一种牵引变压装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及轨道交通领域，具体说涉及一种牵引变压装置及方法。
【背景技术】
[0002]目前，在牵引传动系统尤其是电力机车，动车组等的牵引传动系统中，牵引主变压器通常为单原边多副边的单相工频变压器。
[0003]传统的工频变压器将25kV的交流电压降到适合牵引电机及其它电器工作的电压等级，其中主变压器的副边绕组给四象限整流装置供电，辅助绕组给辅变电源供电。四象限整流装置将工频交流电压转换成直流电压，由于直流电压中含有2次脉动，还需在四象限输出侧增加2次滤波回路，然后再将直流电提供给逆变器驱动牵引电机。
[0004]然而，现有的工频牵引变压器具有明显的缺点。首先，工频变压器的输出电压会随着负载的变化而变化，输出电压的跌落会给传动控制带来难度；其次，工频变压器需要配套复杂的继电保护装置；再次，工频变压器需用冷却油，容易给环境造成污染；最后，工频变压器的体积和重量较大。
[0005]工频变压器最为突出的缺点就是其体积和重量。尤其是在轨道交通领域，主变压器的体积和重量会限制着机车的设计从而影响到列车的载客量和高速性能，特别是在动力分散的动车组上，安装空间的限制使得变压器体积和重量的影响尤为突出。
[0006]由于要求的牵引功率和回馈的制动功率大，重量将直接影响列车的提速；同时由于分散动力的牵引设备不再集中安装在机车上，而是分散安装在列车的车厢里，庞大的体积将增加列车设计难度，影响载客量。主变压器庞大的体积和重量与分散动力系统所需的大载客空间和高速运行等要求有着极大的冲突。
[0007]因此，针对现有的工频变压器存在的问题，需要一种新的变压装置以达到减小变压器的重量和体积的目的。
【发明内容】
[0008]针对现有的工频变压器存在的问题，本发明提供了一种牵引变压装置，所述装置包括多个级联的子变压器以及与所述子变压器对应的多个旁路开关，所述子变压器包含高压级、隔离级以及输出级，其中:
[0009]所述旁路开关与对应的所述子变压器的高压级的输入端并联连接，并同时接入供电网中，其用于根据实际情况控制所述高压级接入/脱离所述供电网；
[0010]所述隔离级的输入端连接到所述高压级的输出端；
[0011]所述输出级的输入端连接到所述隔离级的输出端；
[0012]各个所述子变压器的输出级的输出端并联以输出电压。
[0013]在一实施例中，每个所述子变压器对应一个所述旁路开关。
[0014]在一实施例中，所述旁路开关包含反并联连接的第一晶闸管、第二晶闸管以及与所述第一晶闸管、第二晶闸管并联的接触器。
[0015]在一实施例中，所述旁路开关包含相向串联连接的第一绝缘栅极双极型晶体管、第二绝缘栅极双极型晶体管，以及与所述第一绝缘栅极双极型晶体管、所述第二绝缘栅极双极型晶体管反并联的二极管。
[0016]在一实施例中，所述装置还包含辅助开关，所述辅助开关与所述输出级的输出端相连并连接到牵引电机，所述辅助开关被构造为根据所述旁路开关的开关控制状态建立或关断所述输出级与所述牵引电机的连接。
[0017]在一实施例中，所述装置还包含连接电抗，所述旁路开关通过所述连接电抗连接到所述供电网中。
[0018]在一实施例中，所述装置还包含滤波回路，所述滤波回路并联接到所述输出级的两个输出端。
[0019]在一实施例中，所述高压级包含桥形功率子模块、第一电容以及第一放电回路，其中:
[0020]所述桥形功率子模块的两个输入端并联到对应的所述旁路开关；
[0021]所述第一放电回路与所述第一电容并联到所述桥形功率子模块的两个输出端。
[0022]在一实施例中，所述隔离级包含高频调制电路以及单相次边单绕组高频变压器，其中:
[0023]所述高频调制电路的两个输入端并联到所述高压级的两个输出端；
[0024]所述单相次边单绕组高频变压器的两个输入端并联到所述高频调制电路的两个输出端。
[0025]在一实施例中，所述输出级包含桥形整流电路、第二电容以及第二放电回路，其中:
[0026]所述桥形整流电路的两个输入端并联到所述隔离级的两个输出端；
[0027]所述第二放电回路与所述第二电容并联连接到所述桥形整流电路的两个输出端。
[0028]本发明还公开了一种牵引变压方法，所述方法包含以下步骤:
[0029]利用多个级联的子变压器构造牵引变压装置；
[0030]根据实际需要启用或关闭所述牵引变压装置中的一个或多个所述子变压器以实现隔离故障的所述子变压器/启用备用的所述子变压器的目的。
[0031]与现有技术相比，本发明的牵引变压装置结构简单，运行稳定，其体积和重量大大减小，不仅减小了列车设计难度，而且大大有益于列车提速。
[0032]本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。
【附图说明】
[0033]附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中:
[0034]图1是工频变压器供电原理示意图；
[0035]图2是根据本发明一实施例原理示意图；
[0036]图3是根据本发明一实施例桥形功率子模块电路结构不意图；
[0037]图4是根据本发明一实施例旁路开关电路结构示意图；
[0038]图5是根据本发明另一实施例旁路开关电路结构示意图。
【具体实施方式】
[0039]以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0040]目前，在牵引传动系统尤其是电力机车，动车组等的牵引传动系统中，牵引主变压器为单原边多副边的单相工频变压器。如图1所示，传统的工频变压器101将供电网100的25kV的交流电压降到适合牵引电机102及其它电器工作的电压等级，其中工频变压器101的副边绕组给四象限整流装置103供电，辅助绕组给辅变电源104供电。四象限整流装置103将工频交流电压转换成直流电压，由于直流电压中含有2次脉动，还需在四象限整流装置103输出侧增加2次滤波回路105，然后再将直流电提供给逆变器106驱动牵引电机102。
[0041]然而以图1所示结构为基本结构的变压器具有明显的缺点。首先，工频变压器101的输出电压会随着负载的变化而变化，输出电压的跌落会给传动控制带来难度；其次，工频变压器101需要配套复杂的继电保护装置；再次，工频变压器101需用冷却油，容易给环境造成污染；最后，工频变压器101的体积和重量较大。
[0042]工频变压器最为突出的缺点就是其体积和重量。尤其是在轨道交通领域，主变压器的体积和重量会限制着机车的设计从而影响到列车的载客量和高速性能，特别是在动力分散的动车组上，安装空间的限制使得变压器体积和重量的影响尤为突出。
[0043]由于要求的牵引功率和回馈的制动功率大，重量将直接影响列车的提速；同时由于分散动力的牵引设备不再集中安装在机车上，而是分散安装在列车的车厢里，庞大的体积将增加列车设计难度，影响载客量。主变压器庞大的体积和重量与分散动力系统所需的大载客空间和高速运行等要求有着极大的冲突。
[0044]针对现有的工频变压器存在的问题，本发明提出了一种牵引变压装置。本发明的牵引变压装置基于中高频牵引固态变压器构造，从而克服当前工频变压器的缺点。同时，为了解决绝缘栅双极型晶体管的耐压限制，本发明的牵引变压装置采取级联结构来分压。
[0045]本发明的牵引变压装置包括多个级联的子变压器，每个子变压器均包含高压级、隔离级以及输出级。如图2所示，牵引变压装置包含η个级联的子变压器(201、202、…20η)。这里需要指出的是，图2的示意图并没有具体限制牵引变压装置所包含的子变压器的数目(η可以为任意整数)。在实际应用时牵引变压装置中包含的子变压器的数目是根据牵引变压装置的实际分压需求决定的。
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