动车组牵引传动系统的制作方法

1.本发明涉及车辆技术领域，尤其涉及一种动车组牵引传动系统。


背景技术：

2.传统的列车牵引传动系统主要由牵引变压器、牵引变流器、辅助变流器(或牵引/辅助变流器)、牵引电机和齿轮箱等组成。对于既有动车组列车，考虑到轴重及均衡配置，通常将牵引供电设备分散布置于车底设备舱。该种牵引供电形式有以下几个弊端。第一，造成了设计及装配过程中走线复杂，而且大量的线缆也会造成电磁干扰，导致信号传输出现误差。第二，该种配置模式下，在高级修、定期修、故障修及热备等过程中均需要占用整列动车组，加上高级修周期长，致使动车组检修备用率高，降低了动车组的运用效率。第三，对于高铁线路较多的地区，不同线路有不同的运营速度等级。而且，在不同时节、不同地域，客流量差异较大，会产生不同的运营需求。现有的牵引供电配置模式，动车组的编组形式较为固定，对于实际铁路运输情况来说，兼容性较差，灵活性不强。
3.除上述配置模式存在的缺陷外，目前动车组牵引系统存在传输环节多、效率低、损耗大的劣势。此外，低效率会造成网侧容量配置较大，导致设备体积和重量均增加，使列车结构复杂化，减少了载客量，同时增大了轴重，加大了轮轨磨耗。


技术实现要素：

4.本发明提供一种动车组牵引传动系统，用以解决现有技术中动车组传动效率低且结构复杂的缺陷，简化了高速动车组牵引供电系统结构，并提高了牵引传动系统效率。
5.本发明提供一种动车组牵引传动系统，包括：集成式供电单元和牵引电机；
6.所述集成式供电单元包括依次相连的级联整流器单元、直流变换单元和牵引逆变器单元，还包括连接在直流变换单元输出侧的辅助供电单元，所述牵引逆变器单元和所述辅助供电单元均由所述直流变换单元供电，所述牵引电机由所述牵引逆变器单元供电；
7.所述级联整流器单元用于获取交流电能并将所述交流电能转化为直流电能，所述直流变换单元用于将所述级联整流器单元输出的直流电能进行直流变换，所述牵引逆变器单元用于将所述直流变换单元输出的进行直流变换后的直流电能转化为三相交流电能，所述辅助供电单元用于将所述直流变换单元输出的直流电能转化为目标直流电能。
8.根据本发明提供的一种动车组牵引传动系统，所述级联整流器单元包括多个级联的pwm整流器。
9.根据本发明提供的一种动车组牵引传动系统，所述直流变换单元包括多个直流变换器，所述多个直流变换器的输入端分别连接所述多个pwm整流器的直流输出端，所述多个直流变换器的输出端并联。
10.根据本发明提供的一种动车组牵引传动系统，所述直流变换器为双有源桥结构或llc结构。
11.根据本发明提供的一种动车组牵引传动系统，所述直流变换器包括高压高频模块
和低压高频模块，所述高压高频模块的输入端接入pwm整流器模块的输出端，所述低压高频模块的输出端并联。
12.根据本发明提供的一种动车组牵引传动系统，所述辅助供电单元包括并联的辅助变流器和充电机。
13.根据本发明提供的一种动车组牵引传动系统，所述充电机输出端连接蓄电池。
14.根据本发明提供的一种动车组牵引传动系统，所述集成式供电单元中的电力电子开关器件为碳化硅或氮化镓。
15.根据本发明提供的一种动车组牵引传动系统，所述集成式供电单元和牵引电机共同配置于动车组的动力车上。
16.根据本发明提供的一种动车组牵引传动系统，所述动车组根据不同速度等级和不同运营需求对所述动力车和非动力车进行配置。
17.本发明提供的一种动车组牵引传动系统，设计了集成式供电单元，采用模块化思想，将牵引供电和辅助供电设备集成于一个单元内。从根本上对列车牵引传动系统进行了革新，精简了列车供电结构，而且提升整个牵引传动环节的效率，极大地减小了牵引传动系统的损耗，降低了网侧容量配置，符合列车高速化、轻量化和低能耗的发展方向。为高速电动车组提供了一种简单且高效的牵引传动系统。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明提供的动车组牵引传动系统的结构示意图；
20.图2是本发明提供的集成式供电单元的主电路结构示意图；
21.图3是本发明提供的模块化概念的动车组示意图；
22.图4是本发明提供的动车组牵引传动系统工作原理流程图。
23.附图标记：
24.a11：头车；a21：动力车；a31：拖车。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.对于既有动车组列车，考虑到轴重及均衡配置，通常将牵引供电设备分散布置于车底设备舱，该种牵引供电形式具有多处弊端。本发明采用模块化思想，为高速电动车组提供了一种简单、高效的牵引传动系统。下面结合图1-图3描述本发明的动车组牵引传动系统，如图1所示，本发明实施例的牵引传动系统，包括：
27.集成式供电单元101和牵引电机102；
28.所述集成式供电单元101包括依次相连的级联整流器单元1011、直流变换单元1012和牵引逆变器单元1013，还包括连接在直流变换单元1012输出侧的辅助供电单元1014，所述牵引逆变器单元1013和所述辅助供电单元1014均由所述直流变换单元1012供电，所述牵引电机102由所述牵引逆变器单元1013供电；
29.所述级联整流器单元用于获取交流电能并将所述交流电能转化为直流电能，所述直流变换单元用于将所述级联整流器单元输出的直流电能进行直流变换，即将级联整流器单元输出的直流电流化为直流母线的电压，所述牵引逆变器单元用于将所述直流变换单元输出的进行直流变换后的直流电能转化为三相交流电能，所述辅助供电单元用于将所述直流变换单元输出的直流电能转化为目标直流电能。
30.对于集成式供电单元101，需要说明的是，集成式供电单元101包括牵引供电部分和辅助供电部分，牵引供电部分由级联整流器单元1011、直流变换单元1012和牵引逆变器单元1013组成，辅助供电部分由辅助供电单元1014组成。集成式供电单元101的主电路结构示意图如图1所示，输出三种电压等级，分别为驱动牵引电机的三相交流电以及不同的目标直流电。其中，牵引供电部分提供三相交流电，具体电压值根据公共直流母线电压决定。辅助供电部分提供为600v和110v辅助系统供电的目标直流电，故目标直流电能可以为直流600v和直流110v。
31.本发明实施例的动车组牵引传动系统，从根本上对列车牵引传动系统进行了革新，精简了列车供电结构，而且可将整个牵引传动环节的效率由既有动车组的85％提升至93％以上，极大地减小了牵引传动系统的损耗，降低了网侧容量配置，符合列车高速化、轻量化和低能耗的发展方向。
32.在本发明的至少一个实施例中，级联整流器单元包括多个级联的pwm整流器。
33.需要说明的是，牵引供电部分中，级联pwm整流器输入侧串联接入牵引网侧交流25kv，即整流器交流侧串联接入交流，pwm整流器的个数由pwm整流器直流环节电压决定。
34.本发明实施例的动车组牵引传动系统，级联pwm整流器输入侧采用串联结构接入交流25kv，能够控制直流环节电压和交流侧电流，实现能量稳定传输及单位功率因数运行。此外，交流侧采用载波移相调制技术，消除网侧谐波。
35.在本发明的至少一个实施例中，所述直流变换单元包括多个直流变换器，所述多个直流变换器的输入端分别连接所述多个pwm整流器的直流输出端，所述多个直流变换器的输出端并联。
36.需要说明的是，直流变换器具有隔离性能，每个整流器直流输出端连接一个具有隔离功能的直流变换器，该直流变换器输出侧并联形成公共直流母线，为牵引逆变器、辅助供电单元中输出电压为dc600v的直流变换器和输出电压为dc110v的直流变换器提供输入电源。
37.在本发明的至少一个实施例中，所述直流变换器为双有源桥结构或llc结构。
38.需要说明的是，直流变换器可采用双有源桥结构或llc结构，双有源桥，是一种应用在大功率场合的双向dc-dc变换器。它具有功率密度高、可以实现零电压开关、能双向传输功率、效率高、结构对称且控制方法简单等的优点。llc结构属于双管半桥谐振，采用谐振电感、励磁电感和谐振电容串联，故名llc。llc结构具有工作频率高、损耗小、效率高、体积小的优点，可提高充电器功率密度。直流变换器的输出侧并联，形成公共直流母线，并通过
公共直流母线，为牵引逆变器和辅助供电单元供电。
39.在本发明的至少一个实施例中，所述直流变换器包括高压高频模块和低压高频模块，所述高压高频模块的输入端接入pwm整流器模块的输出端，所述低压高频模块的输出端并联。
40.需要说明的是，具有隔离性能的直流变换器构成了本发明实施例的高频隔离级，高频隔离级包括若干个直流变换器，每个直流变换器包括高压高频模块和低压高频模块，其高压高频模块输入端接入pwm整流器模块的输出端，所有低压高频模块的输出端并联，形成公共直流母线，为牵引逆变器、辅助供电部分的直流变换器提供输入电源。
41.在本发明的至少一个实施例中，所述牵引电机为永磁同步电机。
42.需要说明的是，既有动车组列车，从牵引变压器到齿轮箱，即整个牵引传动环节的效率仅有85％。偏低的牵引效率使得动车组运行过程中能耗较大，提高了运营成本。为提高传动效率，本发明实施例的牵引电机采用永磁同步电机。所述永磁同步电机采用直驱技术，取消了传统牵引传动系统中的齿轮箱，消除了齿轮传动机构导致的噪音、漏油、振动等一系列问题，省去了齿轮箱的维护工作，降低了全寿命周期成本。永磁直驱电机由牵引逆变器供电，并可在牵引逆变器的整个输出电压、频率范围内运行。
43.在本发明的至少一个实施例中，集成式供电单元的每台牵引逆变器单元为一台牵引电机供电。具体的，如图2所示，本发明实施例包括4台牵引逆变器，分别为1辆动力车的4台永磁同步电机供电。
44.在本发明的至少一个实施例中，所述辅助供电单元包括并联的辅助变流器和充电机，辅助变流器和充电机中分别包含输出电压为dc600v的直流变换器和输出电压为dc110v的直流变换器。
45.需要说明的是，辅助供电单元包括一个辅助变流器和一个充电机，其中，辅助变流器为输出电压为dc600v的直流变换器，充电机为输出电压为dc110v的直流变换器。辅助供电系统供电模式的改变以及供电电压的提高(从既有ac380v提升至dc660v)可以减少供电电缆的数量以及截面积，从而降低了供电电缆的重量。辅助供电单元能够提供直流600v和直流110v的目标直流电能。直流600v为风机、空调等辅助系统负载提供电源，直流110v为列车控制和网络系统、照明、影视广播和单相逆变电源供电。
46.另外需要说明的是，辅助供电单元中，全车的集成式供电单元输出的dc 600v和dc 110v电源可形成公共直流母线，采用并网供电模式。公共直流母线在集成式供电单元之间采用断路器进行分段。
47.在本发明的至少一个实施例中，所述充电机输出端连接蓄电池。
48.需要说明的是，所有模块供电单元输出的600v及110v电源需考虑一定的冗余和备用。此外，在110v母线上配置了2台蓄电池，可保证列车在无网压时，能够应急通风至少大于90分钟，且其余应急用电如应急照明、应急显示、维修用电、通讯及其控制等辅助设备在120分钟时间内保持运行。
49.在本发明的至少一个实施例中，所述集成式供电单元中的电力电子开关器件为碳化硅或氮化镓。
50.需要说明的是，本发明实施例采用高效的电力电子开关器件，比如碳化硅或氮化镓器件，可以减小牵引传动环节的损耗，提高牵引传动效率，降低列车运行中的能耗。集成
式供电单元将牵引和辅助电源一体化，有利于车辆轻量化和高效率。
51.在本发明的至少一个实施例中，所述集成式供电单元和牵引电机共同配置于动车组的动力车上。
52.需要说明的是，集成式供电单元布置于动力车车下设备舱，通过将集成式供电单元和永磁直驱电机共同配置于动力车，形成模块化概念的动车组，如头车、动力车、拖车，如图3所示。受电弓、高压箱等高压设备可根据相关标准要求或技术条件进行在动车组上进行配置。
53.本发明实施例的动车组牵引传动系统，通过模块化设计的动车组，可实现动力单元及车辆的灵活配置，根据不同线路、不同地域和不同时节，采用不同的编组模式，提高了运营的兼容性。
54.在本发明的至少一个实施例中，所述动车组根据不同速度等级和不同运营需求对所述动力车和非动力车进行配置。
55.需要说明的是，由于动车组的不同线路有不同的运营速度等级。在不同时节、不同地域，客流量差异较大，会产生不同的运营需求。因此，本发明实施例通过不同的车辆组合，匹配不同的功率等级和载客量，以适应不同速度等级的线路和运输需求。比如，当客流量大时可增加拖车数量，当功率等级高时，增加动车的数量。
56.下面给出一个模块化概念的动车组实例。例如，250km/h速度等级的动车组若需要2个动力车的功率配置，则选用2个动力车和两个头车即可。假设此时若不满足根据运输需求确定的载客量，则再根据载客量配置若干个拖车。若350km/h速度等级的动车组需要4个动力车，则在250公里动车组的基础上增加动力车即可。也就是说，只需在一个基础配置的条件下，根据速度等级和运输需求，增加动力车或拖车模块，就可满足要求。如此就减小了设计和装配的工作量，同时也便于检修和维护，降低了动车组的全寿命周期成本，并提高了动车组的利用率。
57.此外，本发明对动车组的模块化的设计也便于故障车的拆解、更换和维修，缩短检修周期，降低检修成本，提高动车组的利用率。
58.在本发明的至少一个实施例中，如图2所示，动车组牵引传动系统输出三种电压等级，分别为驱动牵引电机的三相交流电、直流600v和直流110v。其中，集成式供电单元中牵引供电部分包括4台牵引逆变器，分别为1辆动力车的4台永磁同步电机供电。此外，还包括级联pwm整流器、具有隔离功能的直流变换器、1个输出电压为dc600v的直流变换器和1个输出电压为dc110v的直流变换器。辅助供电部分包括1个辅助变流器和1个充电机，分别为600v和110v辅助系统供电。
59.本发明实施例的本动车组牵引传动系统，将牵引供电和辅助供电部件集成于一个模块内，并采用碳化硅或氮化镓器件以及永磁直驱技术，为高速电动车组提供了一种简单、高效的牵引传动系统。此方案下，动车组可实现动力单元及车辆的灵活配置，根据不同线路、不同地域和不同时节，采用不同的编组模式，提高了运营的兼容性。牵引电机采用永磁同步电机和直驱传动技术，取消了齿轮箱，提高了传动效率，降低了环境污染和噪音，并降低了全寿命周期成本。此外，还可以通过模块化的车辆结构进行功率和编组配置，以匹配不同速度等级和不同运营需求的运输线路。
60.如图4所示，上述实施例中的系统，在正常运行工况下，运行原理包括：
61.步骤401、从受电弓获取25kv交流电能。
62.步骤402、交流电能经级联pwm整流器和具有隔离性能的直流变换器转换为公共直流母线电压。
63.需要说明的是，交流侧通过pwm整流器采用载波移相调制技术，消除网侧谐波。
64.步骤403、4台牵引逆变器接入公共直流母线，分别为1台动力车的4台永磁同步电机供电。
65.步骤404、辅助系统中的直流变换器输入侧接入公共直流母线，输出dc600v和dc110v。
66.需要说明的是，全车的dc 600v和dc 110v供电电源正常运行时采用并网模式，共同为全车的辅助负载供电。全车的dc 600v和dc 110v电源还应具有故障冗余和备用功能。同时，还需考虑整列动车组集成式供电单元牵引供电部分的冗余和备用，应满足故障工况下的牵引性能。例如，动车组列车在一半动力故障时，应能以50％的牵引功率运行，并可保证列车在12
‰
坡道上起动。
67.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种动车组牵引传动系统，其特征在于，包括：集成式供电单元和牵引电机；所述集成式供电单元包括依次相连的级联整流器单元、直流变换单元和牵引逆变器单元，还包括连接在直流变换单元输出侧的辅助供电单元，所述牵引逆变器单元和所述辅助供电单元均由所述直流变换单元供电，所述牵引电机由所述牵引逆变器单元供电；所述级联整流器单元用于获取交流电能并将所述交流电能转化为直流电能，所述直流变换单元用于将所述级联整流器单元输出的直流电能进行直流变换，所述牵引逆变器单元用于将所述直流变换单元输出的进行直流变换后的直流电能转化为三相交流电能，所述辅助供电单元用于将所述直流变换单元输出的直流电能转化为目标直流电能。2.根据权利要求1所述的动车组牵引传动系统，其特征在于，所述级联整流器单元包括多个级联的pwm整流器。3.根据权利要求2所述的动车组牵引传动系统，其特征在于，所述直流变换单元包括多个直流变换器，所述多个直流变换器的输入端分别连接所述多个pwm整流器的直流输出端，所述多个直流变换器的输出端并联。4.根据权利要求3所述的动车组牵引传动系统，其特征在于，所述直流变换器为双有源桥结构或llc结构。5.根据权利要求3所述的动车组牵引传动系统，其特征在于，所述直流变换器包括高压高频模块和低压高频模块，所述高压高频模块的输入端接入pwm整流器模块的输出端，所述低压高频模块的输出端并联。6.根据权利要求1至5任一所述的动车组牵引传动系统，其特征在于，所述辅助供电单元包括并联的辅助变流器和充电机。7.根据权利要求6所述的动车组牵引传动系统，其特征在于，所述充电机输出端连接蓄电池。8.根据权利要求1至5任一所述的动车组牵引传动系统，其特征在于，所述集成式供电单元中的电力电子开关器件为碳化硅或氮化镓。9.根据权利要求1至5任一所述的动车组牵引传动系统，其特征在于，所述集成式供电单元和牵引电机作共同配置于动车组的动力车上。10.根据权利要求9所述的动车组牵引传动系统，其特征在于，所述动车组根据不同速度等级和不同运营需求对所述动力车和非动力车进行配置。

技术总结
本发明涉及车辆技术领域，提供一种动车组牵引传动系统。包括：集成式供电单元和牵引电机；所述集成式供电单元包括依次相连的级联整流器单元、直流变换单元和牵引逆变器单元，还包括连接在直流变换单元输出侧的辅助供电单元，所述牵引逆变器单元和所述辅助供电单元均由所述直流变换单元供电，所述牵引电机由所述牵引逆变器单元供电。本发明采用模块化思想，将牵引供电和辅助供电部件集成于一个单元内。从根本上对列车牵引传动系统进行了革新，精简了列车供电结构，而且提升整个牵引传动环节的效率，极大地减小了牵引传动系统的损耗，降低了网侧容量配置，符合列车高速化、轻量化和低能耗的发展方向。能耗的发展方向。能耗的发展方向。


技术研发人员：李林蔚 邵福波 任坤华
受保护的技术使用者：中车工业研究院有限公司
技术研发日：2022.09.28
技术公布日：2023/2/23