CN108092505B - 一种用于轨道车辆的电动多系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于轨道车辆的电动多系统，包括第一连接器装置(22，23)，配置为将电动系统的第一连接点(a)连接到AC接触线或将电动系统的第二连接点(b)连接到DC接触线。变压器(3)有初级绕组(4)，第一连接点(a)连接到其。线路转换器(13，7)连接到变压器的次级绕组，有连接到DC中间链路(14，18)的输出。次级绕组分成串联的两个半部分(51，52)，第二连接器装置(70，71)通过连接DC电压到两个半部分(51，52)间的中点(55)将第二连接点(b)连接到次级绕组。控制单元(19)控制线路转换器(13，7)与用作升压斩波器电感器的次级绕组的每个半部分的电感器一起充当DC‑DC斩波器，调节输送到DC中间链路(14，18)的DC电压电平。

Description

一种用于轨道车辆的电动多系统
技术领域
本发明涉及一种电动多系统(electric multisystem)，其被配置为布置在轨道车辆上并且包括
·第一连接器装置，被配置为一次一个地或者将电动系统的第一连接点连接到AC-接触线或者将电动系统的第二连接点连接到DC接触线，
·变压器，包括初级绕组，第一连接点连接到该初级绕组，
·线路转换器，变压器的次级绕组连接到该线路转换器，并且该线路转换器具有至少一个桥接器(bridge)，该桥接器的两个桥臂(phase-leg)并联连接在DC中间链路的相对极之间并且各自具有串联连接的至少两个电流阀，每个所述电流阀包括关断型半导体设备和与其反平行连接的整流构件，每个桥臂的中点将该桥臂分成两个完全相同的半部分，这两个半部分连接到变压器的所述次级绕组，以及
·控制单元，被配置为通过控制线路转换器的所述半导体设备来控制所述线路转换器的电流阀。
背景技术
这种电动多系统在轨道车辆上是有意义的，这种车辆可以既在由AC接触线路激励的轨道部分上又在由DC激励的轨道部分上被驱动。当从这些类型的轨道区段中的一种类型到另一种类型时，所述连接器装置将照顾利用与以前不同的另一种类型的电力(AC或DC)馈送的电动系统的改变，同时允许用于驱动车辆和车辆的其它电动装备的电动马达如前所述地操作。
本发明不限于用于任何特殊类型的轨道车辆的这种电动多系统，轨道车辆可以是任何可想到的类型。本发明既不限于系统通过其被馈送的AC-接触线或DC-接触线的任何特定的电压电平。在本公开中，“DC接触线”将指第三轨道接触线(如在英国)的可能性和DC架空接触线的可能性(诸如例如针对“电车”)二者。
图1示意性地示出了在引言中定义的类型的电动系统的可能设计，而不具有与所示的DC-接触线的可能连接，并且现在将描述这种已知系统的结构，以促进对本发明的理解。示出了如何从AC接触线2向轨道车辆1馈送电力并电力在车辆中使用。车辆被配置为沿着AC接触线2移动，其中AC接触线2可以例如承载15kV和16 2/3Hz(瑞典)或25kV和50Hz(丹麦)的单相交流电压。车辆具有用于将电压从接触线2转换到适当电平的变压器3。变压器在这里具有初级绕组4和两个次级绕组5、6，其中一个次级绕组连接到线路转换器7，用于在其输出端上输送例如1.5-3kV(诸如1.65kV)的直流电压。DC中间链路18的这个直流电压被输送到辅助转换器8，该辅助转换器8由控制单元9控制，用于根据脉宽调制模式生成脉冲串，用于在其输出端上输送三相交流电压。辅助转换器8的输出连接到三相变压器10以及谐波滤波器11，用于将由配电网12输送的交流电压平滑到布置在轨道车辆中的插座(socket)，诸如用于计算机的连接，以及到照明、加热和其它电器的连接。
变压器的另一个次级绕组5连接到线路转换器13，线路转换器13被配置为将其输出端上的直流电压输送到DC中间链路14，从而以与由控制单元9执行的用于将马达转换器的输出端上的三相交流电压输送到用于驱动车辆的马达17(电机的形式)的控制类似的方式形成到由控制单元16控制的马达转换器15的输入。
图1中所示的电动系统是AC系统，并且存在不同的选项，用于将其修改为多系统，还允许以由DC接触线提供的这种功率的形式向其馈送电力。一种这样的选项是设计经由线路滤波器电感器将DC接触线连接到DC中间链路14的所述连接器装置，用于将电力馈送到驱动车辆的电动马达，并且产生DC接触线到连接到辅助转换器8的DC中间链路18的对应连接。然后，相应的线路转换器13、7将是不活动的。这将导致供给相应马达和辅助转换器的DC链路电压在宽范围内变化，诸如例如对于具有标称电压750V的DC接触线在500V和1000V之间以及对于具有标称电压1500V的DC接触线在1000V和1950V之间。这是因为输送给车辆的电动系统的DC电压的量值将依赖于车辆沿着接触线的当前位置以及是否有其它轨道车辆在与该轨道车辆相同的轨道区段上操作。
另一个选项是，当从DC接触线供给时，经由使用专用斩波器(chopper)电感器的专用DC-DC斩波器来馈送DC链路14、18。这通过EP 2 695 763A2已知，其中变压器的次级绕组然后用作线路滤波器电感器。
另一个选项在2008年9月Ingeteam Traction的宣传册“High speed dualvoltage locomotive”中公开。在这个系统中，DC线路电压可以连接到次级绕组的一端，而另一端仍连接到线路转换器的一相。次级绕组然后充当线路滤波器电感器，其中线路电流经由线路转换器桥臂的上部中的二极管到达DC中间链路。如果次级绕组连接到的线路转换器被切换，那么它可以作为DC-DC斩波器操作，用于获得输送到所述DC中间链路的可能电压电平的范围的减小，但是由于没有分离的线路滤波器电容器并且没有分离的斩波器电感器，因此这将以牺牲斩波器频率线路电流谐波为代价。而且，由于DC接触线连接到变压器的次级绕组的一端，因此线路转换器中的每个桥接器的桥臂中仅一个可以被使用，因为另一个桥臂的控制将导致DC电压与地之间的短路。这不仅导致可能通过线路转换器传输低电力电平，而且由于可能的低切换频率而导致高谐波含量。
发明内容
本发明的目标是提供一种上面所讨论类型的电动多系统，其关于已知的此类系统在至少某个方面有所改进。
根据本发明，这个目标是通过提供具有所附专利权利要求1的特征部分中列出的特征的电动多系统而获得的。
通过将变压器的次级绕组分成串联连接的两个半部分并设计第二连接器装置来通过将其连接到这两个半部分之间变压器的次级绕组的中点将DC电压连接到次级绕组，线路转换器可以被控制成与用作升压(step-up)斩波器电感器的次级绕组的每个半部分的电感一起充当DC-DC斩波器，用于调节输送到DC中间链路的DC电压的电平。这种设计使得能够使用线路转换器的两个桥臂，从而导致可传输的电力是当DC电压连接到次级绕组的一端时可传输的电力的两倍，于是线路电流中的纹波频率也将是两倍高，从而导致较低的谐波含量。通过使用线路转换器连同次级绕组电感作为DC-DC斩波器，可以通过线路转换器的适当控制来调节在DC中间链路上输送的电压，使得电动系统的其余部分的设计和尺寸可以对于窄的DC链路电压范围进行优化，尽管供给车辆的DC线路电压在宽得多的范围内(例如，500-1000V DC或1000V-1950V DC)变化。具有750V DC和25kV或15kV AC的标称线路电压的系统可以例如在AC和DC模式中都具有将DC中间链路调节至高于在不开关切换DC-DC斩波器的半导体开关的情况下所达到的最大值(例如，1800V DC)的电压的线路转换器。一个非常类似的系统也可以用于相同的AC线路电压，但是对于其范围达到高于经调节的DC中间链路值的DC线路电压(例如，当经调节的DC链路电压为1800V DC时)，它可以被用于具有1500V DC的标称线路电压(即，具有1000-1950V的范围)的DC线路。在后一种情况下，作为DC-DC斩波器操作的线路转换器将能够增加和调节低于期望的DC链路电压电平(例如，1800V)的任何线路电压，但是当线路电压超过这个电平时，这个较高的电压将不可避免地经由桥臂中的上部阀门的整流构件到达DC链路，并且DC链路电压不再被调节。但是，在这两种情况下，较窄的DC链路电压范围都意味着系统的大多数部件可以与仅为AC线路电压供给构建的电动系统共享，由此降低设计、材料和生产成本。甚至有可能设计可以对两个不同的DC线路电压和至少一个AC线路电压(诸如法国的750V DC电车线路以及1500V DC和25kV AC主线路，或者法国的1500V DC和25kV AC线路，以及意大利的3kV DC和25kV AC线路)操作的多系统，并且对于这些当中的每一个，接触线电压将具有保持在窄范围内的DC中间链路电压，使得系统的大部分可以针对这个窄DC链路电压范围进行优化。
根据本发明的实施例，电动多系统包括被配置为当第二连接器装置将变压器的次级绕组的中点连接到第二连接点时确定DC中间链路上的电压的电平的装置，并且它包括被配置为将这个DC中间链路电压的电平与预定电平进行比较的装置，并且控制单元被配置为控制线路转换器在DC中间链路上输送具有接近所述预定电平的电平的DC电压。这里使用“接近”来表示不需要线路转换器被控制成使得输送到DC中间链路的DC电压的电平与所述预定电平完全相同，而是可以由于不同的原因被选择成例如将电平从500-1000V增加到1650-1800V，但预定电平为1800V。
根据本发明的另一个实施例，控制单元被配置为控制线路转换器的至少两个桥臂的电流阀，其目的是消除谐波。这个目的将通过在所有斩波器相中交织PWM模式来解决。交织意味着连接到同一电源的不同相中的不同脉冲在时间上同步和均匀分布，使得总线路(或负载)电流具有电流纹波，如同开关频率高于每个相的实际频率一样。
根据本发明的另一个实施例，所述线路转换器将两个所述桥接器并联连接到所述DC中间链路，并且变压器包括两个所述次级绕组，每个次级绕组被划分成两半并连接到线路转换器的每个所述桥接器。
根据本发明的另一个实施例，电动系统包括连接到DC中间链路并由控制单元控制的马达转换器，用于将其输出端上的三相交流电压输送到一个或多个电机形式的马达，用于驱动车辆。根据本发明的电动多系统的设计将确保马达转换器将总是获得适于为电动马达提供期望的交流电压的DC电压。
根据本发明的另一个实施例，电动多系统具有两个线路转换器，每个线路转换器连接到所述DC中间链路，并且其中一个DC中间链路然后可以连接到辅助转换器，其中辅助转换器通过另外的变压器连接到轨道车辆中配电网的插座，诸如用于计算机的连接，以及到照明、加热和其它电器的连接，如图1中所示。但是，也有可能将两个线路转换器并联连接到同一个DC中间链路。
本发明还涉及根据所附独立方法权利要求的、用于控制轨道车辆上的电动多系统的方法。在从属方法权利要求中定义的这种方法及其实施例的优点从上面对本发明的电动多系统的讨论中显而易见。
本发明还涉及一种包括根据本发明的电动多系统的轨道车辆。
本发明的进一步的优点以及有利特征将从下面的描述中显现。
附图说明
参考附图，下面参考作为示例引用的本发明的实施例的具体描述。
在图中：
图1是图示用于解释本发明的已知电动系统的非常示意性的视图，
图2是根据本发明的实施例的电动多系统的电路图的非常示意性的视图，以及
图3是图2中所示的电动系统的一部分的电路图。
具体实施方式
现在将在图1之外还参考图2和3来描述根据本发明的实施例的、布置在轨道车辆上的电动多系统的本发明的具体特征。图1中所示的系统的构件在图2和3中用相同的参考标号提供。由于本发明主要针对在连接到DC接触线时系统的操作，因此下面的描述将集中在系统的这种操作上。
DC接触线20具有线路电感21，依赖于EMC要求，可能需要分离的电感器被添加到线路电感，并且这里指出了考虑到这一点的线路滤波器电感器100。示意性地示出了如何将系统切换开关形式的第一连接器装置22配置成一次一个地将电动系统的第一连接点a连接到AC接触线或者将电动系统的第二连接点b连接到DC接触线，其中，对于这些到AC和DC电源的连接，相同的集电弓(pantograph)23用于两种类型的接触线。在实践中，主要需要具有两个分离的断开开关，一个用于AC，一个用于DC，用于履行这里为了简化而由所述第一连接装置22概述的功能，因为电压来自分离的端子。未示出的充电电路被布置成对电容器25充电，而不使也未示出的馈电电源保险丝跳闸。这个电容器25具有其作为滤波器部件的主要功能。每个线路转换器13、7在这里具有并联连接到相应的DC中间链路14、18的图3中所示类型的两个桥接器26。每个这种桥接器具有并联连接在DC中间链路的相对极29、30之间的两个桥臂27、28，并且每个桥臂具有串联连接的两个电流阀31-34。每个电流阀具有关断型半导体器设备35-38(诸如IGBT)，以及与其反平行连接的整流构件39-42(诸如整流二极管)。两个桥臂的中点43、44连接到共用的次级绕组80的不同端。在图2中示意性地图示了用于每个线路转换器的变压器3如何将两个次级绕组80、81和82、83连接到每个相应线路转换器的桥接器，并且每个这种次级绕组被划分成两半51-54、61-64。
在图3中示出如何将DC电压连接到相应的两个次级绕组51、52之间的中点55。用于此目的的第二连接器装置在图2中在70、71处示意性地示出。被配置为控制线路转换器的图3所示的电流阀的控制单元19将通过控制其半导体设备35-38来实现这一点，并且这个控制单元在电动系统连接到DC接触线时被配置为控制线路转换器与用作升压斩波器电感器的每个次级绕组的半部分51、52的电感器一起充当DC-DC斩波器，用于调节输送到DC中间链路14的电容器72的DC电压的电平。在73处指示控制单元19可以如何接收关于输送到电动系统的DC中间链路电压的实际电平的信息，用于在控制作为DC-DC斩波器的线路转换器13的桥接器时考虑这个电平，用于获得在DC中间链路14上期望的电压电平。这意味着，如果马达转换器15和马达17被设计为用于1800VDC的额定电压并且DC接触线向电动系统只输送500-900VDC的DC电压，那么控制单元19可以控制线路转换器13将电压升高到1 800VDC或接近其的电平。
通过将DC电压连接到次级绕组的中点55，两个桥臂27、28的电流阀都可以通过交织来控制，以向DC中间链路14提供电力，并且纹波频率是当DC电压连接到次级绕组的一侧并且只有一个桥臂用作斩波器时的两倍，这导致较低的谐波含量，而且通过线路转换器可传输的电力是两倍高。
本发明当然不以任何方式限于上述实施例，对于本领域技术人员而言，在不背离所附权利要求定义的本发明的范围的情况下，其修改的许多可能性将是显而易见的。
电动系统的线路转换器的数量可以与所示的不同，诸如1或3。每个电流阀可以具有串联连接的多个半导体设备，以作为一个单个的开关被控制。只是提到几个可能的修改。
应当指出的是，如本公开中所使用的“连接”并不意味着必须在彼此连接的两个部分之间的连接线中没有任何中间部分的情况下进行连接。在实践中，所述第二连接器装置将例如经由一个或多个部分将次级绕组的中点连接到第二连接点。但是为了简单起见，在附图中省略了这种部分。这同样适用于例如充电电路与第二连接点的连接。

Claims (10)

1.一种电动多系统，被配置为布置在轨道车辆(1)上并且包括
·第一连接器装置(22，23)，被配置为一次一个地或者将电动系统的第一连接点(a)连接到AC-接触线(2)或者将电动系统的第二连接点(b)连接到DC接触线(20)，
·变压器(3)，包括初级绕组(4)，第一连接点(a)连接到所述初级绕组，
·线路转换器(7，13)，变压器的次级绕组(5，6)连接到所述线路转换器，并且所述线路转换器具有至少一个桥接器(26)，所述桥接器(26)的两个桥臂(27，28)并联连接在DC中间链路(14，18)的相对极(29，30)之间并且各自具有串联连接的至少两个电流阀(31-34)，每个所述电流阀包括关断型半导体设备(35-38)和与所述关断型半导体设备反平行连接的整流构件(39-42)，每个桥臂的中点(43，44)将所述桥臂分成两个完全相同的半部分，这两个半部分连接到变压器的所述次级绕组，以及
·控制单元(19)，被配置为通过控制线路转换器(7，13)的所述半导体设备来控制所述线路转换器(7，13)的电流阀，
其中第二连接器装置(70，71)被配置为将变压器(3)的所述次级绕组(5，6)连接到第二连接点(b)，
其特征在于，变压器的次级绕组被划分成串联连接的两个半部分(51-54，61-64)，所述第二连接器装置被配置为将所述第二连接点(b)连接到在次级绕组的所述两个半部分(51，52)之间的变压器的次级绕组的中点(55)，以及，当所述电动系统通过DC接触线被馈电时，控制单元(19)被配置为控制线路转换器(13，7)与用作升压斩波器电感器的次级绕组的每个半部分的电感器一起充当DC-DC斩波器，用于调节输送到DC中间链路(14，18)的DC电压的电平。
2.如权利要求1所述的电动多系统，其特征在于，包括被配置为当第二连接器装置将变压器的次级绕组的中点连接到第二连接点(b)时确定DC中间链路上的电压的电平的装置(73)，并且包括被配置为将这个DC中间链路电压的电平与预定电平进行比较的装置(74)，并且控制单元(19)被配置为控制线路转换器在DC中间链路上输送具有接近所述预定电平的电平的DC电压。
3.如权利要求1或2所述的电动多系统，其特征在于，控制单元(19)被配置为控制所述线路转换器的至少两个桥臂(27，28)的电流阀，以消除谐波。
4.如权利要求1或2所述的电动多系统，其特征在于，所述线路转换器(7，13)将两个所述桥接器(26)并联连接到所述DC中间链路(14，18)，并且变压器(3)包括两个所述次级绕组(80-83)，每个次级绕组被划分成两半并连接到线路转换器(7，13)的每个所述桥接器。
5.如权利要求1或2所述的电动多系统，其特征在于，包括连接到DC中间链路(14)并由控制单元(16)控制的马达转换器(15)，用于将马达转换器(15)的输出端上的三相交流电压输送到一个或多个电机形式的马达(17)，用于驱动车辆。
6.如权利要求中1或2所述的电动多系统，其特征在于，所述电动多系统具有各连接到所述DC中间链路(14，18)的两个所述线路转换器(7，13)。
7.如权利要求6所述的电动多系统，其特征在于，DC中间链路中的一个DC中间链路(18)连接到辅助转换器(8)，所述辅助转换器(8)通过另一个变压器(10)连接到所述轨道车辆中的配电网的插座，用于计算机的连接，以及连接到照明、加热和其它电器。
8.一种用于控制轨道车辆(1)上的电动多系统的方法，所述系统包括：
·第一连接器装置(22，23)，被配置为一次一个地或者将电动系统的第一连接点(a)连接到AC-接触线(2)或者将电动系统的第二连接点(b)连接到DC接触线(20)，
·变压器(3)，包括初级绕组(4)，第一连接点(a)连接到所述初级绕组，
·线路转换器(7，13)，变压器的次级绕组(5，6)连接到所述线路转换器，并且所述线路转换器具有至少一个桥接器(26)，所述桥接器(26)的两个桥臂(27，28)并联连接在DC中间链路(14，18)的相对极(29，30)之间并且各自具有串联连接的至少两个电流阀(31-34)，每个所述电流阀包括关断型半导体设备(35-38)和与所述关断型半导体设备反平行连接的整流构件(39-42)，每个桥臂的中点(43，44)将所述桥臂分成两个完全相同的半部分，这两个半部分连接到变压器的所述次级绕组，
其中所述方法包括步骤
a)通过将变压器的所述次级绕组(5，6)连接到所述第二连接点(b)，将用于轨道车辆的DC接触线(20)连接到所述电动系统，
其特征在于，所述电动系统具有被划分成串联连接的两个半部分(51-54，61-64)的次级绕组，所述电动系统被控制成在步骤a)中所述第二连接点(b)连接到在所述次级绕组的所述两个半部分(51，52)之间的变压器的次级绕组的中点(55)，并且所述方法还包括在步骤a)之后执行的另一个步骤b)，所述步骤b)控制线路转换器(7，13)与用作升压斩波器电感器的次级绕组的每个半部分(51，52)的电感器一起充当DC-DC斩波器，用于调节输送到DC中间链路(14，18)的DC电压的电平。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，包括在步骤b)之前执行的步骤c)以及在步骤c)之后但在步骤b)之前执行的步骤d)，步骤c)确定DC中间链路上的电压的电平，步骤d)将这个确定的DC电压的电平与预定电平进行比较，并且在步骤b)中，线路转换器(7，13)被控制成向DC中间链路(14，18)输送具有接近所述预定电平的电平的DC电压，所述步骤c)、d)和b)循环重复。
10.一种轨道车辆，包括如权利要求1-7中任一项所述的电动多系统。
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