷模塊(84)相連，所述邏輯控制器(82)的輸出端分別與開通維持模塊(83)、關(guān)斷模塊(84)、發(fā)送模塊(86)、狀態(tài)顯示模塊(88)相連，所述邏輯控制器(82)的輸入端分別與檢測保護(hù)模塊(85)、接收模塊(87)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有環(huán)流消除功能的城軌中壓型能饋供電裝置，其特征在于:所述邏輯控制器(82)為可編程邏輯控制芯片F(xiàn)PGA，所述發(fā)送模塊(86)為光纖發(fā)送模塊，所述接收模塊(87)為光纖接收模塊。
【文檔編號(hào)】B60M3/00GK204172712SQ201420627871
【公開日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】張鐵軍, 賀文, 陳廣贊, 陳雪, 陳文光, 張瑜, 尹維恒, 袁超, 潘小雷, 易韻嵐, 彭秋波 申請(qǐng)人:株洲時(shí)代裝備技術(shù)有限責(zé)任公司