CN103368493B - 用于并联逆变器的改进的硬预充电系统 - Google Patents

用于并联逆变器的改进的硬预充电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于并联逆变器的改进的硬预充电系统。每个电机用并联连接至共用电力线路的两个逆变器中的至少一个控制，共用电力线路用各自DC链路提供DC电力信号，对两个逆变器中的每一个提供隔离开关，其使得相对应的逆变器与电力线路隔离，每个逆变器进一步通过滤波电容器组以及用于对该电容器组预充电的器件连接至共用电力线路，预充电器件包括撬棍电阻器和自动电力开关，其在电压超过预定阈值时向撬棍电阻器传输DC电力信号。本发明提供了用于交替闭合两个逆变器之一的隔离开关的器件以及将电力信号从通过该自动电力开关连接至电力信号供应线路的逆变器的撬棍电阻器转移至与电力信号供应线路隔离的另一逆变器的滤波电容器组的连接。

Description

用于并联逆变器的改进的硬预充电系统
技术领域
本发明涉及用于铁路的包括至少两个不同的电机的牵引系统中的并联逆变器的改进的硬预充电。
背景技术
每个电机用并联连接至共用电力线路的两个逆变器中的至少一个进行控制，该共用电力线路用各自DC链路供应DC电力信号，对该两个逆变器中的每一个提供隔离开关，其使得相对应的逆变器与所述电力线路隔离，每个逆变器进一步通过滤波电容器组以及用于对该电容器组进行预充电的器件连接至共用电力线路，该预充电器件包括撬棍电阻器和自动电力开关，其在电压超过预定阈值时向该撬棍电阻器传输DC电力信号。
以上类型的牵引系统是已知的。在该系统中，在每个逆变器的输入处提供大的滤波电容器组，以便对电力线路的谐波内容进行过滤并且在本地存储确保逆变器功能的能量。这种牵引系统例如在2011年6月6日的IEEE论文集的卷89中Thomas M.Jahns和VladimirBlasko的“Recent Advances in power electronics technology for Industrial andTraction Machine Drives”中被公开。
名为软和硬预充电的两种充电系统在本领域中是已知的。
所谓的“软”预充电系统使用电阻器和开关，该开关使该电阻器与电力信号供应线路串行连接或与其断开连接。在电容器组的预充电期间，电力信号通过该电阻器供应并且电容器中的电压低速增加，由此不会发生可能损坏控制系统的电子组件的过电压。
用于使电阻器连接到电力信号路径并使之与其断开连接的开关以及电阻器自身被始终连接至高电压，并且在损坏的情况下，牵引系统将不再处于工作条件。
其中没有电阻器而仅有隔离开关的系统是已知的，其直接将逆变器和滤波电容器连接到电力信号。滤波电感器通常对输入电流进行限制以避免激活保护设备。另一方面，由保护电阻器来处理过电压，该保护电阻器即撬棍电阻器(crow bar resistor)。诸如斩波器的自动电力开关通过在电压超过预先确定的最大允许电压阈值时将逆变器和相对应的滤波电容器与该信号隔离来将电力信号传输至撬棍电阻器，而在电压下降低于比前者低的第二预定阈值时，该开关重新建立逆变器和相对应的滤波电容器与电力信号的连接。
在这些解决方案中，部分能量在撬棍电阻器内被散失。此外，当控制系统包括两个逆变器，每个逆变器经由DC链路而与另一逆变器被并联地连接至电力信号，并且每个该逆变器控制不同电机时，两个逆变器的连接级被连接至电力信号，并且因此输入电流非常高。
发明内容
本发明的目标是提供一种如之前所描述的牵引系统，其中，如果两个逆变器被并联连接并且控制两个不同电机，则输入电流可以被保持在低水平，由此实现节能。
本发明通过提供如以上所描述的系统，即用于铁路的包括至少两个不同电机的牵引系统，来实现以上目标，
每个电机用并联连接至共用电力线路的两个逆变器中的至少一个进行控制，该共用电力线路用各自DC链路供应DC电力信号，对该两个逆变器中的每一个提供隔离开关，其使得相对应的逆变器与该电力线路隔离，每个逆变器进一步通过滤波电容器组以及用于对该电容器组进行预充电的器件连接至共用电力线路，该预充电器件包括撬棍电阻器和自动电力开关，其在电压超过预定阈值时向该撬棍电阻器传输DC电力信号，
并且在该牵引系统中，提供了用于交替闭合两个逆变器中的一个的隔离开关的器件以及将电力信号从通过该自动电力开关连接至电力信号供应线路的逆变器的撬棍电阻器转移至与电力信号供应线路隔离的另一逆变器的滤波电容器组的连接。
根据另外的特征，在将DC信号连接至逆变器的两个DC链路的输入处提供滤波电感器，用于在滤波电容器组的预充电期间对输入电流进行限制。
在一个实施例中，该用于将电力信号传输至过电压保护电阻器即撬棍电阻器的自动开关由诸如晶体管或斩波器的半导体开关构成，其在超出预先确定的第一最大电压阈值时，执行将电力信号从电容器组转移至包括该撬棍电阻器和该连接的过电压保护分支的功能，而该器件在电压下降低于第二阈值电压时再次向电容器组供应电力信号，该第二电压阈值低于该第一最大电压阈值。
电阻连接器件将过电压保护分支中的两个撬棍电阻器连接在一起，由此将要在撬棍电阻器中被散失的电力信号传输至当前与电力信号隔离的逆变器的滤波电容器组。
在更为特定的实施例中，每个逆变器被并联连接至滤波电容器组，开关斩波器通过其发射极和集电极连接至与电阻器组并联的过电压保护分支，该电容器组处于隔离开关下游并且该保护分支包括撬棍电阻器和一对串联的二极管，其中之一与斩波器并联而另一个则与撬棍电阻器并联，而提供用于连接两个过电压保护分支的电阻，进一步提供用于将两个逆变器的两个连接级的隔离开关交替控制为闭合和断开状态的器件。
在进一步的改进中，可以在连接级的输入处提供滤波器，用于过滤掉电力线路的两个逆变器交替隔离时所出现的谐振电压和电流。
首先，本发明的特征允许恢复供应至滤波电容器组之一的电力信号的部分能量，用于对两个逆变器之一的该滤波电容器组进行充电，这部分能量否则将在两个逆变器中另一个的连接级的过电压保护电阻器中被散失。
此外，由于逆变器及其各自DC链路被交替连接至电力线路，所以输入电流被保持在低水平，即保持在两个逆变器之一所请求的数值，而在过电压的情况下，被连接至电力线路的逆变器所转移的电力信号被馈送至与电力线路隔离的逆变器的滤波电容器组并且被存储在该电容器组中而不是被撬棍电阻器所散失。
本发明还涉及一种电气机车，其包括至少两个转向架以及至少两个电机，每个电机驱动该两个转向架之一或者该两个转向架中每一个的至少一个轴，并且该电机由根据以上所公开的一个或多个实施例的牵引系统的逆变器进行控制。
本发明还涉及一种控制两个牵引电机——特别是铁路车辆等的牵引电机——的方法，每个电机由不同逆变器进行控制并且该逆变器互相并联地均经由DC链路被供应有DC电力信号，预充电输入电容器与每个逆变器并联连接，用于存储预定数量的电能，用于驱动相对应的逆变器，同时每个逆变器的DC链路中的电力信号的电压被监视，该DC链路在检测到过电压时与该信号隔离，并且该电力信号在检测到该过电压时被转移到另一逆变器的预充电输入电容器，用于对该电容器进行充电。
在一个实施例中，电力信号被交替供应至两个逆变器中的一个和另一个，该信号在过电压情况下从接收所提供电力信号的逆变器的输入电容器被转移至没有接收电力信号的逆变器的输入电容器。
另外的特性和改进将形成这里所附权利要求的主题。
附图说明
本发明的这些和其它特征及优势将由于以下对附图所示的一些实施例的描述而更加显而易见，其中：
图1示出了现有技术的电路图。
图2是本发明的控制系统的电路图。
图3示出了如电容器C1和C2所指示的电容器组中的电压在使用本发明的系统的预充电处理期间的表现。
图4示出了电流在使用本发明的系统的预充电处理期间的模式。
具体实施方式
通常，电气机车具有两个由电机进行驱动的转向架，并且每个转向架的电机由专用逆变器进行控制。这并不是仅有的可能配置，而仅是示出机车具有两个并联逆变器，每个逆变器控制至少一个不同电机的示例。
可以使用受电弓或其它方式从高架线路收集电力信号，这些方式都是现有技术所已知的。信号可以是AC信号或DC信号。在AC信号的情况下，该信号首先经受变压器中的变压。在受电弓或信号输入或信号生成器和变压器之间提供线路开关。变压器的次级被连接至整流器，其将AC信号转变为DC信号，DC信号因此从该整流器被供应至两个逆变器的输入，用于用被称作DC链路的DC连接单元对转向架的电机2进行控制。
该逆变器将输入信号一般改变为三相AC信号，其具有优化波形和频率、振幅等参数，后者根据所期望的机车行进条件而变化。
作为规则，这些功能被本领域技术人员广泛所知且熟悉。
如已经指出的，高压电力信号可以以DC信号的形式提供，或者诸如在柴油-电力机车的情况下可以通过使用交流发电机将其它类型的能量转换为电力而生成，该柴油-电力机车使用柴油引擎生成将被供应至电机的电力。
简而言之，所描述的示例并非意在将本发明的使用局限于单一类型的机车，相反其将可应用于其中多个电机需要由多个逆变器进行供电的任何条件，该多个逆变器将能够在故障情况下被单独隔离，而并不会影响其余逆变器和电机的操作并且不会完全牺牲给定牵引力的可用性。
连接单元通常具有滤波电容器组，为了逆变器的正常操作其必须被预先充电。这些组通过向电路引入从整流器供应电力信号的充电电阻器而被充电，并且该电阻器具有在滤波电容器被充电时将电压保持在预定最大数值以内的作用。
当提供两个并联逆变器时，每个逆变器的连接单元的电容器组与另一第二逆变器相关联的电容器组单独地进行预充电。通过这种部署，充电电流可以被保持在预定限制以内。
图1是在包括两个并联逆变器9的配置中使用时根据现有技术的馈送电路的示例，每个逆变器由具有其各自滤波电容器组110和充电电阻器210的连接单元10进行供电。
图2示出了本发明的控制系统并且特别是连接单元的线缆和干线示意图。电力信号被滤波并且通过电感器410而受到电流限制。在如图所示的示例中，要被充电的第一电容器组110是两个逆变器9之一中被指定为C1的一个，并且要被充电的第二电容器组110是另一逆变器9中被指定为C2的一个。当连接已知作为逆变器2的第二逆变器9的开关S2断开时隔离开关S1被闭合。
由斩波器构成的自动开关器件111、112在电压上升高于预定阈值时将电力信号从被充电的电容器组转移。特别地，针对图3中所执行的测试，一旦电压VC1超过975V，开关111就自动闭合以调整电压。作为结果，存储到C1中的额外能量就由连接电阻器RCcrow经由至被指定为C2的电容器组的二极管D3而被转移到C2中，其因此开始被充电。线示出了电力信号的路径。值得指出的是，在没有所描述的路径(图2的RCcrow和D3)的情况下，根据此时哪个电容器组直接连接至电力信号并且被预先充电，该信号被撬棍电阻器Racrow或Rbcrow所散失。
因此可以理解，否则将被保护电阻器所散失的能量的部分被恢复并用于对当前没有被充电的电容器组进行充电。
图3示出了电压模式且图4示出了与时间相关的电流模式。
图3的图表示出了电容器组1和电容器组2的端部处的电压模式。可以意识到的是，在斩波器111对VC1电压进行调整时，电容器组C2的电压开始增大，以在短时间之后达到电容器组1的电压水平。
图4的图表示出了线路中的电流。将要理解的是，当斩波器1被激活后，正在增加的电流开始下降，这是因为其一部分被传输以对电容器组2进行充电并且其另一部分在电阻器RAcrow中被散失。
以上描述清楚地示出了本发明的特性在于允许两个并联操作的逆变器交替连接至电力信号。由于使用冗余能量对分别与电力信号隔离的逆变器进行充电而不是利用保护电阻器散失该能量以将以上电压数值限制在预定限制以内，这样的交替连接允许在预充电期间使用一半的电流并且实现了节能。

Claims (9)

1.一种在用于铁路的包括至少两个不同的电机的牵引系统中的并联逆变器的改进的硬预充电系统，
每个电机(2)用并联连接至共用电力线路的两个逆变器(9)中的至少一个进行控制，所述共用电力线路用各自DC链路提供DC电力信号，对所述两个逆变器中的每一个提供隔离开关(S1、S2)，所述隔离开关使得相对应的逆变器与所述电力线路隔离，每个逆变器进一步通过滤波电容器组(C1、C2)以及用于对所述电容器组进行预充电的器件连接至所述共用电力线路，所述进行预充电的器件包括撬棍电阻器(Racrow、Rbcrow)和自动电力开关(111、112)，所述自动电力开关在电压超过预定阈值时向所述撬棍电阻器传输所述DC电力信号，
其特征在于：提供用于交替闭合所述两个逆变器(9)中的一个的隔离开关(S1、S2)的器件以及将所述电力信号从通过所述自动电力开关(111、112)连接至所述电力信号供应线路的逆变器的所述撬棍电阻器(Racrow、Rbcrow)转移至与所述电力信号供应线路隔离的另一逆变器的所述滤波电容器组(C1、C2)的连接(Rccrow、D3)。
2.根据权利要求1所述的并联逆变器的改进的硬预充电系统，其中，在将所述DC电力信号连接至所述逆变器的所述两个DC链路的输入处提供滤波电感器，用于在所述滤波电容器组的预充电期间对输入电流进行限制。
3.根据权利要求1或2所述的并联逆变器的改进的硬预充电系统，其中，所述滤波电容器组包括第一电容器组和第二电容器组，用于将所述电力信号传输至过电压保护分支的过电压保护电阻器的所述自动电力开关包括半导体开关，在超出预先确定的第一最大电压阈值时所述半导体开关执行将所述电力信号从所述第一电容器组转移至包括所述撬棍电阻器的所述过电压保护分支的功能，而所述进行预充电的器件向所述第二电容器组供应所述电力信号直至电压下降低于第二电压阈值，所述第二电压阈值小于所述第一最大电压阈值。
4.根据权利要求3所述的并联逆变器的改进的硬预充电系统，其中，所述半导体开关是晶体管或者斩波器。
5.根据权利要求3所述的并联逆变器的改进的硬预充电系统，其中，电阻连接器件将所述过电压保护分支中的两个撬棍电阻器连接在一起，由此将要在所述撬棍电阻器中被散失的所述电力信号传输至当前与所述电力信号隔离的逆变器的所述滤波电容器组。
6.根据权利要求1或2所述的并联逆变器的改进的硬预充电系统，其中，每个逆变器被并联连接至滤波电容器组，开关斩波器通过其发射极和集电极连接至与处于所述隔离开关下游的电容器组并联的过电压保护分支，并且所述过电压保护分支包括撬棍电阻器和一对串联的二极管，所述二极管中的一个与所述斩波器并联而另一个与所述撬棍电阻器并联，同时提供用于将每个逆变器的所述过电压保护分支连接在一起的电阻。
7.一种电气机车，其特征在于：包括至少两个转向架以及至少两个电机，每个所述电机驱动所述两个转向架中的一个或者所述两个转向架中的每一个的至少一个轴，并且所述电机由控制系统的逆变器进行控制，所述控制系统包括如前述权利要求1至6中的任意一项所述的并联逆变器的改进的硬预充电系统。
8.一种控制两个牵引电机的方法，每个所述电机由不同逆变器进行控制并且所述逆变器互相并联地均经由DC链路被供应有DC电力信号，预充电输入电容器与每个逆变器并联连接，用于存储预定数量的电能以驱动相对应的逆变器，同时在每个逆变器的所述DC链路中的所述电力信号的电压被监视，
所述逆变器和它们各自的DC链路被交替地连接到所述电力信号，在检测到过电压时所述电力信号被转移到与所述电力信号隔离的逆变器的所述预充电输入电容器以对所述电容器进行充电。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述牵引电机被用于铁路车辆。
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