一種城軌輔助變流器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種城軌輔助變流器，包括主電路和控制電路，主電路包括支撐電容和三相逆變電路，其中，支撐電容并聯在主電路兩端，用于對輸入的外部直流電壓進行濾波處理；三相逆變電路連接至支撐電容，外部直流電壓經過三相逆變電路轉變為三相交流電壓；控制電路包括門極驅動板和控制板，控制板與門級驅動板相連，控制板通過門極驅動板向三相逆變電路輸出開通或關斷控制信號，控制三相逆變電路輸出交流電壓。本實用新型解決了現有的輔助變流器模塊因集成元件較多而造成結構復雜，體積和重量較大，維修和替換困難的技術問題。
【專利說明】
一種城軌輔助變流器
技術領域
[0001] 本實用新型涉及交通領域，特別地，涉及一種城軌輔助變流器。
【背景技術】
[0002] 隨著城市軌道交通的快速發展，輔助變流器作為地鐵城軌車輛輔助系統的供電來 源，對其的要求也越來越高。現有的輔助變流器模塊工作原理為:主電路包括支撐電容和逆 變單元，輸入的直流電壓，經過中間支撐電容進行濾波處理，減小電壓的紋波系數，并二次 吸收電壓中的高次諧波，同時可起儲能作用，減小電壓波動對后級電路的影響，再經過逆變 單元將直流電壓轉變為交流電壓。逆變單元包括功率開關器件，通過驅動板向逆變單元的 功率開關器件的門極和發射極之間輸出開通或關斷控制信號，控制逆變單元輸出交流電 壓。但由于輔助變流器模塊集成了 IGBT元件、散熱器、門極驅動板，輸入、輸出端子，濾波電 容，吸收電容等于一個箱體中，其結構復雜，體積和重量較大，維修和替換困難;針對地鐵城 軌車輛用輔助變流器結構復雜，體積和重量較大，維修和替換困難的問題，現有技術中尚未 有有效的解決方案。 【實用新型內容】
[0003] 有鑒于此，本實用新型的目的是針對現有地鐵城軌車輛用輔助變流器模塊的缺 點，提出一種相對結構簡單、體積和重量較小的城軌輔助變流器，簡化了電路設計，提高了 易用性與易維護性。
[0004] 基于上述目的，本實用新型提供的技術方案如下：
[0005] 根據本實用新型的一方面，提供了一種城軌輔助變流器，包括主電路和控制電路， 其中：
[0006] 主電路包括支撐電容和三相逆變電路，其中，支撐電容并聯在主電路兩端，用于對 輸入的外部直流電壓進行濾波處理;三相逆變電路連接至支撐電容，外部直流電壓經過三 相逆變電路轉變為三相交流電壓；
[0007] 控制電路包括門極驅動板和控制板，控制板與門極驅動板相連，控制板通過門極 驅動板向三相逆變電路輸出開通或關斷控制信號，控制三相逆變電路輸出交流電壓。
[0008] 其中，主電路與控制電路采用鈑金結構組裝；主電路的支撐電容和三相逆變電路 使用低感母排進行連接。
[0009] 并且，支撐電容用于對輸入的外部直流電壓進行濾波處理，為支撐電容通過控制 系統的中間電壓和三相逆變電路關斷時的浪涌尖峰電壓對外部直流電壓進行濾波處理。 [0010]同時，三相逆變電路為包括功率開關器件的電壓型三相橋式逆變電路，控制板通 過門極驅動板向三相逆變電路輸出開通或關斷控制信號，為控制板通過門極驅動板向電壓 型三相橋式逆變電路的功率開關器件的門極和發射極之間輸出開通或關斷控制信號。 [0011] 并且，主電路還包括電流傳感器與溫度繼電器;控制板通過門極驅動板向電壓型 三相橋式逆變電路的功率開關器件的門極和發射極之間輸出開通或關斷控制信號，為控制 板向門極驅動板輸出三相SPWM波，門極驅動板經過信號處理向電壓型三相橋式逆變電路的 功率開關器件的門極和發射極之間輸出方波脈沖形式的開通或關斷控制信號;溫度繼電器 采集散熱器上的溫度信號并輸出至門極驅動板，電流傳感器采集三相逆變電路輸出端的電 流信號并輸出至門極驅動板，控制板從門極驅動板獲取溫度和電流故障信息，控制板向門 極驅動板輸出功率開關器件開通或封鎖脈沖控制信號，通過驅動脈沖控制信號的傳輸或停 止傳輸脈沖控制信號來控制功率開關器件的開通或關斷。
[0012] 同時，電壓型三相橋式逆變電路包括六個橋臂、兩個電容與三個配電阻，其中，每 個橋臂包括一個IGBT與一個反饋二極管，IGBT與反饋二極管在橋臂中反向并聯，IGBT的門 極所在端為橋臂的正端;兩個電容串聯成電容組，電容組并聯在電源兩端，六個橋臂中第 一、第三、第五橋臂的正端連接至電源正端，六個橋臂中第二、第四、第六橋臂的負端連接至 電源負端;三個配電阻的一端短路相連，三個配電阻中第一配電阻的另一端連接至六個橋 臂中第一橋臂的正端與第四橋臂的負端;三個配電阻中第二配電阻的另一端連接至六個橋 臂中第二橋臂的正端與第五橋臂的負端;三個配電阻中第三配電阻的另一端連接至六個橋 臂中第三橋臂的正端與第六橋臂的負端。
[0013] 從上面所述可以看出，本實用新型提供的技術方案通過采用鈑金式結構連接主電 路和控制電路，降低了輔助變流器的體積和重量，并使整體結構布局更加優化，便于應用和 維護;主電路采用疊層式低感母排連接支撐電容和IGBT元件，減小了模塊整體的雜散電感， 也簡化了電路設計。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本實用新型中城軌輔助變流器的原理框圖；
[0015] 圖2為本實用新型中城軌輔助變流器的門級驅動板的連接關系圖；
[0016] 圖3為本實用新型中城軌輔助變流器的三相逆變電路的電路圖；
[0017] 圖4為本實用新型中城軌輔助變流器結構的主視圖；
[0018] 圖5為本實用新型中城軌輔助變流器結構的俯視圖。
【具體實施方式】
[0019] 為了引用和清楚可見，將下文中使用的技術名詞、簡寫或縮寫記載如下：
[0020] IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣概雙極性晶體管的簡稱；
[0021] SPWM:Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脈沖寬度調制的簡稱；
[0022] CPLD:Complex Programmable Logic Device，復雜可編程邏輯器件的簡稱。
[0023] 為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并 參照附圖，對本實用新型進一步詳細說明。需要說明的是，本實用新型實施例中所有使用 "第一"和"第二"的表述均是為了區分兩個相同名稱非相同的實體或者非相同的參量，可見 "第一" "第二"僅為了表述的方便，不應理解為對本實用新型實施例的限定，后續實施例對 此不再一一說明。
[0024] 根據本實用新型的一方面，提供了一種城軌輔助變流器，包括主電路和控制電路。 [0025]如圖1所示，根據本實用新型提供的城軌輔助變流器中，主電路包括支撐電容和三 相逆變電路，其中，支撐電容并聯在主電路兩端，用于對輸入的外部直流電壓進行濾波處 理;三相逆變電路連接至支撐電容，外部直流電壓經過三相逆變電路轉變為三相交流電壓；
[0026] 控制電路包括門極驅動板和控制板，控制板與門極驅動板相連，控制板通過門極 驅動板向三相逆變電路輸出開通或關斷控制信號，控制三相逆變電路輸出交流電壓。
[0027] 其中，主電路與控制電路采用鈑金結構組裝;主電路的支撐電容和三相逆變電路 使用低感母排進行連接。
[0028] 并且，支撐電容用于對輸入的外部直流電壓進行濾波處理，為支撐電容通過控制 系統的中間電壓和三相逆變電路關斷時的浪涌尖峰電壓對外部直流電壓進行濾波處理。 [0029]同時，三相逆變電路為包括功率開關器件的電壓型三相橋式逆變電路，控制板通 過門極驅動板向三相逆變電路輸出開通或關斷控制信號，為控制板通過門極驅動板向電壓 型三相橋式逆變電路的功率開關器件的門極和發射極之間輸出開通或關斷控制信號。
[0030] 并且，主電路還包括電流傳感器與溫度繼電器;控制板通過門極驅動板向電壓型 三相橋式逆變電路的功率開關器件的門極和發射極之間輸出開通或關斷控制信號，為控制 板向門極驅動板輸出三相SPWM波，門極驅動板經過信號處理向電壓型三相橋式逆變電路的 功率開關器件的門極和發射極之間輸出方波脈沖形式的開通或關斷控制信號;溫度繼電器 采集散熱器上的溫度信號并輸出至門極驅動板，電流傳感器采集三相逆變電路輸出端的電 流信號并輸出至門極驅動板，控制板從門極驅動板獲取溫度和電流故障信息，控制板向門 極驅動板輸出功率開關器件開通或封鎖脈沖控制信號，通過驅動脈沖控制信號的傳輸或停 止傳輸脈沖控制信號來控制功率開關器件的開通或關斷。
[0031] 同時，電壓型三相橋式逆變電路包括六個橋臂、兩個電容與三個配電阻，其中，每 個橋臂包括一個IGBT與一個反饋二極管，IGBT與反饋二極管在橋臂中反向并聯，IGBT的門 極所在端為橋臂的正端;兩個電容串聯成電容組，電容組并聯在電源兩端，六個橋臂中第 一、第三、第五橋臂的正端連接至電源正端，六個橋臂中第二、第四、第六橋臂的負端連接至 電源負端;三個配電阻的一端短路相連，三個配電阻中第一配電阻的另一端連接至六個橋 臂中第一橋臂的正端與第四橋臂的負端;三個配電阻中第二配電阻的另一端連接至六個橋 臂中第二橋臂的正端與第五橋臂的負端;三個配電阻中第三配電阻的另一端連接至六個橋 臂中第三橋臂的正端與第六橋臂的負端。
[0032]如圖2所示，本實用新型采用了直-交系統，直流輸入電壓通過三相逆變電路轉變 為三相交流。在整個主電路通過疊層的復合母排相連，并通過支撐電容來控制系統的中間 電壓和IGBT關斷時的浪涌尖峰電壓;再由模塊中的門極驅動系統及外部主控制系統來控 制IGBT的通斷，來實現整個變流器模塊的變壓變頻。門極驅動系統通過接收主電路系統中 的電流傳感器和溫度繼電器發出的信號實現系統的保護功能，具有自診斷功能，各種故障 狀態可以通過LED燈的組合進行顯示，例如IGBT過流、短路保護，散熱器過熱保護。
[0033] 如圖3所示，本變流器模塊主電路采用的是電壓型逆變電路，主要有以下特點：
[0034] (1)直流側為電壓源，或并聯有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直 流回路呈現低阻抗。
[0035] (2)由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗 角無關。而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。
[0036] (3)當交流側位阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作 用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各橋臂都是內部封裝了反饋 二極管的IGBT組成。
[0037]采用IGBT作為開關器件的電壓型三相橋式逆變電路如圖3所示。它有三個橋臂，每 個橋臂由一個可控器件和一個反并聯二極管組成，其基本工作方式是180°導電方式，即每 個橋臂的導電角度為180°，同一相（即同一半橋)上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角 度依次相差120°。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通，可能是上面一個臂下面兩個 臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導通。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂 之間進行的，因此也被稱為縱向換流。
[0038]上橋臂1中的h從通態轉到斷態時，因負載中的電流不能突變，下橋臂4中的VD4先 導通續流，待負載電流降到零，橋臂4中電流反向時，V4才開始導通。負載阻抗角穿越大，VD4 導通的時間越長。iu的上升段即為橋臂1導電的區段，其中i u〈〇時為VDi導通，iu>0時為 通;iu的下降段即為橋臂4導電的區段，其中i u>0時為VD4導通，iu〈0時為V4導通。
[0039] iv、iw的波形和iu波形相同，相位依次相差120°。把橋臂1、3、5的電流加起來，就可 達到直流側電流id的波形，id每隔60°脈動一次，而直流側電壓是基本無脈動的，因此逆變器 從交流側向直流側傳送的功率是脈動的，且脈動的情況和id脈動情況大體相同。這也是電 壓型逆變路電路的一個特點。
[0040] 而三相橋式逆變電路中其IGBT的導通順序為如下表所示，而6個IGBT的導通順序 SVrVrVrVrVs, ·相位依次差60° ;共陰極組V!、V3、V5的脈沖依次差120°，共陽極組V2、V4、 V6也依次相差120°，同一相的上下兩個橋臂，即Vl與V4，V3與V6，V5與V2脈沖相差180°。
[0041]
[0042]從表中，可以看出每個周期中的每個時段都有三個IGBT導通，并且每個時段的導 通的IGBT都不同。并且考慮到在變頻調速過程中，輸出的電壓的幅值和頻率都要有所改變。 因此，IGBT在通斷過程中也必須考慮到這些因素。因此提供給IGBT的方波信號的準確性成 為控制逆變電路逆變是否成功的關鍵。
[0043]而IGBT的脈沖是由門極驅動系統提供的，驅動板在獲得± 15V，±5V工作電壓和由 主控制系統提供的SPWM波后，將三相SPWM波轉換為+15V，-10V的六路方波脈沖。并同時監測 脈沖的SPWM波的脈寬，輸入的+5V電壓的幅值，驅動器2SC0435T的故障信號和輸出端電流傳 感器上的信號，當監測到這些信號出現異常時，CPLD將封鎖脈沖。并將故障信號和過載信號 送給控制系統。此外，驅動系統還會將溫度繼電器采集到的溫度信號送給控制系統。
[0044] 如圖4、5所示，此模塊采用鈑金式結構，布局合理緊湊，在體積方面大大小于同類 模塊，為柜體布置而大大節省了空間。
[0045] 從上面所述可以看出，本實用新型提供的技術方案通過采用鈑金式結構連接主電 路和控制電路，降低了輔助變流器的體積和重量，并使整體結構布局更加優化，便于應用和 維護;主電路采用疊層式低感母排連接支撐電容和IGBT元件，減小了模塊整體的雜散電感， 也簡化了電路設計。獨特板金式結構設計減輕重量25%、體積縮小30% ;模塊結構設計更簡 潔，布局更加優化，空間利用率高，重要部件布置在同一平面上，便于組裝和集中布線；可 用性高，模塊采用人性化的設計理念，易于運用維護；散熱器由插片散熱器為型材散熱器， 不僅降低了成本，也降低了散熱器的熱阻值，使整個模塊的溫升有了一定程度的下降。
[0046] 所屬領域的普通技術人員應當理解：以上任何實施例的討論僅為示例性的，并非 旨在暗示本公開的范圍（包括權利要求)被限于這些例子;在本實用新型的思路下，以上實 施例或者不同實施例中的技術特征之間也可以進行組合，并存在如上所述的本實用新型的 不同方面的許多其它變化，為了簡明它們沒有在細節中提供。因此，凡在本實用新型的精神 和原則之內，所做的任何省略、修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍 之內。
【主權項】
1. 一種城軌輔助變流器，其特征在于，包括主電路和控制電路，其中： 所述主電路包括支撐電容和三相逆變電路，其中，所述支撐電容并聯在主電路兩端，用 于對輸入的外部直流電壓進行濾波處理;所述三相逆變電路連接至所述支撐電容，所述外 部直流電壓經過所述三相逆變電路轉變為三相交流電壓； 所述控制電路包括門極驅動板和控制板，所述控制板與所述門極驅動板相連，所述控 制板通過所述門極驅動板向所述三相逆變電路輸出開通或關斷控制信號，控制所述三相逆 變電路輸出交流電壓。2. 根據權利要求1所述的變流器，其特征在于，所述主電路與控制電路采用鈑金結構組 裝;所述主電路的支撐電容和三相逆變電路使用低感母排進行連接。3. 根據權利要求2所述的變流器，其特征在于，所述支撐電容用于對輸入的外部直流電 壓進行濾波處理，為所述支撐電容通過控制系統的中間電壓和三相逆變電路關斷時的浪涌 尖峰電壓對外部直流電壓進行濾波處理。4. 根據權利要求2所述的變流器，其特征在于，所述三相逆變電路為包括功率開關器件 的電壓型三相橋式逆變電路，所述控制板通過所述門極驅動板向所述三相逆變電路輸出開 通或關斷控制信號，為所述控制板通過所述門極驅動板向所述電壓型三相橋式逆變電路的 功率開關器件的門極和發射極之間輸出開通或關斷控制信號。5. 根據權利要求4所述的變流器，其特征在于，所述主電路還包括電流傳感器與溫度繼 電器;所述控制板通過所述門極驅動板向所述電壓型三相橋式逆變電路的功率開關器件的 門極和發射極之間輸出開通或關斷控制信號，為所述控制板向所述門極驅動板輸出三相 SPWM波，所述門極驅動板經過信號處理向所述電壓型三相橋式逆變電路的功率開關器件的 門極和發射極之間輸出方波脈沖形式的開通或關斷控制信號;所述溫度繼電器采集散熱器 上的溫度信號并輸出至所述門極驅動板，所述電流傳感器采集所述三相逆變電路輸出端的 電流信號并輸出至所述門極驅動板，所述控制板從所述門極驅動板獲取溫度和電流故障信 息，所述控制板向所述門極驅動板輸出功率開關器件開通或封鎖脈沖控制信號，通過驅動 脈沖控制信號的傳輸或停止傳輸脈沖控制信號來控制所述功率開關器件的開通或關斷。6. 根據權利要求4所述的變流器，其特征在于，所述電壓型三相橋式逆變電路包括六個 橋臂、兩個電容與三個配電阻，其中，每個所述橋臂包括一個IGBT與一個反饋二極管，所述 IGBT與所述反饋二極管在所述橋臂中反向并聯，所述IGBT的門極所在端為所述橋臂的正 端;所述兩個電容串聯成電容組，所述電容組并聯在電源兩端，所述六個橋臂中第一、第三、 第五橋臂的正端連接至電源正端，所述六個橋臂中第二、第四、第六橋臂的負端連接至電源 負端;所述三個配電阻的一端短路相連，所述三個配電阻中第一配電阻的另一端連接至所 述六個橋臂中第一橋臂的正端與第四橋臂的負端;所述三個配電阻中第二配電阻的另一端 連接至所述六個橋臂中第二橋臂的正端與第五橋臂的負端;所述三個配電阻中第三配電阻 的另一端連接至所述六個橋臂中第三橋臂的正端與第六橋臂的負端。
【文檔編號】H02M7/00GK205622525SQ201620420981
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年5月10日
【發明人】李詩逸, 黃長強, 李超
【申請人】中車株洲電力機車研究所有限公司