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CN107696873B - 一种动车组牵引传动供电系统 - Google Patents

一种动车组牵引传动供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种动车组牵引传动供电系统，属于轨道交通牵引供电技术领域。牵引电缆给变流器组供电；变流器组由变流单元组成，变流单元为单相三相交直交变流器，即输入侧为单相交流端口，输出侧为三相交流端口；变流单元输出侧的三相交流端口连接牵引电机；一个驱动轴设置一台牵引电机；动车组有N节动车，即有2N个动力转向架、有4N个驱动轴，N＞1；设置M组变流器组；变流器组由P个变流单元输入侧串联、输出侧独立组成，1＜P≤4N。以既有、成熟、可靠的低电压交直交变流单元为基础，通过连接方式构建动车组牵引传动供电系统，省去车载牵引变压器，使其适于新的、更高和不同电压等级的供电系统。主要用于动车组内部的牵引传动供电。

Description

一种动车组牵引传动供电系统
技术领域
本发明涉及电气化铁路与城市轨道工频单相交流牵引供电技术领域，尤其涉及动车组内部的牵引传动供电。
背景技术
与直流牵引电机相比，交流牵引电机有功率密度高、价格便宜、简单可靠和防空转性能好等优点，因此正在取代直流电机成为干线电气化铁路和城市轨道交通牵引的主要动力源。电气化铁道采用单相供电，交流牵引电机需要三相逆变器驱动。为了实现这一转换功能，电力机车或动车组上配有交直交牵引变流器，即先将单相交流变换为直流，再通过逆变器变换为三相交流，经调压调频实现调速。现行电气化铁道供电系统牵引母线的额定电压为27.5kV,最高电压达到31kV,由于受到电力电子器件额定电压的限制，电力机车和动车组配有车载牵引变压器，先将牵引网电压降压后再供给牵引变流器。牵引变压器体积和重量大,增加机车或动车组轴重，同时增加损耗，降低效率，并影响功率密度，制约动车组速度的进一步提升。
城市轨道交通广泛采用的直流750V、1500V供电制式不仅存在无法解决的迷流难题，也面临供电能力无法适应更大容量需求的严重局面。若地铁和轻轨直接采用干线电气化铁道交流27.5kV供电制式又会造成更多投资和供电能力的浪费，处于两难境地。因此需要针对交流供电制式，研究5.5kV、11kV等新的电压等级的供电系统及其配套动车组来满足城市轨道交通的发展需求。
从轨道交通发展考虑，在不改变既有牵引变流器主电路结构的情况下，能否通过新的连接方式，取消车载牵引变压器，同样适于现行27.5kV供电系统；利用既有牵引变流器，通过新的连接方式，省却车载牵引变压器并适于新的、不同电压等级的供电系统，如5.5kV，11kV等等；带来减少轴重，节约动车组内部空间，或提高牵引传动系统功率密度等好处。研究提出一种用于动车组的新的牵引传动供电系统，必要且很有现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种动车组牵引传动供电系统，它能有效地解决取消车载牵引变压器且适于不同电压等级的供电系统的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种动车组牵引传动供电系统，包括牵引电缆、变流单元和牵引电机，变流单元为单相三相交直交变流器，即输入侧为单相交流端口，输出侧为三相交流端口；变流单元输出侧的三相交流端口连接牵引电机；一节动车的前、后各有一个动力转向架，一个动力转向架有二根驱动轴，一根驱动轴由一台牵引电机驱动；全列动车组有N节动车，即有2N个动力转向架，有4N根驱动轴，N＞1；牵引电缆由两根单芯电缆组成；设变流器组的组数为M,M≥2，各个变流器组输入侧两端子分别并联于牵引电缆的两根单芯电缆之间；各个变流器组由P个变流单元输入侧串联而成，2≤P≤4N。
变流器组的连接形式之一是：一个变流单元连接一台牵引电机，一个动力转向架设置一个变流器组，即P＝2，一个变流器组由2个变流单元输入侧串联而成，全列动车组的变流器组数M＝2N。
变流器组的连接形式之二是：一个变流单元连接一台牵引电机，一节动车设置一个变流器组，即P＝4，一个变流器组由4个变流单元输入侧串联而成，全列动车组的变流器组数M＝N；一个变流单元连接2台牵引电机，一节动车设置一个变流器组，即P＝2，一个变流器组由2个变流单元输入侧串联而成，全列动车组的变流器组数M＝N。。
变流器组的连接形式之三是：一个变流单元连接一台牵引电机，多于一节动车的X个动力转向架设置一个变流器组，2＜X≤2N，4＜P≤4N，即一个变流器组由4个以上的变流单元输入侧串联而成。
各个牵引电机彼此电气绝缘，独立运行。
用于既有27.5kV交流干线电气化铁路动车组改造时，牵引电缆两根单芯电缆中任选一根单芯通过电刷接钢轨，另一根单芯通过受电弓与接触网接触授电。
用于5.5kV、11kV等新的电压等级的供电系统时，如果采用干线铁路接触网授电模式，则牵引电缆两根单芯电缆中任选一根单芯通过电刷接钢轨，另一根单芯通过受电弓与接触网接触授电，如果采用接触带授电方式，则牵引电缆的两根单芯分别通过电刷与接触带的供电轨和回流轨接触授电。
本发明的工作原理是：以既有、成熟、可靠的低电压交直交变流单元为基础，通过新的连接与组合方式构建动车组牵引传动供电系统，使其不仅适于既有27.5kV交流电气化铁路动车组改造，也适于新的不同电压等级的供电系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、在不改变既有牵引变流器主电路结构的情况下，通过新的连接方式，取消27.5kV电气化铁路动车组的车载牵引变压器，使牵引传动系统体积小,重量轻，功率密度高，效率高。
二、利用既有、成熟、可靠的低电压交直交变流单元，通过新的连接方式，使系统适于新的、更高和不同电压等级的供电系统。
三、技术先进、可靠，易于实施。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的以驱动轴为单位的结构示意图。
图3是本发明实施例的以动车为单位的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
图1示出，本发明的一种具体实施方式为：一种用于动车组牵引传动供电系统，包括牵引电缆1、变流器组2、牵引电机3；牵引电缆1给变流器组2供电；牵引电缆1由两根单芯电缆组成；变流器组2由变流单元4组成，变流单元4为单相三相交直交变流器，即输入侧为单相交流端口，输出侧为三相交流端口；变流单元4输出侧的三相交流端口连接牵引电机3；一节动车前、后各有一个动力转向架，一个动力转向架有二根驱动轴，一根驱动轴设置一台牵引电机3；全列动车组有N节动车，即有2N个动力转向架，有4N根驱动轴，N≥1；设M变流器组2，M≥2，各个变流器组2输入侧并联于牵引电缆1的两根单芯电缆之间；变流器组2由P个变流单元4输入侧串联而成，2≤P≤4N。
图2是本发明实施例的以驱动轴为单位的结构示意图，是变流器组的连接形式之一：一个动力转向架设置一个变流器组2，全列动车组变流器组数M＝2N，P＝2，即一个变流器组2由2个变流单元4输入侧串联而成。
图3是本发明实施例的以动车为单位的结构示意图，变流器组的另一种连接形式：一节动车设置一个变流器组2，全列动车组的变流器组数M＝N，P＝4，即一个变流器组2由4个变流单元4输入侧串联而成。
当动车组超过一节动车编组时，其X个动力转向架设置一个变流器组2，2＜X≤2N，4＜P≤4N，即一个变流器组2由4个以上的变流单元4输入侧串联而成。
举例：
现行单列CRH1动车组采用8节编组，5节动车+3节拖车；设3个牵引传动单元(对应2个“2动1拖”单元和1个“1动1拖”单元)，均由牵引变压器、变流单元和牵引电机构成，各个牵引传动单元相互独立。现行单列CRH2动车组采用8节编组，4节动车+4节拖车；设2个牵引传动单元，均由牵引变压器、变流单元和牵引电机构成，各个牵引传动单元相互独立。
既有动车组牵引变流器单相侧额定电压有0.9kV、1.5kV、1.55kV、1.77kV、2.75kV几种。
参见图1，以CRH1动车组为例对既有交流干线电气化铁路动车组进行改造。牵引电缆1两根单芯电缆中任选一根单芯通过电刷接钢轨，另一根单芯通过受电弓与接触网接触授电；动车组大列由两个8节编组单列重联而成，全列有16节车，其中(N＝)10节动车，即全列20个动力转向架，40根驱动轴。
(1)若1个变流单元对应1台牵引电机和1根驱动轴，即全列共40个变流单元、40台牵引电机。选择既有的额定电压2.75kV变流器为变流单元。牵引电缆的供电系统额定电压为27.5kV，变流器组的连接采用跨动车的方式：将10个变流单元输入侧串联(输出侧独立)组成一个变流器组即可满足，此时P＝10，即一个变流器组对应5个动力转向架上的10个驱动轴，全列共设(M＝)4个变流器组，此时即可取消原来的6台车载牵引变压器。
(2)若1个变流单元对应2台牵引电机和2根驱动轴，即全列共20个变流单元、40台牵引电机。选择既有的额定电压2.75kV变流器为变流单元。牵引电缆的供电系统额定电压为27.5kV，变流器组的连接采用跨动车的方式：将10个变流单元输入侧串联(输出侧独立)组成一个变流器组即可满足，此时P＝10，即一个变流器组对应10个动力转向架上的20个驱动轴，全列共设(M＝)2个变流器组，此时亦可取消原来的6台车载牵引变压器。
再看新的电压等级供电系统的情况：
(1)当供电系统额定电压为5.5kV时，变流器组的连接可采用图2所示的方式：设1个变流单元对应1台牵引电机和1根驱动轴，将2个变流单元输入侧串联(输出侧独立)组成一个变流器组即可满足，此时P＝2，即一个变流器组对应一个动车的1个动力转向架上的2个驱动轴，全列共设(M＝)20个变流器组。
(2)当供电系统额定电压为11kV时，变流器组的连接可采用图3所示的方式：设1个变流单元对应1台牵引电机和1根驱动轴，将4个变流单元输入侧串联(输出侧独立)组成一个变流器组即可满足，此时P＝4，即一个变流器组对应一个动车的2个动力转向架上的4个驱动轴，全列共设(M＝)10个变流器组；设1个变流单元连接2台牵引电机，对应2根驱动轴，仍需将4个变流单元输入侧串联(输出侧独立)组成一个变流器组，此时P＝4，则一个变流器组对应2个动车的4个动力转向架上的8个驱动轴，全列共设(M＝)5个变流器组。
用于5.5kV、11kV等新的电压等级的供电系统时，如果采用干线铁路接触网授电方式，则牵引电缆两根单芯电缆中任选一根单芯通过电刷接钢轨，另一根单芯通过受电弓与接触网接触授电，如果采用接触带授电方式，则牵引电缆的两根单芯分别通过电刷与接触带的供电轨和回流轨接触授电。
以上均无需再设车载牵引变压器。
同样可以对变流单元进行新的组合构成新的动车组牵引传动供电系统来适用于其他电压等级的供电系统。

Claims (4)

1.一种用于既有交流干线电气化铁路动车组的牵引传动供电系统，包括牵引电缆（1）、变流单元（4）和牵引电机（3），变流单元（4）为单相三相交直交变流器，即输入侧为单相交流端口，输出侧为三相交流端口；变流单元（4）输出侧的三相交流端口连接牵引电机（3）；一节动车的前、后各有一个动力转向架，一个动力转向架有二根驱动轴，一根驱动轴设有一台牵引电机（3）；全列动车组有N节动车，即有2N个动力转向架，有4N根驱动轴，N＞1；其特征在于: 牵引电缆（1）由两根单芯电缆组成；变流器组（2）由P个变流单元（4）输入侧串联而成，2≤P≤4N；设变流器组（2）的组数为M，M≥2，各个变流器组（2）输入侧两端子分别并联于牵引电缆（1）的两根单芯电缆之间；
当对既有交流干线电气化铁路动车组进行改造时，全列动车组设N=10节动车；
1个变流单元对应1台牵引电机和1根驱动轴，全列动车组共40个变流单元、40台牵引电机，选择既有的额定电压2.75kV变流器为变流单元，牵引电缆的供电系统额定电压为27.5kV，将10个变流单元输入侧串联组成一个变流器组，P=10，一个变流器组对应5个动力转向架上的10个驱动轴，全列动车组共设M=4个变流器组；
或者，1个变流单元对应2台牵引电机和2根驱动轴，全列动车组共20个变流单元、40台牵引电机，选择既有的额定电压2.75kV变流器为变流单元，牵引电缆的供电系统额定电压为27.5kV，将10个变流单元输入侧串联组成一个变流器组，P=10，一个变流器组对应10个动力转向架上的20个驱动轴，全列动车组共设M=2个变流器组。
2.一种用于新的电压等级的动车组牵引传动供电系统，包括牵引电缆（1）、变流单元（4）和牵引电机（3），变流单元（4）为单相三相交直交变流器，即输入侧为单相交流端口，输出侧为三相交流端口；变流单元（4）输出侧的三相交流端口连接牵引电机（3）；一节动车的前、后各有一个动力转向架，一个动力转向架有二根驱动轴，一根驱动轴设有一台牵引电机（3）；全列动车组有N节动车，即有2N个动力转向架，有4N根驱动轴，N＞1；其特征在于:牵引电缆（1）由两根单芯电缆组成；变流器组（2）由P个变流单元（4）输入侧串联而成，2≤P≤4N；设变流器组（2）的组数为M，M≥2，各个变流器组（2）输入侧两端子分别并联于牵引电缆（1）的两根单芯电缆之间；
用于新的电压等级的供电系统时，全列动车组设N=10节动车；
当新的电压等级的供电系统额定电压为5.5kV时，设1个变流单元对应1台牵引电机和1根驱动轴，将2个变流单元输入侧串联组成一个变流器组，P=2，一个变流器组对应一个动车的1个动力转向架上的2个驱动轴，全列共设M=20个变流器组；
或者，当新的电压等级的供电系统额定电压为11kV时，设1个变流单元对应1台牵引电机和1根驱动轴，将4个变流单元输入侧串联组成一个变流器组，P=4，一个变流器组对应一个动车的2个动力转向架上的4个驱动轴，全列共设M=10个变流器组；
或者，当新的电压等级的供电系统额定电压为11kV时，设1个变流单元对应2台牵引电机和2根驱动轴，将4个变流单元输入侧串联组成一个变流器组，P=4，一个变流器组对应2个动车的4个动力转向架上的8个驱动轴，全列共设M=5个变流器组。
3.根据权利要求1或2所述的牵引传动供电系统，其特征在于:若一个变流单元连接一台牵引电机，一个动力转向架设置一个变流器组（2），即P=2，一个变流器组（2）由2个变流单元（4）输入侧串联而成，全列动车组的变流器组数M=2N；或者，若一个变流单元连接一台牵引电机，一节动车设置一个变流器组（2），即P=4，一个变流器组（2）由4个变流单元（4）输入侧串联而成，全列动车组的变流器组数M=N；或者，若一个变流单元连接2台牵引电机，一节动车设置一个变流器组（2），即P=2，一个变流器组（2）由2个变流单元（4）输入侧串联而成，全列动车组的变流器组数M=N；或者，若一个变流单元连接一台牵引电机，多于一节动车的X个动力转向架设置一个变流器组（2），2＜X≤2N，4＜P≤4N，即一个变流器组（2）由4个以上的变流单元（4）输入侧串联而成。
4.根据权利要求1或2所述的牵引传动供电系统，其特征在于:当对所述既有交流干线电气化铁路动车组进行改造时，牵引电缆（1）两根单芯电缆中任选一根单芯通过电刷接钢轨；当用于新的电压等级的供电系统时，如果采用接触网授电模式，则牵引电缆（1）两根单芯电缆中任选一根单芯通过电刷接钢轨，另一根单芯通过受电弓与接触网接触授电，如果采用接触带授电方式，则牵引电缆（1）的两根单芯分别通过电刷与接触带的供电轨和回流轨接触授电。
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