CN1033692C - 用于单相架空接触线电力机车的有源滤波器系统 - Google Patents

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Abstract

用于单相架空接触线电力机车电流滤波和选择性地改善其功率因数的有源滤波器系统，包括收集架空接触线提供的电压和向机车牵引及辅助设备分配电力的配置。滤波器还包括交流电串接的分别由独立直流电压供电的两个或更多的强制转换式桥式电路。一控制系统强制这些桥式电路作转换，从而由桥式电路直流电压的组集合所得到不同电平在单相侧产生一交变电流。该电流供给所述收集和分配电力的装置，从而对所产生的谐波频率和无功功率进行补偿并再输送给架空接触线。

Description

用于单相架空接触线电力机车的有源滤波器系统
本发明涉及用于单相架空接触线电力机车电流滤波及可选择地改进功率因数的一种有源滤波器系统。
沿铁路走向的远程通信线路会受到流经架空接触线并经铁轨和大地返回变电站的牵引电流的干扰。这一组合形成的回路产生了磁场并主要是在架空导线上引起干扰。如果该导线没有防护性金属套则干扰更甚。
在缺乏防护措施的情况下在低电流导线上产生的干拢可能对人或植物是有害的并会引起机能失常。铁路输电系统和公共电网对这种干扰在横向距离两三千米范围内是敏感的。
单相架空接触线电力机车装设有交流/直流变换器。在大多数法国机车上这种变换器是混合桥式电路型的。这些整流器的桥式电路处于自然转换方式，这隐含着无功率的消耗以及产生向架空接触线转发的畸变。
为了降低这种主要由自然转接方式供电桥式电路所引起的干扰，在向机车添输入有源滤波器方面已经作了大量工作。其原理是提供一种与架空接触线并联的受控电流源并能够向后者注入具有足够大振幅的电流。该可控电流源例如可基于一种连接到牵引变压器辅助绕组的电流波腹电压反相器。供给该反相器的直流电振幅必须大于次级峰值电压。
该项工作至今未能产生出任何实际可用的设备。为了克服这一缺点，本发明推出一种在供电谐波的滤波方面明显有效的具有多级电压电平的有源滤波器系统。
本发明为一个有源滤波器系统，用于单相架空接触线电力机车的电流滤波及有选择地改进其功率因数，包括收集通过上述架空接触线所供电压的装置以及向上述机车的牵引设备及车辆设备分配电力的装置，两个或更多个在交流一侧串接的并分别由独立的直流电压供电的强制转换方式桥式电路，以及对上述桥式电路进行强制转换的控制系统，以便从上述桥式电路直流电压的组合所得的不同电压电平而产生单相侧的一种交变电流，上述电流提供给上述收集和分配电力装置以便补偿上述机车的牵引设备及辅助设备所产生的谐波频率及有选择地补偿所消耗的无功率，并再输给上述架空接触线。
收集及分配电力装置一般包括一个输入变压器。这种情形下该有源滤波器系统中的有源滤波器(桥式电路)在交流侧可连接到：
—输入变压器的一个专用次级绕组，或是
—一个特别的变压器的次级绕组，该变压器的初级对输入变压器的初级进行分流，或者
—一个电感器(串接)，该串联组合对输入变压器的初级绕组分流，或者
—牵引设备或辅助设备供电的次极绕组的部分或整体，或者
—初级绕组的部分。
桥式电路优点在于包括具有强制通断转换性能的双向固态开关形式的分支电路。
这些开关每一个都可包括与一个IGBT三极管、一个MCT可控硅整流器或GTO可控硅整流器反向并联二极管。
如果该有源滤波器包括两个桥式电路，则供给其中一个桥式电路的直流电压值可三倍于供给另一桥式电路的直流电压。其中一个直流电压可由一直流电压发电机供给，而另一个则由电容器提供。
如果有源滤波器包括三个桥式电路，则每一电路可由同一直流电压供电。
以下通过非限定性实施例并借助附图所作的描述，本发明将更好地得到理解，其他的优越性及特点也将显示出来。
图1表示装设有根据本发明的有源滤波器系统的电力机车的输入变压器。
图2至图5表示本发明有有源滤波器系统中的有源滤波器与电力机车输入变压器的各种连接方式。
图6是本发明的有源滤波器系统中的有源滤波器的控制系统的框图。
图1表示装设了根据本发明的有源滤波器系统中的有源滤波器8的电力机车的输入变压器。变压器1有一个级绕组2和多个次级绕组3、4和5。次级绕组3与4向可能是牵引设备或辅助设备的负载6和7供电。无源滤波器可以连接到次级绕组3与4。每一无源滤波器例如可包括一个电感器与一个电容器串联。
次级绕组5向N个串联在交流侧并由独立的直流电压U1，U2…，UN供电的强制转换桥式电路10，11等供电。
可以向系统添加一个无源滤波器9。该滤波器可以配置在次级绕组5与有源滤波器8之间。该滤波器可包括串接在次级绕组5的一端与有源滤波器之间的两个电感器和一个连接两电感器公共点与次级绕组5的另一端的一个电容器。
参见图2，变压器17向负载6与7供电。有源滤波器8连接到变压器18的次级绕组，该变压器的初级绕组对输入变压器17的初级绕组进行分流。
参见图3，同一输入变压器负载6与7供电。其中有源滤波器8与电感器12串接。有源滤波器与电感器串接的组合对输入变压器的初级绕组分流。
参见图4，输入变压器13具有向负载6、7与14供电的次级绕组。有源滤波器8对向负载14供电的次级绕组作部分分流。如果必要该有源滤波器亦可对次级绕组作整体分流。换言之可对负载14分流。
参见图5，输入变压器15向负载6，7与16供电。有源滤波器8对输入变压器15的初级绕组作部分分流。
将通过例子对包括两个桥式电路10与11(见图1)的有源滤波器的情形进行说明。
桥式电路11由直流电压供电，该电压可以是向辅助电路供电的电压并提供电压U。桥式电路10由直流电压源供电，该电压源可以是一电容器，其两极电压等于3U。
由于桥式电路11两端的直流电压相对较低(例如500伏)，于是该桥式电路可使用IGBT三极管。于是桥式电路11的每一分支包括一个与三极管反向并联的二极管。这时桥式电路11可以在很高的频率下操作。该电路提供的电压V2有三种状态：U，0与-U。
由于桥式电路10的两端的电压相对较高(为1500伏，如果U＝500伏)，故应用GTO可控硅整流器。这些整流器具有开关热约束。桥式电路10的每一分支于是包括一个与GTO可探硅整流器反向并联二极管。桥式电路10工作在低频，它提供的电压V1有三种状态：U1，0与-U1；U1＝3U。
施加于绕组5的电压Vs。是两个桥式电路电压组合的效果：Vs＝V1＋V2。于是电压Vs可能为以下九种状态之任一种：U1＋U，U1，U1－U，U，O－U，－U1＋U，－U1以及－U1－U(其中U1＝3U)。
图6表示本发明的有源滤波器系统中的有源滤波器的控制系统的操作。该有源滤波器由两个回路控制：谐波处理器回路20与控制供电桥式电路10的电容器电压U1的回路21。
回路20为有源滤波器回路并与处理谐波及有选择地改进功率因数相关。处理是按相关的优先次序进行优化的。例如，最高级优先可能是处理估量噪声电流(或等价的干扰电流)。
块22表示机车的电力线路：输入变压器，整流器桥。端子23传送测定出的干扰电流，即谐波。这些谐波由处理器28对于输入数据应用快速付立叶变换进行处理，处理这些谐波是根据所识别出的优先序(频率的选择，权重)并应用付立叶反变换。
信号频谱经数字化处理建立一个表示被补偿的电流的谐波参数，该参数提供供给电路27。
回路21控制着有源滤波器次级绕组电流的基频，以保持电压U1不变并等于其参考电压U1(ref)＝3U。
回路21检测电容器两侧的电压U1，比较器29将测到的电压值与参考值进行比较。
这两个值之间的差△U1提供给比例积分控制器30。这在有源滤波器的次级绕组内以基频产生一个电流。该电流经有源滤波桥式电路整流之后产生一个直流电流，该直流控制着电容器两端的电压。
电路27建立了有源滤波器的电流基频和谐波参数Is(ref)。比较器32将Is(ref)与Is(次级绕组5中的被测电流)进行比较以便产生一个待消除的电流差△Is。
△Is由分属于桥式电路10与11的控制电路33与34消除。电路33与34为逻辑电路，其数量与桥式电路数量相同。控制器35接收电流值△Is并向所有的强制转换式桥式电路输出指令。
电路38处理被测电压U1与U2(如果有N个桥式电路则直到UN)。电路39为一逻辑电路，该电路对U1与U2(如存在则直到UN)各个电压源的状态进行识别。
本发明使用了少量的元器件，这对其可靠性、整体尺寸大小上都是有利的，对任何车辆上使用的设备来说这些条件都是重要的。

Claims (16)

1.用于单相架空接触线电力机车电流滤波和选择性改善功率因数的有源滤波器系统，该滤波器系统包括：收集通过上述架空接触线所供电压的收集装置以及向上述机车的牵引设备及辅助助设备分配电力的装置，两个或多个在交流一侧串接并分别由独立的直流电压供电的强制转换方式桥式电路，以及对上述桥式电路进行强制转换的控制系统，以便从上述桥式电路直流电压的组合所得到的不同电压电平而产生单相侧的一种交变电流，该电流提供给上述收集装置和分配电力的装置以便补偿上述机车牵引设备和辅助设备所产生的谐波频率及有选择地补偿所消耗的无功功率，并再输给上述架空接触线。
2.基于权利要求1的有源滤波器系统，其中上述的收集装置及分配电力装置包括一个输入变压器。
3.基于权利要求2的有源滤波器系统，其中的桥式电路构成的有源滤波器在交流侧是连接于输入变压器专用次级绕组上的。
4.基于权利要求2的有源滤波器系统，其中的桥式电路构成的有源滤波器在交流侧是连接于一特定的变压器的次级绕组的，而此变压器的初级绕组对上述输入变压器的初级绕组进行分流。
5.基于权利要求2的有源滤波器系统，其中的桥式电路构成的有源滤波器在交流侧与一电感串接，该串接组合对上述输入变压器的初级绕组进行分流。
6.基于权利要求2的有源滤波器系统，其中的桥式电路构成的有源滤波器在交流侧连接到向上述牵引设备或上述辅助设备供电的次级绕组的整体或部分上。
7.基于权利要求2的有源滤波器系统，其中的桥式电路构成的有源滤波器在交流侧是连接到所述输入变压器的初级绕组的一部分。
8.基于权利要求2的有源滤波器系统，其中上述的桥式电路包括由具有强制通断转换功能的双向固态开关构成的分支
9.基于权利要求8的有源滤波器系统，其中上述固态开关每一个都包含与IGBT三极管反向并联的二极管。
10.基于权利要求8的有源滤波器系统，其中上述固态开关每一个都包括一个与GTO可控硅整流器反向并联的二极管。
11.基于权利要求8的有源滤波器系统，其中上述每一固态开关都包括一个与MCT可控硅整流反向并联的二极管。
12.基于权利要求1的有源滤波器系统，它包括两个桥式电路，其中一个桥式电路的直流供电电压值三倍于另一个桥式电路的直流供电压压值。
13.基于权利要求12的有源滤波器系统，其中向这些桥式电路供电的直流电压对于其中一个桥式电路来说是由一个直流发电机提供的，而对于上述另一桥式电路是由一电容器提供的。
14.基于权利要求3的有源滤波器系统，其中上述控制系统包括一个谐波频率处理器回路和一个电容器电路控制回路。
15.基于权利要求1的有源滤波器系统，它包括三个桥式电路，每一电路由各自的直流电压供电，上述三个直流电压具有相同的值。
16.基于权利要求1的有源滤波器系统，其中上述控制系统包括一个可选择待补偿的谐波频率的处理器。
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