牵引变流器技术专利分析

时间：2024-09-03

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心王红

0 引言

主牵引电传动系统主要由受电弓、牵引变压器、牵引变流器及牵引电机组成。其工作原理为，首先要靠牵引供电系统，将电力传输到车顶上的受电弓，受电弓通过电网接入 25kV 的高压交流电，输送给牵引变压器，降压成 1500V 的交流电，降压后的交流电再输入牵引变流器，通过一系列的处理，变成电压和频率均可控制的三相交流电，输送给牵引电机，通过电机的转动而牵引整个列车。

牵引变流器作为牵引系统的核心重要部件，实现电力变换，并对牵引电动机起控制和调节作用，牵引变流器主要由交流-直流整流器、中间斩波电路、电机侧三相逆变器等构成。近年来随着对变流器拓扑结构的研究，以及电力电子器件的不断更新发展，交流传动牵引变流器技术也在不断创新和不断成熟，牵引变流器的专利申请也在逐年增加。

本文在德温特世界专利索引数据库 (DWPI) 中进行检索，检索范围为 2016 年 12 月 31 日之前公开的全球专利文献。主要从涉及牵引变流器的专利申请量、国内外申请人和关键技术等方面进行分析，同时梳理其中关键技术的重点专利申请。

1 专利申请状况分析

1.1 申请量及专利公开地区分析

图1给出了牵引变流器技术全球专利申请量的发展趋势，牵引变流器技术的第一项专利出现在1981年，随后1983年和1984年的专利量出现小高峰。而1985年之后的几年内专利量寥寥无几，直至1992年专利量小幅提升。2000年之后专利量在小幅波动中稳步提升，尤其是2006 年专利量突破20项，并于2012年达到高点。2006年之后，牵引变流器技术在我国的专利量也明显增大，高速列车牵引技术顺利完成了引进、消化、吸收过程，转而进入研发创新阶段。

牵引变流器技术全球专利的公开地区与组织分布情况如图2所示，其中，专利公开量最多的国家是中国，其次是日本，在欧洲专利局的公开量次之。近些年，在国家政策引导下，我国高速铁路快速发展，对高速列车的需求量大幅增加，各国机车制造商为抢占中国市场，积极在中国进行专利布局，使得中国成为牵引系统领域公开量最多的国家。日本的高速列车技术发展早，且高速列车牵引技术先进，因而其专利公开量仅次于中国。

图1 牵引变流器技术全球专利申请量的发展趋势

图2 牵引变流器技术全球专利的公开地区与组织分布情况

1.2 重点专利申请人分析

图3是申请人全球申请量排名，从高速列车牵引变流器技术全球专利前十位申请人的排名情况来看，日本企业东芝、日立、三菱电机位居前三位，三家企业的专利数量占全球专利总量的很大比例，足见其高速列车牵引技术的发达。排名第四的是德国西门子公司，其专利主要集中在牵引系统和牵引变流器技术。此外，前十位申请人中还有三个中国申请人，分别是株洲南车时代电气股份有限公司、浙江大学和长春轨道客车股份有限公司，说明中国的高速列车牵引技术也具有了一定实力。

图3

2 牵引变流器技术主要申请人专利

2.1 东芝株式会社

东芝株式会社从1983年开始共申请相关专利58篇，其将牵引变流器技术作为研发重点。东芝不管是从专利数量，还是从技术范围，较其他公司都更加有优势，且东芝从1983年就有该领域的专利申请，技术研发较早，并且也具有多项重要专利。

公开号为JPS62155789 A的专利申请公开了一种牵引变流器的控制方法，通过恒压变频控制方式来提高功率因数和效率，提高列车从低速区到高速区的性能，控制牵引变流器的输出频率在转矩恒定区间与速度成一定比例。

公开号为JPH05260608 A的专利申请公开了一种具有可调电压可调频率变流器的列车牵引系统，当检测到车轮打滑时，通过将输入电压作为电压指令值来使牵引变流器工作在VVVF模式，从而避免车轮打滑。

公开号为JPH0646505 A的专利申请公开了牵引列车动态制动系统，在牵引变流器与电动机之间加入制动电阻，在制动过程中采用冷却风扇对电阻进行冷却，提高了系统工作的可靠性，防止了温升。

公开号为JPH07245803 A的专利申请公开了一种牵引变流器过流保护系统，变流器包括滤波电容，当电流正常值通过负载时，不进行过流保护，在变流器或负载发生短路故障时，限流元件动作，从而避免了短路故障的发生。

公开号为JPH08242502 A的专利申请公开了一种牵引变流器拓扑结构，能够在辅助变流器出现故障时，开关控制器对主变流器进行控制，使其主变流器能提供交流电力到电力机车，避免牵引系统出现损坏。

“营改增”并未有效提升生产性服务业的盈利能力，我们的政策含义并非是否定“营改增”政策。本文政策含义在于“营改增”确实降低了生产性服务业的税收负担，起到减税的预期目标，但是其并未明显提升生产性服务业的盈利能力，“营改增”后的增值税仍然存在进一步完善的空间，比如规范扣除范围、进一步简化并降低税率等。

公开号为JPH09308254 A的专利申请公开了一种牵引变流器拓扑结构，具有两路并联的牵引逆变器，电流检测元件检测流入各逆变器的电流，当任一逆变器的电流值小于另一逆变器的电流值时，补偿电路进行电流补偿。

公开号为JP2001245401 A的专利申请公开了一种电气列车牵引变流器，在牵引变流器输入端设置滤波电容，包括对滤波电容进行充电的预充电电路，对与预充电电阻并联的开关进行故障检测，使系统可靠运行。

公开号为JP2003264902 A的专利申请公开了一种牵引变流器及冷却控制装置，两路并联逆变器的一路进行VVVF控制，另一路进行CVCF控制，对两路变流器实施强制风冷。

公开号为JP2004007991 A的专利申请公开了一种高速列车牵引变流器拓扑结构，包括牵引变压器和牵引变流器，整流器后连接滤波电容，使牵引变压器二次侧电压稳定地提高。

公开号为JP2005304156 A的专利申请公开了一种牵引变流器控制电路及其控制方法，通过计算整流器和逆变器的电功率来对功率开关进行控制，有效减小了变流器间电流不平衡的问题。

公开号为JP2009095080 A的专利申请公开了一种牵引变流器的辅助电源，在发生停电故障时，控制装置控制电池放电，逆变器可以不通过牵引变压器产生的交流电供电。

公开号为CN105189187 A的专利申请公开了一种电力机车控制装置和电力机车控制方法，包括多路牵引变流器，在向客车供给电源的电源装置发生了故障的情况下也能够避免对乘客的服务质量降低。

公开号为CN104108319 A的专利申请公开了一种电力机车牵引系统，可以减小电源装置的尺寸。包括主变换装置，利用变流器把从架空线供给的交流电力变换成直流电力，利用逆变器把该直流电力变换成控制驱动用电动机的交流电力；以及辅助电源电路，利用逆变器把降压得到的直流电力变换成交流电力，并供给到电力机车内的包括压缩机在内的设备；以及客车电源电路，把降压得到的直流电力供给到电力机车牵引的客车内的包括空调装置在内的设备。

2.2 株洲南车时代电气股份有限公司

株洲南车时代电气股份有限公司是隶属于南车株洲电力机车研究所有限公司的一家上市子公司，该公司是我国轨道交通电传动装备的领先者，致力于新一代高速动车组技术担当牵引电传动系统的研制任务。该公司在牵引变流器技术上的专利申请量较东芝、日立、三菱等国外公司并不突出，但仍有一些重要专利申请，相继开发了多种应用产品，是国内京沪高铁动车组的关键部件供应商。

公开号为CN101834552 A的专利申请公开了一种高速车辆的永磁同步牵引系统，牵引变压器副边双绕组，包括多台逆变器和分别由每台逆变器单独控制的相应的永磁同步电机。提高了干线高速车辆永磁同步牵引系统的整体性能。

公开号为CN103158566 A的专利申请公开了一种牵引传动系统，其通过一台发电机同时为牵引电动机及辅助组件供电，牵引逆变器的数量等于一个转向架中牵引电动机的数量，即一个变流模块中包括三个牵引逆变器，每个牵引逆变器为一个牵引电动机供电，实现了交流电传动系统对于全车的一体化供电。

公开号为CN104648170 A的专利申请公开了一种双流制城际车电气牵引系统，两个牵引整流-逆变器桥用来给四个牵引电机供电，即每个牵引整流-逆变器桥用来为两个牵引电机供电，通过交流和直流的共用，实现了双流制牵引，通过与地面能量吸收装置的配合，在车载部分，去掉了制动电阻，减轻了车辆的重量，提高了车辆的性能。