CN103259490A - 用于并联的逆变器的dc链路去耦电路 - Google Patents

用于并联的逆变器的dc链路去耦电路 Download PDF

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Abstract

一种结合两个逆变器提供的DC链路去耦电路，该逆变器被并联至公共DC电源线路并且每个该逆变器驱动一个不同牵引电机，对该两个逆变器中的每一个提供开关器件，用于在故障情况下将对应的逆变器与该电源线路进行隔离。该DC链路去耦电路设有以RL滤波器形式的谐振振荡衰减/阻尼器件。本发明还涉及一种电力机车，其包括至少两个电机，每个电机由两个逆变器之一进行控制，每个逆变器由公共电源线路进行供电，对该两个逆变器中的每一个提供开关器件，用于在故障情况下将对应的逆变器与该电源线路进行隔离。DC链路去耦器件被提供用于对逆变器的谐振状态进行去耦，该器件由具有并联的阻尼电感器和阻尼电阻器的RL滤波器构成。

Description

用于并联的逆变器的DC链路去耦电路
技术领域
本发明涉及一种结合两个逆变器提供的DC链路去耦电路，所述逆变器被并联至公共DC电源线路并且每个所述逆变器驱动一个不同牵引电机，对所述两个逆变器中的每一个提供开关器件，用于在故障情况下将对应的逆变器与该电源线路进行隔离。
背景技术
上面公开的转向架架构在电力机车中被普遍使用。
这种类型的机车在本领域是已知的且广泛使用的。具体地，该配置结合AC电机的使用而被利用。
在典型机车中，电动势EMF从高架电气化线路中或者以输电轨（third rail）的形式被引出，或者由机车上的柴油机引擎或另一种引擎所生成。
例如从高架电气线路引出的电力信号可以是AC信号并且被变换并整流。处于整流器或转换器输出处的AC信号被变换为DC信号并且被传送至逆变器，用于变换为电机电力和控制信号。这将DC信号变为AC电源信号，具有特别适于所期望的运动状态的波形和参数。
已知为多个转向架提供多个车轴以及多于一个的电机，该电机被设计为驱动相同或不同转向架的不同车轴。
在这种情况下，通常使用若干个并联的逆变器，其接收电力信号并且其中的每个电力信号向至少一个电机提供电力，即每个逆变器对不同电机进行供电。
在这种类型的机车中，逆变器被并联至公共的高压信号供应线路，并且因此该线路的所有组件对于所有逆变器都是公共的并且被连接至每个逆变器的输入。由于形成逆变器的单元通常装备有DC链路电容器，所以由于这些电容器的谐振以及线缆的寄生电感，并联的两个逆变器在某些频率范围内通常会出现问题。
在现有技术中，这种缺陷通常通过特大电容器来解决。
消除上述缺陷的一种替代方法是使用具有低寄生电感的汇流条。因此，谐振频率被转换至高值，利用其趋肤效应盛行。
然而，在逆变器或电机失灵的情况下，因为无法仅对故障逆变器或电机进行隔离，所以机车失去了由两个逆变器所控制的两个电机。如果机车具有两个转向架，每个转向架均带有它的驱动电机，则在上述的状态下，由两个转向架的牵引都被失去。
发明内容
本发明的目标在于提供一种如上所述的机车，其中，上述的特别是机车中现有技术的DC链路去耦电路的缺陷能够通过简单、廉价且易于使用的手段得以克服，同时提高了构造效率并降低了成本。
本发明通过一种与两个逆变器结合的DC链路去耦电路来实现以上目标，该逆变器被并联至公共DC电源线路，每个逆变器驱动一个不同的牵引电机，对该两个逆变器中的每一个提供开关器件，用于在故障情况下将对应的逆变器与该电源线路进行隔离，该DC链路电路进一步设有对逆变器即输入电容器的谐振状态进行去耦的RL滤波器（电阻器-电感器滤波器）形式的谐振振荡衰减/阻尼器件。
根据另外的特征，该RL滤波器被插入在公共电源线路和每个逆变器的输入电容器之间。
滤波器的特殊构造包括连接逆变器中的一个的电源线路的每个分支的电感器，其被串行连接在该公共电源线路和该逆变器之间，并且该电阻器与该电感器并联并且与该两个逆变器的输入并联，并且其将连接两个逆变器的分支互相连接。
有利地，与逆变器输入串行连接的两个电感器具有相同的电感值。
根据改进形式，该两个电感器具有公共的金属核。
还根据另一个特征，开关被串行连接至每个逆变器的输入并且连接至其在连接分支中的电感器，用于将对应的逆变器与电源线路进行隔离。
本发明的特征允许对两个逆变器的输入电容器之间的谐振进行去耦，进一步允许在失灵情况下将逆变器与电源隔离。如以下描述中更为清楚地解释，处于两个逆变器输入的牵引电流流过电感器并且在磁核中创建零流量状态且使得反应器处于某种均衡状态。在高频（也包括谐振频率），反应器给予高于与电感器13并联的电阻器17的阻抗。电流流过对振荡进行阻尼的该电阻。
本发明还涉及一种电力机车，其包括至少一个转向架和至少两个电机，每个电机驱动至少一个转向架或两个不同转向架的至少一个车轴，
每个电机由两个逆变器中的至少一个进行控制，每个逆变器由公共的电源线路进行供电，对该两个逆变器中的每一个提供开关器件，用于在故障情况下将对应的逆变器与该电源线路进行隔离，
并且该电力机车被设有连接至逆变器用于对逆变器（即逆变器的输入电容器）的谐振状态进行去耦的器件，该器件是根据一个或多个上述特征组合的DC链路去耦电路。
本发明还涉及一种通用牵引驱动器，用于向电机提供电力，具体是用于驱动一个或多个铁路转向架，该驱动包括公共高压电源线路，其用于向互相并联并且与该电源线路进行连接的至少两个逆变器进行供电，每个该逆变器控制至少一个不同电机。根据本发明，该牵引驱动器包括用于对逆变器（即逆变器的输入电容器）的谐振状态进行去耦的器件，该器件是根据一个或多个上述特征组合的DC链路去耦电路。
另外的特征和改进将形成从属权利要求的主题。
附图说明
根据以下附图中示出的一些实施例的描述，本发明的这些和其它特征及优点将更为清楚明确，其中：
图1示出了本发明的用于向2所指示的电机进行供电的具有并联的两个逆变器以及滤波器的供电信号生成电路的示图。
图2是用于对并联操作的逆变器的输入电容器之间的谐振进行抑制的滤波器的简化电路图。
图3示出了图2的滤波器的测试示图。
图4示出了随着达到频率谐振以及前述附图的衰减/阻尼滤波器的干预，开关S1闭合时由电容器C1和C2（逆变器的输入电容器）所表示的每个连接分支中的电压行为。
图5示出了开关S1闭合以及谐振生成时的电流曲线，以及只有电感器干预以及与电感器并联的电阻器的干预时的电流曲线。
具体实施方式
根据本发明的DC链路去耦电路的功能和目标结合其预定的优选应用更易于理解，该优选应用即具有转向架架构的机车，其包括至少两个电机，每个电机由专用逆变器进行驱动，而对于在类似状态应用于其它领域时该DC链路的使用没有任何针对保护范围的限制。
电力机车1在被设计为控制转向架的一个或多个电机的逆变器的数量方面可以具有不同配置。
电力信号可以使用受电弓从高架线路收集。如果信号是AC信号，则其首先要在变压器中进行变换。在受电弓和变压器之间提供有线路开关。变压器的次级被连接至整流器，其将AC信号转为DC信号，该DC信号因此从该整流器被提供至一个或多个逆变器的输入，用于通过本领域中称作DC链路的连接系统控制转向架的电机。该逆变器将输入信号变为普通的三相AC信号，其具有经优化的波形和频率、振幅等参数，后者根据所期望的机车行进状态进行改变。
作为规则，这些功能是众所周知的并且被本领域的普通技术人员所熟知。
应当注意的是，公开的示例并非意在进行限制。高压电力信号可以被以DC信号的形式提供或者可以通过使用交流发电机将其它类型的能量生成为电力，诸如在柴油-电力机车的情况下，其使用柴油机引擎来生成提供给电机的电力。
简言之，该示例并非意在作为将本发明的使用限制于单一类型的机车，相反其将可应用于以下的任何条件，其中，多个电机需要由多个逆变器进行供电，该逆变器将能够在失灵情况下被单独隔离而并不影响其余逆变器和电机的操作并且不完全牺牲给定牵引力的可用性。
更具体地参考本发明，图1示出了用于对逆变器9的输入电容器C1、C2之间的谐振振荡进行衰减的滤波器的线路图。此振荡源是由特定PWM驱动的逆变器：振荡的频率取决于dc汇流电容器的数值以及根据电缆长度的电缆电感。
在衰减器/阻尼器12处进行分支，用于对在两个输入电容器C1和C2之间可能出现的谐振振荡进行阻尼。
这样的衰减器/阻尼器12由具有相等电感数值的两个电感器所构成，或者由带有在其中心连接的电源线路11的单一电感器所构成，该电感器被作为基准14并且与对应的连接分支14、15中的对应逆变器9的输入串联。还在这些分支中的每一个中提供开关16，其被用于将两个逆变器9中的每一个与公共DC信号提供线路11进行隔离。功耗电阻器17被提供在两个连接分支14和15之间，处于电感器13下游并且与之并联。
上述的衰减器/阻尼器12的配置在图2中被更为详细地示出。在该图中，与前述图1中相似的部分或者具有相同功能的部分具有同样的附图标记。
如牵引电流所指示的电力信号经由电感器13而被提供至两个分支14和15。两个电感器13具有相同的电感值以及公共的金属核113。两个分支14和15形成用于被提供至两个逆变器的牵引信号的DC连接。这些连接使用本领域典型的术语而被指示为VDClink1和VDClink2。
电阻器17被提供与两个分支14和15并联。
该图清楚示出了本发明的衰减器/阻尼器12的特性。该特性在于两个逆变器的牵引电流都流过电感器并且在磁核中生成零流量。结果，反应器达到某种均衡状态。处于高频率（也包括谐振频率），该反应器给出比与电感器13并联的电阻器17更高的阻抗。电流流过该阻尼振荡的电阻器。
图3示出了衰减器/阻尼器12的测试电路的线路图，用于示出根据本发明的电路的阻尼能力。两个电容器C1和C2通过阻尼器12并联。该电容器最初以不同电压进行充电并且随后开关被闭合。换句话说，电压阶跃被应用在该电路，其进而在每个频率产生干扰源。仅处于谐振频率的电压脉动在一个周期内得以被保持并且阻尼。根据本发明的阻尼器12包括等同于并联的电感器13和电阻器17的电感器。
相对于电容器C2的电势差被应用于电容器C1，并且开关S1处于闭合状态，用于导致谐振状态。
图4示出了在达到两个电容器的谐振频率之后针对电容器C1和C2的电压的表现。
在图4的图形中由箭头所指示的点处，已经达到了76.09Hz的谐振频率并且衰减器/阻尼器12利用0.362的阻尼因数进行操作。
电容的典型值为18mF。
电感Ldamp是考虑到对电容进行去耦所须的数值。具体地，典型值为Ldamp=476uH。具体地，对于优选实施例中的Ldamp满足以下关系：Ldamp=L1_dm+L2_dm+2*Mutual。
阻尼电阻Rdamp具有从0.1至0.5Ohm范围内的数值，并且优选为0.3Ohm。
所要注意的是，这些数值（谐振频率和阻尼系数）取决于应用并且与用于公开测试的数值相比可以随电容、电感和电阻的不同数值而有所变化。
图5示出了在提供电感器13和电阻器17时在图3的网格中的电容器之间流动的电流的电流阻尼曲线。
振荡在约两个周期内被阻尼。没有根据本发明的CD去耦电路，振荡将无休止地继续下去。

Claims (8)

1.一种与两个逆变器结合的DC链路去耦电路，所述逆变器被并联至公共DC电源线路，每个逆变器驱动一个不同的牵引电机，对所述两个逆变器中的每一个提供开关器件，用于在故障情况下将对应的逆变器与所述电源线路进行隔离，
其特征在于：
所述DC链路去耦电路设有以RL滤波器（电阻器-电感器滤波器）形式的谐振振荡衰减/阻尼器件。
2.根据权利要求1所述的DC链路去耦电路，其特征在于所述RL滤波器被插入在公共电源线路和每个所述逆变器的输入电容器之间。
3.根据前述权利要求的DC链路去耦电路，其特征在于所述DC链路去耦电路包括：电感器，所述电感器用于连接所述逆变器中的一个的所述电源线路的每个分支，所述电感器串行连接在所述公共电源线路和所述逆变器之间；和电阻器，所述电阻器与所述电感器并联并且与所述两个逆变器的输入并联，并且将连接所述两个逆变器的分支互相连接。
4.根据权利要求3所述的DC链路去耦电路，其特征在于与所述逆变器输入串行连接的所述两个电感器有利地具有相同的电感值。
5.根据权利要求3或4所述的DC链路去耦电路，其中，所述两个电感器具有公共的金属核。
6.根据一个或多个前述权利要求所述的DC链路去耦电路，其中开关与每个逆变器的输入以及所述开关在所述连接分支中的电感器串行连接，用于将对应的逆变器与所述电源线路进行隔离。
7.一种电力机车，所述电力机车包括至少一个转向架和至少两个电机，每个电机驱动至少一个转向架或两个不同转向架的至少一个车轴，
每个电机由两个逆变器中的至少一个进行控制，每个所述逆变器由公共的电源线路进行供电，对所述两个逆变器中的每一个提供开关器件，用于在故障情况下将对应的逆变器与所述电源线路进行隔离，
其特征在于：
器件被连接至所述逆变器，用于对所述逆变器的谐振状态进行去耦，即对所述逆变器的输入电容器的谐振状态进行去耦，所述器件是根据前述权利要求1至6中的一项或多项所述的DC链路去耦电路。
8.一种用于向电机提供电力的驱动器，所述电机具体是一个或多个铁路转向架的电机，所述驱动器包括公共高压电源线路，用于向互相并联并且与所述电源线路连接的至少两个逆变器进行供电，每个所述逆变器控制至少一个不同的电机，
其特征在于：
所述驱动器包括用于对逆变器即所述逆变器的所述输入电容器的谐振状态进行去耦的器件，所述器件是根据前述权利要求1至6中的一项或多项所述的DC链路去耦电路。
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