專利名稱：一種軌道交通車輛的再生制動能量逆變裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及驅動控制技術領域，特別是涉及一種軌道交通車輛的再生制動 能量逆變裝置。
背景技術：
隨著國民經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，城市人口流動密度也迅速的增加，對城市交通 的壓力也愈來愈大，所以發(fā)展城市軌道交通的要求就更加必要。
現(xiàn)有的環(huán)境條件下，在發(fā)展軌道交通過程中， 一般地，都要求降低能耗， 節(jié)約能源，走可持續(xù)發(fā)展的道路，所以，如何研發(fā)經(jīng)濟環(huán)保型的城市軌道交通 產(chǎn)品，是迫切需要解決的問題。
目前，城市軌道交通車輛主要是直流斬波調(diào)速車輛和交流變頻調(diào)速車輛兩種。
這兩種車輛在運行的制動過程中，都會把能量反饋到直流電網(wǎng)中。如果此 時直流電網(wǎng)中有電動工況的列車，則反饋的電能可以被消耗掉。但是當再生電 能不能或者不能完全被其它以電動工況運行的列車吸收時，則會造成直流母線 上電壓升高，影響整個系統(tǒng)的正常運行。
為了解決這一問題，現(xiàn)有技術采用的方法是靠電阻吸收耗能方法，其主要 原理是通過檢測電壓及電流的外特性，及時觸發(fā)絕緣柵雙極型晶體管
(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)開關元件切入電阻能耗，使得直流 母線上的電壓不會升高，不至于影響整個系統(tǒng)的正常運行。
但是，這種方法存在的缺陷是，其讓很多的電能白白浪費，而且其會造成 工作環(huán)境的溫度升高，影響設備的正常運行。因此，人們一直考慮開發(fā)新的車 輛再生能量裝置，克服現(xiàn)有技術的缺陷。
現(xiàn)有的再生制動能量逆變裝置有兩種
一種是直接采用可控硅(SCR)逆變橋將直流側多余能量逆變回交流中網(wǎng) 側。但是，此種方法存在的問題是，在逆變過程中由于逆變角需隨機調(diào)整，其
逆變可靠性存在隱患，其穩(wěn)定性能不佳。
另一種方法是直接采用IGBT組件逆變。但是，這種方法所采用的設備成 本很高，不適用于商業(yè)中的實際應用。
同時，這兩種方法都會產(chǎn)生很高的諧波含量，會影響到整個系統(tǒng)的正常運行。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種軌道交通車輛的再生制動能量逆變裝置。其無 諧波污染，設備成本低，可靠性高。
為實現(xiàn)本發(fā)明目的而提供的一種軌道交通車輛的再生制動能量逆變裝置， 包括微電腦控制單元，逆變橋，斬波器和電壓傳感器；
所述微電腦控制單元連接到電壓傳感器，逆變橋和斬波器；
所述電壓傳感器測得網(wǎng)壓的電壓壓差傳送到所述微電腦控制單元中；
當所述電壓傳感器采集到的壓差升高至滿足設定電壓條件時，微電腦控制 單元發(fā)送指令讓所述斬波器和逆變橋投入使用，電能從直流網(wǎng)絡上回饋到交流 電網(wǎng)側，被交流電網(wǎng)所利用。
所述的再生制動能量逆變裝置，還可以包括第一直流電流傳感器，用于檢 測機車供電直流母線上通過的電流；第二直流電流傳感器，用于檢測直流母線 上回饋給逆變裝置能量的電流；
所述第一直流電流傳感器一端串聯(lián)到交流電網(wǎng)，另一端串聯(lián)到所述第二直 流電流傳感器；所述第二直流電流傳感器的另一端串聯(lián)到斬波器；
所述微電腦控制單元連接到所述第一直流電流傳感器和所述第二直流電 流傳感器，并從所述第一直流電流傳感器和第二直流電流傳感器采集電流數(shù) 據(jù)。
所述微電腦控制單元根據(jù)所述直流電壓傳感器的測量值控制所述逆變裝 置是否投入使用；所述電流傳感器根據(jù)能量的流向以及反饋能量的大小，輔助 判斷關斷逆變裝置的時間。
所述微電腦控制單元通過檢測所述電壓傳感器、第一電流傳感器和第二電 流傳感器的測量值，實時監(jiān)控能量的流向，準確判斷出逆變設備關斷的時間。
所述的再生制動能量逆變裝置，還可以包括兩個整流電源；
所述兩個整流電源為軌道交通車輛中兩組并聯(lián)的整流電源，兩組電源兩端 分別與軌道交通車輛中的交流供電電源，以及車輛電網(wǎng)中的交流電源串聯(lián)。 所述逆變橋為逆變角固定的三相可控硅逆變橋。
在所述逆變角固定的三相可控硅逆變橋后增加自耦變壓器，對逆變回饋到 交流電網(wǎng)的電能濾波。
所述斬波器為直流斬波器。
所述的微電腦控制單元為具有獨立的中央處理器的可編程的單片機或者 數(shù)字信號處理器。
所述設定電壓條件為軌道交通車輛工作額定電壓的120%。
所述直流斬波器的功率部件為絕緣柵雙極型晶體管。 本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的軌道交通車輛的再生制動能量逆變裝置， 能夠吸收城軌交通直流電網(wǎng)上的再生制動能量時可以實現(xiàn)逆變交流電無諧波
污染，設備成本低，SCR逆變回路逆變角恒定不變，可靠性高。
圖1為本發(fā)明車輛再生能量逆變裝置電路圖2為本發(fā)明車輛再生能量逆變裝置中微處理器控制整個電路工作過程 流程圖3為圖2中中斷處理過程流程圖。
具體實施例方式
為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實 施例，對本發(fā)明的一種軌道交通車輛的再生制動能量逆變裝置進行進一步詳細 說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限 定本發(fā)明。
本發(fā)明的軌道交通車輛的再生制動能量逆變裝置，通過直流斬波器13和 逆變角固定的三相可控硅(SCR)逆變橋12將直流電逆變成交流電，回饋到 交流電網(wǎng)，實現(xiàn)再生制動能量逆變。
如圖1所示，本發(fā)明的軌道交通車輛的再生制動能量逆變裝置，設置在車 輛電網(wǎng)系統(tǒng)和交流供電電源的回路中間，包括兩個整流電源15，16，微電腦控
制單元ll，逆變角固定的三相可控硅(SCR)逆變橋12，直流斬波器13，以 及電壓傳感器14。 糾
所述兩個整流電源15,16為軌道交通車輛中兩組并聯(lián)的整流電源，使軌道 交通車輛正常工作，兩組電源兩端分別與軌道交通車輛中的交流供電電源，如 中壓三相交流電源，以及車輛電網(wǎng)中的交流電源(DC)串聯(lián)。
電壓傳感器UDcl4別連接到兩組并聯(lián)的整流電源15,16，在軌道交通車輛 運行過程中測得軌道交通車輛龜源的電壓壓差。
微電腦控制單元11連接到電壓傳感器UDC14，逆變角固定的三相可控硅 逆變橋12和直流斬波器13。
本發(fā)明通過電壓傳感器UDC14可以測得網(wǎng)壓的電壓壓差并通過總線傳送 到微電腦控制單元11中，微電腦控制單元11從電壓傳感器14采集電壓數(shù)據(jù)。
當城軌交通站場的車輛制動產(chǎn)生的電能無法被其它用電設備消耗時，就會 造成直流網(wǎng)絡上的網(wǎng)壓升高，當電壓傳感器14采集到的壓差升高至滿足設定 電壓條件時，微電腦控制單元11發(fā)送指令讓直流斬波器13投入使用，同時， 逆變角固定的三相可控硅(SCR)逆變橋TC1 12投入使用，此時，電能從直 流網(wǎng)絡上通過逆變裝置回饋到交流電網(wǎng)側，可以被交流電網(wǎng)所利用。
較佳地，本發(fā)明的軌道交通車輛的再生制動能量逆變裝置，還包括直流電 流傳感器lDd17，用于檢測機車供電直流母線上通過的電流；直流電流傳感器 IDC218，用于檢測直流母線上回饋給逆變裝置能量的電流。
直流電流傳感器IDC117 —端串聯(lián)到交流電網(wǎng)，另 一端串聯(lián)到直流電流傳感 器Idc218;直流電流傳感器Iix:218的另一端串聯(lián)到斬波器13。
微電腦控制單元11連接到直流電流傳感器IDC117和直流電流傳感器 IDC218，并從直流電流傳感器IDC117和直流電流傳感器IDC218采集電流數(shù)據(jù)。
在逆變過程中，微電腦控制單元11通過檢測電壓傳感器14、直流電流傳
感器lDdl7和直流電流傳感器lDC2l8的測量值，可以實時監(jiān)控能量的流向，同
時，準確判斷出逆變設備關斷的時間，保障設備的正常工作。
微電腦控制單元11根據(jù)直流電壓傳感器14的測量值控制逆變裝置是否投 入使用，電流傳感器根據(jù)電能能量的流向以及反饋能量的大小，可以輔助判斷 逆變裝置的關斷時間。
這樣，既保證了直流網(wǎng)絡上的設備的正常運行，又讓再生能量得到了重新 應用。
更佳地，在所述逆變角固定的三相可控硅(SCR)逆變橋12后增加自耦 變壓器19，對逆變回饋到交流電網(wǎng)的電能濾波，以保證逆變回饋的可靠運行， 并保證在整流電源可靠關斷后再進行逆變。
下面根據(jù)圖1所示的車輛再生能量逆變裝置電路結構示意圖，進一步詳細
說明本發(fā)明的車輛再生能量逆變裝置，其中
GDK1為整個城軌電源系統(tǒng)供電主開關，系統(tǒng)工作過程中，該開關始終處 于閉合狀態(tài)；
1JC、 2JC為城軌電源系統(tǒng)中兩組并聯(lián)的整流電源15,16的主電路進線開 關，系統(tǒng)處于運行狀態(tài)時，這兩個開關均處于閉合狀態(tài)；
3JC為城軌再生能量逆變裝置能量回饋到交流側的開關，該開關在回饋系 統(tǒng)運行條件滿足情況下閉合；
DK3為斬波器13和逆變橋12間的直流開關，該開關在回饋系統(tǒng)運行條 件滿足情況下閉合；
1ZC為回饋系統(tǒng)直流主開關，該開關狀態(tài)由圖1控制流程圖中程序決定；
2ZK為城軌電源系統(tǒng)直流供電開關，系統(tǒng)正常工作過程中，該開關始終處 于閉合狀態(tài)；
UDc為直流電壓傳感器14，檢測直流母線上的電壓； IDC1為直流電流傳感器，檢測機車供電直流母線上通過的電流； IDC2為直流電流傳感器，檢測直流母線上回饋給逆變裝置能量的電流。 其中，開關GDK1 、 1JC 、 2JC、 2ZK為現(xiàn)有車輛制動系統(tǒng)中現(xiàn)有的電
路裝置，而其它部件是為實現(xiàn)本發(fā)明目的而新增加的。
本發(fā)明的車輛再生能量逆變裝置，在車輛系統(tǒng)正常工作狀態(tài)時，開關
GDK1、 1JC、 2JC、 2ZK為閉合狀態(tài)，其它處于斷開狀態(tài)；當為直流電壓傳感
器UDcl4測得直流網(wǎng)壓壓差升高到設定值時，開關3JC、 DK3、 1ZC閉合，其 它開關維持原來狀態(tài)。
這樣，當城軌交通站場的車輛制動產(chǎn)生的電能無法被其它用電設備消耗 時，就會造成直流網(wǎng)絡上的網(wǎng)壓升高，當電壓傳感器14采集到的壓差升高至 滿足設定電壓條件時，微電腦控制單元11發(fā)送指令讓直流斬波器13投入使用， 同時，三相可控硅(SCR)逆變橋TC1 12投入使用。此時，電能從直流網(wǎng)絡 上通過逆變裝置回饋到交流電網(wǎng)側，可以被交流電網(wǎng)所利用。
所述設定電壓條件的具體電壓可根據(jù)實際工況在程序中進行修改，較佳 地，為軌道交通車輛工作額定電壓的120%。
較佳地，所述的微電腦控制單元ll為具有獨立的中央處理器(CPU)的 可編程的單片機或者數(shù)字信號處理器(DSP)。
所述直流斬波器13的功率部件為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，具體型 號要根據(jù)現(xiàn)場實際工作電壓、電流選擇。在簡單應用時，可以為一直流接觸器。
較佳地，所述絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為德國EupecFF800R17KF6C B2IGBT部件，其較為典型的工作情況為工作電流800A，耐壓1700V。
其載波頻率高、動態(tài)響應快，所以再生逆變系統(tǒng)可以快速高效，這樣直流 電網(wǎng)牽引車輛可以順利進行再生制動，做到節(jié)能、環(huán)保。
逆變橋12由逆變角固定的三相可控硅逆變橋構成，設備成本低，穩(wěn)定性 強，諧波含量低。其中的可控硅器件可以是西門康、東芝等公司的現(xiàn)有產(chǎn)品。
結合圖l，如圖2所示，下面詳細說明本發(fā)明的車輛再生能量逆變裝置中 微電腦控制單元ll工作過程
步驟S1，用戶輸入操作信號，啟動微電腦控制單元ll，進行初始化；
步驟S2，微電腦控制單元11打開車輛再生能量逆變裝置的控制中斷處理 子程序，初始化參數(shù)；
如圖3所示，其具體包括如下步驟
步驟S21，微電腦控制單元ll讀取中斷響應端口；
中斷響應端口為中央處理器根據(jù)設定的端口例程，從設定的地址讀取相應 的處理程序到內(nèi)存中進行處理的程序， 一般的單片機或者數(shù)字信號處理器
(DSP)在從廠商出廠時就已經(jīng)設置好，如何讀取中斷響應端口可以根據(jù)廠商
的對單片機或者數(shù)字信號處理器的說明書，或者根據(jù)本領域的公知常識便可以 得知，因此，本發(fā)明中不再一一詳細描述。
步驟S22，通過數(shù)/模轉換器(A/D)設定將讀取電流、電壓及溫度的模擬 數(shù)據(jù)轉換為可被計算機處理的數(shù)據(jù)(數(shù)字數(shù)據(jù))；
所述的數(shù)模轉換器(A/D)是本領域常用的一種模擬信號/數(shù)字信號轉換元 器件。
步驟S23，初始化并分配相應的存儲器的存儲單元用于存儲相應數(shù)字數(shù) 據(jù)，并初始化設定數(shù)據(jù)壓棧方式；
步驟S24，讀取中斷端口，返回中斷處理數(shù)據(jù)。 所述壓棧方式可以是先進先出(FIFO)等方式。
步驟S3，根據(jù)直流電壓傳感器Uocl4檢測直流母線上的電壓數(shù)值，讀取 車輛再生能量的工作指令，確定逆變裝置是否開始工作，如果否，則斷開主回 路自檢并顯示，返回重新讀取工作指令；否則繼續(xù)下一步驟；
所述工作指令可以是讀取設備投入運行的直流電壓設定值。
步驟S4，微電腦控制單元11控制主開關3JC、 DK3、 1ZC閉合，逆變裝 置開始工作，并取電壓、電流信號進行分析，控制逆變過程；
步驟S5，微電腦控制單元ll判斷系統(tǒng)是否正常工作，如果否，則顯示故 障，并強制裝置停止工作；否則，根據(jù)電壓、電流信號分析結果，判斷是否有 停止逆變裝置工作的工作指令，如果有，則斷開主回路自檢并顯示，返回步驟 S2重新讀取工作指令；否則，繼續(xù)下一步驟；
步驟S6，維持逆變裝置工作，讀取控制參數(shù)；
所述控制參數(shù)包括設定電壓值、電壓、電流、溫度值等模擬量信號，各開 關的狀態(tài)等數(shù)字量信號。
步驟S7，判斷是否吸收車輛的制動能量，如果否，則顯示待命信號，轉 到步驟SIO，否則，進入下一步驟；
步驟S8，顯示吸收工作信號，并根據(jù)實際直流電網(wǎng)電壓與設定電壓的差 值，計算出斬波器應該變換的電壓比，從而確定斬波器的PWM控制信號。
步驟S9，輸出主絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和逆變橋12控制信號；
輸出主絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和逆變橋控制信號是為了讓斬波器 和逆變橋投入工作。
步驟SIO，逆變裝置對主絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和逆變橋12控制 信號數(shù)據(jù)進行處理，確定車輛的運行工況，返回步驟S2重新讀取工作指令。 車輛運行工況指車輛是處于制動或電動狀態(tài)。
通過結合附圖對本發(fā)明具體實施例的描述，本發(fā)明的其它方面及特征對本 領域的技術人員而言是顯而易見的。
本發(fā)明的軌道交通車輛再生制動能量逆變裝置，與現(xiàn)有技術相比，可靠性 高，成本低，回饋到交流電網(wǎng)無諧波污染，非常適合城軌交通車輛運營的實際 情況。
以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述和說明，這些實施例應被認為其只 是示例性的，并不用于對本發(fā)明進行限制，本發(fā)明應根據(jù)所附的權利要求進行 解釋。
權利要求
1、一種軌道交通車輛的再生制動能量逆變裝置，其特征在于，包括微電腦控制單元，逆變橋，斬波器和電壓傳感器；所述微電腦控制單元連接到電壓傳感器，逆變橋和斬波器；所述電壓傳感器測得網(wǎng)壓的電壓壓差傳送到所述微電腦控制單元中；當所述電壓傳感器采集到的壓差升高至滿足設定電壓條件時，微電腦控制單元發(fā)送指令讓所述斬波器和逆變橋投入使用，電能從直流網(wǎng)絡上回饋到交流電網(wǎng)側，被交流電網(wǎng)所利用。
2、 根據(jù)權利要求1所述的再生制動能量逆變裝置，其特征在于，還包括 第一直流電流傳感器，用于檢測機車供電直流母線上通過的電流；第二直流電 流傳感器，用于檢測直流母線上回饋給逆變裝置能量的電流；所述第一直流電流傳感器一端串聯(lián)到交流電網(wǎng)，另一端串聯(lián)到所述第二直 流電流傳感器；所述第二直流電流傳感器的另一端串聯(lián)到斬波器；所述微電腦控制單元連接到所述第一直流電流傳感器和所述第二直流電 流傳感器，并從所述第一直流電流傳感器和第二直流電流傳感器采集電流數(shù) 據(jù)。
3、 根據(jù)權利要求2所述的再生制動能量逆變裝置，其特征在于，所述微 電腦控制單元根據(jù)所述直流電壓傳感器的測量值控制所述逆變裝置是否投入 使用；所述電流傳感器根據(jù)能量的流向以及反饋能量的大小，輔助判斷關斷逆 變裝置的時間。
4、 根據(jù)權利要求2所述的再生制動能量逆變裝置，其特征在于，所述微 電腦控制單元通過檢測所述電壓傳感器、第一電流傳感器和第二電流傳感器的 測量值，實時監(jiān)控能量的流向，準確判斷出逆變設備關斷的時間。
5、 根據(jù)權利要求1至4任一項所述的再生制動能量逆變裝置，其特征于， 還包括兩個整流電源；所述兩個整流電源為軌道交通車輛中兩組并聯(lián)的整流電源，兩組電源兩端 分別與軌道交通車輛中的交流供電電源，以及車輛電網(wǎng)中的交流電源串聯(lián)。
6、 根據(jù)權利要求5所述的再生制動能量逆變裝置，其特征在于，所述逆 變橋為逆變角固定的三相可控硅逆變橋。
7、 根據(jù)權利要求6所述的再生制動能量逆變裝置，其特征在于，在所述 逆變角固定的三相可控硅逆變橋后增加自耦變壓器，對逆變回饋到交流電網(wǎng)的 電能濾波。
8、 根據(jù)權利要求5所述的再生制動能量逆變裝置，其特征在于，所述斬 波器為直流斬波器。
9、 根據(jù)權利要求8所述的再生制動能量逆變裝置，其特征在于，所述直 流斬波器為直流接觸器。
10、 根據(jù)權利要求1至4任一項所述的再生制動能量逆變裝置，其特征在 于，所述的微電腦控制單元為具有獨立的中央處理器的可編程的單片機或者數(shù) 字信號處理器。
11、 根據(jù)權利要求l所述的再生制動能量逆變裝置，其特征在于，所述設 定電壓條件為軌道交通車輛工作額定電壓的120%。
12、 根據(jù)權利要求8所述的再生制動能量逆變裝置，其特征在于，所述直 流斬波器的功率部件為絕緣柵雙極型晶體管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軌道交通車輛的再生制動能量逆變裝置，包括微電腦控制單元，逆變橋，斬波器和電壓傳感器；當所述電壓傳感器采集到的壓差升高至滿足設定電壓條件時，微電腦控制單元發(fā)送指令讓所述斬波器和逆變橋投入使用，電能從直流網(wǎng)絡上回饋到交流電網(wǎng)側，被交流電網(wǎng)所利用。還包括第一直流電流傳感器，用于檢測機車供電直流母線上通過的電流；第二直流電流傳感器，用于檢測直流母線上回饋給逆變裝置能量的電流。其無諧波污染，設備成本低，可靠性高。
文檔編號H02J3/38GK101104387SQ20071010031
公開日2008年1月16日 申請日期2007年6月7日 優(yōu)先權日2007年6月7日
發(fā)明者湘 王 申請人:湖南牽引電氣有限公司