CN101282854A - 对电源电压进行变换的多电平变换器及方法 - Google Patents

Abstract

对电源电压进行变换的多电平变换器及方法。本发明涉及一种多电平变换器，包括具有至少两个变压器单元的变压器配置，其中每个变压器单元带有初级和次级绕组和变压器铁心结构。变压器铁心结构被合并到一个共用变压器铁心中，所述共用变压器铁心包括至少一个返回柱，所述返回柱是至少两个变压器单元的封闭磁路的一部分。与每个变压器单元的单个变压器铁心结构相比，在单个变压器单元之间的共用返回柱，尤其在被提供了彼此之间具有特定相移的初级电压信号时，有助于减少体积和重量。多级变换器有益地使用在铁路牵引应用中。

Description

对电源电压进行变换的多电平变换器及方法

技术领域

本发明涉及电功率变换器领域，特别涉及用于铁路牵引应用的多电平变换器。它与权利要求1前序部分所述的多电平变换器不同。

背景技术

电气铁路车辆，例如由交流(AC)电源线供电的机车或轨道客车，使用牵引变压器和AC/DC变换器来将电源线的高电压(15千伏或25千伏)转换成几千伏的直流(DC)传输线(link)电压，并确保高电压和牵引电路之间的电隔离。处于DC传输线电压的DC传输线或总线为驱动或电动变换器供电，以用于车辆的牵引或推动，而且给辅助变换器供电以用于辅助能量供给。在欧洲专利EP597409B1中，若干四象限致动器中的每个致动器都连接到牵引变压器的相应次级绕组上，牵引变压器的初级绕组并联连接，并可以连接到电源线和轨道上。在一个实施例中，两对初级绕组和次级绕组中的每一对都分别同轴地围绕第一和第二变压器铁心柱(limb)而设置。两个柱依次在几何结构上并联布置，它们的相应端部通过两个磁轭(yoke)磁性地耦合，两个磁轭构成矩形形状的变压器铁心。在两个磁轭之间提供了返回柱(return limb)，其可以吸收在两个次级绕组中由DC电流产生的磁通量之和。

在现代铁路车辆的理念中，牵引变压器通常位于车辆主壳的外部，即在地板下或在车顶。但是在这些地方，标称频率为16.7Hz或50Hz的常规变压器由于本身重量高和体积大会引起集成问题。因此，可替代的交流供电系统的目标在于，采用基于半导体技术的附加电力变换器结合在更高频率下工作的更小更轻的变压器，来替代上述常规变压器的供电系统。以半导体器件中发生开关损耗为代价，可以减少变压器的质量和体积以及在变压器中的总(即铜和磁)损耗，由此就可以更有效地利用来自电源线的电功率。

在专利申请EP-A 1226994中，提出了一种用于铁路车辆的中频供电系统，其包括用于高输入交流电压和直流输出电压的双向变换的传统变换器拓扑。这种系统包括初级变换器、一个单独的公共变压器以及单个次级变换器，初级变换器由串联电连接的至少三个级联变换器模块或部件组成。每个级联模块依次由四象限变换器、3.6kV直流中间级和谐振变换器构成。次级或输出变换器为谐振开关四象限变换器，用于为车辆的1.65kV DC传输线供电。全部开关元件均为带有自适应栅极驱动器技术的高级6.5kV绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

不经过直流中间能量存储级，从电源线频率变换到变压器频率可以由直流AC频率变换器(也可称为循环换流器)直接完成。例如，DE2614445公开一种整流器，通过在中频/高频工作的变压器将低频交流电压转换为直流电压，所述整流器在变压器的AC侧包括受外部控制、单相的桥循环换流器。后者包括在电源线低频和变压器中频/高频之间的单个变换级。

在US5182535中，公开了一种用于星形-三角形变换器的求和变压器，其在次级支腿具有共用磁通路线。EP1113570描述了一种由模块化变压器单元构成的变压器配置，用于给多电平功率变换器提供可伸缩的变压器输出。

发明内容

本发明的目的是减少包括有变压器配置的多电平变换器的重量。这个目的是通过根据权利要求1和7的多电平变换器和电源电压转换方法达到的。其它优选实施例可以从从属权利要求中明显得到。

在根据本发明的多电平变换器中，与至少两个变换器级相关联的至少两个单个变压器单元共用通用或联合变压器铁心，该变压器铁心包括至少一个返回柱。该变压器铁心是至少两个封闭磁路(magnetic flux path)或回路的一部分，磁路或回路仅仅横穿或穿过相应变压器单元的初级和次级绕组，即，所述至少两个封闭磁路在至少一个返回柱上重叠。由于重量轻体积小，这种多级功率变换器优选用作多级AC-DC变换器，将AC电源线的单相、行频AC电源电压转换成铁路牵引用DC传输线的DC传输线电压。

在根据本发明的多级变换器的优选变压器配置中，四个单相电力变压器单元的单个变压器铁心结构或拓扑配置合成包括至少一个返回柱的一个共用变压器铁心。该共用变压器铁心是至少两个单个变压器单元的至少两个封闭磁路或回路的一部分，即，所述至少两个封闭磁路在返回柱上重叠。在单个变压器单元之间的共用返回柱与每个变压器单元的单个变压器铁心结构相比，显然有助于减少体积和重量。

在变压器配置的一个变型中，表示了两个返回柱，该两个返回柱带有四个不同的返回柱部分。四个不同的返回柱部分中的每一个返回柱部分为不同的变压器单元对的磁路的一部分。如果主柱、返回柱和磁轭平行或彼此垂直设置，并构成大致平面的和矩形的共用变压器铁心，可以使得该配置更对称，并进一步减小体积。

在变压器配置的另一种变形中，返回柱具有位于主柱或磁轭之一下面的截面，并能进一步减小体积和重量。

在根据本发明的转换AC电源电压的方法中，非零相移或偏移设置于施加到两个变压器单元的初级绕组的两个初级电压信号之间，并且相应的磁通量在返回柱上重合或重叠。这样就导致在返回柱上的通量受到限制，返回柱的横截面积减小而不会过度增加在返回柱中的磁感应强度。如果要转换多个初级电压，优选地最小化在任何两个初级电压信号之间的相位移，相应的磁通量在返回柱部分中是重叠的。

附图说明

下面将参照优选实施例详细介绍本发明的主题，实施例在附图中说明，附图表明：

图1是一种现有技术的独立单相变压器，

图2是根据本发明的第一、双单元变压器配置，

图3是带有四个变压器单元的第二变压器配置，

图4是带有八个变压器单元的第三变压器配置，

图5是根据本发明的多级变换器，和

图6是在图3的变压器配置中的电压和通量的模拟图。

在附图中所使用的附图标记以及它们的含义在附图标记列表中以简要的形式列出来。原则上，相同的部件在附图中用相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1是一种现有技术中所使用的独立单相变压器，例如在多电平变换器中起到电绝缘作用。变压器具有矩形的变压器铁心10，其具有两个平行间隔且长度相等的铁心柱或支腿11、11′，还具有连接到铁心柱对应端面上的两个磁轭12、12′。变压器1的初级绕组13包括两个线圈13a、13b，两个线圈13a、13b螺旋地缠绕在两个铁心柱上并电串联起来。如果如图所示的布置和连接，则选择两个线圈13a、13b的缠绕方向，使得在初级绕组13中的电流能在两个线圈内部产生非平行磁感应强度。两个线圈13a、13b中的对应相对缠绕方向由紧挨着相应线圈端部的两个点表示。在该点端进入两个线圈13a、13b的电流产生磁感应强度，在两个线圈内部的磁感应强度或者朝着该点或远离该点。变压器的次级绕组14同样地包括围绕两个柱的两个串联线圈。

图2表示根据本发明的优先用于多级变换器中的第一变压器配置，包括两个单相变压器单元2、2′，带有常见的共用变压器铁心20。共用变压器铁心包括两个主柱21、21′和连接到主柱的相应端面的两个磁轭22、22′。第一变压器单元2的初级绕组23和次级绕组24同心地缠绕在第一主柱21上，而第二变压器单元2′的初级绕组23′和次级绕组24′同心地缠绕在第二主柱21′上。与图1中所示的现有变压器相反，绕组仅仅包含单个线圈。两个初级绕组23、23′的缠绕方向由紧挨着相应线圈端部的点表示，主柱中的磁通量Φ2和Φ2′的方向由箭头表示。所有确定的方向如图所示，施加到两个初级绕组的正电压U23、U23′要产生非平行磁感应强度，即，Φ2或Φ2′中的一个是负的。

几何学上平行于主柱21、21′的返回柱25连接两个磁轭22、22′的中点，并作为两个变压器单元2、2′的通量再次闭合装置。返回柱25的截面积小于构成外部框架的主柱和磁轭的截面积。这是因为这样的事实：具有与π相差几倍的相移量的交流变压器电压U23、U23’要施加到相应的初级绕组23、23′上。这就使得在返回柱25中的通量Φ5的幅值不是两个磁通量Φ2、Φ2′幅值的简单的代数和，使得返回柱的截面和体积很经济。从图1和2中所示的变压器铁心区域比较来估计，根据图2的共用变压器铁心实际上的体积小于图1所示的两个变压器铁心，即使在后面的情况下每个绕组仅仅使用一个线圈。

多柱变压器配置的共用变压器铁心20可以用矩形的线绕式铁心结构适当组合而成。但是，前者最好是预切变压器铁心片材沿着与附图绘图平面平行的方向层叠或分层而成。采用用于分配和电力变压器的常规冷轧定向晶粒磁片应用于共用变压器铁心，但是也可以采用其它磁性材料例如非晶态片材或铁氧体。为了便于主柱21、21′插入到变压器单元2、2′的初级和次级绕组的预成型线圈开口中，叠加铁心是多接头形成的。后者设置于共用变压器铁心的某些转角处，即，在柱和磁轭之间的交点处，其中铁心叠片可以分开来打开铁心，随后可以重新闭合为连接体。同样地，返回柱25可以用变压器硅钢片的单独片材构成，并稍后加到其余铁心结构上。由于在牵引变压器应用中使用建议的中频，所以在共用变压器铁心中较高电势损失可以通过在叠加变压器铁心片材之间设置冷却导体来加以考虑。

图3表示根据本发明的第二变压器配置，其带有四个变压器单元，其中两个变压器单元由虚线矩形表示。在由主柱和磁轭构成的矩形铁心框架内部，两个返回柱25a、25b构成交叉，连接在主柱和磁轭的中点，并作为通量再次闭合装置。四个变压器单元的初级电压和在主柱的对应磁通量分别用U1到U4和Φ1到Φ4表示，而在返回柱中的磁通量用Φ5到Φ8表示。这些量的时间关系将在下面参照附图6进行说明。四个变压器单元本身之间的磁耦合不会产生任何问题，即，主要通过返回通路就可以实际产生磁通路线的再次闭合。

图4是带有八个变压器单元的第三变压器配置。通常任何偶数变压器单元都可以通过将图2中的基本两个单元配置适当倍增得到。

图5表示根据本发明提出的多级变换器在铁路车辆上的可能使用情况。集电器50的集电弓架与铁路吊线系统(railway catenary system)的高架电源线51接触。集电器通过线路阻抗滤波器52连接到第一初级变换器6上。第一初级变换器6与第二初级变换器6′和另一初级变换器串联，其中最后一个初级变换器6″通过车轮53连接到轨道上。每个初级变换器6、6′、6″还连接到牵引变压器配置的变压器单元2的相应初级绕组23、23′、23″上。变压器单元2、2′由两个相交的圆形示意地表示，变压器单元2、2′还包括依次连接次级变换器7、7′、7″的次级绕组24、24′、24″。每个初级变换器6、6′、6″和相应的变压器绕组23、24；23′、24′；23″、24″和次级变换器7、7′、7″构成单个AC/DC变换器电平。所有次级变换器7、7′、7″彼此平行电连接，并带有DC传输线54。

图6最后表示在5毫秒(ms)内四个初级电压U1到U4以及在图3中的四单元变压器配置的各个柱中总磁通量或净磁通量Φ1到Φ8的模拟图。为了起到模拟的作用，对应净磁化电流分配给初级绕组，并与次级绕组构成一个开路，其中净磁化电流的幅值仅仅是额定初级电流一小部分。顶端四个图形表示相同正方形波的电压信号U1到U4，电压信号是由例如图5中四个初级变换器产生的。在该实施例中，该信号的频率为400Hz，其中在两个连续信号之间的相位移等于π/16。最好在图3中的四个四单元变压器配置中使用带有十六个变压器单元的十六级变换器。下面的四个图表示在被一个相应的初级绕组包围的四个主柱中的磁通量Φ1到Φ4。通常，只要相应电压处于正极大值，则通量线性增加，当电压处于负极大值的时候，通量线性减小，即，对于矩形电压形状来讲，磁场为三角形。在最后四个图表中，在返回柱中的通量Φ5到Φ8表示为两个相邻变压器单元的主柱中通量的和或差，其中返回柱是两个相邻变压器单元的一部分。例如，通过与图3箭头所示的方向相反的方向，Φ5＝-Φ1-Φ2，Φ6＝Φ3-Φ1。

返回柱25a、25b的截面积与主柱或磁轭的截面积相比减小，这取决于相应变压器单元之间的上述相移。如从Φ6和Φ7的模拟图中可以看出，在返回柱25b中的磁通量的峰值不会超过在主柱中的通量峰值的1/4，因此截面积就可以减少返回柱25b的1/4，而不会超过共用变压器铁心20的额定磁感应强度。在Φ5和Φ8的模拟图的上部，将返回柱25a的截面减少八倍也是可行的。在所建议的牵引变压器的情况下，共用变压器铁心20的整个截面积约为80cm²，初级及次级电压都是在1800V左右。原则上，借助于根据图2的两单元变压器配置，可以电分离任何偶数变换器电平。但是，如果要电分离四倍数量的变换器电平，就最好使用根据图3的四单元变压器配置。无论如何，当给多个初级绕组分配相位的时候，要注意以便在所有变压器配置的主柱中每对″相邻″通量之间产生最小相移。特别，在所建议的牵引变压器的情况下，可以给如图3所示的变压器配置和初级绕组分配带有连续相移的四个初级电压U1到U4。

附图标记列表

10变压器铁心

11，11′柱

12，12′磁轭

13初级绕组

13a，13b线圈

14次级绕组

2，2′变压器单元

20共用变压器铁心

21，21′主柱

22，22′磁轭

23，23′，23″初级绕组

24，24’、24″次级绕组

25返回柱

25a，25b返回柱

50集电器

51电源线

52线路阻抗滤波器

53车轮

54直流传输线

6，6′，6″初级变换器

7、7′、7″次级变换器

Claims (9)

1、一种带有N≥2变换器电平的多电平变换器，每一电平级均包括连接到变压器单元(2、2′)的初级绕组(23、23′)的初级变换器(6、6′)、连接到变压器单元次级绕组(24、24′)的次级变换器(7、7′)，以及限定了用于与初级和次级绕组磁耦合的封闭磁路的变压器铁心结构，

其特征在于，第一和第二变压器单元的变压器铁心结构形成了带有返回柱(25)的共用变压器铁心(20)，所述带有返回柱的共用变压器铁心限定了第一和第二变压器单元相应的封闭磁路的共用部分。

2、根据权利要求1所述的用于将电源线(11)的单相高电压变换成在铁路牵引应用中直流传输线(23)的低电压的多电平变换器，其特征在于，变压器单元在超过电源线(11)的频率的中频工作。

3、根据权利要求1所述的多电平变换器，其特征在于，所述多电平变换器包括N＝4n的变换器电平级，其中n是整数，带有四个单相变压器单元(2、2’)的n变压器配置，每个变压器单元包括初级绕组(23、23′)、次级绕组(24、24′)和变压器铁心结构，所述变压器铁心结构限定了用于与初级和次级绕组磁耦合的封闭磁路，其中四个变压器铁心结构形成了带有返回柱(25)的共用变压器铁心(20)，所述带有返回柱的共用变压器铁心限定了至少两个变压器单元的相应封闭磁路的共用部分。

4.根据权利要求3所述的多电平变换器，其特征在于，共用变压器铁心(20)包括两个返回柱(25a、25b)，所述两个返回柱限定了用于每个共用部分的不同变压器单元对的两个封闭磁路的四个不同的共用部分。

5、根据权利要求4所述的多电平变换器，其特征在于，四个变压器单元平行排列，或者与主柱(21、21′)共轴布置，主柱通过两个磁轭(22、22′)以直角连接，返回柱(25a、25b)形成一个矩形交叉，与主柱和磁轭分别平行定位。

6、根据权利要求3或4的多电平变换器，其特征在于，返回柱(25、25a、25b)的横截面积小于主柱(21、21′)的横截面积。

7、通过具有N≥2变换器电平的多电平变换器转换电源电压的方法，每一电平级包括连接到变压器单元(2、2′)的初级绕组(23、23′)的初级变换器(6、6′)、连接到变压器单元的次级绕组(24、24′)的次级变换器(7、7′)，以及用于与初级和次级绕组磁耦合并限定了封闭磁路的变压器铁心结构，其中第一和第二变压器单元的变压器铁心结构形成了带有返回柱(25)的共用变压器铁心(20)，所述带有返回柱的共用变压器铁心限定了第一和第二变压器单元的相应封闭磁路的共用部分，

其特征在于，所述方法包括将一小部分电源电压提供到与第一和第二变压器单元(2、2′)的初级绕组(23、23′)连接的初级变换器(6、6′)，通过初级变换器给第一和第二变压器单元的初级绕组提供带有非零相移的单相初级电压(U1、U2)，并在返回柱(25)中重叠由初级电压产生的磁通量(Φ1、Φ2)。

8、根据权利要求7的方法，其特征在于，在第一和第二变压器单元的初级电压(U1、U2)之间的非零相移至少大致等于π/N。

9、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，多电平变换器包括N＝4n的变换器电平，以及带有四个单相变压器单元(2、2′)的n变压器配置，每个变压器单元包括初级绕组(23、23′)、次级绕组(24、24′)和变压器铁心结构，变压器铁心结构限定了用于与初级和次级绕组磁耦合的封闭磁路，其中四个变压器铁心结构形成了带有返回柱(25)的共用变压器铁心(20)，所述带有返回柱的共用变压器铁心限定了至少两个变压器单元的相应封闭磁路的共用部分。

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