CN101395029A - 具有永磁同步发电机的柴油电力驱动系统 - Google Patents

具有永磁同步发电机的柴油电力驱动系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种柴油电力驱动系统，其具有永磁同步发电机(4)和制动电阻(20)，所述永磁同步发电机在转子侧与柴油机(2)机械耦合，在定子侧与电压型变换器(6)导电相连，所述电压型变换器在发电机侧和负载侧分别具有一个自换相脉冲变流器(12，14)，所述自换相脉冲变流器在直流电压侧通过直流电压中间电路(18)彼此相连，所述制动电阻(20)可与所述直流电压中间电路(18)导电相连。根据本发明，所述电压型变换器(6)的发电机侧自换相变流器(12)的每个发电机侧接点(R，S，T)均可通过开关装置(32)与一个制动电阻(34，36，38)导电相连，所述制动电阻彼此导电相连。借此获得一种无需再使用附加制动调节器的柴油电力驱动系统。

Description

具有永磁同步发电机的柴油电力驱动系统
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的柴油电力驱动系统。
背景技术
这种类型的驱动系统在Olaf Koerner(奥拉夫·科尔纳)、Jens Brand(延斯·布朗特)和Karsten Rechenberg(卡斯滕·瑞兴博格)合著的标题为“Energy Efficient Drive System for a Diesel Electric ShuntingLocomotive(用于柴油电力调车机车的节能驱动系统)”的论文(刊登于2005年9月11日至14日德累斯顿EPE会议“EPE’2005”会议论文集)中有所涉及。该论文对两种具有永磁同步发电机的柴油电力驱动系统进行了比较。这两种驱动系统的区别仅在于，其中一个驱动系统中的电压型变换器的发电机侧变流器为二极管整流器，而另一个驱动系统中的电压型变换器的发电机侧变流器为自换相脉冲变流器。该论文将自换相脉冲变流器称为“IGBT整流器”。这两种驱动系统的电压型变换器的中间电路均可与制动电阻相连。为此设置有也可称为“GTO晶闸管”的门极可关断晶闸管。借助于这个脉冲电阻可使电压型变换器的中间电路中的直流电压在制动模式下——即当中间电路由负载(特定而言为感应电机)提供能量时——承担起避免最大允许中间电路电压被超过的任务。一部分制动功率用于补偿空转柴油机的阻力矩。其不利之处在于，须为制动调节器使用附加的变流器桥接旁路，并且这个制动调节器的附加性母线敷设须与中间电路的母线敷设一起进行。其中需要注意的是，制动调节器应以低电感方式进行连接。根据具体的制动力矩，有可能需要为制动调节器使用其他的彼此并联的变流器桥接旁路。此外还须为门极可关断晶闸管使用控制装置。除此之外，用作制动调节器的门极可关断晶闸管还具有复杂的电路网络，这个电路网络相应需要占用一定的空间。
DE 102 10 164 A1中公开了一种用于在发电站中为永磁同步电动机进行多整流器供电的装置。这种永磁同步发电机具有两个在线圈匝数上采取不同实施方式的多相定子绕组系统。其中一个绕组系统连接在可控整流器(例如IGBT整流器)上。这个可控整流器的任务是对永磁同步发电机的功率输出进行调节，进而对其进行转速调节。为此，在低转速范围内通电，从而使电功率只经过这个绕组系统和连接在直流电压中间电路上的可控整流器。第二绕组系统连接在不可控整流器(例如多脉冲二极管电桥)上，这个不可控整流器与可控整流器连接在同一个直流电压中间电路上。如果线间(即相间)旋转电压(又称“同步电动势”)大于直流电压中间电路的中间电路电压，不可控整流器就会将第二绕组系统中的电流调整至直流电压中间电路的电流。其中，由于第一和第二绕组系统之间存在磁耦合，因而第二绕组系统中的电流会在幅值和相位方面受到第一绕组系统中的电流的影响，第一绕组系统中的电流由有源整流器(可控整流器)调节。也就是说，借助可控整流器也可在一定程度上对不可控整流器的绕组系统中的电流进行调节。这种装置的有功功率传输主要由不可控整流器承担，因此，可控整流器采取小功率设计，以此达到降低成本的目的。借助于这个通常也被称为“自换相脉冲变流器”的可控整流器可避免永磁同步发电机在过励磁状态下进行工作。此外还可对发电机转矩中由不可控整流器引起的谐波进行补偿。
发明内容
因此，本发明的目的是对普通的柴油电力驱动系统进行改进，使其无需再使用附加的制动调节器。
根据本发明，这个目的通过权利要求1的区别特征并结合权利要求1前序部分的特征而达成。
如果电压型中间电路变换器的发电机侧的自换相脉冲变流器的每个发电机侧接点均借助一开关装置与一个制动电阻导电相连，这个自换相脉冲变流器就可额外承担制动电流调节这一任务。借此可省去电压型中间电路变换器的中间电路上的制动调节器。
根据这种电力驱动系统的一种有利实施方式，电压型中间电路变换器在发电机侧还具有另一个自换相脉冲变流器，所述另一自换相脉冲变流器在直流电压侧与电压型变换器的直流电压中间电路连接，其中，这两个发电机侧自换相脉冲变流器在交流电压侧分别与第一和第二扼流器的一个接点相连，每个第一扼流器的第二接点通过所述开关装置与所述制动电阻相连，并通过另一开关装置与永磁同步发电机的一个定子侧接点相连，每个第二扼流器的第二接点与永磁同步发电机的一个定子侧接点相连。通过在柴油电力驱动系统中使用另一发电机侧脉冲变流器和第一及第二扼流器，可在制动模式下在使用柴油机的情况下实现像商用车那样的发动机制动，在此情况下，电气制动模式下的一部分功率由柴油机耗散。借此可在功率保持不变的情况下相应缩小所述制动电阻的尺寸。在发电机模式下，这两个在发电机侧并联连接的多相自换相脉冲变流器通过所述第一和第二扼流器实现输入端退耦。
根据所述柴油电力驱动系统的另一有利实施方式，永磁同步发电机具有两个彼此分离的定子绕组系统，电压型中间电路变换器在发电机侧具有两个自换相脉冲变流器，这两个自换相脉冲变流器的交流电压侧各个接点分别与所述两个定子绕组系统中的一个定子绕组系统的一个定子侧接点相连。在此情况下，永磁同步发电机的两个绕组系统的定子绕组分别与电压型变换器的一个发电机侧自换相脉冲变流器相连，所述各发电机侧自换相脉冲变流器在直流电压侧与电压型变换器的同一个中间电路相连。电压型中间电路变换器的这两个发电机侧自换相脉冲变流器中的一个发电机侧自换相脉冲变流器在交流电压侧通过开关装置与制动电阻相连。通过本发明柴油电力驱动系统的这种实施方式也可在使用柴油机的情况下实现像商用车那样的发动机制动，在此情况下，电气制动模式下的一部分功率可由柴油机耗散。借此可相应缩小所述制动电阻的体积。
所述柴油电力驱动系统的其他有利实施方案可从从属权利要求4至8中获得。
附图说明
下面借助附图所示的本发明的柴油电力驱动系统的多个实施例对本发明作进一步说明，其中：
图1为普通柴油电力驱动系统的等效电路图；
图2为本发明柴油电力驱动系统的第一实施方式的等效电路图；
图3为图2所示的电压型中间电路变换器的发电机侧的自换相脉冲变流器的变流器桥接旁路模块的等效电路图；
图4为本发明柴油电力驱动系统的第二实施方式的等效电路图；
图5为图4所示的电压型变换器的自换相脉冲变流器的双变流器桥接旁路模块的等效电路图；以及
图6为本发明柴油电力驱动系统的第三实施方式的等效电路图。
具体实施方式
在图1所示的普通柴油电力驱动系统的等效电路图中，2表示柴油机，4表示永磁同步发电机，6表示电压型变换器，8表示多个感应电机，特定而言为三相异步电动机，10表示制动斩波器。电压型变换器具有发电机侧自换相脉冲变流器12和负载侧自换相脉冲变流器14，这些自换相脉冲变流器通过具有中间电路电容器组16的中间电路18在直流电压侧彼此导电相连。制动斩波器10与这个中间电路18相连，制动斩波器10具有彼此串联的制动电阻20和制动调节器22(例如门极可关断晶闸管)。除此之外，这个等效电路图中还显示了特定而言由法拉电容构成的电容器组24、DC/DC转换器26和辅助逆变器28。DC/DC转换器26的输入端与电容器组24相连，输出端与辅助逆变器28的直流电压侧接点相连。此外，DC/DC转换器26的输出端与电压型变换器6的中间电路18电气相连。辅助逆变器28的交流电压侧接点上连接有辅助驱动装置，附图并未对这些辅助驱动装置进行明确图示。柴油机2和永磁同步发电机4在转子侧彼此机械耦合，其中，永磁同步发电机4在定子侧与电压型变换器6的发电机侧自换相脉冲变流器12的交流电压侧接点相连。
由于这个等效电路图是柴油电力调车机车的等效电路图，因此，30表示用于容纳电子变流设备的牵引模块。所述制动电阻和柴油驱动的永磁同步发电机4布置在这个牵引模块30的外部。四个三相异步电动机8是柴油电力调车机车的两个转向架的发动机。
在这个等效电路图中实施为单个电阻的制动电阻20也可由多个彼此串联的电阻构成。门极可关断的晶闸管22实现为变流器桥接旁路模块，其中，仅使用对应的续流二极管来代替门极可关断的第二晶闸管。这个变流器桥接旁路模块此外还包括一个用于门极可关断晶闸管的电路网络和一个门控单元。
图2显示的是本发明柴油电力驱动系统的第一实施方式的等效电路图。出于清楚起见，此处并未对图1所示的电压型变换器6的负载侧自换相脉冲变流器14和三相异步电动机8进行图示。电压型变换器6的发电机侧自换相脉冲变流器12的交流电压侧接点R、S、T一方面可通过开关装置32分别与一个制动电阻34、36和38相连，另一方面可通过断路器40分别与永磁同步发电机4的一个定子侧接点42、44和46相连。除此之外，这个附图还对永磁同步发电机4的定子绕组系统进行了图示。驱动系统每个相上的开关装置在此均用开关装置32表示。断路器40也同样如此。此处所示的制动电阻34、36和38采用的是星形接线法，在值上相当于图1所示的实施方式中的制动电阻20。这些制动电阻34、36和38也可采用三角形接线法。设置有用作开关装置32的三相隔离开关。这种隔离开关以无电流方式断开。断路器40用于保护自换相脉冲变流器12。也可用纯粹的电开关装置32代替机电开关装置32。为此须使用复数个以三角形接线法进行连接的晶闸管，其中，制动电阻34、36和38分别与两个串联连接的晶闸管导电相连。
在所述柴油电力驱动系统的这种实施方式中，电压型中间电路变换器6的发电机侧自换相脉冲变流器12，通过变流器桥接旁路模块48而实现。这种变流器桥接旁路模块48的等效电路图由图3进行详细图示。发电机侧自换相脉冲变流器12的每个变流器桥接旁路模块48的直流电压侧接点50和52分别与电压型变换器6的中间电路18的一个电位导电相连。其中，自换相脉冲变流器12的三个变流器桥接旁路模块48的直流电压侧接点50分别与中间电路18的一个正电位P相连，而这三个变流器桥接旁路模块48的直流电压侧接点52则分别与中间电路18的一个负电位N相连。
根据图3所示的等效电路图，变流器桥接旁路模块48具有两个彼此并联的桥接旁路模块54。每个桥接旁路模块54均具有两个串联连接的可断开半导体开关56和58，特定而言为绝缘栅双极晶体管(IGBT)，这两个可断开半导体开关分别配有一个对应的续流二极管60或62。在牵引技术中，牵引变流器尽可能采用模块化结构，其中，将桥接旁路模块54用作最小单元。如图3所示，通过两个桥接旁路模块54的并联连接可获得适用于大功率的变流器桥接旁路模块48。
图4显示的是本发明柴油电力驱动系统的第二实施方式的等效电路图。与图2所示的实施方式相比，这种实施方式具有由两个自换相脉冲变流器构成的发电机侧自换相脉冲变流器12。此处所示的这个自换相脉冲变流器12通过其各个双变流器桥接旁路模块64而实现。这种双变流器桥接旁路模块64的等效电路图由图5进行详细图示。采用自换相脉冲变流器12的这种建构方案时，三个双变流器桥接旁路模块64的直流电压侧接点50同样分别与电压型变换器6的中间电路18的正电位P导电相连，而这些双变流器桥接旁路模块64的直流电压侧接点52则仍分别与电压型变换器6的中间电路18的负电位N相连。
两个发电机侧自换相脉冲变流器的交流电压侧接点R、S、T和R′、S′、T′分别与扼流器66、68相连。其中一个自换相脉冲变流器的交流电压侧接点R′、S′、T′通过扼流器68和断路器40与永磁同步发电机4的定子绕组系统的定子侧接点42、44和46相连。另一个自换相脉冲变流器的交流电压侧接点R、S、T借助于扼流器66一方面通过开关装置32与制动电阻34、36和38相连，另一方面通过其他开关装置70与永磁同步发电机4的定子绕组系统的定子侧接点42、44和46相连。上述两个自换相脉冲变流器在直流电压侧与同一个中间电路18相连，利用这两个自换相脉冲变流器作为电压型变换器6的发电机侧的自换相脉冲变流器12，以及通过使用相应的扼流器66和68，可在使用柴油机2的情况下实现像商用车那样的发动机制动。在此情况下，电气制动的一部分功率由柴油机2耗散。借此可相应缩小制动电阻34、36和38的尺寸。
图5所示的双变流器桥接旁路模块64与图3所示的变流器桥接旁路模块48一样，都具有两个在直流电压侧彼此并联的桥接旁路模块54。所述接点(例如R和R′)在交流电压侧彼此分离。在此情况下，三个如图5所示的双变流器桥接旁路模块64构成两个带有交流电压侧接点R、S、T和R′、S′、T′的三相自换相脉冲变流器。这两个自换相脉冲变流器在直流电压侧为电压型变换器6的中间电路18供电。
图6显示的是本发明柴油电力驱动系统的第三实施方式的等效电路图。这个第三实施方式与图4所示的柴油电力驱动系统第二实施方式之间的区别在于，此处的永磁激励同步发电机4为一个具有两个绕组系统74和76的永磁激励同步发电机72。绕组系统74的定子侧接点78、80、82通过断路器40可与其中一个自换相脉冲变流器的交流电压侧接点R、S、T相连，而第二定子绕组系统76的定子侧接点84、86和88则可通过其他断路器90与自换相脉冲变流器12的另一个自换相脉冲变流器的交流电压侧接点R′、S′和T′相连，所述变流器12是柴油电力驱动系统的电压型中间电路变换器6的发电机侧的自换相脉冲变流器。所述电压型变换器6的发电机侧自换相脉冲变流器12的其中一个自换相脉冲变流器的交流电压侧接点R、S和T此外还可通过开关装置32与制动电阻34、36和38导电相连。通过用具有两个定子绕组系统74和76的永磁激励同步发电机72代替具有一个定子绕组系统的永磁同步发电机4，可省去图4所示的柴油电力驱动系统实施方式所使用的六个扼流器66、68及其布线。但这两种实施方式在操作上并无区别。也就是说，通过这种第三实施方式也可在使用柴油机2的情况下实现像商用车那样的发动机制动。在此情况下，一部分制动功率由柴油机2耗散，当柴油电力驱动系统的制动功率保持不变时，借此可相应缩小制动电阻34、36和38的尺寸。通过这种方式可相应减小这些制动电阻34、36和38所需占用的安装空间。

Claims (8)

1.一种柴油电力驱动系统，包括：一个永磁同步发电机(4)和一个制动电阻(20)；所述永磁同步发电机在转子侧与一柴油机(2)机械耦合，在定子侧与一个电压型中间电路变换器(6)导电相连，所述电压型中间电路变换器在发电机侧和负载侧分别具有一个自换相脉冲变流器(12，14)，所述自换相脉冲变流器在直流电压侧通过一个直流电压中间电路(18)彼此相连；所述制动电阻(20)与所述直流电压中间电路(18)导电相连；
其特征在于，
所述电压型中间电路变换器(6)的发电机侧自换相脉冲变流器(12)的每个发电机侧接点(R，S，T)均可通过一开关装置(32)与一制动电阻(34，36，38)导电相连，所述制动电阻(34，36，38)彼此导电相连。
2.根据权利要求1所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，
所述电压型中间电路变换器(6)的发电机侧自换相脉冲变流器(12)还具有另一个自换相脉冲变流器，所述另一个自换相脉冲变流器在直流电压侧与所述电压型中间电路变换器(6)的直流电压中间电路(18)连接，其中，所述电压型中间电路变换器(6)的发电机侧自换相脉冲变流器(12)的这两个自换相脉冲变流器在交流电压侧分别与第一和第二扼流器(66，68)的一个接点导电相连；其中，每个第一扼流器(66)的第二接点通过所述开关装置(32)与一个制动电阻(34，36，38)相连，并通过另一开关装置(70)与所述永磁同步发电机(4)的定子侧接点(42，44，46)相连；其中，每个第二扼流器(68)的第二接点均与所述永磁同步发电机(4)的一个定子侧接点(42，44，46)相连。
3.根据权利要求1所述的柴油电力驱动系统，包括一个永磁同步发电机(72)，所述永磁同步发电机具有两个彼此分离的定子绕组系统(74，76)，其特征在于，
所述电压型中间电路变换器(6)的发电机侧自换相脉冲变流器(12)具有两个自换相脉冲变流器，所述两个自换相脉冲变流器在直流电压侧分别与所述电压型变换器(6)的中间电路(18)导电相连；其中，每一个上述自换相脉冲变流器的一个交流电压侧接点(R，S，T)分别通过所述开关装置(32)与一个制动电阻(34，36，38)相连，并且还与所述永磁同步发电机(72)的第一定子绕组系统(74)的定子侧接点(78，80，82)相连；其中，所述电压型中间电路变换器(6)的发电机侧自换相脉冲变流器(12)的另一个自换相脉冲变流器的每一个交流电压侧接点(R′，S′，T′)，与所述永磁同步发电机(72)的第二定子绕组系统(76)的定子侧接点(84，86，88)相连。
4.根据上述权利要求中任一项所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，
所述永磁同步发电机(4，72)的每个定子侧接点(42，44，46；78，80，82；84，86，88)后面分别连接有一个断路器(40，90)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，
分别设置有一个用作开关装置(32，70)的隔离开关。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，
分别设置有一个用作开关装置(32，70)的晶闸管，所述晶闸管彼此串联连接。
7.根据上述权利要求中任一项所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，
所述制动电阻(32，34，36)以星形接线法进行电连接。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，
所述制动电阻(32，34，36)彼此串联电连接。
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