三相转二相的平衡电铁牵引供电系统技术方案

本申请披露了如何利用变压器将平衡三相电变换为二相电的装置，以及二相电牵引供电网中二相电的功率平衡器装置。有了这些装置就可以将现有电气化铁路中的三相供电进化为二相平衡供电。二相平衡供电中只有一个变量，所以比现有的二个变量系统容易控制调整；此外，二相电系统同一牵引区紧邻的两旁必定为同相，而现有三相牵引系统紧邻的两旁牵引区必定为异相，所以本发明专利技术系统的应急转换供电也比较方便，转换功能优越得多；所需平衡器装置的功率容量很小，制造难度和成本都不高。

【技术实现步骤摘要】
专利
本专利技术属于电
中的电能传输技术，具体地说，涉及电气化铁路的平衡牵引供电系统。
技术介绍
电气化是铁路牵引供能的重要手段。电气化铁路主要由交流大电网供电，但目前的大电网是三相体制，要求三相平衡供电，即三相电流相等。如不能平衡，则会在电网系统内产生负序电流，在电机内引起逆序磁场，使电网内发电机和电动机转子发热，影响电机的正常运行。而牵引网和集电弓很难将三相电同时引入列车，只能采用单相牵引网的形式向列车输送电能，且列车的用电随机性强、单车耗电量巨大，很容易产生三相电不平衡。因此为了满足电网对三相电严苛的平衡要求，只能由不同相位的交流电分区向牵引网局部供电。所以，即使设置了隔离供电区间的分相区以均匀三相负荷，也还需要时刻关注三个相电流的动态平衡，可见，保持三相平衡确实是一个在经济上和技术上很难逾越的核心问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过电制变换将三相电转变为二相电，再由二相电建立牵引供电网，向列车供电，因为二相电之间的平衡毕竟比三相电容易得多。本专利技术的由三相电网供电的电气化铁路牵引馈电网系统，其特征是，系统中有一个或一组3相变2相的变压器T(1)；整个牵引供电网中只有二种相电压；系统中还有功率补偿电子平衡器(2)。将平衡三相电转换为平衡二相电，引入电气化铁路牵引网后，只要以一个相电压为基准，对另一个相电压作跟踪调整，就很容易实现二相平衡。此外，在二相电牵引网中，每个牵引区相邻区为同相区，转换调整很方便，这是现有的三相牵引网所无法达到的。附图说明图1、传统的基本型3相变1相变流器线路图。图2、三相向量电压分解示意图。图3、向量合成变压器T3和T4绕线方向简图。图4、本专利技术的采用四变压器的3相变2相原理线路图。图5、合成变压器T3和T4集成为T34的结构图。图6、本专利技术的采用三变压器的3相变2相原理线路图。图7、旋转磁场变压器的3相变2相原理简图。图8、本专利技术的采用旋转磁场的单变压器3相变2相原理简图。图9、本专利技术的采用外源型平衡器的3相变2相系统简要结构图。图10、虚拟六相整流器的原理说明图。图11、本专利技术的采用内源型平衡器的3相变2相系统简要结构图。图12、本专利技术的内源型功率补偿电子平衡器线路图。图13、本专利技术的功率补偿外源型虚拟六相整流电子平衡器线路图。具体实施方式众所周知，电气化是铁路牵引供能的重要手段。电气化铁路主要由交流大电网来供电，但目前的大电网是三相体制，要求三相负荷平衡，即三相电流的大小和相位相同，否则会在电网中产生负序电流和逆序磁场，影响电网内发电机和电动机的正常运行。而牵引网和集电弓很难将三相电引入列车，只能采用单相牵引网的形式向列车输送电能，且列车的用电量巨大、用能的随机性很强，很容易引起系统内三相电不平衡。因此，为了满足电网对三相电严苛的平衡要求，只能由不同相位的三相交流电分区向牵引网局部供电，但是，即使采取分相区均衡供电的措施，依然无法保证供电区域内随机的列车驱动负荷达到动态平衡，必须要时时刻刻对三相负荷作动态调节。要得到三相电的平衡供电，也就是说三个相电流非但要在数值上相等，而且三个相电流要按序保持120°的相位差。如果以一个相电流为基准，系统内必然存在二个变量，对这二个变量进行控制调节，才有可能达到三相电的平衡供电，其难度是很大的。如果将该三相电通过特殊变压器变换成一个二相电系统，以二相电代替现有系统中的三相电供列车牵引驱动，那么，仍旧以二相系统中的一个相电流作为参考基准，只要对另一相的相电流作控制调节，系统的平衡供电就很容易得到保证，其难度将大为降低，设备费用将成倍减少。依此思路解决三相电的平衡供电，实际上变为解决二相电的平衡供电，以及如何实现3相变2相的经济合理的电制转换问题。当然，最简单的传统方法是将三相电通过电子变流器变换为单相电的同相牵引，该方案还可能取消换相区，所以是一项有重大意义的改革。但是，适合电化铁路的、处理变相的特大功率电力电子变流器将采用系统内全功率变流，制造难度大、价格高，又成为解决平衡问题的重大障碍。而退而求次，牵引网以二相电系统代替原有的三相电系统，解决平衡问题就容易得多，而变流器的大功率将为平衡器的很小功率所取代，制造容易、成本低，不失为一项经济适用的解决方案。图1为传统的基本型3相变1相电子变流器线路。DC/AC逆变器有电压源逆变器和电流源逆变器之分，前者的效率较高、电压稳定性较好，后者的限流特性好、安全性高。图1a)为DC/AC电压源逆变器，直流回路中有并联电容器C。图1b)为DC/AC电流源逆变器，直流回路中串联有电感L。整流器和逆变器采用双向型，既可以将三相交流功率整流成直流电，当列车再生制动时，列车的动能转变为电能，由变流器将电能回馈到三相电网中。他们也可以以四象限运行，以满足负载对电网功率因数的要求，也就是说，整流器和逆变器采用全控型器件的线路结构，可以相互转换。本专利技术的将3相电变为2相电的转换设备，主要由变压器组或变压器，以及电力电子平衡器两大部件组成。要实现三相电向二相电的转变，其原理可从三相电压向量分解中理解。图2为三相向量电压分解示意图。本方案沿袭了对三个线电压分别处理的思路。假定仍保留a相的Ua不变，则可先将Ub分解为Ubd和Ubq、Uc分解为Ucd和Ucq。与a相相平行的同相电压分量Ud和相垂直的异相电压分量Uq，可以通过向量叠加，分别在两个合成变压器T3和T4中形成。图3为向量合成变压器T3和T4绕线方向简图。结合图2的向量图和图3的变压器绕线图，可以分析出：在变压器T3中，b相进线方向与c相进线方向一致。由于直接通过电压分量的叠加，Ucd和Ubd同向相加，电压加倍，得到Ud，Ud＝2Ucd＝2Ubd，而Ucq和Ubq反向抵消。所以只剩下电压Ud，由Ud驱动的磁流，同样会在T3次级产生与Ud相同相位的感应电压，Ud与Ua幅值相同而方向相反，倒向后则可直接加入Ua。在变压器T4中，b相进线方向与c相进线方向相反，Ucq和Ubq变成同向相加，电压加倍，得到Uq，Uq＝2Ucq＝2Ubq，而Ucd和Ubd则反向相减而抵消，所以只剩下电压Uq。由Uq驱动的磁流，同样会在T4次级产生与Ua垂直相位的感应电压Uq。为此，就可以通过合适控制，将一个平衡的三相功率，改变为平衡二相输出，进入只有Ua和Uq两种电压的铁路牵引网。本专利技术的采用变压器分相的第一种方法，就是根据图2中向量分解的原理，通过多台变压器，将平衡三相电变换为平衡二相电。图4为采用四变压器的3相变2相原理线路图。四变压器的3相变2相原理线路的技术特征是，将三相电压分解和合成，其中的1相电压直送合成变压器T2的初级绕组，其余2相在变压器T3和T4中合成；合成变压器T3的次级绕组接合成变压器T2的第二个初级绕组，T2次级绕组则输出Ud相电压；合成变压器T4的次级绕组则输出Uq相电压；Ud相电压和Uq相电压接到由分相区隔离的电气化铁路牵引网中。为进一步隔离的需要，或为调节电压的需要，，Uq也可经隔离变压器T1输出到牵引网。在上例中的合成变压器方案中，也可以采用三角形接法的三相线电压输入的结构，因为目前接触牵引网都采用线电压输入的结构，具体向量分析和接法与上例相似，叙述从略。进一步改进可以发现，上例中的合成变压器T3和T4，可以集成为一个共同磁路的合成变压器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电气化铁路牵引馈电系统，其特征是，系统中有一个或一组3相变2相的变压器T(1)；整个牵引供电网中只有二种相电压；系统中还有功率补偿电子平衡器(2)。

【技术特征摘要】
1.一种电气化铁路牵引馈电系统，其特征是，系统中有一个或一组3相变2相的变压器T(1)；整个牵引供电网中只有二种相电压；系统中还有功率补偿电子平衡器(2)。2.根据权利要求1所述的电气化铁路牵引馈电系统，其特征是，将三相电压分解和合成，其中的1相电压直送合成变压器T2的初级绕组，其余2相在变压器T3和T4中合成；合成变压器T3的次级绕组接合成变压器T2的第二个初级绕组，T2次级绕组则输出Ud相电压；合成变压器T4的次级绕组则输出Uq相电压；Ud相电压和Uq相电压接到由分相区隔离的电气化铁路牵引网中。3.根据权利要求2所述的电气化铁路牵引馈电系统，其特征是，合成变压器T3和合成变压器T4集成在合成变压器T34中。4.根据权利要求2或权利要求3所述的电气化铁路牵引馈电系统，其特征是，合成变压器T3和T4或T34采用相电压分相或线电压分相的不同结构。5.根据权利要求1所述的电气化铁路牵引馈电系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：於岳亮，於菲，瑞秋，
申请(专利权)人：上海稳得新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31