CN101238635A - 用于牵引应用的多级ac/dc转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于铁路牵引应用的电源系统，它包括多级AC/DC转换器。该转换器包括连接在AC电源线(11)和牵引变压器(21)之间的多个串联连接的单级循环转换器或直接AC频率转换器(20，20’，20”)。该变压器可以以小于3kHz且大于AC线路频率的变压器标称频率工作。在变压器的次级线圈侧，提供多于一个并联连接的次级转换器(22，22’，22”)，它们连接到DC链路(23)。在次级转换器之一发生故障的情况下，多级AC/DC转换器可以以通过剩余操作级递送的减小的功率继续工作。

Description

用于牵引应用的多级AC/DC转换器
技术领域
本发明涉及电气化铁路电源系统领域。它从如权利要求1的前序部分中所描述的在铁路牵引应用中用于将AC电源线的单相、线路频率AC电源电压转换为DC链路的DC链路电压的多级AC/DC转换器出发。
背景技术
诸如机车或铁路客车的通过交流(AC)电源线供电的电气化铁路车辆利用牵引变压器和AC/DC转换器来将电源线的高电压(15kV或25kV)转换为几kV的直流(DC)链路电压并确保高电压和牵引电路间的电隔离。处于DC链路电压的DC链路或总线对用于牵引或推进车辆的驱动或电机转换器以及用于辅助能量供应的辅助转换器馈电。因此，DC链路电压不会超过电机或辅助转换器中的半导体装置的额定值。在现代铁路车辆的概念中，牵引变压器通常设置在车辆的主体外面，即设在地板下或车顶上。但是，在这些情况下，由于重量和体积都较大，所以具有16.7Hz或50Hz标称频率的常规变压器会造成集成问题。
因此，备选的电源系统旨在通过基于半导体技术的额外转换器、结合以更高频率工作的更小更轻便的变压器来取代前述常规变压器。以半导体装置中的开关损耗为代价，因而可以减小变压器的质量和体积以及变压器中的总(即，铜和磁)损耗，从而可以更有效地利用来自电源线的电功率。
在专利申请EP-A1226994中，介绍了一种用于铁路车辆的中频的电源系统，它包括用于在高输入AC电压和DC输出电压之间双向转换的典型转换器拓扑。该系统包括：初级转换器，包括至少三个串联电连接的级联转换器模块或区段；单个共用变压器；以及单个次级转换器。而每个级联模块又由四象限转换器、3.6kVDC中间级和谐振转换器形成。后者包括具有两个电路元件和一个串联谐振电容器的半桥，其中每个电路元件具有晶体管和续流(free-wheeling)二极管。串联谐振电容器和变压器的对应初级漏感线圈一起共同形成谐振频率大于变压器标称频率的振荡电路。
次级或输出转换器是对车辆的1.65kVDC链路馈电的谐振开关四象限转换器。所有的开关元件都是具有自适应栅极驱动器技术的高级的6.5kV绝缘栅双极晶体管(IGBT)。该中频(MF)变压器具有铁氧体磁芯和5kHz的标称频率，这被认为是变压器的体积和重量与半导体开关的开关损耗之间的最佳折衷。预期只提供一个变压器和一个次级转换器不仅可以节省成本而且还可以减轻重量，但是很明显，这会损害电源系统的可用性。
取代经过DC中间储能级，从一个频率转换为另一个频率可以通过直接AC频率转换器(又称为循环转换器)直接从AC输入转换到AC输出来实现。举例来说，DE2614445公开一种经由在中等/高频工作的变压器来将低频AC电压转换为DC电压的整流器，它在变压器的AC侧上包含外部控制的单相桥式循环转换器。后者包括介于电源线的低频和变压器的中等/高频之间的单转换级，因而与包括中间DC级的上述级联模块相比，呈现更少的功率转换级，且不包含消弧电路。此外，循环转换器以自然换向工作。另一方面，位于变压器的DC侧上的电压源转换器(VSC)以硬切断工作，从而对具有电流阀和高开关损耗的半导体装置带来相当大的压力。
在Staffan Norrga的论文“An Experimental Study of a Soft-switchedIsolated AC/DC Converter without Auxiliary Circuit”(35th Annual IEEEPower Electronics Specialists Conference，Aachen，Germany，2004，第2406-2412页)中，介绍了一种用于双向功率流的单级单相AC/DC转换器。该转换器拓扑包含通过中频(MF)变压器耦合到电压源转换器(VSC)的单相循环转换器。VSC具有并联连接到每个半导体阀的所谓的缓冲电容器，由此提供足以允许零电压关闭所述阀的电容，并减小阀接通时的电压导数。另一方面，VSC不具有本身不参与功率转换而只是增加转换器的成本和复杂度的额外的或辅助的半导体装置。遵循提出的换向算法，该拓扑允许在所有操作点获得VSC转换器中的半导体阀的软开关。原型转换器系统是通过600V的DC链路电压和在6kHz工作的铁氧体磁芯环形MF变压器实现的。循环转换器的双向阀由通过共发射极连接的两个单个个别控制的标准1200VIGBT开关组成。
Mikihiko Matsui等人的论文“High-Frequency Link DC/ACConverter with Suppressed Voltage Clamp Circuit-NaturallyCommutated Phase Angle Control with Self Turn-Off Device”(IEEETrans.Ind.Appl.，Vol.32，No.2，1996，第293-300页)提出用于例如不间断电源(UPS)系统的循环转换器型三相输出高频(HF)链路DC/AC转换器的备选控制。该转换器具有两个功率转换级，即用于将DC转换为HF(16kHz)的倒相级和用于将HF转换为AC电源线的低频或商用频率的循环转换器级。由于使用自动关闭装置(双向晶体管和快速恢复二极管)，所以提出的控制方案需要改进的控制脉冲计时，并且只基于循环转换器级的自然换向采用相位角控制。因为会释放在开关时刻存储在HF变压器的漏感中的磁能并反馈给DC电压源，所以在变压器的循环转换器侧上无需额外的浪涌抑制电路(缓冲电路或有源电压箝位电路)来吸收所述磁能。
发明内容
因此，本发明的目的是在不过分增加重量的情况下增大前述铁路牵引应用的电源系统的可用性。该目的是通过根据权利要求1的具有频率转换的多级AC/DC转换器和根据权利要求8的用于将AC电源电压转换为DC链路电压的方法来实现的。根据从属专利权利要求可以显而易见其它优选实施例。
根据本发明，在具有包括可连接到AC电源线的多个串联连接的初级转换器和可以在大于AC线路频率的变压器标称频率工作的牵引变压器的多级AC/DC转换器的电源系统中，提供可以连接到DC链路的多于一个并联连接的次级转换器。在次级转换器之一发生故障的情况下，多级AC/DC转换器因而可以在通过剩余次级转换器递送的减小的功率下继续工作。为了补偿次级线圈侧上的重量增加，利用单级循环转换器(cycloconverter)或直接AC频率转换器作为初级转换器。此外，与包括中间DC级的典型转换器拓扑相比功率转换级和/或循环转换器的组件数量的减少，减小了控制序列的复杂度以及转换器的总重量、体积和损耗。
在本发明的一个有利变型中，选择牵引变压器的标称变压器频率为低于3kHz，优选小于1kHz，由此允许使用包括铠装铁磁芯而不是在中等/高频变压器中使用的铁氧体磁芯的已知的低频变压器技术。换句话说，已证实的低廉的变压器技术将增大变压器磁芯中的磁或磁滞损耗和减小体积之间的最佳平衡偏移至更低的变压器频率。
在本发明的一个优选实施例中，次级转换器少了与半导体开关并联布置的额外缓冲电容器。因此，当打开次级转换器的半导体开关时会发生硬切断。因而可以省去多个组件，从而使次级转换器变得不太复杂且更坚固。
在一个有利实施例中，提供数量等于初级转换器的多个次级转换器。多级AC/DC转换器的每个转换器级因而包括连接到牵引变压器的同轴初级和次级绕组的初级转换器和专用次级转换器。
附图说明
下文将参照如附图所示的优选示例性实施例更详细地说明本发明的主题，附图中：
图1示意性地描述所提出的多级转换器拓扑；以及
图2示意性地示出单个AC/DC转换器级的细节。
在附图标记列表中概括地罗列了图中使用的附图标记及其含义。原则上，图中相同的零件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1描绘根据本发明提出的多级转换器拓扑。集电器10的集电弓框架与铁路接触网系统的高架电源线11接触。集电器经由线路阻抗滤波器12连接到第一初级转换器20。后者与第二初级转换器20’以及其它初级转换器串联连接，其中最后一个初级转换器20”经由车轮13连接到铁轨。每个初级转换器20、20’、20”还连接到牵引变压器21的初级绕组210、210’、210”。牵引变压器21的次级绕组211、211’、211”连接到次级转换器22、22’、22”。每个初级转换器20、20’、20”与对应的变压器绕组210、211；210’、211’；210”、211”以及次级转换器22、22’、22”形成单个AC/DC转换器级。所有次级转换器22、22’、22”相互并且与DC链路23并联电连接。
图2示出单个AC/DC转换器级的细节。初级转换器20是具有布置成H桥的四个双向半导体阀200的单相循环转换器。每个阀200由两个反并联布置的合成晶闸管组成，每个晶闸管包含串联连接的绝缘栅双极晶体管(IGBT)201、201’和二极管202、202’，其中一个IGBT201的发射极和另一个IGBT 201’的发射极连接在一起。很明显，双向阀可以通过其它功率半导体元件来实现，如快速双极控制晶闸管(BCT)或集成栅换向晶体管(IGCT)。循环转换器的组件的过电压保护一般是通过与每个转换器级的输入端并联地增加诸如变阻器203的非线性组件来实现的。类似地，与每个转换器级的输入端并联的诸如电阻-电容器电路204的保护性缓冲电路防止功率半导体装置两端的电压过快地上升。此外，可以在循环转换器的每个IGBT栅极驱动器上提供有源电压箝位部件(图2中没有描绘)。
变压器21确保电源线路电压和DC链路之间的电隔离(galvanicinsulation)。在工作中，初级转换器20将电源线AC电压的分压UAC转换为标称变压器频率fTR的方波电压以馈送给变压器。变压器优选由在低频牵引变压器中使用的常规材料制成，即，将常规磁片堆叠在一起以构建变压器磁芯。将磁芯和绕组浸没在包含于安全壳中的冷却和/或绝缘液体中，而安全壳可以装在车辆外壳的地板下或车顶上。由于是常规的变压器设计，所以标称变压器频率fTR小于3kHz，优选约为400Hz，且因而显然大于AC线路频率。
变压比NTR可以等于1，以便使DC链路电压UDC近似等于施加在单个转换器级上的电压UAC的有效值。另一方面，如果例如为了减少级数，初级转换器20利用电压额定值大于次级转换器22中使用的半导体装置的电压额定值的半导体装置，那么大于1、且优选小于5的变压比NTR会将电压UAC调节为DC链路电压UDC。
次级转换器22是电压源转换器，它包括具有两个相脚和四个单向阀220以便允许4象限操作的常规H-桥。阀220由反并联连接的IGBT和续流二极管组成。为了减少组件数量，IGBT是硬切断的，即，不提供与IGBT并联的允许软换向的缓冲电容器。用于该目的的优选控制方案可以从上文引用的Mikihiko Matsui等人的论文获悉，它们通过适当释放存储在变压器的漏感中的磁能来减小半导体装置两端的电压尖峰。
牵引车辆中将使用的转换器级的数量取决于AC线路电压。例如，对于15kV的线路电压，总共16个级为各个级中的半导体装置所暴露的单级电压UAC提供足够的安全余量。在这16个级之一发生故障的情况下，剩余的15个级因而允许AC/DC转换器以原始功率的约15/16继续工作。也可以延伸到25kV的线路电压，但必需对转换器拓扑做出改变，以便避免超过30kV的峰值线路电压时的绝缘问题。类似地，可以实现例如3kV的DC电源电压。
上述说明是基于从AC电源线到DC链路的功率流的。但是，AC/DC转换器能够处理两个方向的功率流，因此，初级/次级转换器或绕组的概念不应视为是绝对的。最后，不同转换器级的变压器绕组210、211；210’、211’；210”、211”可以布置在共用磁芯上、不同但磁耦合的磁芯区段上、或单独的磁去耦合的磁芯上。
名称列表
10集电器
11电源线
12线路滤波器
13车轮
20、20’、20”初级转换器
21牵引变压器
210、210’、210”初级绕组
211、211’、211”次级绕组
22、22’、22”次级转换器
23DC链路
200双向阀
201、201’IGBT
202、202’二极管
203变阻器
204保护性缓冲电路
220单向阀

Claims (10)

1.一种用于在铁路牵引应用中将AC电源线(11)的单相、线路频率AC电源电压转换为DC链路(23)的DC链路电压(UDC)的多级AC/DC转换器，包括：
用于在所述AC电源线(11)和所述DC链路(23)之间建立电隔离的牵引变压器(21)，其中所述牵引变压器(21)以大于所述AC线路频率的变压器标称频率(fTR)工作；
可以连接到所述AC电源线(11)的多个初级转换器(20，20’，20”)，其中所述初级转换器(20，20’，20”)的输入端串联连接，并且每个初级转换器(20，20’，20”)的输出端连接到所述牵引变压器(21)的初级绕组(210，210’，210”)；以及
可以连接到所述DC链路(23)的次级转换器(22，22’，22”)，其中所述次级转换器(22，22’，22”)的输入端连接到所述牵引变压器(21)的次级绕组(211，211’，211”)，
所述多级AC/DC转换器的特征在于：所述多级AC/DC转换器包括至少两个次级转换器(22，22’，22”)，其中所述至少两个次级转换器(22，22’，22”)的输出端并联连接；并且所述初级转换器(20，20’，20”)是循环转换器。
2.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述牵引变压器(21)是低频变压器。
3.如权利要求2所述的转换器，其特征在于，所述牵引变压器的标称频率(fTR)小于3kHz，优选小于1kHz。
4.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，没有缓冲电容器与所述至少两个次级转换器(22，22’，22”)的半导体开关并联连接。
5.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述牵引变压器(21)的次级绕组(211，211’，211”)与所述牵引变压器(21)的每个初级绕组(210，210’，210”)同轴布置，并且连接到所述至少两个次级转换器(22，22’，22”)中的专用次级转换器的输入端。
6.如权利要求5所述的转换器，其特征在于，所述牵引变压器(21)的每个初级绕组(210，210’，210”)和同轴布置的次级绕组(211，211’，211”)具有至少近似相同的匝数。
7.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，每个初级转换器(20，20’，20”)的过电压保护部件203和/或升压保护部件204布置在所述初级转换器的输入端之间。
8.一种用于在铁路牵引应用中通过多级AC/DC转换器将AC电源线(11)的单相、线路频率AC电源电压转换为DC链路(23)的DC链路电压(UDC)的方法，包括：
通过以大于所述AC线路频率的变压器标称频率(fTR)工作的牵引变压器(21)在所述AC电源线(11)和所述DC链路(23)之间建立电隔离；
将多个初级转换器(20，20’，20”)连接到所述AC电源线(11)，其中所述初级转换器(20，20’，20”)的输入端串联连接，并且每个初级转换器(20，20’，20”)的输出端连接到所述牵引变压器(21)的初级绕组(210，210’，210”)；以及
将次级转换器(22，22’，22”)连接到所述DC链路(23)，其中所述次级转换器(22，22’，22”)的输入端连接到所述牵引变压器(21)的次级绕组(211，211’，211”)，
所述方法的特征在于，所述方法包括并联连接至少两个次级转换器(22，22’，22”)的输出端，并且所述初级转换器(20，20’，20”)是循环转换器。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述牵引变压器以小于3kHz、且优选小于1kHz的频率工作。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少两个次级转换器的半导体开关以硬切断和自然接通工作。
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