城市軌道交通牽引系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種城市軌道交通牽引系統，包括：控制單元、儲能單元、牽引變流單元和牽引電機。牽引變流單元連接于外部供電單元的兩直流母線之間，儲能單元分別與外部供電單元的直流母線和牽引變流單元連接，儲能單元用于存儲外部供電單元提供的電能，牽引變流單元分別與控制單元和牽引電機連接，控制單元用于控制牽引變流單元對儲能單元充電儲能和/或放電釋能；將儲能單元存儲的直流電能轉換為交流電能，輸出至牽引電機驅動列車運行。本發明提供的城市軌道交通牽引系統，儲能單元在列車進站停靠時充電，在列車運行期間依靠儲能單元存儲的電能為列車供電，無需采用不間斷的接觸網為列車供電，降低了工程造價，也降低了不間斷接觸網帶來的安全隱患。
【專利說明】
城市軌道交通牽引系統
技術領域
[0001]本發明涉及動力牽引技術領域，特別是涉及城市軌道交通牽引系統。
【背景技術】
[0002]城市軌道交通主要指的是城市地鐵、城市快軌、輕軌、有軌電車等。城市軌道交通的牽引系統的基本功能是為城市軌道列車的運行提供動力驅動。
[0003]在現有技術中，城市軌道交通一般都采用連續受電的方式，通過采用架空接觸網或者地面供電軌，隨著列車的運行為列車提供不間斷的電能。相應的，目前城軌交通的牽引系統一般采用“逆變器+牽引電機”的主電路拓撲，逆變器的作用是把來自架空接觸網或者地面供電軌的電能變換為適合牽引電機的電能，牽引電機的作用是把電能轉換為機械能從而驅動城軌列車的運行。
[0004]但是，現有技術的牽引系統需要來自電網不間斷的直流電為其供電，因此受電系統必須采用接觸網或者供電軌等方式，而采用不間斷的接觸網或者供電軌的方式，無疑增加了工程造價，也具有一定的安全隱患。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種城市軌道交通牽引系統，用以解決現有技術的全程架設供電接觸網的方式存在一定的安全問題，增加了工程造價，也具有一定的安全隱患的問題。
[0006]本發明提供一種城市軌道交通牽引系統，包括:
[0007]控制單元、儲能單元、牽引變流單元和牽引電機；
[0008]所述牽引變流單元連接于外部供電單元的兩直流母線之間，所述儲能單元分別與外部供電單元的一直流母線和牽引變流單元連接；
[0009]所述儲能單元用于存儲外部供電單元提供的電能；
[0010]所述牽引變流單元分別與控制單元和所述牽引電機連接，所述控制單元用于控制所述牽引變流單元對所述儲能單元進行充電儲能和/或放電釋能;并將儲能單元存儲的直流電能轉換為交流電能，輸出至牽引電機驅動列車運行。
[0011]本發明提供的城市軌道交通牽引系統中，可以通過儲能單元在列車進站停靠時充電，而在列車運行期間依靠儲能單元存儲的電能為列車供電，從而無需采用不間斷的接觸網為列車供電，只需在車站地面安裝一小段的外部供電單元，降低了工程造價，并且也降低了不間斷接觸網帶來的安全隱患。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明實施例一提供的城市軌道交通牽引系統的結構示意圖；
[0013]圖2為本發明實施例二提供的城市軌道交通牽引系統的結構示意圖；
[0014]圖3為本發明實施例二提供的又一城市軌道交通牽引系統的結構示意圖。
[0015]附圖標記:[ΟΟ??]?-控制單元；2-儲能單元；
[0017]3-牽引變流單元；4-牽引電機；
[0018]5-外部供電單元；6-開關切換單元；
[0019]611-第一開關；621-第二開關；
[0020]622-限流電阻；31-充放電子單元；
[0021]32-逆變子單元；21-續流電抗器；
[0022]7-高速斷路器。
【具體實施方式】
[0023]實施例一
[0024]圖1為本發明實施例一提供的城市軌道交通牽引系統的結構示意圖，如圖1所示，本實施例提供的城市軌道交通牽引系統包括:控制單元1、儲能單元2、牽引變流單元3和牽引電機4，其中，牽引變流單元3連接于外部供電單元5的兩直流母線之間，儲能單元2分別與外部供電單元5的一直流母線和牽引變流單元3連接，儲能單元2用于存儲外部供電單元5提供的電能，牽引變流單元3分別與控制單元I和牽引電機4連接，控制單元I用于控制牽引變流單元3對所述儲能單元2進行充電儲能和/或放電釋能，并將存儲單元2存儲的直流電能轉換為交流電能，輸出至牽引電機4驅動列車運行。
[0025]其中，牽引變流單元3包括但不限于兩電平逆變器、三電平逆變器中的一種。牽引電機4可以但不限于為三相異步電機、永磁同步電機、直線電機。儲能單元2可以為超級電容或蓄電池或并聯的超級電容和蓄電池中的一種。
[0026]超級電容具有能量密度大、充電放電速度快的優勢，因此可以實現列車進站停靠的短時間內存儲足夠的電能，以供列車運行期間的牽引。
[0027]具體的，儲能單元2可以在短時間進行大電流充電的，從而可以在列車停站時把來自外部供電單元的直流電能通過牽引變流單元3快速存儲在超能電容或者超級電容中。或者，在列車運行時，牽引變流單元3可以把來儲能單元2的直流電能轉換為適合牽引電機4的交流電能，進一步的，牽引電機4把電能轉換為機械能從而驅動列車運行。
[0028]本實施例提供的城市軌道交通牽引系統中，可以通過儲能單元2在列車進站停靠時充電，而在列車運行期間依靠儲能單元2存儲的電能為列車供電，從而無需采用不間斷的接觸網為列車供電，只需在車站地面安裝一小段的外部供電單元，降低了工程造價，并且也降低了不間斷接觸網帶來的安全隱患。
[0029]實施例二
[0030]在上述實施例的基礎上，如圖1所示，本實施例提供的城市軌道交通牽引系統還包括:外部供電單元5與牽引變流單元3之間連接的開關切換單元6，開關切換單元6包括:相互并聯的第一開關支路和第二開關支路，其中，第一開關支路包括第一開關611，第二開關支路包括相互串聯的第二開關621和限流電阻622。開關切換單元6還與控制單元I連接，控制單元I用于控制第一開關611和第二開關621的閉合或者斷開。
[0031]具體的，當列車減速進站后，控制單元I控制第二開關621閉合，限流電阻622進行限流充電控制，控制單元I還控制牽引變流單元3處于充電工作模式下，外部供電單元I對儲能單元2供電。進一步的，控制單元I控制第二開關621斷開，第一開關611閉合，外部供電單元I對儲能單元2進行恒壓充電。
[0032]本實施例還提供一種牽引變流單元3的【具體實施方式】。圖2為本發明實施例二提供的城市軌道交通牽引系統的結構示意圖，如圖2所示，牽引變流單元3包括:充放電子單元31和逆變子單元32，其中，充放電子單元31用于接收控制單元I發送的外部充電控制信號，以根據外部充電控制信號對外部供電單元5輸出的電壓進行降壓，對儲能單元2進行充電儲會K。
[0033]充放電子單元31還用于接收控制單元I發送的放電控制信號，以根據放電控制信號對儲能單元2輸出的直流電壓進行升壓，對儲能單元2進行放電釋能，充放電子單元31還用于將升壓后的直流電壓輸出至逆變子單元32。
[0034]需要說明的是，充放電子單元31接收外部充電控制信號和放電控制信號時，可以是只接收其中的一種信號，即對于儲能單元2只進行充電儲能或者放電釋能。當然，充放電子單元31頁可以接收兩種信號，即儲能單元2可以在充電儲能的同時，也進行放電釋能。
[0035]逆變子單元32用于接收控制單元I發送的牽引控制信號，以根據牽引控制信號對充放電子單元32輸出的升壓后的直流電壓轉換為交流電壓輸出至牽引電機4，以驅動牽引電機4。
[0036]逆變子單元32還用于接收控制單元I發送的電制動回收信號，以根據電制動回收信號將牽引電機在制動時再生的交流電壓轉換為直流電壓輸出至充放電子單元31。
[0037]充放電子單元31用于接收控制單元I發送的電制動充電信號，以根據電制動充電信號將逆變子單元32輸出的直流電壓進行降壓輸出至儲能單元2，以對儲能單元2進行充電儲能。
[0038]具體的，本實施例對列車的進站充電模式、牽引運行模式、制動減速模式三種模式下牽引系統的工作狀態進行詳細的說明。
[0039]進站充電模式:列車進站后，控制單元I控制第二開關621閉合，限流電阻622進行限流充電控制，控制單元I還控制充放電子單元31處于充電工作模式下，即充放電子單元31接收控制單元I發送的外部充電控制信號，則充放電子單元31通過對外部供電單元5輸出的電壓進行PWM控制降壓后，把電能儲存在儲能單元2中，儲能單元2處于充電狀態。進一步的，控制單元I控制第二開關621斷開，第一開關611閉合，外部供電單元5對儲能單元2進行恒壓充電。
[0040]牽引運行模式:列車充電完畢后，列車啟動進入牽引運行模式，充放電子單元31接收控制單元I發送的放電控制信號，充放電子單元31根據該放電控制信號把儲能裝置2中存儲的電能進行PWM控制升壓后，把儲能單元2的電能釋放到逆變子單元32的直流母線上，另一方面控制逆變子單元32接收控制單元I發送的牽引控制信號，把直流母線上來自儲能單元2的直流電能進行PffM控制變換為適合驅動牽引電機4的交流電能，牽引電機4完成電能到機械能的轉換，從而驅動列車牽引運行。
[0041]制動減速模式:當列車制動減速時，牽引電機4可以將機械能轉換為電能，這部分轉換的電能就是再生電能。逆變子單元32—方面接收控制單元I發送的電制動回收信號，逆變子單元32根據該電制動回收信號將來自牽引電機4的再生交流電能進行PWM控制轉換為直流電能反饋到直流母線上，另一方面充放電子單元31同時接收控制單元I發送的電制動回收信號，充放電子單元31將直流母線上的再生直流電壓進行PffM控制降壓后，把再生的電能存儲至儲能單元2中，這部分再生的電能可以在下次牽引時重復使用。
[0042]由于城市軌道列車的特點就是頻繁的啟動和停車，本實施例提供的牽引變流單元3通過控制逆變子單元32和充放電子單元31可以實現對列車制動時的再生電能存儲至儲能單元2中，實現再生電能的重復利用，因此本發明提供的牽引系統具有很高的節能效果。
[0043]可選的，逆變子單元32可以為多個絕緣柵雙極型晶體管功率器件(InsulatedGate Bipolar Transistor，簡稱IGBT)組成的兩電平逆變器或者三電平逆變器。
[0044]圖3為本發明實施例二提供的又一城市軌道交通牽引系統的結構示意圖，如圖3所示，充放電子單元31包括兩個串聯的IGBT，逆變子單元32包括:相互并聯的三個橋臂，每個橋臂包括兩個串聯的IGBT。
[0045]牽引變流單元3可以等效為四橋臂的變流器，控制單元I通過控制充放電子單元31中的IGBT的導通時間、以及開關周期等實現降壓或升壓，通過控制逆變子單元32中的IGBT導通時間、以及開關周期等可以實現將儲能單元2輸出的直流電轉換為交流電，通過脈沖調制實現對驅動電機4的驅動。
[0046]可選的，儲能單元2的一端可以通過續流電抗器21連接在充放電子單元的兩個串聯的IGBT之間。續流電抗器21可以穩定儲能單元2輸出的直流電壓，還可以隔斷外部供電單元5帶來的高頻干擾。
[0047]進一步的，在上述實施例的基礎上，為了保護電路的安全，可以在開關切換單元6與外部供電單元5之間設置高速斷路器7，從而可以在發生故障時可以快速切斷牽引變流單元3與外部供電單元5之間的線路，保證牽引變流單元3以及儲能單元2等的線路安全。
[0048]另外，在外部供電單元5與高速斷路器7之間可以設置有避雷針，避雷針可以吸收感應過電壓或者操作過電壓保護電路的安全。
[0049]本實施例提供的城市軌道交通牽引系統，牽引變流單元3可以等效為四橋臂的變流器，控制單元I通過控制充放電子單元31中的IGBT的導通時間、開關周期等實現降壓或升壓，通過控制逆變子單元32中的IGBT導通時間、開關周期等可以實現將儲能單元2輸出的直流電轉換為交流電，進而實現對驅動電機4的驅動。
[0050]最后應說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制;盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。
【主權項】
1.一種城市軌道交通牽引系統，其特征在于，包括:控制單元、儲能單元、牽引變流單元和牽引電機； 所述牽弓I變流單元連接于外部供電單元的兩直流母線之間； 所述儲能單元分別與外部供電單元的一直流母線和牽引變流單元連接，所述儲能單元用于存儲外部供電單元提供的電能； 所述牽引變流單元分別與控制單元和所述牽引電機連接，所述控制單元用于控制所述牽引變流單元對所述儲能單元進行充電儲能和/或放電釋能，并將儲能單元存儲的直流電能轉換為交流電能，輸出至牽引電機驅動列車運行。2.根據權利要求1所述的城市軌道交通牽引系統，其特征在于，所述外部供電單元與所述牽引變流單元之間還連接有開關切換單元，所述開關切換單元包括:相互并聯的第一開關支路和第二開關支路，所述第一開關支路包括第一開關，所述第二開關支路包括相互串聯的第二開關和限流電阻； 所述開關切換單元還與所述控制單元連接，所述控制單元用于控制所述第一開關和所述第二開關的閉合或者斷開。3.根據權利要求1所述的城市軌道交通牽引系統，其特征在于，牽引變流單元包括:充放電子單元和逆變子單元； 所述充放電子單元用于接收控制單元發送的外部充電控制信號，以根據所述外部充電控制信號對所述外部供電單元輸出的電壓進行降壓，對所述儲能單元進行充電儲能； 所述充放電子單元還用于接收控制單元發送的放電控制信號，以根據所述放電控制信號對所述儲能單元輸出的直流電壓進行升壓，對所述儲能單元進行放電釋能，所述充放電子單元還用于將升壓后的直流電壓輸出至所述逆變子單元。4.根據權利要求3所述的城市軌道交通牽引系統，其特征在于， 所述逆變子單元用于接收控制單元發送的牽引控制信號，以根據所述牽引控制信號對所述充放電子單元輸出的升壓后的直流電壓轉換為交流電壓輸出至牽引電機，以驅動所述牽引電機。5.根據權利要求3所述的城市軌道交通牽引系統，其特征在于，所述逆變子單元還用于接收控制單元發送的電制動回收信號，以根據所述電制動回收信號將牽引電機在制動時再生的交流電壓轉換為直流電壓輸出至所述充放電子單元。6.根據權利要求5所述的城市軌道交通牽引系統，其特征在于，所述充放電子單元用于接收控制單元發送的電制動充電信號，以根據所述電制動充電信號將所述逆變子單元輸出的直流電壓進行降壓輸出至所述儲能單元，以對所述儲能單元進行充電儲能。7.根據權利要求1所述的城市軌道交通牽引系統，其特征在于，所述儲能單元為超級電容或蓄電池或并聯的超級電容和蓄電池。8.根據權利要求3所述的城市軌道交通牽引系統，其特征在于，所述充放電子單元包括兩個串聯的IGBT，所述逆變子單元包括:相互并聯的三個橋臂，每個橋臂包括兩個串聯的IGBT09.根據權利要求8所述的城市軌道交通牽引系統，其特征在于，所述儲能單元的一端通過續流電抗器連接在所述充放電子單元的兩個串聯的IGBT之間。10.根據權利要求2所述的城市軌道交通牽引系統，其特征在于，所述開關切換單元與所述外部供電單元之間還連接有高速斷路器。
【文檔編號】B60L11/18GK105904987SQ201610279325
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月28日
【發明人】車向中, 郭建斌, 姜濤, 馬晨普
【申請人】中車大連電力牽引研發中心有限公司