用于牵引传动系统的多功能变压器技术方案

本发明专利技术公开了一种用于牵引传动系统的多功能变压器，包括：高压级组件，接入到牵引网中；所述高压级组件采用n级相同的桥式功率子模块级联而成；隔离级组件，包括一个以上的高频调制电路和一个以上的高频变压器，高频调制电路将高压级组件变换过来的直流电压调制成高频方波电压，再由高频变压器耦合到次边的两个绕组，送给输出级组件；输出级组件，包括高频H桥整流电路，将通过高频变压器耦合过来的高频方波还原成高品质的直流电压输出，给牵引逆变器、辅助逆变器提供能量。本发明专利技术能够减轻列车重量、缩小列车体积、提高车辆运行性能和铁路运力、提高电网电能质量和电能利用率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及到机车牵引
，特指一种适用于电力机车，动车组等牵引传动系统的多功能变压器。
技术介绍
在电力机车，动车组等牵引传动系统中，牵引主变压器为单原边多副边的单相工频变压器。主变压器的体积和重量庞大，对机车特别是动车组的空间利用和高速运行有一定的影响。同时，列车在制动时，将会产生大量的制动能量，如果制动能量得不到有效利用，不仅会使牵引网能量利用率低，而且制动能量会使牵引网电压异常升高，导致设备损坏。列车过分相时，需要断电，依靠列车惯性度过无电区。到达有电区后，再重新合闸。这样，列车就会有速度损失。如图1所示，传统电力机车的工频变压器将25kV的交流电压降到牵引电机及其它车载电器工作所适合的电压等级，其中主变压器的副边绕组给四象限整流装置供电，辅助绕组给辅变电源供电。四象限整流装置将工频交流电压转换成直流电压，然后再将直流电提供给牵引逆变器驱动牵引电机。由于现代列车正朝着多动力单元列车方向发展，牵引设备已不再集中安装在机车上，而是分散安装在列车的车厢里。这样，主变压器，四象限整流装置的体积和重量的大小对机车的设计有很大的影响。为了提高列车的功率和速度，提高增加载客量，减小牵引设备的体积和重量就成了设计人员需要考虑的主要目标； 主变压器的体积和重量的大小对机车的设计有很大的影响，特别是在动力分散的高速动车组中，由于要求的牵引功率和回馈的制动功率大，重量将直接影响列车的提速；同时由于分散动力的牵引设备不再集中安装在机车上，而是分散安装在列车的车厢里，体积庞大将增加列车的设计难度，减小载客量。同时，列车的制动能量不能有效的利用降低了牵引网电能的效率。列车过分相时，列车也存在速度损失。因此，在提高牵引网电能利用率和列车速度的基础上，减小主变压器的重量和体积已经成为设计人员的主要目标。由上可知，既有的工频牵引变压器具有简单、可靠性高，价格低廉等优点。但是它也有如下一些明显的缺点: (1)体积和重量大，影响列车的载客量和高速性能，特别是在动力分散的动车组上，安装空间的限制使得变压器体积和重量的影响尤为突出； (2)工频变压器的输出电压会随着负载的变化而变化，输出电压的跌落会给传动控制带来难度； (3)工频变压器在过分相时，需要断电，牵引变流器停止运行；即，现代列车过分相时，需要断电，依靠列车惯性度过无电区。到达有电区后，再重新合闸。这样，列车就会有速度损失; (4)工频变压器需用冷却油，容易给环境造成污染。(5)列车在制动时，将会产生很大的回馈能量，如果制动能量得不到有效利用，不仅会使牵弓I网能量利用率低，而且制动能量会使牵弓I网电压异常升高，导致设备损坏。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种能够减轻列车重量、缩小列车体积、提高车辆运行性能和铁路运力、提高电网电能质量和电能利用率，减轻控制系统负担的用于牵引传动系统的多功能变压器。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案: 一种用于牵引传动系统的多功能变压器，包括: 高压级组件，接入到牵引网中；所述高压级组件采用η级相同的桥式功率子模块级联而成； 隔离级组件，包括一个以上的高频调制电路和一个以上的高频变压器，高频调制电路将高压级组件变换过来的直流电压调制成高频方波电压，再由高频变压器耦合到次边的两个绕组，送给输出级组件； 输出级组件，包括高频H桥整流电路，将通过高频变压器耦合过来的高频方波还原成高品质的直流电压输出，给牵引逆变器、辅助逆变器提供能量。作为本专利技术的进一步改进:所述高压级组件通过连接电抗L接入到交流电压25kV的铁路牵弓I网中，所述桥式功率子模块采用H桥模块，每个所述H桥模块并联着相同容量的电容，所述H桥模块将自身承受的交流电压变换成电容两端的直流电压。作为本专利技术的进一步改进:所述高频调制电路采用H桥全桥结构，用来隔离变压器高低电位。作为本专利技术的进一步改进:每个所述高频变压器采用次边双绕组模式，每个绕组对应一组高频H桥整流电路；然后，将每个高频变压器次边第一个绕组对应的高频H桥整流输出并联在一起，构成第一个牵引逆变器的输入；每个所述高频变压器次边第二个绕组对应的高频H桥整流输出并联在一起，构成第二个牵引逆变器的输入。通过电路拓扑的巧妙设计，使高压级组件上的子模块输出功率保持平衡，降低控制系统对级联子模块电压平衡控制的难度，减轻控制系统负担。作为本专利技术的进一步改进:所述输出级组件还连接有超级电容储能单元，当电机制动时所述超级电容储能单元吸收牵引逆变器反馈的能量；当输出级欠压或者失压时，所述超级电容储能单元短时间给牵引逆变器和辅助变流器提供能量。作为本专利技术的进一步改进:所述超级电容储能单元包括一个双向DC-DC变换器、一个滤波电感L和超级电容单元，通过双向DC-DC变换器与输出级组件的正极“ + ”和负极 相连。作为本专利技术的进一步改进:所述双向DC-DC变换器为IGBT半桥结构。与现有技术相比，本专利技术的优点在于: (I)本专利技术的用于牵引传动系统的多功能变压器，基于电子电力变压器技术，大大减小了牵引设备的体积和重量，提高了列车的运力和牵引网的能量利用率，实现了牵引网侧的电能质量控制和能量的双向流动。(2)本专利技术的用于牵引传动系统的多功能变压器，能够吸收列车的制动能量，减小列车过分相的速度损失，提高了列车的运力和牵引网的能量利用率。( 3 )本专利技术不仅能实现牵弓I电力电子变压器的牵弓I，电能质量控制等常规功能，还能够仅仅通过电路拓扑的方式实现功率自平衡，能量回馈及无需减速过分相等功能。【附图说明】图1是传统牵引变流器供电原理示意图。图2是本专利技术在具体应用实例中的原理示意图。图3是本实施例中H桥功率模块(SM)的原理示意图。图4是本实施例中超级电容储能单元的原理示意图。【具体实施方式】以下将结合说明书附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术的用于牵引传动系统的多功能变压器，是基于电子电力变压器技术；如图2所示，以变压器带两个牵引电机的具体应用为例，该变压器包括: 高压级组件，通过连接电抗L接入到交流电压25kV的铁路牵引网中，采用η级相同的桥式功率子模块(SMl-SMn，Submodule)级联而成，其功率子模块SM的电路图如图3所示；每个H桥并联着相同容量的电容(Cl-Cm)，电容有储能和滤波的作用。H桥模块将自身承受的交流电压变换成电容两端的直流电压。H桥级联拓扑不仅能够提升装置的电压等级，弥补单个功率当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于牵引传动系统的多功能变压器，其特征在于，包括：高压级组件，接入到牵引网中；所述高压级组件采用n级相同的桥式功率子模块级联而成；隔离级组件，包括一个以上的高频调制电路和一个以上的高频变压器，高频调制电路将高压级组件变换过来的直流电压调制成高频方波电压，再由高频变压器耦合到次边的两个绕组，送给输出级组件；输出级组件，包括高频H桥整流电路，将通过高频变压器耦合过来的高频方波还原成高品质的直流电压输出，给牵引逆变器、辅助逆变器提供能量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：冯江华，张志学，刘华东，郑泽东，尚敬，王奎，张定华，许浩，陈志博，严伟光，
申请(专利权)人：南车株洲电力机车研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43