國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作天津中心 王 紅

0 引言

主牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)主要由受電弓、牽引變壓器、牽引變流器及牽引電機(jī)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?chē)頂上的受電弓，受電弓通過(guò)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(guò)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(jī)，通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而牽引整個(gè)列車(chē)。

牽引變流器作為牽引系統(tǒng)的核心重要部件，實(shí)現(xiàn)電力變換，并對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)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(jī)側(cè)三相逆變器等構(gòu)成。近年來(lái)隨著對(duì)變流器拓?fù)浣Y(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(dòng)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(zhuān)利申請(qǐng)也在逐年增加。

本文在德溫特世界專(zhuān)利索引數(shù)據(jù)庫(kù) (DWPI) 中進(jìn)行檢索，檢索范圍為 2016 年 12 月 31 日之前公開(kāi)的全球?qū)＠墨I(xiàn)。主要從涉及牽引變流器的專(zhuān)利申請(qǐng)量、國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)人和關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行分析，同時(shí)梳理其中關(guān)鍵技術(shù)的重點(diǎn)專(zhuān)利申請(qǐng)。

1 專(zhuān)利申請(qǐng)狀況分析

1.1 申請(qǐng)量及專(zhuān)利公開(kāi)地區(qū)分析

圖1給出了牽引變流器技術(shù)全球?qū)＠暾?qǐng)量的發(fā)展趨勢(shì)，牽引變流器技術(shù)的第一項(xiàng)專(zhuān)利出現(xiàn)在1981年，隨后1983年和1984年的專(zhuān)利量出現(xiàn)小高峰。而1985年之后的幾年內(nèi)專(zhuān)利量寥寥無(wú)幾，直至1992年專(zhuān)利量小幅提升。2000年之后專(zhuān)利量在小幅波動(dòng)中穩(wěn)步提升，尤其是2006 年專(zhuān)利量突破20項(xiàng)，并于2012年達(dá)到高點(diǎn)。2006年之后，牽引變流器技術(shù)在我國(guó)的專(zhuān)利量也明顯增大，高速列車(chē)牽引技術(shù)順利完成了引進(jìn)、消化、吸收過(guò)程，轉(zhuǎn)而進(jìn)入研發(fā)創(chuàng)新階段。

牽引變流器技術(shù)全球?qū)＠墓_(kāi)地區(qū)與組織分布情況如圖2所示，其中，專(zhuān)利公開(kāi)量最多的國(guó)家是中國(guó)，其次是日本，在歐洲專(zhuān)利局的公開(kāi)量次之。近些年，在國(guó)家政策引導(dǎo)下，我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，對(duì)高速列車(chē)的需求量大幅增加，各國(guó)機(jī)車(chē)制造商為搶占中國(guó)市場(chǎng)，積極在中國(guó)進(jìn)行專(zhuān)利布局，使得中國(guó)成為牽引系統(tǒng)領(lǐng)域公開(kāi)量最多的國(guó)家。日本的高速列車(chē)技術(shù)發(fā)展早，且高速列車(chē)牽引技術(shù)先進(jìn)，因而其專(zhuān)利公開(kāi)量?jī)H次于中國(guó)。

圖1 牽引變流器技術(shù)全球?qū)＠暾?qǐng)量的發(fā)展趨勢(shì)

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

1.2 重點(diǎn)專(zhuān)利申請(qǐng)人分析

圖3是申請(qǐng)人全球申請(qǐng)量排名，從高速列車(chē)牽引變流器技術(shù)全球?qū)＠笆簧暾?qǐng)人的排名情況來(lái)看，日本企業(yè)東芝、日立、三菱電機(jī)位居前三位，三家企業(yè)的專(zhuān)利數(shù)量占全球?qū)＠偭康暮艽蟊壤?，足?jiàn)其高速列車(chē)牽引技術(shù)的發(fā)達(dá)。排名第四的是德國(guó)西門(mén)子公司，其專(zhuān)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(qǐng)人中還有三個(gè)中國(guó)申請(qǐng)人，分別是株洲南車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司、浙江大學(xué)和長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，說(shuō)明中國(guó)的高速列車(chē)牽引技術(shù)也具有了一定實(shí)力。

圖3

2 牽引變流器技術(shù)主要申請(qǐng)人專(zhuān)利

2.1 東芝株式會(huì)社

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

公開(kāi)號(hào)為JPS62155789 A的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種牽引變流器的控制方法，通過(guò)恒壓變頻控制方式來(lái)提高功率因數(shù)和效率，提高列車(chē)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(kāi)號(hào)為JPH05260608 A的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種具有可調(diào)電壓可調(diào)頻率變流器的列車(chē)牽引系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輪打滑時(shí)，通過(guò)將輸入電壓作為電壓指令值來(lái)使?fàn)恳兞髌鞴ぷ髟赩VVF模式，從而避免車(chē)輪打滑。

公開(kāi)號(hào)為JPH0646505 A的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了牽引列車(chē)動(dòng)態(tài)制動(dòng)系統(tǒng)，在牽引變流器與電動(dòng)機(jī)之間加入制動(dòng)電阻，在制動(dòng)過(guò)程中采用冷卻風(fēng)扇對(duì)電阻進(jìn)行冷卻，提高了系統(tǒng)工作的可靠性，防止了溫升。

公開(kāi)號(hào)為JPH07245803 A的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種牽引變流器過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)，變流器包括濾波電容，當(dāng)電流正常值通過(guò)負(fù)載時(shí)，不進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，在變流器或負(fù)載發(fā)生短路故障時(shí)，限流元件動(dòng)作，從而避免了短路故障的發(fā)生。

公開(kāi)號(hào)為JPH08242502 A的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種牽引變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠在輔助變流器出現(xiàn)故障時(shí)，開(kāi)關(guān)控制器對(duì)主變流器進(jìn)行控制，使其主變流器能提供交流電力到電力機(jī)車(chē)，避免牽引系統(tǒng)出現(xiàn)損壞。

“營(yíng)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(yíng)改增”政策。本文政策含義在于“營(yíng)改增”確實(shí)降低了生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)的稅收負(fù)擔(dān)，起到減稅的預(yù)期目標(biāo)，但是其并未明顯提升生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)的盈利能力，“營(yíng)改增”后的增值稅仍然存在進(jìn)一步完善的空間，比如規(guī)范扣除范圍、進(jìn)一步簡(jiǎn)化并降低稅率等。

公開(kāi)號(hào)為JPH09308254 A的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種牽引變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有兩路并聯(lián)的牽引逆變器，電流檢測(cè)元件檢測(cè)流入各逆變器的電流，當(dāng)任一逆變器的電流值小于另一逆變器的電流值時(shí)，補(bǔ)償電路進(jìn)行電流補(bǔ)償。

公開(kāi)號(hào)為JP2001245401 A的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種電氣列車(chē)牽引變流器，在牽引變流器輸入端設(shè)置濾波電容，包括對(duì)濾波電容進(jìn)行充電的預(yù)充電電路，對(duì)與預(yù)充電電阻并聯(lián)的開(kāi)關(guān)進(jìn)行故障檢測(cè)，使系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

公開(kāi)號(hào)為JP2003264902 A的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)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(jìn)行VVVF控制，另一路進(jìn)行CVCF控制，對(duì)兩路變流器實(shí)施強(qiáng)制風(fēng)冷。

公開(kāi)號(hào)為JP2004007991 A的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種高速列車(chē)牽引變流器拓?fù)浣Y(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?fàn)恳儔浩鞫蝹?cè)電壓穩(wěn)定地提高。

公開(kāi)號(hào)為JP2005304156 A的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種牽引變流器控制電路及其控制方法，通過(guò)計(jì)算整流器和逆變器的電功率來(lái)對(duì)功率開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，有效減小了變流器間電流不平衡的問(wèn)題。

公開(kāi)號(hào)為JP2009095080 A的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種牽引變流器的輔助電源，在發(fā)生停電故障時(shí)，控制裝置控制電池放電，逆變器可以不通過(guò)牽引變壓器產(chǎn)生的交流電供電。

公開(kāi)號(hào)為CN105189187 A的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種電力機(jī)車(chē)控制裝置和電力機(jī)車(chē)控制方法，包括多路牽引變流器，在向客車(chē)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(duì)乘客的服務(wù)質(zhì)量降低。

公開(kāi)號(hào)為CN104108319 A的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種電力機(jī)車(chē)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(xiàn)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(dòng)用電動(dòng)機(jī)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(jī)車(chē)內(nèi)的包括壓縮機(jī)在內(nèi)的設(shè)備；以及客車(chē)電源電路，把降壓得到的直流電力供給到電力機(jī)車(chē)牽引的客車(chē)內(nèi)的包括空調(diào)裝置在內(nèi)的設(shè)備。

2.2 株洲南車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司

株洲南車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司是隸屬于南車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司的一家上市子公司，該公司是我國(guó)軌道交通電傳動(dòng)裝備的領(lǐng)先者，致力于新一代高速動(dòng)車(chē)組技術(shù)擔(dān)當(dāng)牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的研制任務(wù)。該公司在牽引變流器技術(shù)上的專(zhuān)利申請(qǐng)量較東芝、日立、三菱等國(guó)外公司并不突出，但仍有一些重要專(zhuān)利申請(qǐng)，相繼開(kāi)發(fā)了多種應(yīng)用產(chǎn)品，是國(guó)內(nèi)京滬高鐵動(dòng)車(chē)組的關(guān)鍵部件供應(yīng)商。

公開(kāi)號(hào)為CN101834552 A的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種高速車(chē)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(tái)逆變器和分別由每臺(tái)逆變器單獨(dú)控制的相應(yīng)的永磁同步電機(jī)。提高了干線(xiàn)高速車(chē)輛永磁同步牽引系統(tǒng)的整體性能。

公開(kāi)號(hào)為CN103158566 A的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，其通過(guò)一臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)為牽引電動(dòng)機(jī)及輔助組件供電，牽引逆變器的數(shù)量等于一個(gè)轉(zhuǎn)向架中牽引電動(dòng)機(jī)的數(shù)量，即一個(gè)變流模塊中包括三個(gè)牽引逆變器，每個(gè)牽引逆變器為一個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)了交流電傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于全車(chē)的一體化供電。

公開(kāi)號(hào)為CN104648170 A的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種雙流制城際車(chē)電氣牽引系統(tǒng)，兩個(gè)牽引整流-逆變器橋用來(lái)給四個(gè)牽引電機(jī)供電，即每個(gè)牽引整流-逆變器橋用來(lái)為兩個(gè)牽引電機(jī)供電，通過(guò)交流和直流的共用，實(shí)現(xiàn)了雙流制牽引，通過(guò)與地面能量吸收裝置的配合，在車(chē)載部分，去掉了制動(dòng)電阻，減輕了車(chē)輛的重量，提高了車(chē)輛的性能。

3 總結(jié)

本文通過(guò)專(zhuān)利申請(qǐng)著重分析了現(xiàn)有的牽引變流器技術(shù)發(fā)展情況，同時(shí)介紹了一些重要申請(qǐng)人的重點(diǎn)專(zhuān)利，從而能夠快速獲得現(xiàn)有技術(shù)，理解發(fā)明，有針對(duì)性的對(duì)相關(guān)專(zhuān)利進(jìn)行檢索審查。

[1]黃濟(jì)榮.電力牽引交流傳動(dòng)與控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.