牽引變流器技術(shù)專利分析

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心 王 紅

0 引言

主牽引電傳動系統(tǒng)主要由受電弓、牽引變壓器、牽引變流器及牽引電機組成。其工作原理為，首先要靠牽引供電系統(tǒng)，將電力傳輸?shù)杰図斏系氖茈姽茈姽ㄟ^電網(wǎng)接入 25kV 的高壓交流電，輸送給牽引變壓器，降壓成 1500V 的交流電，降壓后的交流電再輸入牽引變流器，通過一系列的處理，變成電壓和頻率均可控制的三相交流電，輸送給牽引電機，通過電機的轉(zhuǎn)動而牽引整個列車。

牽引變流器作為牽引系統(tǒng)的核心重要部件，實現(xiàn)電力變換，并對牽引電動機起控制和調(diào)節(jié)作用，牽引變流器主要由交流-直流整流器、中間斬波電路、電機側(cè)三相逆變器等構(gòu)成。近年來隨著對變流器拓撲結(jié)構(gòu)的研究，以及電力電子器件的不斷更新發(fā)展，交流傳動牽引變流器技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和不斷成熟，牽引變流器的專利申請也在逐年增加。

本文在德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫 (DWPI) 中進行檢索，檢索范圍為 2016 年 12 月 31 日之前公開的全球?qū)＠墨I。主要從涉及牽引變流器的專利申請量、國內(nèi)外申請人和關(guān)鍵技術(shù)等方面進行分析，同時梳理其中關(guān)鍵技術(shù)的重點專利申請。

1 專利申請狀況分析

1.1 申請量及專利公開地區(qū)分析

圖1給出了牽引變流器技術(shù)全球?qū)＠暾埩康陌l(fā)展趨勢，牽引變流器技術(shù)的第一項專利出現(xiàn)在1981年，隨后1983年和1984年的專利量出現(xiàn)小高峰。而1985年之后的幾年內(nèi)專利量寥寥無幾，直至1992年專利量小幅提升。2000年之后專利量在小幅波動中穩(wěn)步提升，尤其是2006 年專利量突破20項，并于2012年達到高點。2006年之后，牽引變流器技術(shù)在我國的專利量也明顯增大，高速列車牽引技術(shù)順利完成了引進、消化、吸收過程，轉(zhuǎn)而進入研發(fā)創(chuàng)新階段。

牽引變流器技術(shù)全球?qū)＠墓_地區(qū)與組織分布情況如圖2所示，其中，專利公開量最多的國家是中國，其次是日本，在歐洲專利局的公開量次之。近些年，在國家政策引導(dǎo)下，我國高速鐵路快速發(fā)展，對高速列車的需求量大幅增加，各國機車制造商為搶占中國市場，積極在中國進行專利布局，使得中國成為牽引系統(tǒng)領(lǐng)域公開量最多的國家。日本的高速列車技術(shù)發(fā)展早，且高速列車牽引技術(shù)先進，因而其專利公開量僅次于中國。

圖1 牽引變流器技術(shù)全球?qū)＠暾埩康陌l(fā)展趨勢

圖2 牽引變流器技術(shù)全球?qū)＠墓_地區(qū)與組織分布情況

1.2 重點專利申請人分析

圖3是申請人全球申請量排名，從高速列車牽引變流器技術(shù)全球?qū)＠笆簧暾埲说呐琶闆r來看，日本企業(yè)東芝、日立、三菱電機位居前三位，三家企業(yè)的專利數(shù)量占全球?qū)＠偭康暮艽蟊壤阋娖涓咚倭熊嚑恳夹g(shù)的發(fā)達。排名第四的是德國西門子公司，其專利主要集中在牽引系統(tǒng)和牽引變流器技術(shù)。此外，前十位申請人中還有三個中國申請人，分別是株洲南車時代電氣股份有限公司、浙江大學(xué)和長春軌道客車股份有限公司，說明中國的高速列車牽引技術(shù)也具有了一定實力。

圖3

2 牽引變流器技術(shù)主要申請人專利

2.1 東芝株式會社

東芝株式會社從1983年開始共申請相關(guān)專利58篇，其將牽引變流器技術(shù)作為研發(fā)重點。東芝不管是從專利數(shù)量，還是從技術(shù)范圍，較其他公司都更加有優(yōu)勢，且東芝從1983年就有該領(lǐng)域的專利申請，技術(shù)研發(fā)較早，并且也具有多項重要專利。

公開號為JPS62155789 A的專利申請公開了一種牽引變流器的控制方法，通過恒壓變頻控制方式來提高功率因數(shù)和效率，提高列車從低速區(qū)到高速區(qū)的性能，控制牽引變流器的輸出頻率在轉(zhuǎn)矩恒定區(qū)間與速度成一定比例。

公開號為JPH05260608 A的專利申請公開了一種具有可調(diào)電壓可調(diào)頻率變流器的列車牽引系統(tǒng)，當檢測到車輪打滑時，通過將輸入電壓作為電壓指令值來使牽引變流器工作在VVVF模式，從而避免車輪打滑。

公開號為JPH0646505 A的專利申請公開了牽引列車動態(tài)制動系統(tǒng)，在牽引變流器與電動機之間加入制動電阻，在制動過程中采用冷卻風(fēng)扇對電阻進行冷卻，提高了系統(tǒng)工作的可靠性，防止了溫升。

公開號為JPH07245803 A的專利申請公開了一種牽引變流器過流保護系統(tǒng)，變流器包括濾波電容，當電流正常值通過負載時，不進行過流保護，在變流器或負載發(fā)生短路故障時，限流元件動作，從而避免了短路故障的發(fā)生。

公開號為JPH08242502 A的專利申請公開了一種牽引變流器拓撲結(jié)構(gòu)，能夠在輔助變流器出現(xiàn)故障時，開關(guān)控制器對主變流器進行控制，使其主變流器能提供交流電力到電力機車，避免牽引系統(tǒng)出現(xiàn)損壞。

“營改增”并未有效提升生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)的盈利能力，我們的政策含義并非是否定“營改增”政策。本文政策含義在于“營改增”確實降低了生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)的稅收負擔，起到減稅的預(yù)期目標，但是其并未明顯提升生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)的盈利能力，“營改增”后的增值稅仍然存在進一步完善的空間，比如規(guī)范扣除范圍、進一步簡化并降低稅率等。

公開號為JPH09308254 A的專利申請公開了一種牽引變流器拓撲結(jié)構(gòu)，具有兩路并聯(lián)的牽引逆變器，電流檢測元件檢測流入各逆變器的電流，當任一逆變器的電流值小于另一逆變器的電流值時，補償電路進行電流補償。

公開號為JP2001245401 A的專利申請公開了一種電氣列車牽引變流器，在牽引變流器輸入端設(shè)置濾波電容，包括對濾波電容進行充電的預(yù)充電電路，對與預(yù)充電電阻并聯(lián)的開關(guān)進行故障檢測，使系統(tǒng)可靠運行。

公開號為JP2003264902 A的專利申請公開了一種牽引變流器及冷卻控制裝置，兩路并聯(lián)逆變器的一路進行VVVF控制，另一路進行CVCF控制，對兩路變流器實施強制風(fēng)冷。

公開號為JP2004007991 A的專利申請公開了一種高速列車牽引變流器拓撲結(jié)構(gòu)，包括牽引變壓器和牽引變流器，整流器后連接濾波電容，使牽引變壓器二次側(cè)電壓穩(wěn)定地提高。

公開號為JP2005304156 A的專利申請公開了一種牽引變流器控制電路及其控制方法，通過計算整流器和逆變器的電功率來對功率開關(guān)進行控制，有效減小了變流器間電流不平衡的問題。

公開號為JP2009095080 A的專利申請公開了一種牽引變流器的輔助電源，在發(fā)生停電故障時，控制裝置控制電池放電，逆變器可以不通過牽引變壓器產(chǎn)生的交流電供電。

公開號為CN105189187 A的專利申請公開了一種電力機車控制裝置和電力機車控制方法，包括多路牽引變流器，在向客車供給電源的電源裝置發(fā)生了故障的情況下也能夠避免對乘客的服務(wù)質(zhì)量降低。

公開號為CN104108319 A的專利申請公開了一種電力機車牽引系統(tǒng)，可以減小電源裝置的尺寸。包括主變換裝置，利用變流器把從架空線供給的交流電力變換成直流電力，利用逆變器把該直流電力變換成控制驅(qū)動用電動機的交流電力；以及輔助電源電路，利用逆變器把降壓得到的直流電力變換成交流電力，并供給到電力機車內(nèi)的包括壓縮機在內(nèi)的設(shè)備；以及客車電源電路，把降壓得到的直流電力供給到電力機車牽引的客車內(nèi)的包括空調(diào)裝置在內(nèi)的設(shè)備。

2.2 株洲南車時代電氣股份有限公司

株洲南車時代電氣股份有限公司是隸屬于南車株洲電力機車研究所有限公司的一家上市子公司，該公司是我國軌道交通電傳動裝備的領(lǐng)先者，致力于新一代高速動車組技術(shù)擔當牽引電傳動系統(tǒng)的研制任務(wù)。該公司在牽引變流器技術(shù)上的專利申請量較東芝、日立、三菱等國外公司并不突出，但仍有一些重要專利申請，相繼開發(fā)了多種應(yīng)用產(chǎn)品，是國內(nèi)京滬高鐵動車組的關(guān)鍵部件供應(yīng)商。

公開號為CN101834552 A的專利申請公開了一種高速車輛的永磁同步牽引系統(tǒng)，牽引變壓器副邊雙繞組，包括多臺逆變器和分別由每臺逆變器單獨控制的相應(yīng)的永磁同步電機。提高了干線高速車輛永磁同步牽引系統(tǒng)的整體性能。

公開號為CN103158566 A的專利申請公開了一種牽引傳動系統(tǒng)，其通過一臺發(fā)電機同時為牽引電動機及輔助組件供電，牽引逆變器的數(shù)量等于一個轉(zhuǎn)向架中牽引電動機的數(shù)量，即一個變流模塊中包括三個牽引逆變器，每個牽引逆變器為一個牽引電動機供電，實現(xiàn)了交流電傳動系統(tǒng)對于全車的一體化供電。

公開號為CN104648170 A的專利申請公開了一種雙流制城際車電氣牽引系統(tǒng)，兩個牽引整流-逆變器橋用來給四個牽引電機供電，即每個牽引整流-逆變器橋用來為兩個牽引電機供電，通過交流和直流的共用，實現(xiàn)了雙流制牽引，通過與地面能量吸收裝置的配合，在車載部分，去掉了制動電阻，減輕了車輛的重量，提高了車輛的性能。

3 總結(jié)

本文通過專利申請著重分析了現(xiàn)有的牽引變流器技術(shù)發(fā)展情況，同時介紹了一些重要申請人的重點專利，從而能夠快速獲得現(xiàn)有技術(shù)，理解發(fā)明，有針對性的對相關(guān)專利進行檢索審查。

[1]黃濟榮.電力牽引交流傳動與控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.