CN101980886B - 向有轨车辆中的辅助运行设备供给电能 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于向有轨车辆中的辅助运行设备(18)供给电能的系统(20)，其中，所述系统(20)通过分离变压器(14)与能量源、例如直流电压中间电路(7)连接，其中，所述系统(20)在不接入限制电流的电阻的情况下通过保护开关(25)与基准电位连接，尤其是与车辆接地连接，其中，所述保护开关(25)被设计成在出现由所述系统(20)与所述基准电位的额外接触导致的、流过闭合的保护开关(25)的电流时断开。

Description

向有轨车辆中的辅助运行设备供给电能

技术领域

本发明涉及一种用于向有轨车辆中的辅助运行设备供给电能的系统。此外，本发明还涉及一种用于在意外地与基准电位、尤其是与车辆接地(Fahrzeugmasse)接触时保护此类系统的方法。

背景技术

除对于牵引而言直接必需的装置(例如，高压机组、牵引逆变器以及牵引电动机)外，机车或者其他有轨车辆或者服务于有轨车辆或列车组的运行的列车组部分还具有能够实现运行的附加装置。这些辅助装置或者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牵引中间电路连接，也从所述牵引中间电路中获得牵引所需的能量。示例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。

然而，本发明并不限于机车中的应用并且也不限于具有牵引中间电路的电系统。更确切地说，也可以通过其他方式来提供辅助运行设备系统的运行所需的电能。在本说明书中一般使用概念“能量源”，即使其实际上不涉及电系统的生成电能的部分。更确切地说，电能例如由柴油发动机生成或者例如通过(例如具有架空线-滑接馈电线或者母线的)高压电网传输到有轨车辆。但是在本说明书的术语中，例如可能存在的、通过变流器也与牵引电动机相连接的牵引中间电路或者直流电压中间电路是用于辅助运行设备系统的能量源。

通常，如此设计有轨车辆中的所有辅助运行设备系统，使得它们在没有基准电位的情况下也能够工作。这意味着，它们可以相对于车辆接地或者“大地”在波动的电位上工作。如果出现与车辆接地的接触，尤其是与车辆接地的短路，则自由波动的状态被消除并且接触点位于车辆接地上。仅仅这样不会导致诸如大短路电流之类的问题。然而，如果出现与车辆接地的其他接触，则可能产生大短路电流，所述短路电流可能毁坏系统组件并且还可能对总电系统的其他部分具有反作用，例如对牵引中间电路和与其连接的变流器具有反作用。

因此已经提出，通过由电阻和保护开关组成的串联电路使辅助运行设备系统与基准电位连接。如果在其他位置处出现与基准电位的接触，则通过所述电阻来限制流过的短路电流并且保护开关根据其时间响应特性断开。

然而，这种解决方案的成本相对较高。此外，在机车和动车组(Triebzug)中通常存在多个辅助运行设备系统，从而成本进一步增加。

发明内容

本发明的任务在于，提供开始部分所述类型的系统和方法，借助所述系统和方法能够在低成本下可靠地确保对辅助运行设备系统的有效保护。

本发明的基本考虑在于，不需要与保护开关串联设置的限流电阻。虽然在理论上在出现与车辆接地的第二短路时，可能会有非常大的短路电流流过仍然闭合的保护开关。但是可以通过其他方式限制所述短路电流。

因此，提出一种用于向有轨车辆中的辅助运行设备供给电能的系统，其中

-所述系统通过分离变压器与能量源连接，例如与直流电压中间电路连接，

-所述系统在不接入限制电流的电阻的情况下通过保护开关与基准电位连接，尤其是与车辆接地连接，

-保护开关被设计成在出现由所述系统与基准电位的额外接触导致的、流过闭合的保护开关的电流时断开。

概念“用于向辅助运行设备供电的系统”理解为具有电导线的用于向辅助运行设备供电的装置。特别地，所述系统可以是三相系统，从而辅助运行设备可以与交流供电的一个或多个相连接。特别地，保护开关可以使三个相的中性点与基准电位连接。

“不接入电阻”意味着：保护开关使辅助运行设备系统的电导线直接与基准电位连接。“直接”意味着在所述连接中不设置任何增大直流电阻的分立部件。当然，连接导线具有小的欧姆电阻。然而，所述电阻如此之小，以至于它在限制大的短路电流方面不值得一提。

作为保护开关可以考虑本身已知的开关，其以安全自动装置的方式检测大电流并且在超过极限值时或者在响应开关的电流监测时根据保护开关的触发特性断开开关触点。通常，在重新清除了导致大电流的原因之后必须手动地接通这种安全自动装置(Sicherungsautomat)。

在一个优选的实施方式中，变压器在其初级侧通过变流器与能量源相连接。通过接通和关断电流阀来操作变流器，其中，设有用于控制接通和关断的控制装置，所述控制装置被如此设计，使得在一个相中超过预先给定的相电流极限值时和/或在多个相中电流总和超过总电流极限值时，将所述相中或者所有相中的电流限制到相应的极限值上，其方式是，相应地控制阀的接通和关断。例如，减少在交变电流的半波期间接通一个相的时间和/或产生相电流相对于无故障情形的时间偏差。

通过所述对在直流电压中间电路的情形中涉及DC/AC转换器的变流器的控制，也可以有效地限制次级侧上的电流，因为初级侧和次级侧上的电流通过分离变压器的电感彼此耦合。变流器控制装置的一个示例是由德国柏林的庞巴迪运输有限责任公司提供的型号为MITRAC DCU2的控制装置。在德国专利申请DE 199 62 615 A1和欧洲专利申请EP 1 110 797 A2中描述了与此有关的保护机构。在一个优选的构型中，电容可以与保护开关并联，从而系统与保护开关并联地通过电容与基准电位相连接。由此可以导出所谓的“共模”电流。共模电流理解为与多相系统所常见的情况不同的、在所有相中同时朝相同的方向流动的电流。

此外优选地，系统通过与保护开关并联设置的高欧姆电阻(例如，大于20k欧姆)与基准电位相连接。因此，流过所述电阻的始终是小电流。

此外，属于本发明范围的还有一种用于保护用于向有轨车辆中的辅助运行设备供给电能的系统的方法。从对系统的描述得到所述方法的构型和优选实施方式。尤其提出以下内容：一种用于在意外地与基准电位、尤其是与车辆接地接触时保护用于向有轨车辆中的辅助运行设备供给电能的系统的方法，其中

-使所述系统通过分离变压器与能量源连接，例如与直流电压中间电路连接，

-使所述系统在不接入限制电流的电阻的情况下通过保护开关与基准电位连接，尤其是与车辆接地连接，

-在出现由所述系统与基准电位的额外接触导致的、流过闭合的保护开关的电流时断开保护开关。

附图说明

现在参照附图对本发明的实施例进行描述。各个附图示出：

图1示出具有与其连接的辅助运行设备的直流电压中间电路，以及

图2以具有进一步细节的放大示图中示出根据图1的辅助运行设备逆变器、分离变压器以及保护装置。

具体实施方式

图1中示出驱动发电机3的柴油发动机1。在此情形中，柴油发动机1是驱动电动机，借助所述驱动电动机来驱动机车，也就是说，使机车在轨道上运动。发电机3产生三相交变电流，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的图1所示的上侧)和P-UD-(中间电路7的图1所示的下侧)表示直流电压中间电路7的电位。电位P-UD-例如可以在以附图标记19表示的位置处与车辆接地连接。

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、通过三相交流导线向辅助运行设备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联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。在所示的实施方式中，用于向辅助运行设备18供给电能的系统具有变压器14、三相导线和保护装置21。辅助运行设备逆变器13由控制装置22操作，所述控制装置控制阀(例如，双极性晶体管，优选IGBT或GTO——门极可关断晶闸管)的接通和关断。

与图1中所示的装置相比，可以进行很多修改。例如，可以取代柴油发动机、发电机以及三相整流器5(在交流电网中通过整流器)设置与单相高压电网的连接。除直流电压中间电路7外，还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。

辅助运行设备的供电可以被设计成仅仅是单相的。

辅助运行设备18尤其可以涉及说明书中开始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联接的有轨车辆单元供电的变流器15的运行。

图2示出辅助运行设备系统20的三相实施方式。与直流电压中间电路7(在图2中未示出)连接的逆变器13在其交流电压侧与三相连接导线的三个相X、Y、Z连接，所述三相连接导线在端子U1、V1、W1处与分离变压器14的初级侧连接。分离变压器14的次级侧在端子U2、V2、W2处与辅助运行设备系统20的三个相U、V、W连接。

为了衰减并且滤除干扰性的谐波，具有例如多个滤波电容器的滤波装置30与所述三个相U、V、W连接。

保护装置21与变压器14的次级侧上的中性点26连接。保护装置21的各部分是保护开关25、与保护开关25并联的电容器27(也可以设置多个彼此串联和/或并联的电容器)以及与开关25和电容器27并联的高欧姆电阻28，所述高欧姆电阻28具有例如至少20k欧姆的电阻值，优选至少50k欧姆的电阻值。电容器27降低系统20中由于共模电流而引起的高电流峰值或者电压峰值。高欧姆电阻28用于辅助运行设备系统20的电位固定(Potentialfixierung)，并且在保护开关25已断开的情况下作为电容器27的放电电阻。

在正常的、无故障的状态中，变压器14的次级侧仅仅通过闭合的保护开关25与车辆接地连接，如在保护装置21下方通过在那里终止的导线上的横线所表明的那样。如果在其他位置处出现与车辆接地的短路，则保护开关25的集成的传感器31在故障情况中检测到大短路电流的出现并且控制装置断开开关25。所述控制装置可以集成到开关部件中或者被设计成是分开的。

因为在保护开关25闭合时理论上只要保护开关25尚未断开就可能在中性点26与车辆接地之间流动非常大的电流，所以优选如此设计辅助运行设备逆变器13的控制装置22，使得通过对逆变器13的适当控制来避免这种极大的电流。为此，例如测量流过相X、Y、Z的电流并且向控制装置22传送测量结果。控制装置22分析是否超过了单个相中的极限值和/或所有相位的总极限值。如果情况如此，则如此操作单个相或者所有三个相X、Y、Z，使得电流被重新限制到相应的极限值上。这种用于相应地控制逆变器13的阀的方案本身是已知的。本发明现在将所述原理应用于辅助运行设备系统20的情形中。以此方式，通过变压器14的初级侧和次级侧的感应耦合同样限制了次级侧上的电流并且在保护开关25断开之前不可能出现流过闭合的保护开关25的极大的电流。

作为保护开关可以使用本身已知的元件，这些元件(如已提及的那样)具有相应的传感机构，以便在大电流的情况下根据时间触发特性断开保护开关。因此，保护开关的另一种概念是安全自动装置。

Claims (10)

1.用于向一有轨车辆中的辅助运行设备（18）供给电能的系统（20），所述系统具有保护开关（25），所述保护开关（25）在出现由所述系统（20）与基准电位的额外接触导致的、流过闭合的保护开关（25）的电流时断开，其特征在于，

所述系统（20）通过一分离变压器（14）与一能量源连接，

所述系统（20）在不接入限制电流的电阻的情况下通过一保护开关（25）与所述基准电位连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统（20）是三相系统并且所述保护开关（25）在闭合状态中将三个相（U、V、W）的中性点（26）与所述基准电位连接。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述系统（20）通过一与所述保护开关（25）并联设置的电容（27）与所述基准电位连接。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统（20）通过一与所述保护开关（25）并联设置的高欧姆电阻（28）与所述基准电位连接。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述变压器（14）在其初级侧上通过一变流器（13）与所述能量源（7）连接，其中，通过电流阀的接通和关断来操作所述变流器（13），其中，设有用于控制所述接通和关断的控制装置（22），所述控制装置（22）被如此设计，使得在一个相（X、Y、Z）中超过一预先给定的相电流极限值时和/或在多个相（X、Y、Z）中电流的总和超过一总电流极限值时，所述相（X、Y、Z）中或者所有相（X、Y、Z）中的电流被限制到相应的极限值上，其方式是，所述阀的接通和关断被相应地控制。

6.用于在意外地与一基准电位接触时保护用于向一有轨车辆中的辅助运行设备（18）供给电能的系统（20）的方法，其中

使所述系统（20）通过一分离变压器（14）与一能量源（7）连接，

使所述系统（20）在不接入限制电流的电阻的情况下通过一保护开关（25）与一基准电位连接，

在出现由所述系统（20）与所述基准电位的额外接触导致的、流过闭合的保护开关（25）的电流时断开所述保护开关（25）。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述系统（20）是三相系统（U、V、W）并且所述保护开关（25）在闭合状态中将三个相的中性点（26）与所述基准电位连接。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述系统通过一与所述保护开关（25）并联设置的电容（27）与所述基准电位连接。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述系统（20）通过一与所述保护开关并联设置的高欧姆电阻（28）与所述基准电位连接。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述变压器（14）在其初级侧上通过一变流器（13）与所述能量源（7）连接，其中，通过电流阀的接通和关断来操作所述变流器（13），其中，在一个相（X、Y、Z）中超过一预先给定的相电流极限值时和/或在多个相（X、Y、Z）中电流的总和超过一总电流极限值时，将所述相（X、Y、Z）中或者所有相（X、Y、Z）中的电流限制到相应的极限值上，其方式是，相应地控制所述阀的接通和关断。

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