CN103660950B - 用于在车辆中产生功率的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在轨道车辆中产生功率的系统和方法，提供了用于在轨道车辆中产生电功率的各种系统和方法。在一个实施例中，一种车辆系统包括与发动机的传动轴操作地联接的发电单元。发电单元包括牵引交流发电机和头端功率(HEP)交流发电机。牵引交流发电机由定位在牵引交流发电机外部的功率电子器件激励。HEP交流发电机由定位在HEP交流发电机中的激励器绕组自激励。

Description

用于在车辆中产生功率的系统和方法
技术领域
本文所公开的主题的实施例涉及用于在车辆中产生电功率的系统和方法。
背景技术
在一些列车中，电功率可在列车中的一个车辆处产生并分配到列车的其它车辆。例如，机车或发电车可包括称为头端功率(HEP，head-end-power)交流发电机的交流发电机，该交流发电机将电功率分配到列车中的其它车厢。在例如客运列车中，由HEP交流发电机产生的电功率可分配到客车厢以用于乘客的照明、电力和其它餐宿(hotel)需求。在一个示例中，轨道车辆中的HEP交流发电机由定位在轨道车辆中的HEP交流发电机外部的功率电子器件(例如，包括电池、永久磁体、驱动电路)激励。
在一些情况下，向HEP交流发电机提供激励的外部功率电子器件向轨道车辆增加了额外的成本。例如，外部功率电子器件可增加轨道车辆的总成本和重量。作为另一示例，外部功率电子器件可能需要通过冷却系统进行冷却。由于燃烧额外的燃料以产生用于操作冷却系统的电功率，冷却系统增加了轨道车辆的燃料消耗。
发明内容
在一个实施例中，一种车辆系统包括与发动机的传动轴操作地联接的发电单元。发电单元包括牵引交流发电机和头端功率(HEP)交流发电机。牵引交流发电机由定位在牵引交流发电机外部的功率电子器件激励。HEP交流发电机由定位在HEP交流发电机中的激励器绕组自激励。
通过采用自激励的HEP交流发电机，可从轨道车辆消除本来需要用来激励交流发电机的外部功率电子器件。这样，HEP系统可相对于其中HEP交流发电机由外部功率电子器件激励的构型制得更加紧凑和轻质。
根据一方面，本发明提供了一种车辆系统，其包括操作地与发动机系统的至少一个传动轴联接的发电单元，该发电单元包括：牵引交流发电机，其由定位在牵引交流发电机外部的功率电子器件激励；以及头端功率(HEP)交流发电机，其中HEP交流发电机由定位在HEP交流发电机中的激励器绕组自激励。
优选地，该车辆系统还包括一个或多个牵引马达，其中牵引交流发电机联接到至少一个传动轴中的第一传动轴，并且其中牵引交流发电机可操作以将电功率提供至一个或多个牵引马达以推进车辆系统。
优选地，HEP交流发电机联接到第一传动轴，并且其中HEP交流发电机可操作以将电功率提供至联接到车辆系统的一个或多个无动力车厢。
优选地，牵引交流发电机可操作以通过具有第一电压范围的第一牵引母线将电功率提供至一个或多个牵引马达，并且HEP交流发电机可操作以通过具有小于第一电压范围的第二电压范围的第二牵引母线将电功率提供至一个或多个无动力车厢。
优选地，无动力车厢操作以使用电功率用于取暖、照明、通风、空调、通信设备、娱乐装置、风扇、插孔/插座或厨房设备中的一个或多个。
优选地，该车辆系统还包括控制器，其被构造成监测HEP输电线的车厢间完整性并报告是否存在短路或HEP输电线的劣化的指示。
优选地，该车辆系统还包括控制器，其被构造成根据需要利用由HEP交流发电机提供的功率来补充由牵引交流发电机提供至一个或多个牵引马达的功率。
优选地，控制器被构造成基于指定的层级关闭从HEP交流发电机接收功率的一个或多个电气构件，以根据需要向一个或多个牵引马达提供功率。
优选地，该车辆系统还包括受电弓，其可操作以在可行时将功率提供至餐宿负载，并且其中HEP交流发电机可操作以在受电弓不向餐宿负载提供功率时提供功率至餐宿负载。
优选地，发电单元还包括联接到传动轴的辅助交流发电机，并且其中辅助交流发电机可操作以提供功率至车辆系统的辅助构件。
优选地，该车辆系统还包括储能系统，其可操作以在可行时从HEP交流发电机接收功率，并且在HEP交流发电机不向电气构件提供功率时将功率提供至电气构件。
优选地，该车辆系统还包括控制器，其被构造成控制HEP交流发电机，以基于发动机负载和排放速率阈值将一定量的功率提供至联接到车辆系统的一个或多个无动力车厢。
优选地，该车辆系统还包括控制器，其被构造成平衡在车辆系统和联接到车辆系统的多个有轨车厢之间的HEP负载，以维持指定的马力和/或燃料消耗速率。
优选地，激励器绕组包括一个或多个激励器绕组，其与提供从HEP交流发电机输出的电功率的三相输出绕组在物理上分离。
优选地，激励器绕组是提供从HEP交流发电机输出的电功率的三相输出绕组的一部分，其中三相输出绕组的部分被抽头以提供小于HEP交流发电机的输出功率水平的激励功率水平。
优选地，激励器绕组包括提供从HEP交流发电机输出的电功率的三相输出绕组，其中三相输出绕组联接到变压器，变压器可操作以提供小于HEP交流发电机的输出功率水平的激励功率水平。
优选地，功率电子器件包括场隔离变压器和双H桥，双H桥联接到场隔离变压器，以控制提供至牵引交流发电机的激励功率水平。
优选地，双H桥还联接到电池隔离变压器，以控制提供至电池的功率水平，电池联接到电池隔离变压器。
根据另一方面，本发明提供了一种轨道车辆系统，其包括操作地与发动机的传动轴联接的发电单元，该发电单元包括：牵引交流发电机，其联接到传动轴，牵引交流发电机可操作以为一个或多个牵引马达提供电功率以推进轨道车辆系统，其中牵引交流发电机由通过双H桥控制的场隔离变压器激励，以改变提供至牵引交流发电机的激励功率水平；以及头端功率(HEP)交流发电机，其联接到传动轴，HEP交流发电机可操作以提供电功率至轨道车辆系统的一个或多个有轨车厢，其中HEP交流发电机由定位在HEP交流发电机中的激励器绕组自激励。
根据又一方面，本发明提供了一种方法，包括：操作轨道车辆中的发动机，以在联接到牵引交流发电机和头端功率(HEP)交流发电机的传动轴上产生扭矩输出；基于牵引交流发电机上的电负载和扭矩输出来改变提供至牵引交流发电机的第一激励功率，以将第一输出功率提供至一个或多个牵引马达，其中第一激励功率由定位在牵引交流发电机外部的功率电子器件提供；以及利用第二激励功率激励HEP交流发电机，以基于扭矩输出将第二输出功率提供至联接到轨道车辆的一个或多个额外的轨道车辆，其中第二激励功率由定位在HEP交流发电机中的自激励磁场绕组提供。
应当理解，提供以上简要描述以便以简化形式介绍在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。它并不意图标识要求保护的主题的关键或必要特征，该主题的范围唯一地由跟随具体实施方式的权利要求限定。此外，要求保护的主题并不限于解决在上文或本公开的任何部分中指出的任何缺点的实施方案。
附图说明
通过参照附图阅读非限制性实施例的以下描述，将更好地理解本发明，以下在附图中：
图1示出根据本公开的实施例的轨道车辆的示例的示意图。
图2示出牵引功率电路和头端功率(HEP)电路的实施例的示意图。
图3至图6示出根据本公开的可在HEP电路中采用的自激励HEP交流发电机的不同实施例。
图7示出用于控制HEP电气系统的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
列车或其它轨道车辆编组(consist)可包括彼此互连的多个轨道车辆。(通常，编组是机械地连结以沿线路一起行驶的一组车辆)。在一些示例中，一个轨道车辆可产生电功率并将电功率传输至列车中的其它轨道车辆。本说明书涉及用于在轨道车辆中产生这样的电功率的系统和方法。更具体而言，本说明书涉及由定位在HEP交流发电机中的磁场绕组自激励的轨道车辆中的头端功率或餐宿电功率(HEP)交流发电机，其用以向列车或其它轨道车辆编组的一个或多个其它轨道车辆(例如有轨车厢)提供电功率。如本文所用，HEP交流发电机是指这样的交流发电机：其在第一轨道车辆中产生电功率，该电功率被传输至定位在直接或间接地机械联接到列车或其它轨道车辆编组中的第一轨道车辆上的其它轨道车辆中的电负载并由该电负载消耗。
在一个示例中，磁场绕组可在HEP交流发电机中用于激励，因为HEP交流发电机将基本恒定的电功率输出水平输出至有轨车厢(例如，在平均功率水平的小于5%至10%内变化)。由于电功率水平为基本恒定的，标称控制可用来操纵HEP交流发电机的操作。通过采用自激励的HEP交流发电机，若需要可从轨道车辆消除本来将激励交流发电机的外部功率电子器件。这样，HEP系统可相对于其中HEP交流发电机由外部功率电子器件激励的构型制得更加紧凑和轻质。
在一些实施例中，牵引交流发电机联接到发动机的传动轴，并且HEP交流发电机联接到该传动轴，使得这两个交流发电机将从发动机输出的扭矩转换为电功率，其中这两个交流发电机均可选地容纳在公共外壳中。HEP交流发电机的操作可与牵引交流发电机形成对比，其中牵引交流发电机的功率输出在操作期间取决于用于驱动轨道车辆的牵引马达要求而显著变化。具体而言，牵引交流发电机将电功率提供至轨道车辆的一个或多个牵引马达，并且HEP交流发电机将电功率提供至轨道车辆的一个或多个有轨车厢。由牵引交流发电机提供的电功率可基于负载的变化(例如，牵引马达速度)而改变。另一方面，如上所述，HEP交流发电机可输出基本恒定的电功率输出水平。
图1示意性地示出在本文中描绘为轨道车辆的车辆系统100的实施例，车辆系统100被构造成使用多个车轮104在轨道102上运行。在一个示例中，轨道车辆100为机车。在另一示例中，轨道车辆100为不是机车的发电车。在一个示例中，车辆系统100可联接到多个连接而形成列车的有轨车厢136。在一个示例中，列车可以是包括联接到一个或多个客车厢的一个或多个机车的客运列车。轨道车辆100包括发动机系统106。发动机系统106可操作以产生电功率用于分配到可远离发动机系统106定位的各种构件、模块、车厢等。
在一个示例中，轨道车辆100为柴油电力车辆。例如，发动机系统106包括在传动轴112上产生传输至发电单元114的扭矩输出的柴油发动机108。在一些实施例中，发动机108为四冲程发动机，其中每个气缸在传动轴112的两次回转期间按点火次序点火。在其它实施例中，发动机108为两冲程发动机，其中每个气缸在传动轴112的一次回转期间按点火次序点火。
发电单元114产生电功率，该电功率被用于随后传递到各种下游电气构件。发电单元114包括牵引交流发电机116和HEP交流发电机118。在其它实施例中，发电单元114可另外包括辅助交流发电机120。如本文所述，发电单元114的交流发电机也可个别地称为功率分配单元、功率系统或功率电路。牵引交流发电机116、HEP交流发电机118和辅助交流发电机120(若存在)中的每一个联接到传动轴112，以将来自发动机108的扭矩输出转换为将分配到各种构件的电功率。
在图示实施例中，牵引交流发电机116、HEP交流发电机118和辅助交流发电机120定位在发电单元114的相同物理外壳中。然而将理解，在一些实施例中，交流发电机中的一个或多个可位于轨道车辆中的其它地方。例如，在一些实施例中，轨道车辆的发动机系统可包括第二发动机，并且交流发电机中的一个或多个可联接到第二发动机的传动轴。
牵引交流发电机116将电功率提供至多个牵引马达110。如所描绘的，多个牵引马达110各自连接到多个车轮104中的一个，以提供用以推进轨道车辆100的牵引功率。轨道车辆构型的一个示例包括每个车轮对(轮轴)一个牵引马达。如本文所描绘的，六个牵引马达对应于轨道车辆的六对车轮中的每一对。下面将参照图2进一步详细论述牵引交流发电机116和相关联的电子构件。
HEP交流发电机118通过接触器122将电功率提供至联接到轨道车辆100的多个有轨车厢136。在一个示例中，多个有轨车厢包括无动力的(unpowered)车厢，例如客车厢、餐车等。(“无动力的”可包括不能够自行推进和/或缺少用于产生电力的车载功能)。例如，由HEP交流发电机118提供的电功率可供应照明、HVAC、餐车厨房、电池充电负载、和/或所连接有轨车厢的其它餐宿需求。在另一示例中，无动力车厢使用由HEP交流发电机提供的电功率以用于取暖、照明、通风、空调、通信设备、娱乐装置、风扇、插孔/插座和/或厨房设备。
在一些实施例中，车辆系统为联接在一起的多个车辆中的一个，并且HEP交流发电机将功率提供至多个联接的车辆中的一些或全部。在一个示例中，车辆系统为机车，例如编组中的多个机车中的一个。作为另一示例，车辆系统为发电车，例如编组中的多个发电车中的一个。在这样的实施例中，HEP负载可在车辆系统和联接到车辆系统的多个有轨车厢之间平衡。在一个示例中，HEP负载在车辆系统和多个有轨车厢之间平衡，以维持指定的马力(额定功率)和/或燃料消耗速率。在一个示例中，HEP负载可在从约20kW至多于150kW或高达560kW的范围内。在其它示例中，HEP负载可具有从800V至1000V AC/DC双极(400 or 600 A)的范围内、1500V AC双极(800 A)或者处于415V三相、380V三相、480V三相AC下的电压，或者可在下列电压之间切换：例如，1,000V AC 16 ⅔ Hz、1,500V AC 50 Hz、1,500V DC和3,000VDC。在一个特定示例中，HEP交流发电机供应480V和60Hz下的三相AC电功率。在一些实施例中，可在每个有轨车厢中装配变压器，以降低电压供各种车载装置消耗。下面将参照图2进一步详细论述HEP交流发电机118和相关联的电子构件。
辅助交流发电机120将电功率提供至发动机系统106的一个或多个辅助构件124。例如，辅助构件可包括散热器风扇、交流发电机鼓风机、逆变器鼓风机、电阻网格鼓风机、冷却塔鼓风机或者与发动机系统106的操作相关联的另一构件。
储能系统138可联接到发电单元114。储能系统138可操作以从发电单元中的任一交流发电机接收功率，并且将功率提供至与交流发电机相关联的任一功率分配系统。在一个示例中，储能系统138可操作以在可行时从HEP交流发电机118接收功率，并且在HEP交流发电机不提供功率至电气构件时将功率提供至联接到HEP交流发电机的电气构件。在一个示例中，HEP交流发电机可不提供功率至电气构件，因为功率可提供至牵引马达或者可在其它地方使用。例如，电气构件可包括联接到HEP交流发电机的多个车厢中的一个或多个，或者联接到HEP母线的辅助鼓风机或其它构件。将理解，储能系统138可包括电池和/或另一合适的储能装置。
在一些实施例中，牵引马达110可具有再生功率产生能力，例如在再生制动操作期间产生的功率。这样，车辆系统100可被构造成在一些条件下将再生操作期间产生的功率馈送至HEP系统。特别地，再生功率可提供至HEP母线以满足HEP负载。
在一些实施例中，车辆系统100包括联接到架空(overhead)输电线142的受电弓(pantograph)140。受电弓140在可行时从架空输电线142收集功率以用于各种操作。受电弓140联接到发电单元114以将功率提供至包括HEP系统的各种功率系统。在一个示例中，受电弓140可操作以在可行时将功率提供至HEP母线上的餐宿负载。此外，HEP交流发电机可操作以在受电弓不向餐宿负载提供功率时提供功率至餐宿负载。
控制器126至少部分地控制轨道车辆100和发动机系统106的操作。控制器126包括微处理器单元(例如，处理器)128和电子存储介质(又称计算机可读存储介质)130。例如，计算机可读存储介质包括只读存储器芯片、随机存取存储器等中的一个或多个。计算机可读存储介质130保存指令，该指令在由微处理器单元128执行时执行用于控制发动机系统106的操作以及下文参照图7更详细论述的方法的程序。在监督车辆系统100的控制和管理的同时，控制器126被构造成从各种工程传感器132接收信号，以便确定操作参数和操作条件，并且对应地调整各种促动器134以控制轨道车辆100的操作。
在一个实施例中，控制器126被构造成操作发动机以在联接到牵引交流发电机和HEP交流发电机的传动轴上产生扭矩输出。控制器126还被构造成基于牵引交流发电机上的电负载和扭矩输出来改变提供至牵引交流发电机的第一激励功率，以将第一输出功率提供至一个或多个牵引马达。激励功率由定位在牵引交流发电机外部的功率电子器件提供。控制器126还被构造成用第二激励功率激励HEP交流发电机，以基于扭矩输出将第二输出功率提供至轨道车辆的一个或多个有轨车厢，其中激励功率由定位在HEP交流发电机中的自激励磁场绕组提供。在一个示例中，由HEP交流发电机提供至有轨车厢的输出功率为基本恒定的。
在一个实施例中，控制器126被构造成监测HEP输电线(例如，HEP功率母线)的车厢间完整性并报告是否存在短路或HEP输电线的劣化的指示。在一个实施例中，传感器132可包括联接到在接触器260与有轨车厢136中的每一个之间的HEP输电线(或另一位置)上的监测电路、开关或其它装置。监测电路可检测在接触器与有轨车厢之间的短路的发生，并且相应地可向控制器126发送指示短路的信号。此外，在一个实施例中，控制器126被构造成响应于短路的检测而向车辆操作者提供指示(例如，音频的或可视的)。在一个实施例中，控制器126被构造成基于短路的检测而调整操作。在一个实施例中，控制器126被构造成关闭电气构件，例如在有轨车厢中检测到短路的器具。在一个实施例中，控制器126被构造成将来自另一电源或连接的功率重新输送至检测到短路的有轨车厢。短路是可由控制器126检测的各种劣化条件的一个示例。劣化条件包括其中HEP输电线不提供控制器126所命令的功率的条件。
在一个实施例中，控制器126被构造成根据需要利用由HEP交流发电机提供的功率来补充由牵引交流发电机提供至一个或多个牵引马达的功率。因此，例如，当在给定时段内牵引交流发电机不能满足一个或多个牵引马达的总功率需求时，控制器可被构造成控制从HEP交流发电机向一个或多个牵引马达的功率传递。在一个实施例中，控制器126被构造成基于指定的层级(hierarchy)关闭从HEP交流发电机接收功率的一个或多个电气构件，以根据需要向一个或多个牵引马达提供功率。例如，层级可包括首先关闭烘箱，然后是各种其它构件，且应急灯可最后关闭。也就是说，层级可包括首先关闭非关键负载，最后是安全关键的负载。
在一个实施例中，控制器126被构造成控制HEP交流发电机以基于发动机负载和/或排放速率阈值将一定量的功率提供至联接到车辆系统的一个或多个无动力车厢。在一些条件下，可基于操作条件将功率提供至牵引系统以有利于HEP系统。在一个实施例中，当轨道车辆处于高发动机负载下时，例如在爬坡期间，控制器126被构造成将功率从HEP系统转向至牵引系统，以便为牵引马达提供用于将轨道车辆推上坡的功率。在一个实施例中，当轨道车辆以高于阈值的速率产生排放物时，例如在隧道中操作期间，控制器126被构造成基于排放速率降低发动机系统的额定值。此外，控制器126被构造成将功率从HEP系统转向至牵引系统，以便补偿发动机额定值降低并满足发动机负载。
图2示出牵引功率电路200和HEP电路202的实施例的示意图。在一个示例中，牵引功率电路200对应于牵引交流发电机116，并且HEP电路202对应于图1所示轨道车辆100的发电单元114中的HEP交流发电机118。
牵引功率电路200包括可操作以产生三相交流(AC)电功率的牵引交流发电机204(TRAC ALT)。AC功率可基于由发动机108(图1中示出)产生的扭矩输出和/或牵引交流发电机204的场电流而产生。场电流是施加到由定位在外部的功率电子器件226供能的一个或多个磁场绕组230的电流。定位在外部意味着功率电子器件不在牵引交流发电机中或者与牵引交流发电机分离。由功率电子器件226提供的场电流产生牵引交流发电机204的磁场或磁通量。牵引交流发电机204的转子在磁场内旋转以产生从牵引交流发电机204输出的电功率(例如，电流和/或电压)。
牵引交流发电机204联接到可操作以将AC功率转换为直流(DC)电功率的整流器206。由整流器206输出的DC功率通过牵引母线208提供至各种电气构件。电负载210由开关212联接到牵引母线208，开关212基于轨道车辆的操作条件而允许将电负载从牵引母线208断开连接。电负载210代表将在轨道车辆的操作过程中变化的电负载施加到牵引母线208的不同构件。例如，电负载210可包括提供或消耗牵引母线208上的电功率的动力制动器、电阻网格、发动机鼓风机和其它电气构件中的一个或多个。本文所述的各种电负载并非意图涵盖全部或为排他性的，因为可包括额外构件。
多个牵引逆变器(INV1-INV4) 214联接到牵引母线208。多个牵引逆变器214可被构造成将从牵引母线208接收的电功率修改为适当形式，以提供至多个牵引马达(TM1-TM4)216。特别地，除了其它修改之外，多个逆变器214将DC功率转换为AC功率，以驱动多个牵引马达216。
曲柄转换开关218(SW)定位在逆变器INV3和INV4与牵引马达TM3和TM4之间，以在轨道车辆的推进期间控制电流向牵引马达的供应，并且在启动期间为牵引交流发电机204供应电流以曲柄起动发动机。
多个辅助逆变器(AUXINV1-AUXINV4)220联接到牵引母线208。多个辅助逆变器220可被构造成将从牵引母线208接收的电功率修改为适当形式，以提供至多个辅助构件222。例如，辅助逆变器AUXINV1和AUXINV4将牵引母线208的DC功率转换为输送至滤波器224的AC功率。滤波器224减弱高于预定水平的高电压，这允许使用随机绕线马达(例如，感应式或其它)来为辅助构件供能。在没有此类滤波器的情况下，由辅助逆变器开关结合长电缆长度产生的高电压可损坏随机绕线马达绝缘。从滤波器224输出的AC功率被输送至散热器风扇RF1和RF2，该风扇吹动空气以冷却散热器或发动机108的其它构件(图1中示出)。
此外，辅助逆变器AUXINV2将AC功率提供至鼓风机BLWR，鼓风机吹动空气以冷却联接到牵引母线208的牵引交流发电机和多个逆变器。将理解，额外的逆变器、滤波器和/或其它推进电负载可接合到牵引母线以从牵引母线引出电流。例如，额外的电负载可以是风扇、鼓风机、压缩机、电子装置、牵引马达等。
功率电子器件226设置在牵引母线208与牵引交流发电机204的磁场绕组230之间。功率电子器件226包括联接到场隔离变压器(FIT)233和电池隔离变压器(BIT)234的双H桥228(DH-BRIDGE)。FIT 232和BIT 234将双H桥228与磁场绕组230和电池238隔离。FIT 232和BIT 234联接到功率整流器面板(PRP) 236。FIT 232将电功率提供至磁场绕组230。BIT 234将电功率提供至电池238。电池238可接收和存储来自牵引母线208的电流。当牵引交流发电机204不产生电流时，电池238还可输送电流通过牵引母线208。例如，电池238可在发动机108(图1中示出)关闭或停用时供应电流。
双H桥228控制通过FIT 232供应至牵引交流发电机204的磁场绕组230的场电流，以控制提供至牵引交流发电机的激励功率水平。例如，双H桥228可增加施加到磁场绕组230的电压，以增加由磁场绕组230形成的磁场和从牵引交流发电机204输出的电压。同样，双H桥228可减小供应至磁场绕组230的电压，以减小牵引交流发电机204的输出电压。双H桥228可操作以基于牵引母线208上的负载和发动机108(图1中示出)的输出扭矩等参数而改变输送至磁场绕组230的电压。例如，双H桥228可在发动机108减速以满足牵引母线上的负载时增加场电流的电压，并且可在发动机108加速以满足牵引母线上的负载时减小场电流的电压。在一些实施例中，发动机108可在基本恒定的速度下操作或者提供基本恒定的扭矩输出。相应地，当牵引母线208上的负载变化时，双H桥228可改变场电流的电压。
由于牵引母线208上的负载(例如，来自牵引马达)在任何给定时间的偏差，牵引母线208可具有较大电压范围能力。例如，牵引母线上的电压在轨道车辆的整个操作过程中可在330V至1400V的范围内。此外，功率电子器件226被构造成控制和改变提供至磁场绕组230的电压以控制牵引交流发电机，从而输出满足牵引母线的电压范围的电功率。
HEP电路202包括HEP交流发电机240(HEP ALT)，其可操作以产生到轨道车辆100的一个或多个有轨车厢136的三相AC电功率。AC电功率可基于由发动机108(图1中示出)产生的扭矩输出和/或HEP交流发电机240的场电流而产生。场电流是由定位在HEP交流发电机240中的可称为自激励的一个或多个激励磁场绕组242提供的电流。从HEP交流发电机240的转子输出的功率用来为HEP交流发电机240中的激励磁场绕组242供能。在一些实施例中，交流发电机保护面板266(HTAP)联接到磁场绕组242。交流发电机保护面板266保护HEP交流发电机240抵御在HEP系统中的整流器或二极管故障情况下的功率过载。
激励磁场绕组242可采取能够从HEP交流发电机内自激励的各种形式。下面将参照图3至图6更详细地论述用于HEP交流发电机的自激励的激励磁场绕组的示例。
在图示实施例中，由于HEP交流发电机240是自激励的，HEP交流发电机不接收来自永久磁体和/或外部功率电子器件的电功率以用于激励。然而将理解，在一些实施例中，HEP电路202可包括这样的构件。例如，HEP交流发电机可初始地用电池短暂供电以启动自激励过程，且然后电池可在HEP系统操作期间断开连接。
HEP交流发电机控制器(HAC)244联接到HEP交流发电机240。HAC 244被构造成基于从HEP交流发电机240输出的电压反馈(VFB)在HEP交流发电机已激励至全电压时改变提供至磁场绕组242的电压。HAC 244改变到激励磁场绕组242的电压，使得HEP交流发电机240输出基本恒定的电压以用于分配到有轨车厢。相对于控制牵引交流发电机204的外部功率电子器件226，HAC 244提供较不复杂的反馈控制。此外，HAC 244较不昂贵，重量较轻，并且不需要像功率电子器件226那样多的冷却资源。HEP交流发电机240可由HAC代替牵引功率电路200的更大且更昂贵的功率电子器件226来进行控制，因为HEP交流发电机240为自激励的并且输出通过HEP母线252分配的基本恒定的电压，该电压具有小于牵引母线208的电压范围的电压范围。
HEP交流发电机240联接到整流器250，整流器250可操作以将AC功率转换为通过HEP母线252提供至各种电气构件的DC功率。多个HEP逆变器(INV5-INV6)254联接到HEP母线252。多个HEP逆变器254可被构造成将从HEP母线252接收的电功率修改为合适形式，以提供至轨道车辆100的有轨车厢136。特别地，除了其它修改之外，多个逆变器254将DC功率转换为AC功率。HEP转换开关256(HEP SW)定位在逆变器INV5与INV6之间，以控制电流向轨道车辆100的有轨车厢136的供应。HEP滤波器258联接到HEP转换开关256。HEP滤波器258减小不具有预定频率或落在预定频率范围之外的频率的电流。例如，HEP滤波器258可滤掉从开关256输出的AC功率的非60Hz分量或谐波。从HEP滤波器258输出的AC功率通过HEP接触器260(HEPC)分配到有轨车厢136。在一个示例中，AC功率作为480V和60Hz下的三相AC供应至有轨车厢136。
多个HEP辅助逆变器(HAUXINV1和HAUXINV2)262联接到HEP母线252。多个HEP辅助逆变器262可被构造成将从HEP母线252接收的电功率修改为适当形式，以提供至多个辅助构件264。例如，辅助逆变器HAUXINV1和HAUXINV2将HEP母线252的直流电转换为输送至鼓风机的AC功率，以用于冷却牵引马达和HEP交流发电机。将理解，额外的逆变器、滤波器和/或其它电负载可接合到HEP母线以从HEP母线引出电流。例如，额外的电负载可以是风扇、鼓风机、压缩机、电子装置等。
图3至图6示出了可在图2所示HEP电路202中采用的自激励HEP交流发电机的不同实施例。图3示出包括三相输出绕组302的HEP交流发电机300，三相输出绕组302提供从HEP交流发电机300输出的电功率。HEP交流发电机300还包括与三相输出绕组302物理上分离的三相激励器绕组304。激励器绕组304可连同输出绕组302缠绕在HEP交流发电机300中的定子周围，使得输出绕组302和激励器绕组304接收相同的通量。激励器绕组将三相电压提供至相控整流器306。整流器306提供场电压以在HEP交流发电机300中产生场电流，从而使其自激励。
图4示出包括三相输出绕组402的HEP交流发电机400，三相输出绕组402提供从HEP交流发电机400输出的电功率。此外，输出绕组402的一部分404充当激励器磁场绕组。特别地，输出绕组402的部分404被抽头(tap)以提供小于HEP交流发电机400的输出功率水平的激励功率水平。充当激励器绕组的输出绕组402的部分404将三相激励电压或场电压(ALTFIELD)提供至相控整流器406。整流器406提供场电压以在HEP交流发电机400中产生场电流，从而使其自激励。在一个示例中，被抽头以提供场电压的输出绕组402的部分404为输出绕组402的1/3。在另一示例中，被抽头以提供场电压的输出绕组402的部分404为输出绕组402的1/6。将理解，输出绕组的任何合适部分都可被抽头以提供用于自激励的适当场电压。
图5示出包括三相输出绕组502的HEP交流发电机500，三相输出绕组502提供从HEP交流发电机500输出的电功率。此外，输出绕组402通过向相控整流器504提供三相激励电压或场电压(ALT FIELD)而充当激励器绕组。整流器将场电压提供至变压器506。变压器506可操作以修改来自整流器504的场电压，以在HEP交流发电机500中产生场电流，从而使其自激励。换言之，变压器506将小于HEP交流发电机500的输出功率水平的激励功率水平提供至HEP交流发电机500以用于自激励。
图6示出包括三相输出绕组602的HEP交流发电机600，三相输出绕组602提供从HEP交流发电机600输出的电功率。HEP交流发电机600还包括与三相输出绕组602物理上分离的单相激励器绕组604。激励器绕组604可连同输出绕组602缠绕在HEP交流发电机600中的定子周围，使得输出绕组602和激励器绕组604接收相同的通量。激励器绕组将单相激励电压或场电压(ALT FIELD)提供至相控整流器606。整流器606提供场电压以在HEP交流发电机600中产生场电流，从而使其自激励。
图7示出用于在轨道车辆中产生电功率的方法700的实施例的流程图。在一个示例中，方法700由图1中的控制器126且更特别地图2所示的双H桥228和HAC 244执行。在702，方法700包括操作发动机以在联接到牵引交流发电机和HEP交流发电机的传动轴上产生扭矩输出。在一些实施例中，该方法包括在传动轴上维持由发动机提供的基本恒定的扭矩输出。
在704，方法700包括基于牵引交流发电机上的电负载和扭矩输出来改变提供至牵引交流发电机的第一激励功率，以将第一输出功率提供至一个或多个牵引马达。激励功率由定位在牵引交流发电机外部的功率电子器件提供。在一个示例中，功率电子器件包括联接到场隔离变压器的双H桥，场隔离变压器将功率提供至牵引交流发电机的磁场绕组。例如，牵引交流发电机上的负载可基于由联接到牵引母线的电气构件消耗的功率量，牵引交流发电机将输出功率提供至牵引母线。
在706，方法700包括用第二激励功率激励HEP交流发电机，以基于扭矩输出将第二输出功率提供至轨道车辆的一个或多个有轨车厢。激励功率由定位在HEP交流发电机中的自激励磁场绕组提供。在一些实施例中，该方法包括维持由HEP交流发电机提供至有轨车厢的基本恒定的输出功率。
在一个示例中，通过采用自激励HEP交流发电机，可从轨道车辆消除本来需要用来激励交流发电机的外部功率电子器件。例如，HEP交流发电机可以不从电池接收电功率以用于激励。作为另一示例，HEP交流发电机可以不从永久磁体接收电功率以用于激励。这样，HEP交流发电机可相对于其中HEP交流发电机由外部功率电子器件激励的构型制得更加紧凑和轻质。
如本文所用，以单数形式叙述和前接用词“一”或“一个”的元件或步骤应被理解为并不排除多个所述元件或步骤，除非明确叙述了这种排除。此外，对本发明的“一个实施例”的引用并非意图被解释为排除也并入所陈述特征的额外实施例的存在。此外，除非明确陈述为相反，“包含”、“包括”或“具有”带特定性质的一个元件或多个元件的实施例可包括没有那种性质的额外的此类元件。术语“包括”和“在其中”用作相应术语“包含”和“其中”的普通语言等效体。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等只用作标签，而不意图对其对象强加数字要求或特定位置次序。
该书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域的普通技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域普通技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有与权利要求的字面语言没有差别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言有非实质性差别的等同结构元件，则这样的其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种车辆系统，包括：
发电单元，其操作地与发动机系统的至少一个传动轴联接，所述发电单元包括：
牵引交流发电机，其由定位在所述牵引交流发电机外部的功率电子器件激励，所述功率电子器件包括场隔离变压器和双H桥，所述双H桥联接到所述场隔离变压器，以控制提供至所述牵引交流发电机的激励功率水平；以及
头端功率(HEP)交流发电机，其中所述HEP交流发电机由定位在所述HEP交流发电机中的激励器绕组自激励。
2.根据权利要求1所述的车辆系统，其特征在于，还包括：
一个或多个牵引马达，其中所述牵引交流发电机联接到所述至少一个传动轴中的第一传动轴，并且其中所述牵引交流发电机可操作以将电功率提供至所述一个或多个牵引马达以推进所述车辆系统。
3.根据权利要求2所述的车辆系统，其特征在于，所述HEP交流发电机联接到所述第一传动轴，并且其中所述HEP交流发电机可操作以将电功率提供至联接到所述车辆系统的一个或多个无动力车厢。
4.根据权利要求3所述的车辆系统，其特征在于，所述牵引交流发电机可操作以通过具有第一电压范围的第一牵引母线将电功率提供至所述一个或多个牵引马达，并且所述HEP交流发电机可操作以通过具有小于所述第一电压范围的第二电压范围的第二牵引母线将电功率提供至所述一个或多个无动力车厢。
5.根据权利要求4所述的车辆系统，其特征在于，所述无动力车厢操作以使用所述电功率用于取暖、照明、通风、空调、通信设备、娱乐装置、风扇、插孔/插座或厨房设备中的一个或多个。
6.根据权利要求3所述的车辆系统，其特征在于，还包括：
控制器，其被构造成监测HEP输电线的车厢间完整性并报告是否存在短路或所述HEP输电线的劣化的指示。
7.根据权利要求2所述的车辆系统，其特征在于，还包括：
控制器，其被构造成根据需要利用由所述HEP交流发电机提供的功率来补充由所述牵引交流发电机提供至所述一个或多个牵引马达的功率。
8.根据权利要求7所述的车辆系统，其特征在于，所述控制器被构造成基于指定的层级关闭从所述HEP交流发电机接收功率的一个或多个电气构件，以根据需要向所述一个或多个牵引马达提供功率。
9.根据权利要求1所述的车辆系统，其特征在于，还包括：
受电弓，其可操作以在可行时将功率提供至餐宿负载，并且其中所述HEP交流发电机可操作以在所述受电弓不向所述餐宿负载提供功率时提供功率至所述餐宿负载。
10.根据权利要求1所述的车辆系统，其特征在于，所述发电单元还包括联接到所述传动轴的辅助交流发电机，并且其中所述辅助交流发电机可操作以提供功率至所述车辆系统的辅助构件。
11.根据权利要求1所述的车辆系统，其特征在于，还包括：
储能系统，其可操作以在可行时从所述HEP交流发电机接收功率，并且在所述HEP交流发电机不向电气构件提供功率时将功率提供至所述电气构件。
12.根据权利要求1所述的车辆系统，其特征在于，还包括：
控制器，其被构造成控制所述HEP交流发电机，以基于发动机负载和排放速率阈值将一定量的功率提供至联接到所述车辆系统的一个或多个无动力车厢。
13.根据权利要求1所述的车辆系统，其特征在于，还包括：
控制器，其被构造成平衡在所述车辆系统和联接到所述车辆系统的多个有轨车厢之间的HEP负载，以维持指定的马力和/或燃料消耗速率。
14.根据权利要求1所述的车辆系统，其特征在于，所述激励器绕组包括一个或多个激励器绕组，其与提供从所述HEP交流发电机输出的电功率的三相输出绕组在物理上分离。
15.根据权利要求1所述的车辆系统，其特征在于，所述激励器绕组是提供从所述HEP交流发电机输出的电功率的三相输出绕组的一部分，其中所述三相输出绕组的所述部分被抽头以提供小于所述HEP交流发电机的输出功率水平的激励功率水平。
16.根据权利要求1所述的车辆系统，其特征在于，所述激励器绕组包括提供从所述HEP交流发电机输出的电功率的三相输出绕组，其中所述三相输出绕组联接到变压器，所述变压器可操作以提供小于所述HEP交流发电机的输出功率水平的激励功率水平。
17.根据权利要求1所述的车辆系统，其特征在于，所述双H桥还联接到电池隔离变压器，以控制提供至电池的功率水平，所述电池联接到所述电池隔离变压器。
18.一种轨道车辆系统，包括：
发电单元，其操作地与发动机的传动轴联接，所述发电单元包括：
牵引交流发电机，其联接到所述传动轴，所述牵引交流发电机可操作以为一个或多个牵引马达提供电功率以推进所述轨道车辆系统，其中所述牵引交流发电机由通过双H桥控制的场隔离变压器激励，以改变提供至所述牵引交流发电机的激励功率水平；以及
头端功率(HEP)交流发电机，其联接到所述传动轴，所述HEP交流发电机可操作以提供电功率至所述轨道车辆系统的一个或多个有轨车厢，其中所述HEP交流发电机由定位在所述HEP交流发电机中的激励器绕组自激励。
19.一种用于在轨道车辆中产生功率的方法，包括：
操作轨道车辆中的发动机，以在联接到牵引交流发电机和头端功率(HEP)交流发电机的传动轴上产生扭矩输出；
基于所述牵引交流发电机上的电负载和所述扭矩输出来改变提供至所述牵引交流发电机的第一激励功率，以将第一输出功率提供至一个或多个牵引马达，其中所述第一激励功率由定位在所述牵引交流发电机外部的功率电子器件提供；以及
利用第二激励功率激励所述HEP交流发电机，以基于所述扭矩输出将第二输出功率提供至联接到所述轨道车辆的一个或多个额外的轨道车辆，其中所述第二激励功率由定位在所述HEP交流发电机中的自激励磁场绕组提供。
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