轨道交通工具转换器 |
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| 申请号 | CN201210539014.1 | 申请日 | 2012-12-13 | 公开(公告)号 | CN103166498B | 公开(公告)日 | 2017-10-20 |
| 申请人 | 勃姆巴迪尔运输有限公司; | 发明人 | H·邦森; L·克鲁斯; 王璐宇; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及轨道交通工具转换器。一种轨道交通工具转换器包括： 块 波发生器（20），被配置为连接到直流 电压 源（21）并连接到串行谐振链路（34）或电感性链路，用于提供具有半正弦 电流 脉冲的直流转换器（41）的输入。所述直流转换器具有至少一个 相位 支路（42‑44），所述相位支路一方面具有连接到所述链路（34）并且能够在跨过其的双方向阻断电压并在双方向上传导电流从其通过的一个 开关 （45‑47）并且在另一方面具有与其 串联 连接的电容器（48‑50）。跨所述直流转换器的所述电容器（48‑50）的电压被用来提供具有交变电压的转换器输出。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种轨道交通工具转换器，用于在DC和AC之间转换，其特征在于，其包括： |
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| 说明书全文 | 轨道交通工具转换器技术领域[0001] 本发明涉及轨道交通工具转换器以及具有至少一个该转换器的轨道交通工具。 背景技术发明内容[0003] 本发明还包括间接的AC/AC转换器，即，具有在其DC侧上互连的两级的转换器。尽管单相和三相电压是最常见的，但本发明不限于任何相位数量的该交变电压，本发明也不限于要通过所述转换器馈送的任何特定电平的电压或电功率。 [0004] 本发明主要针对一种辅助转换器，即，被配置来递送转换器输出端上的电压以供交通工具的电气设备（诸如，通过布置在轨道交通工具中的电气插座）和加热/冷却系统使用。然而，本发明还覆盖马达转换器和线路转换器（line converter），所述马达转换器被配置来通过转换器输出端递送电力到用于驱动交通工具的马达，而所述线路转换器被配置来： [0005] -在驱动模式中，经由连接到其AC侧的主变压器从AC电源线吸取电力并将电力馈送到连接到其DC侧的马达转换器，以及 [0006] -在刹车模式中，从马达转换器吸取电力并将电力馈送到所述主变压器并馈送回到AC电源线。 [0007] 图1示意性地示出了在轨道交通工具1中可以如何布置这三种类型的转换器。示出了在这种情况下如何配置交通工具来沿着AC电源线2移动，该AC电源线2因此作为AC源并且可以例如承载15kV并且162/3Hz（瑞典）和25kV且50Hz（丹麦）的单相交变电压。该交通工具具有变压器3，以用于将来自电源线2的电压变换至合适的电平。这里，该变压器具有两个次级绕组4、5，其中的一个连接至转换器6，转换器6用于在其输出端上递送例如1.53kV的直流电压。该直流电压被递送到辅助转换器7，辅助转换器7由控制单元8控制，以在其输出端上递送三相交变电压，所述控制单元8用于根据脉冲宽度调制模式产生脉冲序列。该转换器的输出端被连接到三相变压器9以及谐波滤波器10，以使通过到轨道交通工具中布置的插座（诸如，用于连接计算机）和到照明设备、加热设备和其它设备的分布网络11递送的交变电压平滑。 [0008] 变压器3的另一次级绕组4连接到转换器12，转换器12被配置来将其输出端上的直流电压递送到马达转换器13的输入端，所述马达转换器13由控制单元14以与控制单元8所执行的控制类似的方式控制，以将其输出端上的三相交变电压递送到以电机器形式的马达15，以驱动该交通工具。控制单元14将从交通工具的驱动器接收命令以使递送到马达的定子绕组的电压的频率适合于所期望的交通工具速度。在刹车的情况下，交通工具电力将通过转换器12以从马达到AC电源线2的方向流动，此时该转换器12作为通过控制单元16控制的在其输出端上递送单相交变电压的线路转换器。 [0009] 本发明还针对用在通过以DC源形式的电源线路馈电的交通工具中的轨道交通工具转换器，并且在这样的情况下，不需要图1中的到虚线17左侧的部分，但是直流电压电源线将经由线路滤波器电感器连接到与所述虚线17接近的转换器7和13的直流电压侧。然而，如果该DC电源电压是例如3kV则DC电源线路可以连接到由控制单元控制的DC/DC转换器，以将到马达转换器13和辅助转换器7的电源电压电平调节到例如1500V。 [0010] 这些转换器的控制单元8、14、16利用脉冲宽度调制（PWM）方案来控制转换器，而所述转换器在其输出端上产生具有陡峭侧面的电压脉冲，诸如，以2000V/us的量级，导致高的对绝缘的要求（诸如，在轴承、定子绕组袋等方面），以避免生成不利的涡流电流。此外，沉重且成本高昂的滤波器（图1中仅示出了用于辅助转换器的）必须连接到这些转换器的输出端以去除由产生脉冲的转换器的部件的开关而导致的低频和高频谐波。 [0011] 本发明的一个目的是提供一种轨道交通工具转换器，其相对于已知的转换器至少在某些方面进行了改善，同时在至少某种程度上解决了已知的转换器的如上面所公开的任一问题。 [0012] 根据本发明，该目的是通过提供如下的轨道交通工具转换器而获得的，该轨道交通工具转换器特征在于，其包括: [0013] 块波（block wave）发生器，被配置为连接到直流电压源并具有电流阀，[0014] 第一装置，被配置来控制所述电流阀以在所述发生器的输出端上产生块电压脉冲，所述块电压脉冲交替地为正和负， [0015] 具有至少一个第一电容器和至少一个电感的串行谐振链路，或电感性链路，，通过其第一端连接到所述发生器的输出端，并且被设计为使所述块电压脉冲在所述链路的第二端上产生半正弦电流脉冲，或三角脉冲（在所述电感性链路的情况下）， [0016] 直流转换器（direct converter），包括至少一个相位支路（phase leg），所述相位支路在一方面上具有一个开关，并且在另一方面上具有与其串联连接的第二电容器，所述开关连接到所述第二链路端，并且能够在跨其的双方向上阻断电压以及在两个方向上传导电流从其通过，所述直流转换器具有在所述开关和所述第二电容器之间的用于跨该电容器的电压的输出端， [0017] 第二装置，被配置来控制所述开关以交替地阻断来自所述串行谐振链路或来自所述电感性链路（在该电感性链路被用作对串行谐振链路的替代时）的电流脉冲或让所述电流脉冲通过到所述第二电容器，以用于通过对所述电容器进行充电或放电而控制所述转换器输出端上的电压。 [0018] 在使用串行谐振链路时，连接到所述块波发生器的输出端的所述串行谐振链路使得所述块波发生器软切换，这是因为该发生器的电流阀可以被控制来在从其通过零电流时开关。这降低了电磁辐射和对不同部件（诸如，马达轴承和定子绕组）的隔离的需要。附图2中示出了在被使用时来自块波发生器与串行谐振链路组合的输出电流。因此，根据本发明，半正弦电流脉冲或来自电感性链路（在该链路被用作对串行谐振链路的替代时）的三角电流脉冲A、B被馈送到该转换器的直流转换器。通过直流转换器的控制，在跨过其的电压必须增加时，正电流脉冲将被馈送到所述第二电容器，而在跨过其的电压应当降低时，负电流脉冲被馈送到该电容器。这意味着，可以在转换器输出端上直接生成近乎全正弦的多电平电压而不需要大型谐波滤波器，而大型谐波滤波器导致重量增加。此外，相对于相应的已知转换器，还可以降低转换器的半导体装置的数目。 [0019] 根据本发明一个实施例，所述第二装置被配置来与所述链路的所述第二端上产生的电流的半周期对应地，控制所述开关以让来自所述串行谐振链路或所述电感性链路（在使用所述电感性链路作为对串行谐振链路的替代时）的电流脉冲通过到所述第二电容器。不是所有的电流脉冲都应当被用来对输出电容器进行充电或放电。如果在特定时间实际输出电压和所请求的输出电压之间的偏离大到足以进行校正并且如果下一脉冲具有用于校正的适当极性，则应当让电流脉冲通过，否则不让其通过。 [0020] 在使用谐振链路的情况下，在让正电流脉冲通过所述谐振链路时，在该脉冲期间，谐振电容器的极性将从负改变为正电压。相应地，在使用谐振链路的情况下，在让负电流脉冲通过所述谐振链路时，在该脉冲期间，谐振电容器的极性将从正改变为负电压。在使用谐振链路时，在可以产生正电流脉冲来增加输出电容器电压之前，必须将谐振电容器再充电到负极性，以及相反地，在使用谐振链路时，在可以产生负电流脉冲以降低电容器输出电压之前，必须将谐振电容器再充电到正极性。因此，通过谐振链路（在其被使用时）的每隔一个电流脉冲应当是正的，而通过谐振链路的每隔一个电流脉冲需是负的。 [0021] 根据本发明另一实施例，所述块波发生器具有两个分支，被配置来并联连接到直流电压源并且每一分支具有串联连接的两个电流阀，每一电流阀具有至少一个关断类型的半导体装置和与其反向并联连接的整流部件（诸如，二极管），并且每一分支的电流阀之间的两个中点形成发生器的输出端。 [0022] 根据本发明另一实施例，所述转换器包括另外的所谓的分路开关（shunt switch），在与所述相位分支并联的电流路径中，其能够在跨过其的两个方向阻断电压并且在两个方向传导电流从其通过，并且其包括被配置来检查所述第一电容器的电压与来自所述直流电压源的直流电压的极性的同步的装置，以及第三控制单元，所述第三控制单元被配置为，如果所述同步丢失则控制所述另外的开关来通过所述电流路径对所述第一电容器进行放电并然后将该电容器充电到具有相反极性的电压，以再次获得同步。对于所述转换器的操作，所述第一电容器（即，所谓的谐振电容器）的电压必须与驱动电压的极性同步。本发明的该实施例使得能够再次建立可能丢失的同步，并且可以实现此而不影响输出负载ac电压。 [0023] 所述直流转换器有时也可能需要两个或更多个相继的电流脉冲具有相同的极性以在所述输出电容器上产生期望的电压。为了实现此，与输出相位并行地提供所述分路开关。以这样的方式，可以将任何不希望的极性的电流脉冲分路越过所述直流转换器而不影响输出电压，并使谐振链路（在该链路被使用时）准备用于提供所需极性的电流脉冲。因此，这样的具有不希望的极性的脉冲能够在具有相同的所请求的极性的两个脉冲之间产生。所述的分路不是在所有类型的转换器（主要是三相转换器和最简单的单相转换器）中都是必须的。也可以使用整个正或负的正弦电流脉冲来逐渐增加或降低跨所述第二电容器的电压。在具有电感性链路的转换器中，所述分路是不必要的。 [0024] 根据发明另一实施例，所述第一装置被配置来以1kHz 100kHz的频率开关所述电流阀。具有这样的频率的半正弦电流脉冲或三角电流脉冲（在使用电感性链路时）的生成将使得能够在直流转换器的输出端上生成多电平电压，这是因为该电压将具有低得多的频率，诸如，对于辅助转换器，50Hz、60Hz，对于马达转换器0-300Hz，或者对于线路转换器162/3Hz、25Hz、50Hz或60Hz。 [0025] 根据本发明另一实施例，所述转换器被配置来在转换器输出端上递送10kVA 1MVA的功率。在辅助转换器的情况下，功率将大多为10kVA 200kVA，并且对于马达转换器和线路转换器，功率将通常在70kVA 1MVA的范围内。 [0026] 根据本发明另一实施例，所述转换器包括在所述串行谐振链路中或者在电感性链路（在电感性链路时）中连接到所述直流转换器的变压器。块波发生器输入端（由此，直流电压源）相对于直流转换器的电隔离（galvanic isolation），在通过DC电源线对轨道交通工具馈电时是尤其合适的，但是在AC电源线的情况下该变压器也可能是期望的，以用于将辅助电压与马达电源流电地分离或者用于改变直流转换器的输入端上的电压的电平。 [0027] 根据本发明另一实施例，所述串行谐振链路或者电感性链路（在使用电感性链路时）的所述第二端直接连接到所述直流转换器的至少一个相位支路，在某些情况下这可以是AC电源线的情况下的一种有吸引力的选择，特别是对于线路转换器而言。 [0028] 根据本发明另一实施例，所述转换器是辅助转换器，其被配置来递送转换器输出端上的电压以用于交通工具的电气设备（诸如，通过布置在所述交通工具中的电器插座）以及加热/冷却系统。于是，优选具有将所述串行谐振链路或者将电感性链路（在使用电感性链路时）连接到所述直流转换器的变压器。 [0029] 根据本发明另一实施例，所述转换器是马达转换器，其被配置来通过转换器输出端递送电力到用于驱动所述交通工具的马达。 [0030] 根据本发明另一实施例，所述转换器是线路转换器，其被配置来： [0031] -在刹车模式中，递送其AC侧上的电力并经由主变压器递送回到AC电源线，以及[0032] -在驱动模式中，吸取其AC侧上的电力并将电力递送在其DC侧中。 [0033] 根据本发明另一实施例，所述直流转换器具有并联连接的三个所述相位支路，并且每一相位支路具有串联连接的所述开关和所述第二电容器，并且所述第二装置被配置来控制所述三个相位支路的所述开关以便使得属于不同相位支路的第二电容器共享来自所述串行谐振链路的或者来自电感性链路(在使用电感性链路时)的电流脉冲。根据本发明的转换器类型在三相情况中是非常有利的，这是因为在每一时刻不是所有相位都在增加或降低输出电压。代之以，一个相位在增加电压而其它两个在降低所述电压，或者，两个相位在增加电压而第三个在降低所述电压，从而使得能够同时使用所有的半正弦电流脉冲或三角脉冲（在使用电感性链路时），正和负两者。因此，如果块波发生器以9kHz的频率开关在一秒内产生9000个正脉冲和同样多的负脉冲，直流转换器的开关可以提供每一相位的第二电容器以每秒6000电流脉冲，以用于在相应转换器相位输出端上产生平滑的正弦交变电压。结果，这样的对于转换器输出端的全部三个相位具有相同的外观的平滑的交变电压，在转换器输出端上无负载和其上有非对称负载（即，在其若干相位上负载不同，这对于所述辅助转换器常常如此）的两种情况下都可以产生。 [0034] 根据本发明另一实施例，所述直流转换器在其输出侧上具有仅仅一个所述相位支路，其具有串联连接的所述开关和所述第二电容器，并且所述第二装置被配置来控制该相位支路的开关以便生成导致平滑的良好定义的正弦单相电压的交变电压。 [0035] 根据本发明的替代的针对单相电压的另一实施例，所述直流转换器具有并联连接的两个所述相位支路，并且所述第二装置被配置来控制这些相位支路的两个开关以便使得所述转换器输出能够生成如下的交变电压，该交变电压作为通过跨这两个相位支路的转换器输出端的电压递送的单相电压，这导致转换器的均衡的输出。 [0036] 根据本发明的也针对单相替代方案且具有变压器将所述串行谐振链路或者电感性链路(在使用电感性链路时)连接到所述直流转换器的另一实施例，所述变压器具有主绕组和两个次级绕组，主绕组连接到所述串行谐振链路或连接到电感性链路(在使用电感性链路时)，每一次级绕组连接到直流转换器的一个相位支路，并且这两个次级绕组相对于彼此反相。通过以这样的方式使一个电流反相，能够同时产生两个单相电压，一个通过正常电流脉冲，一个通过相对于其反相的电流脉冲，这适用于其中通常产生两个单相电压的线路转换器。 [0037] 本发明还涉及具有至少一个根据本发明的转换器的轨道交通工具，这导致许多的上面公开的优点，诸如，降低了重量和成本。 [0038] 从下面的对本发明实施例的说明，将呈现本发明另外的优点以及有利的特征。 附图说明[0039] 下面参考附图具体说明被作为示例引述的本发明的实施例。在附图中： [0040] 图1是示出了可以如何在轨道交通工具中布置和控制本发明所针对的不同类型转换器的非常示意性的视图， [0041] 图2是示出在根据本发明的转换器（如图3中所示的）中，块波发生器结合串行谐振链路或结合电感性链路(在使用电感性链路时)产生的两个相继的电流脉冲的图，[0042] 图3-7是根据本发明的第一、第二、第三、第四和第五实施例的转换器的示意性电路图，以及 [0043] 图8是根据本发明第六实施例的转换器的示意性电路图，其中三相输出和单相输出两者共享电流脉冲的产生。 具体实施方式[0044] 图3中示出了根据本发明第一实施例的用于在其输出上递送三相交变电压的轨道交通工具转换器。下文中将通过对于辅助转换器公开的示例的方式说明其不同参数的值，但是根据本实施例的转换器也可以用作马达转换器。该转换器具有块波发生器20，被配置为连接到直流电压源21，在本示例中，其跨块波发生器的端子22、23提供750V的直流电压。块波发生器具有两个分支24、25，被配置为与直流电压源并联，并且每一分支具有串联连接的两个电流阀26-29。每一电流阀具有关断类型的半导体装置30（这里，为IGBT）以及与其反向并联连接的整流部件31（这里，为二极管）。每一分支的电流阀之间的两个中点32、33形成发生器的输出端。 [0045] 具有第一电容器35以及电感36的串行谐振链路34，或电感性链路，通过其第一端连接到所述中点中的一个32，并通过其另一端连接到变压器38的主绕组37，另一块波发生器分支的另一中点33也连接到变压器38的主绕组37。 [0046] 第一控制单元39形成第一装置，该第一装置被配置来控制块波发生器的电流阀26-29以产生矩形块脉冲，所述矩形块脉冲交替为正和负并且具有直流电压源的直流电压的幅度，即，750V。通过接通电流阀26和29的IGBT，正的块波电压将被发送到串行谐振链路或电感性链路(在使用电感性链路时)，而接通电流阀27和28的IGBT将导致相反的负的块波电压到串行谐振链路或到电感性链路(在使用电感性链路时)。在使用串行谐振链路时，块波发生器的电流阀的开关将发生在零电流处，并由此将是软开关，并且这里，频率将是8kHz并且将通过串行谐振链路34的存在导致产生具有根据图2的外观的半正弦电流脉冲（在使用串行谐振链路时）到达变压器38的主绕组。因此，每秒将产生8000个正的和8000个负的这样的电流脉冲。 [0047] 变压器的次级绕组40连接到直流转换器41，所述直流转换器41具有三个相位支路42-44，每一相位支路一方面具有一个开关45-47，所述开关连接到变压器的次级绕组的一端并且能够在跨过其的双方向上阻断电压并在双方向上传导电流从其通过，并且在另一方面具有与其串联连接的第二电容器48-50。开关45-47可以是例如反向并联连接的两个晶闸管。直流转换器的每一相位支路具有在该相位支路的所述开关和第二电容器之间的输出端 51-53，以用于跨该电容器的电压。 [0048] 第二控制单元54提供第二装置，该第二装置被配置来控制开关45-47以交替地阻断来自所述串行谐振链路或电感性链路(在使用电感性链路时)的电流脉冲，或让所述电流脉冲通过到第二电容器48-50，以用于通过对电容器48-50充电或放电来控制转换器输出端51-53上的电压。通过此，可以在每一转换器输出端51-53上产生频率为50Hz并且相位之间的rms值为400V的交变电压，并对列车的分布网络馈电。显然，块波发生器的8kHz的开关频率以及转换器的输出端上的50Hz的交变电压将从串行谐振或从电感性链路(在使用电感性链路时)提供大数量（诸如，在100的量级）的电流脉冲，以用于在转换器输出端的每一相上产生一个周期的交变电压。因此，不需要沉重的滤波器来对转换器的输出端上的电压进行平滑。与已知的利用通过脉冲宽度调制模式开关的电流阀的已知转换器相比，就所使用的半导体装置的数目而论，节约了成本。 [0049] 所述转换器还包括另外的所谓的分路开关101，在与所述相位支路并联的电流路径102中，所述分路开关能够在跨过其的两个方向上阻断电压以及在两个方向上传导电流从其通过。所述转换器包括：装置104，其被配置来检查第一电容器35的电压与来自直流电压源21的直流电压的极性的同步；以及第三控制单元103，其被配置为，如果所述同步丢失，则控制所述另外的开关101以通过所述电流路径102对第一电容器35进行放电以及然后将该电容器充电到具有相反极性的电压，以再次获得所述同步。因此，开关101确保谐振电容器的电压与驱动电压的极性的同步，以用于转换器的适当操作。在同时存在点32和33之间的正脉冲电压以及面对点32的负的第一电容器电压（以及相反情况）时，使第一电容器的电压与来自直流电压源的直流电压的极性同步。 [0050] 图3-8所示的全部实施例被示出为具有以及不具有谐振电容器35。并且，在没有该电容器的情况下，不需要分路开关101。 [0051] 根据图3所示的实施例的用于转换器的可能的数据是：在使用谐振链路时第一电容器的电容50μF，串行谐振链路的电感3.03μH以及变压器的次级绕组的电感3.03μH，每一第二电容器的电容2mF，变压器比率1:1，负载100kW。 [0052] 图4示出了根据本发明第二实施例的转换器，其不同于图3中所示的转换器之处在于：具有直接连接到直流转换器41的相位支路的串行谐振链路34或电感性链路(在使用电感性链路时)，块波发生器分支的一个中点33连接到相位支路42-44的相反的端子。根据该实施例的转换器将以与图3中所示的转换器相同的方式操作，但是在其直流电压侧和交变电压侧之间缺少电隔离（galvanic isolation）。该转换器尤其适合作为马达转换器，而根据图3的转换器大多优选作为辅助转换器选择。 [0053] 图5示出了根据本发明第三实施例的转换器，其被配置来在其输出端上提供单相交变电压，并且不同于图3中所示的转换器之处在于具有直流转换器，所述直流转换器仅具有一个包括一个开关47’和一个第二电容器50’的相位支路44’。 [0054] 图6示出了根据本发明第四实施例的转换器，其是就根据图5的转换器修改了的单相转换器，其具有直流转换器，所述直流转换器具有两个包括开关43”、44”和第二电容器49”、50”的相位支路，并且具有通过跨直流转换器的两个输出端60、61的电压提供的均衡输出。 [0055] 图7示出了根据本发明第五实施例的转换器，为单相转换器的形式，被配置来产生具有相同相位的两个输出单相电压，同时使用彼此紧随的正电流和负电流两者，这对于图5所示的单相转换器是不可能的，在图5所示的单相转换器中例如只要要增加电压就仅可以使用正电流脉冲而在应当降低电压时仅可以使用负电流脉冲。这里，变压器38’具有：主绕组37’，其连接到串行谐振链路34或电感性链路(在使用电感性链路时)；以及两个次级绕组40’、40”，其每一个连接到直流转换器的一个相位支路70、71。这两个次级绕组40’、40”相对于彼此反相。这意味着，当在相位支路70上接收正电流脉冲时，在相位支路71上接收负电流脉冲，从而使得可以通过利用用于一个相位支路的电流脉冲以及跟随的用于另一相位支路的电流脉冲同时产生两个单相电压，于是对于另一相位支路具有与先前的一个相同的符号。 [0056] 最后，图8示出了根据本发明第六实施例的转换器，其作为根据图3和图6的实施例的组合，具有共享电流脉冲的产生的三相输出和单相输出。 |
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