基于spwm技術的電氣化鐵路牽引變電所用電源的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于SPWM技術的電氣化鐵路牽引變電所用電源，其包括電源母線；電源母線通過第一開關連接牽引變壓器的原邊輸入端，牽引變壓器的副邊輸出端通過第二開關與第三開關的一端連接，第三開關的另一端與多繞組連接變壓器的原邊輸入端連接；牽引變壓器將27.5kV母線電壓降低為10kV電壓，多繞組連接變壓器將所述10kV電壓降壓變換后在多繞組連接變壓器的副邊輸出端得到三相電壓，三相電壓中的每相電壓均與電能質量調節電路連接，通過電能質量調節電路消除諧波并得到所需的10kV電壓；電能質量調節電路通過第四開關與負載連接。本實用新型結構緊湊，采用牽引變壓器低壓測27.5kV作為電力配變電所供電電源，降低諧波干擾，安裝方便，改造簡單，滿足電能質量要求。
【專利說明】基于SPWM技術的電氣化鐵路牽弓I變電所用電源

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種電源，尤其是一種基于SPWM技術的電氣化鐵路牽引變電所用電源，屬于電力設備設計制造的【技術領域】。

【背景技術】
[0002]隨著我國鐵路建設的發展，一大批高標準線路在西部山區開始建設，這些線路往往橋隧比例高、地形條件差，沿線人口稀少，所在區域的35kV、10kV電源十分薄弱，無法滿足鐵路電力變配電所用電需求。為解決電源薄弱地段鐵路電力變配電所供電電源，需對電力系統進行大規模的配套建設，工程投資巨大。
[0003]由于目前新建的山區鐵路坡度大、牽引質量重，因此牽引負載很大，為滿足牽引負載需要，牽引變電所基本推薦采用系統能力強的220kV甚至330kV電源進線供電。經調查220kV/10.5kV或220kV/35kV的電力變壓器容量一般在16000kVA以上，而山區電氣化鐵路電力變配電所的需求負載容量小(基本僅200(T6000kVA)，高電壓等級小容量的電力變壓器制造困難，目前尚無變壓器廠家生產；同時如采用共用高壓側電源，則電力配變電所與牽引變電所兩者合建構成的綜合變電所，場坪面積增加較多，在山區鐵路中，工程實施難度很大、工程量巨大、投資很大，技術經濟綜合指標不劃算。
[0004]現有技術從牽引變壓器低壓側27.5kV取電，通過變壓器降至三相1kV作為所用電。但由于27.5kV側電源因受到鐵路影響，存在諧波、電壓波動大等現象，導致1kV側電能質量無法滿足要求。


【發明內容】

[0005]本實用新型的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種基于SPWM技術的電氣化鐵路牽引變電所用電源，其結構緊湊，采用牽引變壓器低壓測27.5kV作為電力配變電所供電電源，降低諧波干擾，安裝方便，改造簡單，滿足電能質量要求。
[0006]按照本實用新型提供的技術方案，所述基于SPWM技術的電氣化鐵路牽引變電所用電源，包括27.5kV的電源母線；所述電源母線通過第一開關連接牽引變壓器的原邊輸入端，牽引變壓器的副邊輸出端通過第二開關與第三開關的一端連接，第三開關的另一端與多繞組連接變壓器的原邊輸入端連接；牽引變壓器將27.5kV母線電壓降低為1kV電壓，多繞組連接變壓器將所述1kV電壓降壓變換后在多繞組連接變壓器的副邊輸出端得到三相電壓，三相電壓中的每相電壓均與電能質量調節電路連接，通過電能質量調節電路消除諧波并得到所需的1kV電壓；電能質量調節電路通過第四開關與負載連接，以提供負載所需的1kV工作電源。
[0007]所述第三開關的兩端并聯有啟動裝置。
[0008]所述牽引變壓器的副邊輸出端與電源旁路連接，電源旁路一端與牽引變壓器的副邊輸出端連接，另一端與第四開關與負載相連的一端連接；所述電源旁路包括第五開關以及并聯在所述第五開關兩端的高速晶閘管。
[0009]所述電能質量調節電路依次串接第一電流互感器、連接電抗器、連接電容器以及第二電流互感器后與第四開關的一端連接，第四開關的另一端能與負載連接。
[0010]所述多繞組連接變壓器的副邊輸出端得到的三相電壓包括變壓器低壓側A相電壓、變壓器低壓側B相電壓以及變壓器低壓側C相電壓；所述電能質量調節電路包括十二個采用串聯鏈式結構的功率模塊；變壓器低壓側A相電壓、變壓器低壓側B相電壓以及變壓器低壓側C相電壓均與十二個功率模塊的輸入端連接，每個功率模塊對輸入的電壓進行整流、逆變；十二個功率模塊逆變串接后得到所需的1kV電壓。
[0011]所述功率模塊包括整流電路以及與所述整流電路連接的逆變電路；所述整流電路包括第一二極管、第二二極管、第三二極管及第四二極管；第一二極管的陰極端與第二二極管的陰極端連接，第一二極管的陽極端與第三二極管的陰極端連接，第三二極管的陽極端與第四二極管的陽極端連接，第四二極管的陰極端與第二二極管的陽極端連接，第四二極管的陽極端通過第一電容與第二二極管的陰極端連接；
[0012]所述逆變電路包括第一 IGBT管、第二 IGBT管、第三IGBT管以及第四IGBT管；第一 IGBT管的發射極端與第三IGBT管的集電極端連接，第一 IGBT管的集電極端與第二 IGBT管的集電極端連接，且第一 IGBT管的集電極端、第二 IGBT管的集電極端均與第二二極管的陰極端連接；第三IGBT管的發射極端與第四IGBT管的發射極端連接，且第三IGBT管的發射極端與第三二極管的陽極端以及第四二極管的陽極端連接，第四IGBT管的集電極端與第二 IGBT管的發射極端連接；
[0013]第一 IGBT管的門極端、第二 IGBT管的門極端、第三IGBT管的門極端以及第四IGBT管的門極端均與驅動板的輸出端連接，所述驅動板輸出的SPWM信號驅動第一 IGBT管、第二 IGBT管、第三IGBT及第四IGBT的導通狀態，以輸出所需的電壓。
[0014]所述第一 IGBT管的集電極端與第三IGBT管的發射極端通過第二電容連接，第二IGBT管的集電極端與第四IGBT管管的發射極端通過第三電容連接；驅動板的電源端與第一電源及第二電源連接，第一電源及第二電源與電源變壓器的副邊輸出端連接，電源變壓器的原邊輸入端與第一輸入連接端、第二輸入連接端連接，第一輸入連接端與第一二極管的陽極端連接，第二輸入連接端與第四二極管的陰極端連接。
[0015]所述十二個功率模塊中，相鄰功率模塊間輸出電壓相位差30度。
[0016]本實用新型的優點:從27.5kV的電源母線上取電，解決特定環境下供電難的問題，牽引變壓器對27.5kV的電壓降壓，牽引變壓器的副邊輸出端通過多繞組連接變壓器將單相電壓變換得到三相電壓，三相電壓中每相電壓均通過電能質量調節電路整流、逆變等變換處理，以確保對負載供電的穩定性；旁路電源能確保對負載供電的持續性，，降低諧波干擾，安裝方便，改造簡單，滿足電能質量要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型的使用狀態圖。
[0018]圖2為本實用新型多繞組連接變壓器的副邊輸出端與電能質量調節電路的連接示意圖。
[0019]圖3為本實用新型功率模塊的結構示意圖。
[0020]附圖標記說明:1-電源母線、2-牽引變壓器、3-啟動裝置、4-多繞組連接變壓器、5-電能質量調節電路、6-第一電流互感器、7-連接電抗器、8-連接電容器、9-第二電流互感器、10-電源變壓器、11-第一電源、11-第二電源及13-驅動板。

【具體實施方式】
[0021]下面結合具體附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
[0022]如圖1所示:為了能夠利用27.5kV的電源實現對電氣化鐵路牽引變電所用電要求，提高對負載供電質量，本實用新型包括27.5kV的電源母線I ;所述電源母線I通過第一開關SI連接牽引變壓器2的原邊輸入端，牽引變壓器2的副邊輸出端通過第二開關S2與第三開關S3的一端連接，第三開關S3的另一端與多繞組連接變壓器4的原邊輸入端連接；牽引變壓器2將27.5kV母線電壓降低為1kV電壓，多繞組連接變壓器4將所述1kV電壓降壓變換后在多繞組連接變壓器4的副邊輸出端得到三相電壓，三相電壓中的每相電壓均與電能質量調節電路5連接，通過電能質量調節電路5消除諧波并得到所需的1kV電壓；電能質量調節電路5通過第四開關S4與負載連接，以提供負載所需的1kV工作電源。
[0023]具體地，牽引變壓器2用于將電源母線I上27.5kV的高壓降低為1kV的低壓，第一開關SI用于控制牽引變壓器2的原邊輸入端與電源母線I的連接。多繞組連接變壓器4將1kV的電壓轉換為三相電壓，同時對1kV的電壓進行降壓，以供電能質量調節電路5進行電能的調節處理。電能質量調節電路5將低壓進行調節消除濾波后升壓得到1kV的電壓，以提供1kV負載的工作使用要求。
[0024]所述第三開關S3的兩端并聯有啟動裝置3。本實用新型實施例中，啟動裝置3可以采用啟動電阻，在工作時，電流通過啟動裝置3減小并網時的沖擊，當第三開關S3閉合后，將啟動裝置3短路，不會影響整個電路的工作要求。
[0025]所述牽引變壓器2的副邊輸出端與電源旁路連接，電源旁路一端與牽引變壓器2的副邊輸出端連接，另一端與第四開關S4與負載相連的一端連接；所述電源旁路包括第五開關S5以及并聯在所述第五開關S5兩端的高速晶閘管HSS。本實用新型實施例中，在多繞組連接變壓器4所在的支路故障時，通過電源旁路能為負載進行持續供電，確保負載工作的穩定性以及持續性。
[0026]所述電能質量調節電路5依次串接第一電流互感器6、連接電抗器7、連接電容器8以及第二電流互感器9后與第四開關S4的一端連接，第四開關S4的另一端能與負載連接。本實用新型實施例中，通過第一電流互感器6、第二電流互感器9能夠測量電流，并對整個支路進行保護。連接電抗器7具有緩沖作用，連接電容器8采用三角形接法。
[0027]如圖2所示:所述多繞組連接變壓器4的副邊輸出端得到的三相電壓包括變壓器低壓側A相電壓、變壓器低壓側B相電壓以及變壓器低壓側C相電壓；所述電能質量調節電路5包括十二個采用串聯鏈式結構的功率模塊；變壓器低壓側A相電壓、變壓器低壓側B相電壓以及變壓器低壓側C相電壓均與十二個功率模塊的輸入端連接，每個功率模塊對輸入的電壓進行整流、逆變；十二個功率模塊逆變串接后得到所需的1kV電壓。
[0028]所述十二個功率模塊中，相鄰功率模塊間輸出電壓相位差30度。多繞組連接變壓器4將1kV的電壓降低到690V，即變壓器低壓側A相電壓、變壓器低壓側B相電壓以及變壓器低壓側C相電壓均為690V ;由于變壓器低壓側A相電壓、變壓器低壓側B相電壓以及變壓器低壓側C相電壓均連接十二個功率模塊，十二個功率模塊對690V電壓進行整流、逆變再串接后，分別輸出1kV的三相電壓。圖2中，與變壓器低壓側A相電壓連接的功率模塊分別為ΑΓΑ12 ;與變壓器低壓側B相電壓連接的功率模塊分別為ΒΓΒ12，與變壓器低壓側C相連接的功率模塊分別為CfC12。圖2中示出了功率模塊與第一電流互感器6、第二電流互感器9以及連接電容器8的配合示意圖。
[0029]如圖3所示:所述功率模塊包括整流電路以及與所述整流電路連接的逆變電路；所述整流電路包括第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3及第四二極管D4 ;第一二極管Dl的陰極端與第二二極管D2的陰極端連接，第一二極管Dl的陽極端與第三二極管D3的陰極端連接，第三二極管D3的陽極端與第四二極管D4的陽極端連接，第四二極管D4的陰極端與第二二極管D2的陽極端連接，第四二極管D4的陽極端通過第一電容Cl與第二二極管D2的陰極端連接；
[0030]所述逆變電路包括第一 IGBT管IGBT1、第二 IGBT管IGBT2、第三IGBT管IGBT3以及第四IGBT管IGBT4 ;第一 IGBT管IGBTl的發射極端與第三IGBT管IGBT3的集電極端連接，第一 IGBT管IGBTl的集電極端與第二 IGBT管IGBT2的集電極端連接，且第一 IGBT管IGBTl的集電極端、第二 IGBT管IGBT2的集電極端均與第二二極管D2的陰極端連接；第三IGBT管IGBT3的發射極端與第四IGBT管IGBT4的發射極端連接，且第三IGBT管IGBT3的發射極端與第三二極管D3的陽極端以及第四二極管D4的陽極端連接，第四IGBT管IGBT4的集電極端與第二 IGBT管IGBT2的發射極端連接；
[0031]第一 IGBT管IGBTl的門極端、第二 IGBT管IGBT2的門極端、第三IGBT管IGBT4的門極端以及第四IGBT管IGBT4的門極端均與驅動板13的輸出端連接，所述驅動板13輸出的 SPWM信號驅動第一 IGBT 管 IGBTl、第二 IGBT 管 IGBT2、第三 IGBTIGBT3 及第四 IGBTIGBT4的導通狀態，以輸出所需的電壓。
[0032]所述第一 IGBT管IGBTl的集電極端與第三IGBT管IGBT3的發射極端通過第二電容C2連接，第二 IGBT管IGBT2的集電極端與第四IGBT管IGBT4管的發射極端通過第三電容C3連接；驅動板13的電源端與第一電源11及第二電源12連接，第一電源11及第二電源12與電源變壓器10的副邊輸出端連接，電源變壓器10的原邊輸入端與第一輸入連接端、第二輸入連接端連接，第一輸入連接端與第一二極管Dl的陽極端連接，第二輸入連接端與第四二極管D4的陰極端連接。第一 IGBT管IGBTl的發射極端與第三IGBT管IGBT3的集電極端連接后作為第一輸出端，第二 IGBT管IGBT2的發射極端與第四IGBT管IGBT4的集電極端連接后作為第二輸出端，第一輸出端、第二輸出端間的電壓作為功率模塊間的輸出端電壓值。十二個功率模塊串接的電壓作為整個電能質量調節電路5的輸出電壓。
[0033]本實用新型實施例中，外部的互補SPWM信號送入驅動板13，互補的SPWM信號驅動能力有限，不足以直接驅動IGBT工作。當SPWM信號為高電平時，驅動板13根據SPWM的上升沿，進行設定延時(死區時間)，然后輸出帶有死區時間，電壓為+15V的驅動信號以驅動IGBT導通。當SPWM信號為低電平時，驅動板13輸出電壓為-1OV的驅動信號以驅動IGBT關斷。由于，驅動信號帶有死區時間，就保證了同一橋臂的兩個IGBT不會同時導通，防止了短路的發生。
[0034]第一輸入連接端通過第一熔斷器Fl與第一二極管Dl的陽極端以及第三二極管D3的陰極端連接，第二輸入連接端直接與第二二極管D2的陽極端以及第四二極管D4的陰極端連接，第一輸入連接端與第二輸入連接端間的電壓為690V。電源變壓器10的副邊輸出端通過第二熔斷器F2與第一電源11連接，電源變壓器10的副邊輸出端通過第三熔斷器F3與第二電源12連接,第一電源11的第一輸出端與第五二極管D5的陽極端連接,第五二極管D5的陰極端與驅動板13的第一電源端連接，第一電源11的第二輸出端直接與驅動板13的第二電源端連接。第二電源12的第一輸出端與第六二極管D6的陽極端連接，第六二極管D6的陰極端與驅動板13的第一電源端連接，第二電源11的第二輸出端直接與驅動板13的第二電源端連接。本實用新型實施例中，第一電源11與第二電源12互為驅動板13的備用電源，即第一電源11工作時，第二電源12為第一電源11的備用電源，第二電源12工作時，第一電源11為第二電源12的備用電源，以確保對驅動板13供電的穩定性以及可靠性。
[0035]工作時，先閉合第一開關SI，使得牽引變壓器2的原邊輸入端與電源母線I連接，以在牽引變壓器2的副邊輸出端得到1kV的電壓。此后，閉合電源旁路的第五開關S5，牽引變壓器2的副邊輸出端通過電源旁路對負載進行供電，由電源旁路對負載供電的電源質量較差，諧波大，電壓波動大，難以滿足負載的工作要求。第五開關S5閉合到設定時間后，閉合第二開關S2以及第四開關S4，多繞組連接變壓器4所在的支路中，通過啟動裝置3減小并網的沖擊，通過第一電流互感器6、第二電流互感器9進行檢測保護。當通過第一電流互感器6、第二電流互感器9檢測多繞組連接變壓器4所在支路能滿足供電要求時，斷開第五開關S5以及閉合開關S3，即將整個供電支路由電源旁路切換到多繞組連接變壓器4所在的支路。多繞組連接變壓器4將1kV的電壓變換得到三相電壓，每相電壓通過電能質量調節電路5去除諧波，并保證電壓的穩定性。
[0036]本實用新型從27.5kV的電源母線I上取電，解決特定環境下供電難的問題，牽引變壓器2對27.5kV的電壓降壓，牽引變壓器2的副邊輸出端通過多繞組連接變壓器4將單相電壓變換得到三相電壓，三相電壓中每相電壓均通過電能質量調節電路5整流、逆變等變換處理，以確保對負載供電的穩定性；旁路電源能確保對負載供電的持續性，降低諧波干擾，安裝方便，改造簡單，滿足電能質量要求。
【權利要求】
1.一種基于SPWM技術的電氣化鐵路牽引變電所用電源，包括27.5kV的電源母線(I);其特征是:所述電源母線(I)通過第一開關(SI)連接牽引變壓器(2)的原邊輸入端，牽引變壓器(2)的副邊輸出端通過第二開關(S2)與第三開關(S3)的一端連接，第三開關(S3)的另一端與多繞組連接變壓器(4)的原邊輸入端連接；牽引變壓器(2)將27.5kV母線電壓降低為1kV電壓，多繞組連接變壓器(4)將所述1kV電壓降壓變換后在多繞組連接變壓器(4)的副邊輸出端得到三相電壓，三相電壓中的每相電壓均與電能質量調節電路(5)連接，通過電能質量調節電路(5)消除諧波并得到所需的1kV電壓；電能質量調節電路(5)通過第四開關(S4)與負載連接，以提供負載所需的1kV工作電源。
2.根據權利要求1所述的基于SPWM技術的電氣化鐵路牽引變電所用電源，其特征是:所述第三開關(S3)的兩端并聯有啟動裝置(3)。
3.根據權利要求1所述的基于SPWM技術的電氣化鐵路牽引變電所用電源，其特征是:所述牽引變壓器(2)的副邊輸出端與電源旁路連接，電源旁路一端與牽引變壓器(2)的副邊輸出端連接，另一端與第四開關(S4)與負載相連的一端連接；所述電源旁路包括第五開關(S5)以及并聯在所述第五開關(S5)兩端的高速晶閘管(HSS)。
4.根據權利要求1所述的基于SPWM技術的電氣化鐵路牽引變電所用電源，其特征是:所述電能質量調節電路(5)依次串接第一電流互感器(6)、連接電抗器(7)、連接電容器(8)以及第二電流互感器(9)后與第四開關(S4)的一端連接，第四開關(S4)的另一端能與負載連接。
5.根據權利要求1所述的基于SPWM技術的電氣化鐵路牽引變電所用電源，其特征是:所述多繞組連接變壓器(4)的副邊輸出端得到的三相電壓包括變壓器低壓側A相電壓、變壓器低壓側B相電壓以及變壓器低壓側C相電壓；所述電能質量調節電路(5)包括十二個采用串聯鏈式結構的功率模塊；變壓器低壓側A相電壓、變壓器低壓側B相電壓以及變壓器低壓側C相電壓均與十二個功率模塊的輸入端連接，每個功率模塊對輸入的電壓進行整流、逆變；十二個功率模塊逆變串接后得到所需的1kV電壓。
6.根據權利要求5所述的基于SPWM技術的電氣化鐵路牽引變電所用電源，其特征是:所述功率模塊包括整流電路以及與所述整流電路連接的逆變電路；所述整流電路包括第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)及第四二極管(D4);第一二極管(Dl)的陰極端與第二二極管(D2)的陰極端連接，第一二極管(Dl)的陽極端與第三二極管(D3)的陰極端連接，第三二極管(D3)的陽極端與第四二極管(D4)的陽極端連接，第四二極管(D4)的陰極端與第二二極管(D2)的陽極端連接，第四二極管(D4)的陽極端通過第一電容(Cl)與第二二極管(D2)的陰極端連接； 所述逆變電路包括第一 IGBT管(IGBT1)、第二 IGBT管(IGBT2)、第三IGBT管(IGBT3)以及第四IGBT管(IGBT4);第一 IGBT管(IGBTl)的發射極端與第三IGBT管(IGBT3)的集電極端連接，第一 IGBT管(IGBTl)的集電極端與第二 IGBT管(IGBT2)的集電極端連接，且第一 IGBT管(IGBTl)的集電極端、第二 IGBT管(IGBT2)的集電極端均與第二二極管(D2)的陰極端連接；第三IGBT管(IGBT3)的發射極端與第四IGBT管(IGBT4)的發射極端連接，且第三IGBT管(IGBT3)的發射極端與第三二極管(D3)的陽極端以及第四二極管(D4)的陽極端連接，第四IGBT管(IGBT4)的集電極端與第二 IGBT管(IGBT2)的發射極端連接； 第一 IGBT管(IGBTl)的門極端、第二 IGBT管(IGBT2)的門極端、第三IGBT管(IGBT4)的門極端以及第四IGBT管(IGBT4)的門極端均與驅動板(13)的輸出端連接，所述驅動板(13)輸出的 SPWM 信號驅動第一 IGBT 管(IGBT1)、第二 IGBT 管(IGBT2)、第三 IGBT (IGBT3)及第四IGBT (IGBT4)的導通狀態，以輸出所需的電壓。
7.根據權利要求6所述的基于SPWM技術的電氣化鐵路牽引變電所用電源，其特征是:所述第一 IGBT管(IGBTl)的集電極端與第三IGBT管(IGBT3)的發射極端通過第二電容(C2)連接，第二 IGBT管(IGBT2)的集電極端與第四IGBT管(IGBT4)管的發射極端通過第三電容(C3)連接；驅動板(13)的電源端與第一電源(11)及第二電源(12)連接，第一電源(11)及第二電源(12)與電源變壓器(10)的副邊輸出端連接，電源變壓器(10)的原邊輸入端與第一輸入連接端、第二輸入連接端連接，第一輸入連接端與第一二極管(Dl)的陽極端連接，第二輸入連接端與第四二極管(D4)的陰極端連接。
8.根據權利要求5所述的基于SPWM技術的電氣化鐵路牽引變電所用電源，其特征是:所述十二個功率模塊中，相鄰功率模塊間輸出電壓相位差30度。
【文檔編號】H02J3/00GK203942277SQ201420324034
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年6月17日 優先權日:2014年6月17日
【發明者】姚一峰, 陳剛, 王建, 曹峰, 王思文, 王淳, 薛冠軍, 張小輝 申請人:日新電機（無錫）有限公司, 中鐵二院工程集團有限責任公司