CN101903202B - 用于向机车的设备供给电能的装置以及用于运行该装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于向机车的设备供给电能的装置的运行。在装置的正常运行期间，通过至少一个牵引-逆变器(9)变换来自直流电压-中间电路(7)的电能，以便向所述机车的至少一个牵引电动机(17)供给电能。此外通过辅助运行设备-逆变器(13)向所述机车的辅助运行设备(18)供给来自所述直流电压-中间电路(7)的电能。在装置的特殊运行期间，通过交流电压端子(21)向所述装置的变压器(14)供给来自交流电网的电能，由所述变压器(14)将所述电能变换到一更高的电压水平上，通过所述辅助运行设备-逆变器(13)将被升压的能量馈给到所述直流电压-中间电路(7)中，以及通过所述牵引-逆变器(9)向所述机车的至少一个牵引电动机(17)供给来自所述直流电压-中间电路(7)的电能。

Description

用于向机车的设备供给电能的装置以及用于运行该装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于向机车的设备供给电能的装置。本发明还涉及一种具有这种装置的机车以及一种用于运行这种装置的方法。
本发明既涉及具有用于提供来自供电网的牵引能量的机组的机车也涉及具有用于产生用于牵引的电能的内燃机的机车。
背景技术
机车被理解为各种具有自己的牵引装置(也就是说，具有至少一个牵引电动机)的有轨车辆。所述概念尤其是指可以与有轨车辆列车组联接的独立车辆，但是也可以指在同一车辆或车辆范围中既存在用于产生牵引的设备也存在用于货物和/或人员的空间的机动车或火车。特别地，可以在列车组的不同单元中或者在其他有轨车辆的单元中分布式地设置对牵引的产生而言在总体上所必需的设备(例如，高压机组或者内燃机、变流器、牵引-中间电路以及牵引电动机)的组合。本发明特别适用于具有至少变流器、牵引-中间电路和牵引电动机的至少一部分并且可以与其他有轨车辆单元脱离的有轨车辆单元。
除对于牵引而言直接必需的设备(例如，高压机组、牵引逆变器以及牵引电动机)外，机车还具有能够实现机车运行的附加设备。这些辅助设备或辅助运行设备同样需要电能并且在特殊情形中通过辅助运行设备-逆变器与一个牵引-中间电路相连接，从所述中间电路中也得到牵引所需的能量。例子是牵引电动机的通风设备、变流器的冷却设备、用于压缩气体的压缩机(例如，用于产生用于制动设备的压缩空气)、机车的灭火设备、用于控制机车运行的电子设备、电池充电设备、暖气设备——例如挡风玻璃加热器、空调、插座、照明设备。设置在可能与机车相联接的有轨车辆单元中的另一组电设备可以通过自己的、附加的逆变器与牵引中间电路连接。
特别是在机车的正常行驶运行之外，可以不用来自正常的行驶运行期间所使用的能量源的能量来运行机车。这种情况的示例是电动机车缺少架空线，(例如在没有抽风设备的封闭的大厅中)禁止运行机车的内燃机和/或为了维护或修理机车。例如在车库中，在首次使用机车或者在维护机车时可能会出现必须移动机车的情形。在此有利的是，机车用自己的动力来运动。
发明内容
本发明的任务在于，说明开头部分所提及类型的方法和装置，所述方法和装置能够实现尤其在以上所述情况下的机车运行，其中，用于机车的正常运行的能量源(例如，柴油发动机或供电网)不可用。在此，形式以特殊供电设备的额外耗费应被保持得尽可能低。
根据本发明的基本构思，对于所述装置的这种特殊运行使用至少一个辅助运行设备-逆变器，所述至少一个辅助运行设备-逆变器在正常运行期间向机车的辅助运行设备供给来自机车的牵引-中间电路的电能。但在特殊运行中，能量流动方向被反转，也就是说，电能通过辅助运行设备-逆变器的交流电压侧提供、被逆变器整流并且被馈给到直流电压-中间电路中。
对于电能的馈给仅仅需要所述装置或机车的一个交流电压端子，所述交流电压端子可以与交流电网(例如，具有例如400V额定电压的、位置固定的低压电网)连接。例如，通常在所有的检修间和仓库中都提供低压电网。仅仅需要一个足够长的电缆，以便可以借助来自电网的电能、但借助于牵引电动机通过自己的动力使机车运动。
优选地，为了将能量提供给辅助运行设备-逆变器，使用一个线路(以下有些地方也称为电流路径)，一个变压器位于所述线路中。变压器在机车的正常运行期间用于：以与辅助运行设备-逆变器在其交流电压侧上的输出电压相比降低的交流电压运行辅助运行设备。在机车的特殊运行中能量流动方向反转的情况下，变压器现在可被用于：升压较低的交流电压并且在辅助运行设备-逆变器的交流电压侧上向辅助运行设备-逆变器提供经升压的电压。因此，通过变压器可在直流电压-中间电路中达到较高的电压，从而机车的牵引可以更高效并且具有更高的功率。
作为用于机车的正常运行的能量源尤其考虑单相交流电网或者也考虑直流电网。替换地，能量源可以例如是柴油发动机，所述柴油发动机驱动一个发电机，所述发电机生成交流电压。但是，真正的能量源是柴油发动机。但以下有些地方发电机被视为能量源，因为对于本发明而言仅仅探讨能量供给的电部分。
特别地，提出一种用于运行用于向机车的设备供给电能的装置的方法，其中，在所述装置的正常运行期间：
-通过至少一个牵引-逆变器转换来自直流电压-中间电路的电能，以便向机车的至少一个牵引电动机供给电能，
-通过辅助运行设备-逆变器向机车的辅助运行设备供给来自直流电压-中间电路的电能，
其中，在所述装置的特殊运行期间：
-通过交流电压端子将来自交流电网的电能提供给所述装置的变压器，
-由变压器将电能变换到更高的电压水平上，
-通过辅助运行设备-逆变器将经升压的能量馈给到直流电压-中间电路中，以及
-通过牵引-逆变器向机车的至少一个牵引电动机供给来自直流电压-中间电路的电能。
因此，所述用于向机车的设备供给电能的装置具有：
-一个直流电压-中间电路，所述直流电压-中间电路具有用于与能量源连接的端子，
-至少一个牵引-逆变器，用于由直流电压-中间电路中的直流电压产生交流电压，其中，牵引-逆变器以直流电压侧与直流电压-中间电路连接并且以交流电压侧与机车的牵引电动机连接或可连接，
-一个辅助运行设备-逆变器，用于由直流电压-中间电路中的直流电压产生交流电压，其中，辅助运行设备-逆变器以直流电压侧与直流电压-中间电路连接并且以交流电压侧通过变压器与机车的辅助运行设备相连接或可连接，其中，变压器的初级侧与辅助运行设备
-逆变器的交流电压侧连接并且变压器的次级侧与辅助运行设备连接或可连接，
-一个交流电压端子，所述交流电压端子与变压器的次级侧连接。
本发明的进一步构型基于以下问题：在突然接通外部交流电网以通过辅助运行设备-逆变器对中间电路进行馈电时可以短时间地流动非常高的电流，所述电流可能导致保险装置的响应。特别地，可能出现电流的无意切断。因此提出，在向机车的牵引电动机供电之前借助预充电设备对直流电压-中间电路充电。因为中间电路通常装配有大电容以便平滑直流电压的波动，所以充电过程可能需要一些时间。
为了进行充电可以考虑不同的方案，这些不同方案也可以部分地彼此组合。因此，可以例如从充电开始起在一个预先给定的时间间隔过去之后自动地结束对直流电压-中间电路的充电。如果参与充电过程的电容和电感是已知的，则可以预先计算这样的时间间隔。但也可以一次性地实施充电过程，以便测量为了达到中间电路中期望的电压所必需的充电时间。
根据另一方案，当确定在直流电压-中间电路中达到预先给定的直流电压时结束对直流电压-中间电路的充电。因为与中间电路连接的变流器的控制单元通常具有相应的测量设备，所以不必修改目前已知并且现有的装置。
优选地，通过交流电压端子从随后在真正的特殊运行期间也用作能量源的交流电网中获取用于对直流电压-中间电路充电的电能。然而在此情况下，在充电期间流动的电流与随后在牵引电动机运行期间通过交流电压端子流入到直流电压-中间电路中的电流相比被限制在一个较低的值上。所述较低的值在充电过程期间不必是恒定的。更确切地说，所述限制也可以仅仅在于：在电流路径中连接一个电阻或者多个电阻。取代电阻或者附加地，也可以考虑接入大电感。当然也可以使用其他的电流限制单元，例如一个被电子地控制的限制单元。
为了接通电流限制单元，可以使用例如固定地安装在所述装置中的开关设备。因此，例如用于正常运行或者也用于特殊运行的电流路径可通过开关设备断开，并且电流限制单元位于可被接通的旁路中，所述旁路跨接电流路径的被断开的区段。
本发明的一个构型所基于的另一问题涉及滤波设备，所述滤波设备通常被设置用于抑制和/或滤除辅助运行设备-逆变器的交流电压侧上的不期望的振荡频率。这些滤波设备是针对机车的正常运行而设计的。然而在特殊运行时，情况有所不同。特别地，在特殊运行中施加在交流电压端子上的交流电压具有一个另外的频率、例如50Hz。另一方面，不发生在正常运行中出现的振荡激励。
因此提出，关闭这些滤波设备或者这些滤波设备的至少一部分和/或自动地为特殊运行修改这些滤波设备。例如，在借助三相交流电压向辅助运行设备供电时可以通过三个电容构成的星形连接来实现滤波设备。在此情形中，例如自动地通过切断将星形连接与三相导线分开。
附图说明
现在参照附图来描述本发明的实施例。各个附图示出：
图1：直流电压-中间电路，具有与所述直流电压-中间电路相连接的辅助运行设备以及用于特殊运行的交流电压端子，以及
图2：具有三个辅助运行设备-逆变器以及与所述三个辅助运行设备-逆变器相连接的辅助运行设备的装置，所述装置可用于特殊运行。
具体实施方式
图1中示出驱动发电机3的柴油发动机1。发电机3产生一个三相交变电流，所述三相交变电流通过整流器5整流。整流器5与直流电压-中间电路7连接。借助P-UD+(中间电路7在图1中所示的上侧)和P-UD-(中间电路7在图1中所示的下侧)表示直流电压-中间电路7的电位。电位P-UD-可以在以附图标记19表示的位置处与车辆地(Fahrzeugmasse)连接。
与中间电路7相连接的有通过三相连接向有轨车辆的四个驱动电动机17供电的牵引逆变器9、与制动电阻12相连接的制动断路器11、通过三相交流线路向辅助运行设备18供电的辅助运行设备-逆变器13以及通过单相的列车母线向例如所连接的列车组中的负载供给电能的负载-逆变器15。
图1中所示的辅助运行设备-逆变器13通过实现电流分离的分离变压器14与辅助运行设备18连接。另外，将变压器14的次级侧(低压侧)与辅助运行设备18连接的三相线路设有一个交流电压端子21，所述交流电压端子21可以为了特殊运行与交流电网连接。例如，交流电压端子21可以是用于400V低压电网的三相标准插座。
与图1中所示的装置相比，可以进行大量修改。例如，可以取代柴油发动机、发电机以及三相整流器5设有一个连接单相高压电网的端子。除直流电压-中间电路7外，可以设置一个或多个其他的中间电路，通过所述一个或多个其他的中间电路向牵引电动机的一部分或者附加的牵引电动机供给能量。
其他设备、尤其是保险装置和/或陷波电路可以与直流电压-中间电路连接和/或集成到所述直流电压-中间电路中。
多个辅助运行设备-逆变器可以与同一直流电压-中间电路连接，如在图2的情形中所设置的那样。
辅助运行设备的供电可被设计成仅仅是单相的。相应地，对于特殊运行，交流电压端子也被设计成是单相的。
其他修改也是可能的。
在特殊运行中，如以上所述，交流电压端子21与交流电网连接，从而可以从电网中获取电能并且在通过变压器14进行升压之后将电能馈入直流电压-中间电路7。在此优选地，如将进一步根据图2所描述的，在通过牵引-逆变器9向一个或多个牵引电动机馈电之前首先对直流电压-中间电路7进行充电。尤其有意义的是，在特殊运行中仅仅向牵引电动机的一部分供给电能。这足以使机车至少缓慢地在短距离上移动。通常在特殊运行中不期望较高的速度和较大的距离。
辅助运行设备18尤其可以涉及说明书中开头部分所提及的辅助运行设备中的一个或多个。例如，用于冷却变流器13、变压器14和/或用于冷却其他变流器9、11、15中的一个或多个和/或牵引电动机17的冷却设备也属于辅助运行设备18。用于控制变流器9、11、13、15的运行的控制设备也可以属于辅助运行设备18。然而，在特殊运行中，可以不考虑用于向所连接的有轨车辆单元供电的变流器15的运行。
图2示出三个辅助运行设备-变流器31a、31b、31c，他们可以与同一直流电压-中间电路连接。然而同样可能的是，两个或所有变流器31与不同的中间电路连接。替换地或者附加地，这些中间电路可以彼此连接，或者为了特殊运行而彼此连接。由此在特殊运行中可以通过辅助运行设备-逆变器将能量馈给到第一中间电路中，将能量传输到第二中间电路中并且以来自第二中间电路的能量运行牵引电动机。
变流器31在机车的正常运行期间用于辅助运行设备的供电，这些辅助运行设备在图2中通过具有附图标记38的框表示。在此，辅助运行设备38的供电通过一个连接及分配设备(Anschluss-und Verteilungseinrichtung)36实现。根据图2的变流器31c例如可以是根据图1的辅助运行设备-逆变器13。
变流器31分别通过变压器33a、33b、33c与设备36连接，更确切地说，在此处所示的实施例中分别通过三相线路35a、35b、35c与设备36连接。
以下实施方式仅适用于变流器31c。但在替换构型中，这些实施方式也可以适用于一个或两个其他的变流器31a、31b。
辅助运行设备-逆变器31c通过分配给它的变压器33c与用于在正常运行期间滤除干扰频率的滤波设备连接。滤波设备以附图标记39表示并且如图2中所象征性地示出的那样包含例如一个或多个电容。另外，在滤波设备39中示出一个开关。通过操纵所述开关可以断开滤波设备39，即所述滤波设备39在断开状态中不再起作用。例如，滤波设备39的开关涉及可由图1和图2中的整个装置的中央控制设备控制的晶体管开关。用于控制不同的逆变器或整流器5、9、11、13、15的运行的控制单元也可以属于所述中央控制设备。
特别地，并且不仅仅适用于图1和图2的实施例，可以通过计算机实施本发明的方法，除了例如手动地建立交流电压端子与交流电网的连接之外，计算机实施特殊运行的启动和其他实施所必需的动作。特别地，计算机可以控制特殊运行中所需的全部开关过程和/或一个或多个辅助运行设备-逆变器的运行。因此，图2中的所有开关优选可由计算机控制。
另外，在变压器33c与设备36之间的线路35c中还具有开关43(在三相线路的情形中为三相开关，例如接触器)，借助所述开关43可以分离线路35c的一个区段。
另外，通过旁路45跨接路线35c具有开关43的区段，其中，在旁路45中同样具有相继串联的开关47和限制单元49。在三相线路35c的情形中，通常为这些相位中的每个相位设置一个这样的旁路。但也可以仅仅在两个相位中分别设置一个旁路。
如图2中右下方所示，线路35c终止于交流电压连接端子41。因此对于特殊运行而言，可以将交流电压连接端子41与交流电网或者也与交流电压发电机连接。为了准备真正的特殊运行，首先打开开关43，断开滤波设备39，随后闭合开关47，通过旁路45和电阻49引导从外部馈入交流电压连接端子41的电流，所述电流通过变压器33c变换到更高的电压水平并且在辅助运行设备-逆变器31c的朝向变压器33c的交流电压侧上馈入辅助运行设备-逆变器31c。由此，辅助运行设备-逆变器31c以与其通常的正常工作方式相反的方式生成被馈入相应的中间电路的直流电流。由此对中间电路进行充电。在充电结束之后，打开开关47、闭合开关43并且因此通过线路35c的正常的电流路径将电流从交流电压连接端子41经变压器33c提供给辅助运行设备-逆变器31c的交流电压侧。在此情形中以及在真正的特殊运行情形中在逆变器31c的直流电压侧上生成的电流可被用于向至少一个牵引电动机供给来自中间电路的电能。
在特殊运行期间，优选直接通过交流电压连接端子41和设备36向辅助运行设备38供给能量，而不必绕经中间电路。但是，也可以考虑这种绕经中间电路的供电，尤其是在单个辅助运行设备仅仅与另一辅助运行设备-逆变器(例如，31a、31b)相连接时。在特殊运行期间，这种辅助运行设备、例如冷却设备的运行确保了例如辅助运行设备-逆变器31c和图1中其他变流器的全部功能。

Claims (15)

1.用于运行一用于向一机车的设备供给电能的装置的方法，其中，在所述装置的正常运行期间：
通过至少一个牵引-逆变器(9)变换来自一直流电压-中间电路(7)的电能，以便向所述机车的至少一个牵引电动机(17)供给电能，
通过一辅助运行设备-逆变器(13)向所述机车的辅助运行设备(18)供给来自所述直流电压-中间电路(7)的电能，
其中，在所述装置的特殊运行期间：
通过一交流电压端子(21)向所述装置的一变压器(14)供给来自一交流电网的电能，
由所述变压器(14)将所述电能变换到一更高的电压水平上，
通过所述辅助运行设备-逆变器(13)将被升压的能量馈给到所述直流电压-中间电路(7)中，以及
通过所述牵引-逆变器(9)向所述机车的至少一个牵引电动机(17)供给来自所述直流电压-中间电路(7)的电能。
2.根据上一权利要求所述的方法，其中，在所述特殊运行中在向所述牵引电动机(17)供电之前对所述直流电压-中间电路(7)充电。
3.根据上一权利要求所述的方法，其中，在一预先给定的时间间隔过去之后结束对所述直流电压-中间电路(7)的充电。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，当确定在所述直流电压-中间电路(7)中达到一预先给定的直流电压时结束对所述直流电压-中间电路(7)的充电。
5.根据权利要求2到4中任一项所述的方法，其中，通过所述交流电压端子(21)从一交流电网中获取用于对所述直流电压-中间电路(7)充电的电能，并且其中，将在所述充电期间流动的电流与一随后在所述牵引电动机(17)运行期间通过所述交流电压端子(21)流入到所述直流电压-中间电路(7)中的电流相比限制到一较低的值上。
6.根据上一权利要求所述的方法，其中，接通用于将所述电流限制到所述用于充电的较低的值上的限制单元(49)并且在充电过程结束时断开所述限制单元(49)。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述交流电压端子(21)为了所述特殊运行与一个低压电网连接。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述特殊运行期间断开一用于抑制和/或滤除不期望的振荡频率的滤波设备(39)，所述滤波设备被设置在所述辅助运行设备-逆变器(31)的交流电压侧与所述交流电压端子(41)之间。
9.用于向一机车的设备供给电能的装置，其中，所述装置具有：
一直流电压-中间电路(7)，所述直流电压-中间电路具有用于与一能量源(3)连接的端子，
至少一个牵引-逆变器(9)，用于由所述直流电压-中间电路(7)中的直流电压产生交流电压，其中，所述牵引-逆变器(9)以一直流电压侧与所述直流电压-中间电路(7)连接并且以一交流电压侧与所述机车的牵引电动机(17)连接或可连接，
一辅助运行设备-逆变器(13)，用于由所述直流电压-中间电路(7)中的直流电压产生交流电压，其中，所述辅助运行设备-逆变器(13)以一直流电压侧与所述直流电压-中间电路(7)连接并且以一交流电压侧通过一变压器(14)与所述机车的辅助运行设备(18)连接或可连接，其中，所述变压器(14)的初级侧与所述辅助运行设备-逆变器(13)的交流电压侧连接并且所述变压器(14)的次级侧与所述辅助运行设备(18)连接或可连接，
一交流电压端子，所述交流电压端子与所述变压器(14)的次级侧连接。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述装置还具有一充电设备(43，45，47，49)，所述充电设备(43，45，47，49)用于对所述直流电压-中间电路充电，其中，所述充电设备与所述交流电压端子(41)相连接并且被设计用于通过所述变压器(33c)对所述直流电压-中间电路充电。
11.根据上一权利要求所述的装置，其中，所述充电设备(43，45，47，49)具有电流限制单元(49)，所述电流限制单元(49)用于限制在所述充电期间流动的电流。
12.根据上一权利要求所述的装置，其中，所述充电设备(43，45，47，49)具有一开关设备(43，47)，借助所述开关设备(43，47)可以如此转换将所述交流电压端子(41)与所述直流电压-中间电路相连接的电流路径(35c)，使得所述电流路径(35c)通过所述限制单元(49)。
13.根据权利要求9所述的装置，其中，所述交流电压端子(41)被设计用于与一个低压电网连接。
14.根据权利要求9所述的装置，其中，所述装置在所述辅助运行设备-逆变器(31c)的交流电压侧与所述交流电压端子之间具有一滤波设备(39)，所述滤波设备用于抑制和/或滤除不期望的振荡频率，并且其中，所述装置具有一断开设备，所述断开设备用于在通过所述交流电压端子(41)向所述直流电压-中间电路馈给电能期间断开所述滤波设备(39)。
15.机车，所述机车具有根据权利要求9至14中任一项所述的装置。
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