CN100528626C - 一种轨道交通车辆的再生制动能量逆变装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道交通车辆的再生制动能量逆变装置，包括微电脑控制单元，逆变桥，斩波器和电压传感器；当所述电压传感器采集到的压差升高至满足设定电压条件时，微电脑控制单元发送指令让所述斩波器和逆变桥投入使用，电能从直流网络上回馈到交流电网侧，被交流电网所利用。还包括第一直流电流传感器，用于检测机车供电直流母线上通过的电流；第二直流电流传感器，用于检测直流母线上回馈给逆变装置能量的电流。其无谐波污染，设备成本低，可靠性高。

Description

一种轨道交通车辆的再生制动能量逆变装置

技术领域

本发明涉及驱动控制技术领域，特别是涉及一种轨道交通车辆的再生制动能量逆变装置。

背景技术

随着国民经济的蓬勃发展，城市人口流动密度也迅速的增加，对城市交通的压力也愈来愈大，所以发展城市轨道交通的要求就更加必要。

现有的环境条件下，在发展轨道交通过程中，一般地，都要求降低能耗，节约能源，走可持续发展的道路，所以，如何研发经济环保型的城市轨道交通产品，是迫切需要解决的问题。

目前，城市轨道交通车辆主要是直流斩波调速车辆和交流变频调速车辆两种。

这两种车辆在运行的制动过程中，都会把能量反馈到直流电网中。如果此时直流电网中有电动工况的列车，则反馈的电能可以被消耗掉。但是当再生电能不能或者不能完全被其它以电动工况运行的列车吸收时，则会造成直流母线上电压升高，影响整个系统的正常运行。

为了解决这一问题，现有技术采用的方法是靠电阻吸收耗能方法，其主要原理是通过检测电压及电流的外特性，及时触发绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)开关元件切入电阻能耗，使得直流母线上的电压不会升高，不至于影响整个系统的正常运行。

但是，这种方法存在的缺陷是，其让很多的电能白白浪费，而且其会造成工作环境的温度升高，影响设备的正常运行。因此，人们一直考虑开发新的车辆再生能量装置，克服现有技术的缺陷。

现有的再生制动能量逆变装置有两种：

一种是直接采用可控硅(SCR)逆变桥将直流侧多余能量逆变回交流中网侧。但是，此种方法存在的问题是，在逆变过程中由于逆变角需随机调整，其逆变可靠性存在隐患，其稳定性能不佳。

另一种方法是直接采用IGBT组件逆变。但是，这种方法所采用的设备成本很高，不适用于商业中的实际应用。

同时，这两种方法都会产生很高的谐波含量，会影响到整个系统的正常运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轨道交通车辆的再生制动能量逆变装置。其无谐波污染，设备成本低，可靠性高。

为实现本发明目的而提供的一种轨道交通车辆的再生制动能量逆变装置，包括微电脑控制单元，逆变桥，斩波器和电压传感器；

所述微电脑控制单元连接到电压传感器，逆变桥和斩波器；

所述电压传感器测得网压的电压压差传送到所述微电脑控制单元中；

当所述电压传感器采集到的压差升高至满足设定电压条件时，微电脑控制单元发送指令让所述斩波器和逆变桥投入使用，电能从直流网络上回馈到交流电网侧，被交流电网所利用。

所述的再生制动能量逆变装置，还可以包括第一直流电流传感器，用于检测机车供电直流母线上通过的电流；第二直流电流传感器，用于检测直流母线上回馈给逆变装置能量的电流；

所述第一直流电流传感器一端串联到交流电网，另一端串联到所述第二直流电流传感器；所述第二直流电流传感器的另一端串联到斩波器；

所述微电脑控制单元连接到所述第一直流电流传感器和所述第二直流电流传感器，并从所述第一直流电流传感器和第二直流电流传感器采集电流数据。

所述微电脑控制单元根据所述直流电压传感器的测量值控制所述逆变装置是否投入使用；所述电流传感器根据能量的流向以及反馈能量的大小，辅助判断关断逆变装置的时间。

所述微电脑控制单元通过检测所述电压传感器、第一电流传感器和第二电流传感器的测量值，实时监控能量的流向，准确判断出逆变设备关断的时间。

所述的再生制动能量逆变装置，还可以包括两个整流电源；

所述两个整流电源为轨道交通车辆中两组并联的整流电源，两组电源两端分别与轨道交通车辆中的交流供电电源，以及车辆电网中的交流电源串联。

所述逆变桥为逆变角固定的三相可控硅逆变桥。

在所述逆变角固定的三相可控硅逆变桥后增加自耦变压器，对逆变回馈到交流电网的电能滤波。

所述斩波器为直流斩波器。

所述的微电脑控制单元为具有独立的中央处理器的可编程的单片机或者数字信号处理器。

所述设定电压条件为轨道交通车辆工作额定电压的120％。

所述直流斩波器的功率部件为绝缘栅双极型晶体管。

本发明的有益效果是：本发明的轨道交通车辆的再生制动能量逆变装置，能够吸收城轨交通直流电网上的再生制动能量时可以实现逆变交流电无谐波污染，设备成本低，SCR逆变回路逆变角恒定不变，可靠性高。

附图说明

图1为本发明车辆再生能量逆变装置电路图；

图2为本发明车辆再生能量逆变装置中微处理器控制整个电路工作过程流程图；

图3为图2中中断处理过程流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明的一种轨道交通车辆的再生制动能量逆变装置进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的轨道交通车辆的再生制动能量逆变装置，通过直流斩波器13和逆变角固定的三相可控硅(SCR)逆变桥12将直流电逆变成交流电，回馈到交流电网，实现再生制动能量逆变。

如图1所示，本发明的轨道交通车辆的再生制动能量逆变装置，设置在车辆电网系统和交流供电电源的回路中间，包括两个整流电源15，16，微电脑控制单元11，逆变角固定的三相可控硅(SCR)逆变桥12，直流斩波器13，以及电压传感器14。

其中：

所述两个整流电源15，16为轨道交通车辆中两组并联的整流电源，使轨道交通车辆正常工作，两组电源两端分别与轨道交通车辆中的交流供电电源，如中压三相交流电源，以及车辆电网中的交流电源(DC)串联。

电压传感器U_DC14分别连接到两组并联的整流电源15，16，在轨道交通车辆运行过程中测得轨道交通车辆电源的电压压差。

微电脑控制单元11连接到电压传感器U_DC14，逆变角固定的三相可控硅逆变桥12和直流斩波器13。

本发明通过电压传感器U_DC14可以测得网压的电压压差并通过总线传送到微电脑控制单元11中，微电脑控制单元11从电压传感器14采集电压数据。

当城轨交通站场的车辆制动产生的电能无法被其它用电设备消耗时，就会造成直流网络上的网压升高，当电压传感器14采集到的压差升高至满足设定电压条件时，微电脑控制单元11发送指令让直流斩波器13投入使用，同时，逆变角固定的三相可控硅(SCR)逆变桥TC1 12投入使用，此时，电能从直流网络上通过逆变装置回馈到交流电网侧，可以被交流电网所利用。

较佳地，本发明的轨道交通车辆的再生制动能量逆变装置，还包括直流电流传感器I_DC117，用于检测机车供电直流母线上通过的电流；直流电流传感器I_DC218，用于检测直流母线上回馈给逆变装置能量的电流。

直流电流传感器I_DC117一端串联到交流电网，另一端串联到直流电流传感器I_DC218；直流电流传感器I_DC218的另一端串联到斩波器13。

微电脑控制单元11连接到直流电流传感器I_DC117和直流电流传感器I_DC218，并从直流电流传感器I_DC117和直流电流传感器I_DC218采集电流数据。

在逆变过程中，微电脑控制单元11通过检测电压传感器14、直流电流传感器I_DC117和直流电流传感器I_DC218的测量值，可以实时监控能量的流向，同时，准确判断出逆变设备关断的时间，保障设备的正常工作。

微电脑控制单元11根据直流电压传感器14的测量值控制逆变装置是否投入使用，电流传感器根据电能能量的流向以及反馈能量的大小，可以辅助判断逆变装置的关断时间。

这样，既保证了直流网络上的设备的正常运行，又让再生能量得到了重新应用。

更佳地，在所述逆变角固定的三相可控硅(SCR)逆变桥12后增加自耦变压器19，对逆变回馈到交流电网的电能滤波，以保证逆变回馈的可靠运行，并保证在整流电源可靠关断后再进行逆变。

下面根据图1所示的车辆再生能量逆变装置电路结构示意图，进一步详细说明本发明的车辆再生能量逆变装置，其中：

GDK1为整个城轨电源系统供电主开关，系统工作过程中，该开关始终处于闭合状态；

1JC、2JC为城轨电源系统中两组并联的整流电源15，16的主电路进线开关，系统处于运行状态时，这两个开关均处于闭合状态；

3JC为城轨再生能量逆变装置能量回馈到交流侧的开关，该开关在回馈系统运行条件满足情况下闭合；

DK3为斩波器13和逆变桥12间的直流开关，该开关在回馈系统运行条件满足情况下闭合；

1ZC为回馈系统直流主开关，该开关状态由图1控制流程图中程序决定；

2ZK为城轨电源系统直流供电开关，系统正常工作过程中，该开关始终处于闭合状态；

U_DC为直流电压传感器14，检测直流母线上的电压；

I_DC1为直流电流传感器，检测机车供电直流母线上通过的电流；

I_DC2为直流电流传感器，检测直流母线上回馈给逆变装置能量的电流。

其中，开关GDK1、1JC、2JC、2ZK为现有车辆制动系统中现有的电路装置，而其它部件是为实现本发明目的而新增加的。

本发明的车辆再生能量逆变装置，在车辆系统正常工作状态时，开关GDK1、1JC、2JC、2ZK为闭合状态，其它处于断开状态；当为直流电压传感器U_DC14测得直流网压压差升高到设定值时，开关3JC、DK3、1ZC闭合，其它开关维持原来状态。

这样，当城轨交通站场的车辆制动产生的电能无法被其它用电设备消耗时，就会造成直流网络上的网压升高，当电压传感器14采集到的压差升高至满足设定电压条件时，微电脑控制单元11发送指令让直流斩波器13投入使用，同时，三相可控硅(SCR)逆变桥TC1 12投入使用。此时，电能从直流网络上通过逆变装置回馈到交流电网侧，可以被交流电网所利用。

所述设定电压条件的具体电压可根据实际工况在程序中进行修改，较佳地，为轨道交通车辆工作额定电压的120％。

较佳地，所述的微电脑控制单元11为具有独立的中央处理器(CPU)的可编程的单片机或者数字信号处理器(DSP)。

所述直流斩波器13的功率部件为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，具体型号要根据现场实际工作电压、电流选择。在简单应用时，可以为一直流接触器。

较佳地，所述绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为德国Eupec FF800R17KF6CB2 IGBT部件，其较为典型的工作情况为：工作电流：800A，耐压1700V。

其载波频率高、动态响应快，所以再生逆变系统可以快速高效，这样直流电网牵引车辆可以顺利进行再生制动，做到节能、环保。

逆变桥12由逆变角固定的三相可控硅逆变桥构成，设备成本低，稳定性强，谐波含量低。其中的可控硅器件可以是西门康、东芝等公司的现有产品。

结合图1，如图2所示，下面详细说明本发明的车辆再生能量逆变装置中微电脑控制单元11工作过程：

步骤S1，用户输入操作信号，启动微电脑控制单元11，进行初始化；

步骤S2，微电脑控制单元11打开车辆再生能量逆变装置的控制中断处理子程序，初始化参数；

如图3所示，其具体包括如下步骤：

步骤S21，微电脑控制单元11读取中断响应端口；

中断响应端口为中央处理器根据设定的端口例程，从设定的地址读取相应的处理程序到内存中进行处理的程序，一般的单片机或者数字信号处理器(DSP)在从厂商出厂时就已经设置好，如何读取中断响应端口可以根据厂商的对单片机或者数字信号处理器的说明书，或者根据本领域的公知常识便可以得知，因此，本发明中不再一一详细描述。

步骤S22，通过数/模转换器(A/D)设定将读取电流、电压及温度的模拟数据转换为可被计算机处理的数据(数字数据)；

所述的数模转换器(A/D)是本领域常用的一种模拟信号/数字信号转换元器件。

步骤S23，初始化并分配相应的存储器的存储单元用于存储相应数字数据，并初始化设定数据压栈方式；

步骤S24，读取中断端口，返回中断处理数据。

所述压栈方式可以是先进先出(FIFO)等方式。

步骤S3，根据直流电压传感器U_DC14检测直流母线上的电压数值，读取车辆再生能量的工作指令，确定逆变装置是否开始工作，如果否，则断开主回路自检并显示，返回重新读取工作指令；否则继续下一步骤；

所述工作指令可以是读取设备投入运行的直流电压设定值。

步骤S4，微电脑控制单元11控制主开关3JC、DK3、1ZC闭合，逆变装置开始工作，并取电压、电流信号进行分析，控制逆变过程；

步骤S5，微电脑控制单元11判断系统是否正常工作，如果否，则显示故障，并强制装置停止工作；否则，根据电压、电流信号分析结果，判断是否有停止逆变装置工作的工作指令，如果有，则断开主回路自检并显示，返回步骤S2重新读取工作指令；否则，继续下一步骤；

步骤S6，维持逆变装置工作，读取控制参数；

所述控制参数包括设定电压值、电压、电流、温度值等模拟量信号，各开关的状态等数字量信号。

步骤S7，判断是否吸收车辆的制动能量，如果否，则显示待命信号，转到步骤S10，否则，进入下一步骤；

步骤S8，显示吸收工作信号，并根据实际直流电网电压与设定电压的差值，计算出斩波器应该变换的电压比，从而确定斩波器的PWM控制信号。

步骤S9，输出主绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和逆变桥12控制信号；

输出主绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和逆变桥控制信号是为了让斩波器和逆变桥投入工作。

步骤S10，逆变装置对主绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和逆变桥12控制信号数据进行处理，确定车辆的运行工况，返回步骤S2重新读取工作指令。

车辆运行工况指车辆是处于制动或电动状态。

通过结合附图对本发明具体实施例的描述，本发明的其它方面及特征对本领域的技术人员而言是显而易见的。

本发明的轨道交通车辆再生制动能量逆变装置，与现有技术相比，可靠性高，成本低，回馈到交流电网无谐波污染，非常适合城轨交通车辆运营的实际情况。

以上对本发明的具体实施例进行了描述和说明，这些实施例应被认为其只是示例性的，并不用于对本发明进行限制，本发明应根据所附的权利要求进行解释。

Claims (11)

1、一种轨道交通车辆的再生制动能量逆变装置，其特征在于，包括微电脑控制单元，逆变桥，斩波器，电压传感器，第一直流电流传感器和第二直流电流传感器；

所述微电脑控制单元连接到电压传感器，逆变桥和斩波器；

所述电压传感器测得网压的电压压差传送到所述微电脑控制单元中；

当所述电压传感器采集到的压差升高至满足设定电压条件时，微电脑控制单元发送指令让所述斩波器和逆变桥投入使用，电能从直流网络上回馈到交流电网侧，被交流电网所利用；

所述第一直流电流传感器一端串联到交流电网，另一端串联到所述第二直流电流传感器，用于检测机车供电直流母线上通过的电流；所述第二直流电流传感器的另一端串联到斩波器，用于检测直流母线上回馈给逆变装置能量的电流；

所述微电脑控制单元连接到所述第一直流电流传感器和所述第二直流电流传感器，并从所述第一直流电流传感器和第二直流电流传感器采集电流数据。

2、根据权利要求1所述的再生制动能量逆变装置，其特征在于，所述微电脑控制单元根据所述电压传感器的测量值控制所述逆变装置是否投入使用；所述第一电流传感器和第二电流传感器根据能量的流向以及反馈能量的大小，辅助判断关断逆变装置的时间。

3、根据权利要求1所述的再生制动能量逆变装置，其特征在于，所述微电脑控制单元通过检测所述电压传感器、第一电流传感器和第二电流传感器的测量值，实时监控能量的流向，准确判断出逆变设备关断的时间。

4、根据权利要求1至3任一项所述的再生制动能量逆变装置，其特征于，还包括两个整流电源；

所述两个整流电源为轨道交通车辆中两组并联的整流电源，两组电源两端分别与轨道交通车辆中的交流供电电源，以及车辆电网中的交流电源串联。

5、根据权利要求4所述的再生制动能量逆变装置，其特征在于，所述逆变桥为逆变角固定的三相可控硅逆变桥。

6、根据权利要求5所述的再生制动能量逆变装置，其特征在于，在所述逆变角固定的三相可控硅逆变桥后增加自耦变压器，对逆变回馈到交流电网的电能滤波。

7、根据权利要求4所述的再生制动能量逆变装置，其特征在于，所述斩波器为直流斩波器。

8、根据权利要求7所述的再生制动能量逆变装置，其特征在于，所述直流斩波器为直流接触器。

9、根据权利要求1至3任一项所述的再生制动能量逆变装置，其特征在于，所述的微电脑控制单元为具有独立的中央处理器的可编程的单片机或者数字信号处理器。

10、根据权利要求1所述的再生制动能量逆变装置，其特征在于，所述设定电压条件为轨道交通车辆工作额定电压的120％。

11、根据权利要求7所述的再生制动能量逆变装置，其特征在于，所述直流斩波器的功率部件为绝缘栅双极型晶体管。