CN107294415A - 电力变流器、牵引链以及相关的电力运输车辆 - Google Patents

电力变流器、牵引链以及相关的电力运输车辆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电力变流器、牵引链以及相关的电力运输车辆。用于将第一电力转换为第二电力的该电力变流器包括用于第一电力的两个第一端子、用于第二电力的至少一个第二端子和P个切换臂，每个切换臂包括两个切换半臂，该两个切换半臂在两个第一端子之间串联连接并且在中间点处彼此连接，中间点连接到单独的第二端子上。每个切换半臂包括并联连接的N个切换半支路，N≥2，每个切换半支路包括开关。该电力变流器还包括2×P个控制模块，每个控制模块配置为控制单独的切换半臂的开关，每个控制模块包括针对每个单独的开关的输出端子，每个输出端子配置为向单独的开关输送控制信号。

Description

电力变流器、牵引链以及相关的电力运输车辆
技术领域
本发明涉及一种电力变流器，该电力变流器被配置为将第一电力转换为第二电力。
本发明还涉及一种用于电力运输车辆的牵引链(也被称为传动系)，牵引链包括电动机和连接到电动机上的该电力变流器。
本发明还涉及一种电力运输车辆(例如铁路车辆)，该电力运输车辆包括配置为该引起车辆运动的牵引链。
电力变流器包括两个与第一电力联接的第一端子，至少一个与第二电力联接的第二端子以及P个切换臂，其中，P为大于或等于1的整数。每个切换臂包括在两个第一端子之间串联连接并且在中点处彼此连接的两个切换半臂。中间点连接到单独的第二端子上。每个切换半臂包括并联连接的N个切换半支路，其中，N为大于或等于2的整数。每个切换半支路包括开关。
本发明适用于运输领域，并特别适用于铁路运输，尤其是诸如铁路机车或电力轨道车之类的电力牵引车辆。
背景技术
从文献US 2013/0039100 A1中已知前述类型的电力变流器。电力变流器是能够将直流电转换为三相交流电以向三相电动机供电的换流器。电力变流器包括两个与直流电联接的第一端子，三个与三相交流电联接的第二端子以及三个切换臂。每个切换臂包括在两个第一端子之间串联连接并且在中间点处彼此连接的两个切换半臂。中间点连接到各第二端子上。
每个切换半臂包括并联连接的两个切换半支路或者三个切换半支路，这分别取决于所考虑的实施例。每个切换半支路包括开关，该开关包括晶体管以及与该晶体管反向并联连接的二极管。
电力变流器还包括用于三个切换臂的控制单元。控制单元被配置为将一个臂相对于其它臂进行相移，从而在电力变流器的输出处输出三相交流电。
然而，切换臂的切换操作并不总是最佳的。
发明内容
因此，本发明旨在提出一种电力变流器，以使得能够对每个切换臂内的切换进行改进。
为此，本发明涉及一种前述类型的电力变流器，其中，所述电力变流器还包括2×P个控制模块，每个控制模块配置为控制单独的切换半臂的所述开关，每个控制模块包括针对每个单独的开关的输出端子，每个输出端子配置为向所述单独的开关输送控制信号。
根据本发明的电力变流器包括针对每个切换半臂的控制模块，每个控制模块配置为控制单独的切换半臂的开关，每个控制模块包括针对每个单独的开关的一对输出端子，每对输出端子则能够向所述单独的开关输送特定的控制信号。
根据本发明的电力变流器因此使得能够向每个单独的开关输送特定的控制信号，以使得能够改进每个切换臂内的切换。
根据本发明的其他有利方面，电力变流器包括以下特征中的一个或更多个，所述特征可被单独地或根据所有技术上的可能组合进行考虑：
-至少一个控制模块被进一步配置为对单独的切换半臂的开关的切换操作进行同步；
-能够对单独的切换半臂的开关的切换操作进行同步的每个控制模块配置为基于预定切换延迟控制所述开关的控制信号的输送，预定切换延迟与所述切换半臂的每个开关相关；
-电力变流器包括针对每个开关的单独的控制环，每个控制环连接在单独的输出端子和对应的开关之间，并且包括两个电容器和两个切换部件以将对应的开关切换到断开状态和闭合状态中的一个状态；
-至少一个开关是双路开关；
-每个双路开关包括晶体管以及与晶体管反向并联的二极管；
-至少一个晶体管是由碳化硅制成的；
-至少一个晶体管是场效应晶体管；
优选地，为绝缘栅场效应晶体管；
-切换臂的数量P等于3；以及
-数量N等于3。
本发明还涉及一种用于电力运输车辆的牵引链，牵引链包括电动机和连接到电动机上的电力变流器，电力变流器如上文所限定的。
本发明还涉及一种电力运输车辆(例如铁路车辆)，电力运输车辆包括配置为引起车辆运动的牵引链，牵引链如上文所限定的。
附图说明
通过阅读以下仅作为非限定性示例提供并参照附图进行的描述将更好地理解本发明的特征和优点，在附图中：
图1为诸如铁路车辆之类的电力运输车辆的示意图，该电力运输车辆包括牵引链，牵引链包括电动机以及连接到该电动机上的电力变流器；
图2为图1中的电力变流器的示意图，该变流器被配置为将第一电力转换为第二电力，并且该变流器包括两个与第一电力联接的第一端子、三个与第二电力联接的第二端子以及在两个第一端子之间并联连接的三个切换臂；以及
图3为图2中的切换臂之一的示意图。
具体实施方式
在图1中，诸如铁路车辆之类的电力运输车辆10包括牵引链12。该牵引链(也被称为传动系)包括能够连接到悬链线(未示出)上的集电弓14。
牵引链12包括连接到集电弓14上的电开关16以及连接到电开关16上的电路断路器18。可选地，牵引链12包括辅助设备20，该辅助设备20连接在电开关16和电路断路器18之间以将电路断路器18旁路。
电开关16、电路断路器18和辅助设备20均是已知的并且不再详细说明。辅助设备20例如为静态变流器。
牵引组件22经由DC(直流电流)母线24连接到电路断路器18上。牵引组件22包括电动机26，电力变流器30连接到电动机26上。在图1的示例中，电力变流器30用于将从来自DC母线24的直流电压得到的交流电压输送给电动机26。
另外，牵引组件22包括滤波器装置32，特别地包括滤波电容器34。
可选地，牵引组件22包括电力储存装置(未示出)。电力储存装置也被称为自主箱(autonomy box)，并且一方面用作辅助电源且另一方面在电力运输车辆10制动的过程中收集电力。电力储存装置例如连接到电路断路器18和滤波电容器34之间的旁路上。
电动机26例如为交流电机，例如，三相电机。
电力变流器30被配置为将第一电力转换为第二电力。
在图2的示例中，电力变流器30配置为将与DC母线24联接的直流电转换为与电动机26联接的诸如三相电之类的交流电。第一电力则为直流电，并且第二电力为诸如三相电之类的交流电。
电力变流器30包括两个与第一电力联接的第一端子、至少一个与第二电力联接的第二端子38以及P个切换臂40，其中，P为大于或等于1的整数。
在图2的示例中，电力变流器30将直流电转换为三相交流电，并且电力变流器30包括三个第二端子38和三个切换臂40。也就是说，对于三相电中的每一相具有一个第二端子38和一个切换臂40。换言之，这里的切换臂40的数量P等于3。
每个切换臂40包括在两个第一端子36之间串联连接并且在中间点44处彼此连接的两个切换半臂42。中间点44连接到各第二端子38上。
每个切换半臂42包括并联连接的N个切换半支路46，其中，N为大于或等于2的整数。如图3中所示，每个切换半支路46包括至少一个开关48。每个切换半臂42则包括至少N个开关48。
在图3的示例中，每个切换半臂42包括并联的三个切换半支路46，因此数量N等于3。
电力变流器30还包括2×P个控制模块50。如图2中所示，每个控制模块50配置为控制各切换半臂42的开关48。每个控制模块50包括针对每个单独的开关48的一对输出端子52。每对输出端子52配置为向所述单独的开关48输送特定的控制信号。
在图2的示例中，电力变流器30则包括6个控制模块50。在此，P等于3。针对每个切换半臂42具有单独的控制模块50。
如图2中所示，电力变流器30包括测量装置54和驱动装置56。测量装置54配置为测量与第二电力有关的至少一个电力特性。驱动装置56配置为特别地基于测量装置54测量到的一个或多个特性来驱动各个控制模块50。
如图3中所示，电力变流器30包括针对每个开关48的单独的控制环60。每个控制环60连接在单独的输出端子52和对应的开关48之间，并且包括两个电容器62和两个切换部件64以将对应的开关48切换到断开状态和闭合状态中的一个状态。
本领域技术人员将注意到，在图3中仅示出了与所关注的切换臂40的两个切换半臂42之一联接的控制模块50和控制环60以简化附图。所示出的控制模块50和控制环60与上部的切换半臂42联接。因此，图3中并未示出与下部的切换半臂42联接的控制模块50和控制环60。
在图3的示例中，每个切换半支路46包括单个开关48。
在未示出的替代方式中，每个切换半支路46包括多个在对应的第二端子36和单独的中间点44之间串联连接的开关48。这使得能够对高压电力进行转换。
至少一个开关48例如是双路开关。优选地，每个开关48是双路开关。
当全部的开关48是双路开关时，电力变流器30则为双路变流器。该双路变流器配置为：如果电流从第一端子36流向第二端子38，将第一电力转换为第二电力；如果电流从第二端子38流向第一端子36，将第二电力反向地转换为第一电力。
电力变流器30将第二电力转换为第一电力的反向操作特别地有益于在电力运输车辆10制动过程中回收电力。
每个双路开关48例如包括晶体管66以及与晶体管66反向并联的二极管68。众所周知，每个晶体管66包括两个导电电极70和一个控制电极72。每个晶体管66可通过该晶体管的控制电极72在导通状态和关断状态之间进行控制。在导通状态下，电流在导电电极70之间流动；在关断状态下，电流不在导电电极70之间流动。二极管68则连接在导电电极70之间。
替代性地，每个双路开关48没有与晶体管反向并联的二极管，并且该晶体管有利地是绝缘栅场效应晶体管，更通常称为MOSFET。
至少一个控制模块50例如被进一步配置为对单独的切换半臂42的开关48的切换操作进行同步。每个控制模块50优选地配置为对单独的切换半臂42所联接的开关48的切换操作进行同步。
能够对单独的切换半臂42的开关48的切换操作进行同步的每个控制模块50配置为基于预定切换延迟控制所述开关48的控制信号的输送。预定切换延迟与所述切换半臂42的每个开关48相关。
换言之，每个控制模块50能够基于开关48的特征并尤其基于与开关48相关的预定切换延迟以控制环60彼此偏移的方式将控制信号输送到控制环60、特别是输送到控制环60的切换部件64。
本领域技术人员将理解，每个控制模块50试图对所关注的切换半臂42的各个开关48中切换最快的开关48的切换进行延迟，并且相对地控制该切换半臂42的所述各个开关48中切换最慢的开关48尽快切换。
每个控制模块50例如以可编程逻辑组件的形式制作，例如，FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)。电力变流器30例如包括2×P个可编程逻辑组件。每个可编程逻辑组件形成单独的控制模块50。替代性地，至少两个控制模块50制作在单个可编程逻辑组件上，同时相对于每个控制模块50的特定输出端子52分离。
这些预定切换延迟例如是在针对开关48、特别是晶体管66的初期测试阶段确定的。事实上，这些延迟或切换时间对于每个开关48、特别是每个晶体管66是特定的，这是因为延迟或切换时间取决于这些组件的固有特征。该固有特征对于不同的组件、特别是针对不同的晶体管66是变化的，并且是由制作造成的。
测量装置54例如配置为测量流过单独的第二端子38的每个电流和/或在该第二端子38处的电压的强度，也就是穿过对应的第二中间点44的电流和/或在该第二中间点44处的电压。
驱动装置56配置为驱动各控制模块50并因此控制各切换半臂42以进行电力转换。控制模块50的驱动尤其基于由测量装置54测量到的一个或多个特性来完成。
每个控制环60优选地本质上为模拟环。在该模拟环中，切换部件64例如为晶体管(例如MOS晶体管)，并且电容器62用于提供电力储存来以合适的电压驱动控制电极72，从而控制对应的晶体管66处于导通状态和关断状态中的期望状态下。
每个控制环60具有极短的长度，通常为大约1厘米或数厘米。
每个控制环60具有极小的电感，例如为大约数十nH(纳亨)，例如大约20nH。
至少一个晶体管66例如是由碳化硅(SiC)制成的。每个晶体管66优选地是由碳化硅制成的。
至少一个晶体管66例如是场效应晶体管(FET)，优选地是绝缘栅场效应晶体管(更普遍地被称为MOSFET)或金属氧化物半导体场效应晶体管。每个晶体管66优选地是MOSFET晶体管。导电电极70则是集电极和发射机，并且控制电极72是栅极。
替代性地，每个晶体管66是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。导电电极70则是集电极和发射极，并且控制电极72是栅极。
因此，每个切换半臂42能够彼此单独地控制。每个切换半臂42的控制模块50配置为控制该切换半臂42的开关48。
此外，每个控制模块50包括针对每个开关48的单独的输出端子52，这使得能够单独控制每个开关48，从而使得能够将每个开关48的特异性、特别是由于开关的制作造成的特异性考虑在内。
这由此使得能够改善每个切换半臂42内的切换，并因而改进每个切换臂40内的切换。
当控制模块50进一步配置为对每个切换半臂42的开关48的切换操作进行同步时，每个切换半臂42内的切换被进一步改进。这使得能够更好地解决开关48之间、特别是晶体管66之间的固有差异。这些差异例如是制作这些晶体管66所固有的并且特别地造成开关48之间、尤其是晶体管66之间不同的切换延迟或时间。差异还能够与开关48从导通状态到关断状态又或者反之从关断状态到导通状态的转变所生成的场的每个开关48的具体动作有关。
当晶体管66是由碳化硅制成的晶体管时，该晶体管66的切换会快得多，这使得能够改进根据本发明的电力变流器30的操作。
举例来说，由碳化硅制成的晶体管66的切换通常在介于70ns和100ns的延迟内完成，这比由硅制成的晶体管的切换快了5至10倍。由硅制成的晶体管的切换通常在大约500ms至1μs的延迟内完成。
因此能够看到，根据本发明的电力变流器使得能够改进每个切换臂40内的切换。

Claims (11)

1.一种电力变流器(30)，所述电力变流器(30)配置为将第一电力转换为第二电力，所述电力变流器(30)包括：
两个第一端子(36)，其与所述第一电力联接；
至少一个第二端子(38)，其与所述第二电力联接；
P个切换臂(40)，P为大于或等于1的整数，每个切换臂(40)包括在所述两个第一端子(36)之间串联连接并且在中间点(44)处彼此连接的两个切换半臂(42)，所述中间点(44)连接到单独的第二端子(38)上，
每个切换半臂(42)包括并联连接的N个切换半支路(46)，N为大于或等于2的整数，每个切换半支路(46)包括开关(48)，
其特征在于，所述电力变流器(30)还包括2×P个控制模块(50)，每个控制模块(50)配置为控制单独的切换半臂(42)的所述开关(48)，每个控制模块(50)包括针对每个单独的开关(48)的输出端子(52)，每个输出端子(52)配置为向所述单独的开关(48)输送控制信号，以及
所述电力变流器(30)包括针对每个开关(38)的单独的控制环(60)，每个控制环(60)连接在单独的输出端子(52)和对应的所述开关(48)之间，并且包括两个电容器(62)和两个切换部件(64)以将对应的所述开关(48)切换到断开状态和闭合状态中的一个状态。
2.根据权利要求1所述的电力变流器(30)，其中，至少一个控制模块(50)还被配置为对单独的切换半臂(42)的所述开关(48)的切换操作进行同步。
3.根据权利要求2所述的电力变流器(30)，其中，能够对单独的切换半臂(42)的所述开关(48)的切换操作进行同步的每个控制模块(50)配置为基于预定切换延迟控制所述开关(48)的控制信号的输送，所述预定切换延迟与所述切换半臂(42)的所述开关(48)中的每一个相关。
4.根据权利要求1所述的电力变流器(30)，其中，至少一个开关(48)是双路开关。
5.根据权利要求4所述的电力变流器(30)，其中，每个双路开关(48)包括晶体管(66)以及与所述晶体管(66)反向并联连接的二极管(68)。
6.根据权利要求5所述的电力变流器(30)，其中，至少一个晶体管(66)是由碳化硅制成的。
7.根据权利要求5所述的电力变流器(30)，其中，至少一个晶体管(66)是场效应晶体管。
8.根据权利要求1或2所述的电力变流器(30)，其中，所述切换臂(40)的数量P等于3。
9.根据权利要求1或2所述的电力变流器(30)，其中，数量N等于3。
10.一种用于电力运输车辆(10)的牵引链(12)，所述牵引链(12)包括电动机(26)以及连接到所述电动机(26)上的电力变流器(30)，
其特征在于，所述电力变流器(30)是根据权利要求1或2所述的电力变流器。
11.一种电力运输车辆(10)，包括配置为引起所述车辆(10)运动的牵引链(12)，
其特征在于，所述牵引链(12)是根据权利要求10所述的牵引链。
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