CN113206606A - 用于三相电路和单相电路的电能供应装置、相关辅助能量转换链以及电动车辆 - Google Patents

用于三相电路和单相电路的电能供应装置、相关辅助能量转换链以及电动车辆 Download PDF

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Abstract

一种用于为三相电路和单相电路供应电能的供应装置(20)，该供应装置包括：整流器(60)，该整流器被配置为将第一AC电压转换为第二DC电压，整流器包括用于第一电压的两个输入端子(72)和用于第二电压的两个输出端子(74)；逆变器(64)，该逆变器被配置为将第二电压转换为三个第三三相电压，逆变器包括用于第二电压的两个输入端子(92)和用于三个第三电压的三个输出端子(94)；以及中性端子(66)，该中性端子经由电容器(110)连接到逆变器的各个输出端子。中性端子经由电感器连接到整流器的输入端子，逆变器的输出端子旨在连接到三相电路，并且中性端子旨在连接到单相电路。

Description

用于三相电路和单相电路的电能供应装置、相关辅助能量转 换链以及电动车辆
【技术领域】
本发明涉及一种用于三相电路和单相电路的电能供应装置。
本发明还涉及一种用于电动车辆、特别是铁路上的电动车辆的能量转换链，该能量转换链包括这种供应装置。
本发明还涉及一种电动车辆，特别是铁路上的电动车辆，该电动车辆包括这种能量转换链。
本发明属于交通领域，特别是铁路交通领域。特别地，本发明应用于电动车辆的供电，诸如机车、轨道车、地铁、有轨电车和电动公共汽车的供电。
【背景技术】
电动车辆、特别是铁路上的电动车辆通常配备有辅助三相电气负载(诸如空气压缩机、供暖/通风/空调或HVAC系统、或牵引系统通风设备)。在本申请中，术语“辅助电气负载”特别地指代除了车辆牵引电动机之外的负载。为了给这种三相辅助负载供电，通常使用逆变器，该逆变器将电能直接输送到三相电气负载，使得它们能够运行。
传统上，逆变器借助于转换器连接到AC(交流)电压源，以便将AC电压转换成用于逆变器的DC(直流)电压，转换器诸如是耦合到滤波电容器的整流器。在这种情况下，供应装置由耦合到滤波电容器的整流器和逆变器两者组成。
此外，需要一种用AC电压为单相辅助负载供电的供应装置，负载诸如为驾驶室供暖设备、乘客可用的单相插座(例如，230V)、厨房和卫生间，AC电压的平均值低于由逆变器输出的电压的平均值。这使得可以向中性端子与逆变器输出端子之间的各个单相辅助负载供应在相的端子之间(即在逆变器的输出端子之间)的中间电压。
实现这一点的现有解决方案是通过将供应装置的输出滤波器的电容器连接到逆变器的各个输出端子作为星形来创建中性端子，并且经由变压器将中性端子连接到逆变器的输出端子，作为Z字形连接。然而，这种装置需要蕴含相当大的质量和相当大的能量损失的变压器绕组。
【发明内容】
本发明的目标是提出这样一种供应装置，同时限制其成本、质量、体积以及使用时的能量损失。
为此，本发明的一个目的是一种用于三相电路和单相电路的电能供应装置。
供应装置包括：整流器，该整流器被配置为将第一AC电压转换为第二DC电压，整流器包括用于第一电压的两个输入端子和用于第二电压的两个输出端子、以及两个开关臂，该两个开关臂并联在整流器的输出端子之间，各个开关臂包括串联在整流器的输出端子之间并且在中间点处彼此连接的两个开关半臂，各个中间点连接到整流器的相应输入端子，各个开关半臂包括至少一个可控开关和/或二极管。
供应装置还包括：滤波电容器，该滤波电容器连接在整流器的输出端子之间；逆变器，该逆变器被配置为将第二电压转换为三个第三三相电压，逆变器包括分别连接到整流器的两个输出端子的用于第二电压的两个输入端子和用于三个第三电压的三个输出端子；以及中性端子，该中性端子经由电容器连接到逆变器的各个输出端子。
中性端子还经由电感器连接到整流器的输入端子中的一个，逆变器的输出端子旨在连接到三相电路，并且中性端子旨在连接到单相电路。
根据其它有利的方面，根据本发明的供应装置以任何技术上可能的组合包括以下特征中的一个或多个：
-整流器仅包括两个开关臂；
-各个开关半臂包括至少一个可控开关，并且供应装置包括被配置为控制整流器的开关的整流器的控制模块，整流器的控制模块被配置为经由周期性控制信号来控制整流器的开关，该周期性控制信号的占空比基本上等于50％；
-各个开关半臂包括至少一个可控开关，并且供应装置包括被配置为控制整流器的开关的整流器的控制模块，整流器的控制模块被配置为经由周期性控制信号来控制整流器的开关，该周期性控制信号的频率至少比第三电压的频率大20倍；
-各个开关半臂包括至少一个二极管，第一AC电压的频率至少比第三电压的频率大20倍；
-逆变器还包括：三个开关臂，该三个开关臂并联在逆变器的输入端子之间，各个开关臂包括串联在逆变器的输入端子之间并且在中间点处彼此连接的两个开关半臂，各个中间点经由滤波电感器连接到逆变器的相应输出端子，各个开关半臂包括至少一个可控开关；以及控制模块，该控制模块被配置为控制逆变器的开关；以及
-各个开关包括可控开关半导体部件和与开关半导体部件反并联的二极管。
本发明的另外目的是一种用于电动车辆、特别是铁路上的电动车辆的能量转换链，该能量转换链包括至少一个三相电气负载、至少一个单相负载、用于至少一个三相和单相电气负载的电能供应装置以及AC电压提供系统。供应装置如上所述，AC电压提供系统连接到供应装置的整流器的输入端子，各个三相电气负载连接到供应装置的逆变器的输出端子，并且各个单相负载连接在供应装置的中性端子与供应装置的逆变器的输出端子中的一个之间。
根据其它有利的方面，根据本发明的能量转换链包括以下特征：AC电压提供系统包括AC电压生成模块和变压器。
本发明的另外目的是一种电动车辆，特别是铁路上的电动车辆，该电动车辆包括如上所述的能量转换链。
【附图说明】
本发明的这些特征和优点将在阅读以下描述时变得显而易见，以下描述仅作为非限制性示例参考附图给出，附图中：
图1是根据本发明的包括能量转换链的电动运输车辆(诸如铁路车辆)的示意图，能量转换链特别地包括AC电压提供系统和供应装置；以及
图2是图1的供应装置和AC电压提供系统的特定情况的更详细的示意图。
【具体实施方式】
图1描绘了电动车辆10，特别是铁路上的电动车辆，诸如火车或有轨电车，包括能量转换链15。
能量转换链15包括连接到供应装置20的AC电压提供系统18，该供应装置向能量转换链15的三相电路24和单相电路26供应电能。
图2更详细地描绘了一种AC电压提供系统和供应装置20。
在图2的实施方式中，AC电压提供系统18包括连接到变压器32的AC电压生成模块30。
根据图2的示例，生成模块30包括用于将DC电压转换成AC电压的转换器40，诸如单相逆变器。
转换器40被配置为将由DC网压降压或升压转换器、第三轨或DC电压的地面电源输出的DC电压转换成输送到变压器32的AC电压。
根据所述示例，转换器40包括连接到未描绘的DC电压电源的两个第一输入端子42、连接到变压器32的两个第一输出端子44、以及并联在第一输入端子42之间的两个第一开关臂46。转换器40还包括电容器47，该电容器与两个第一开关臂46并行地连接到两个第一输入端子42。
各个第一开关臂46包括两个第一开关半臂48，该两个第一开关半臂串联在第一输入端子42之间并且在第一中间点50处彼此连接，各个第一中间点50连接到相应的第一输出端子44。
各个第一开关半臂48包括一个或多个第一开关52，如果需要，第一开关52串联。在图2的示例中，各个第一开关半臂48包括单个第一开关52。
在未描绘的变型中，各个第一开关半臂48包括并联的N个开关半支路，N是大于或等于2的整数，各个开关半支路包括至少一个第一开关52。由此，各个第一开关半臂48包括至少N个开关52。
转换器40还包括被配置为控制第一开关52的未描绘的第一控制模块。
各个第一开关52比如包括可控开关半导体部件54和与可控开关半导体部件54反并联的二极管56。
此外，取决于可控开关半导体部件54，二极管56可以形成可控开关半导体部件54的固有部分，或者在双向可控开关半导体部件54的情况下可以不存在。
如本身已知的，各个可控开关半导体部件54包括承载电力电流的两个导电电极和一到两个控制电极；各个可控开关半导体部件54可经由其控制电极在“接通”状态与“断开”状态之间进行控制，在“接通”状态中，电流在导电电极之间行进，在“断开”状态中，电流不在导电电极之间行进。由此，二极管56连接在导电电极之间，以便允许电流沿相反方向通过。
第一控制模块被配置为经由周期性第一控制信号(诸如方波信号)控制第一开关52。
方波信号的占空比是信号在一个周期内处于高状态的持续时间与信号的周期的持续时间的比率。
比如，各个第一控制信号具有基本上等于或小于50％的占空比。
变压器32是本身已知的，并且包括连接到第一输出端子44的一个或多个初级绕组和连接到供应装置20的次级绕组。变压器被配置为基于等于次级绕组的匝数与初级绕组的匝数之比的匝数比，来改变由生成模块30输出的AC电压的振幅。
在未描绘的一个变型中，AC电压提供系统18包括：受电弓，该受电弓与提供AC网压的接触网接触，从而连接到电网；和变压器。
受电弓能够将由电网输出的AC电压输送到变压器的初级绕组，并且变压器被配置为基于匝数比减小所述AC电压的振幅，并且经由次级绕组输送具有减小的振幅的AC电压。
供应装置20被配置为从由AC电压提供系统18提供的AC电压向三相电路24供应三相电压，并且向单相电路26供应AC电压。
供应装置20包括整流器60、滤波电容器62和连接到整流器60的逆变器64，逆变器连接到三相电路24。
供应装置20还包括连接到单相电路26的中性端子66。
整流器60被配置为将由AC电压提供系统18输出的AC电压转换为DC电压。
整流器60包括连接到AC电压提供系统18、然后具体地连接到变压器32的第二绕组的两个第二输入端子72、被配置为输送DC电压的两个第二输出端子74、以及并联在第二输出端子74之间的两个第二开关臂76。
特别地，整流器60仅包括两个第二开关臂76。
各个第二开关臂76包括两个第二开关半臂78，两个第二开关半臂串联在第二输出端子之间并且在第二中间点80处彼此连接，各个第二中间点80连接到相应的第二输入端子72。
在未描绘的一个变型中，中间点80中的一个经由电感器连接到对应的第二输入端子72。
各个第二开关半臂78包括至少一个第二开关82。比如，第二开关半臂78类似于第一开关半臂48。
整流器60还包括未描绘的第二控制模块，该第二控制模块被配置为控制第二开关。在一个变型中，第二控制模块与第一控制模块合并。
比如，第二开关82类似于第一开关52，并且各个第二开关包括可控开关半导体部件54和与可控开关半导体部件54反并联的二极管56。
第二控制模块被配置为经由周期性第二控制信号(诸如方波信号)控制第二开关82。
优选地，各个第二控制信号具有基本上等于50％的占空比。
在未描绘的一个变型中，各个第二开关半臂78包括至少一个二极管，该二极管基于第二输入端子72之间的电压的交替和自然开关二极管所需的最小电流而自然地控制。在这种情况下，不存在整流器控制模块，并且仅变压器32的交替操作确保了二极管以50％的占空比进行开关。
滤波电容器62连接在第二输出端子74之间。
逆变器64是三相逆变器，如本身已知的。逆变器被配置为将在第二输出端子74之间输送的DC电压转换成三个第三三相电压。
三个三相电压是三个正弦波AC电压，具有相同的频率和振幅，各个三相电压彼此相移2π/3弧度。
逆变器64包括分别连接到两个第二输出端子74的两个第三输入端子92、以及连接到三相电路24的三个第三输出端子94。
常规上，逆变器64还包括并联在第三输入端子92之间的三个第三开关臂96。
各个第三开关臂96包括两个第三开关半臂98，该两个第三开关半臂串联在第三输入端子92之间并且在第三中间点100处彼此连接，各个第三中间点100连接到相应的第三输出端子94。
各个第三开关半臂包括至少一个第三开关102。比如，第三开关半臂98类似于第一开关半臂48和/或第二开关半臂78。
逆变器64还包括被配置为控制第三开关102的未描绘的第三控制模块。在一种变型中，第三控制模块与第一控制模块和/或与第二控制模块合并。
比如，第三开关102类似于第一开关52，并且各个第二开关包括可控开关半导体部件54和与可控开关半导体部件54反并联的二极管56。
另外，各个第三中间点100经由正弦波三相滤波电感器106连接到第三相应输出端子94。
第三控制模块被配置为经由周期性第三控制信号(诸如方波信号)控制第三开关102。
比如，各个第三控制信号具有由正弦调制信号和周期比正弦调制信号的周期长得多的锯齿载波信号进行的调制而产生的占空比。
比如，由三个输出端子94输送的三相电压具有50赫兹或60赫兹的频率。
另外，各个第二控制信号的频率至少比由第三输出端子94输送的三相电压的频率大20倍。由此，比如，各个第二控制信号的频率大于1千赫兹。
在各个第二开关半臂78包括至少一个二极管的情况下，第一AC电压的频率至少比第三电压的频率大20倍。
中性端子66经由电容器110连接到各个第三输出端子94，电容器属于正弦三相滤波器并且是星形连接的。由此，中性端子66连接到星形连接的中心。
此外，中性端子66经由电感器120连接到整流器60的第二输入端子72中的一个。
比如，中性端子66通过第二中间端子80中的一个连接到第二输入端子72中的一个。
由此，中性端子66与第三输出端子94中的一个之间的电压的振幅低于两个第三输出端子94之间的电压的振幅。
AC电压的均方值被称为有效电压。
比如，中性端子66与第三输出端子94中的一个之间的有效电压等于230V，即，两个第三输出端子94之间的电压除以三的根，并且两个第三输出端子94之间的有效电压等于400V。
根据图1中的示例，三相电路24包括连接到各个第三输出端子94的三相辅助电气负载130，诸如空气压缩机、HVAC系统或牵引系统通风设备。
根据图1中的示例，单相电路26包括连接在中性端子66与第三输出端子94中的一个之间的单相负载140。
负载140比如是驾驶室供暖设备、乘客可用的单相插座(例如230V)、厨房和卫生间。
在未描绘的一个变型中，三相电路24和单相电路26合并成连接到第三输出端子94和中性端子66的单个电路。
在这种情况下，供应装置20使得可以向具有三相电压的三相电路和具有AC电压的单相电路供应电能，AC电压的有效值小于三相电压的有效值。
通过限制装置的质量和体积以及所使用的材料的成本和在其使用期间的能量损耗，供应装置20使得可以将AC电压输送到中性端子66。
这是因为供应装置20使用整流器60的已经存在的第二开关臂76，以便产生对应于第二中间点80的中间点。因此，不需要增加另外的开关臂来具有这种中间点，这特别地使得可以减少所使用的可控开关半导体部件的数量和用于控制这种开关臂的材料。

Claims (10)

1.一种用于三相电路(24)和单相电路(26)的电能供应装置(20)，所述供应装置(20)包括：
-整流器(60)，所述整流器被配置为将第一AC电压转换为第二DC电压，所述整流器(60)包括：
+用于所述第一电压的两个输入端子(72)和用于所述第二电压的两个输出端子(74)；
+两个开关臂(76)，所述两个开关臂并联在所述整流器(60)的所述输出端子(74)之间，各个开关臂(76)包括串联在所述整流器(60)的所述输出端子(74)之间并且在中间点(80)处彼此连接的两个开关半臂(78)，各个中间点(80)连接到所述整流器(60)的相应输入端子(72)，各个开关半臂(78)包括至少一个可控开关(82)和/或二极管；
-逆变器(64)，所述逆变器被配置为将所述第二电压转换为三个第三三相电压，所述逆变器(64)包括分别连接到所述整流器(60)的所述两个输出端子(74)的用于所述第二电压的两个输入端子(92)和用于所述三个第三电压的三个输出端子(94)；以及
-中性端子(66)，所述中性端子经由电容器(110)连接到所述逆变器(64)的各个输出端子(94)，
其特征在于：所述中性端子(66)还经由电感器(120)连接到所述整流器(60)的所述输入端子(72)中的一个，
所述逆变器(64)的所述输出端子(94)旨在连接到所述三相电路(24)，并且所述中性端子(66)旨在连接到所述单相电路(26)。
2.根据权利要求1所述的供应装置(20)，其中，所述供应装置包括滤波电容器(62)，所述滤波电容器连接在所述整流器(60)的所述输出端子(74)之间。
3.根据权利要求1或2所述的供应装置(20)，其中，各个开关半臂(78)包括至少一个可控开关(82)，并且所述供应装置包括被配置为控制所述整流器(60)的所述可控开关(82)的所述整流器(60)的控制模块，所述整流器(60)的所述控制模块被配置为经由周期性控制信号来控制所述整流器(60)的所述可控开关(82)，所述周期性控制信号的占空比基本上等于50％。
4.根据权利要求1所述的供应装置(20)，其中，各个开关半臂(78)包括至少一个可控开关(82)，并且所述供应装置包括被配置为控制所述整流器(60)的所述可控开关(82)的所述整流器(60)的控制模块，所述整流器(60)的所述控制模块被配置为经由周期性控制信号来控制所述整流器(60)的所述可控开关(82)，所述周期性控制信号的频率至少比所述第三电压的频率大20倍。
5.根据权利要求1所述的供应装置(20)，其中，各个开关半臂(78)包括至少一个二极管，所述第一AC电压的频率至少比所述第三电压的频率大20倍。
6.根据权利要求1所述的供应装置(20)，其中，所述逆变器(64)还包括：
-三个开关臂(96)，所述三个开关臂并联在所述逆变器(64)的所述输入端子(92)之间，各个开关臂(96)包括串联在所述逆变器(94)的所述输入端子(92)之间并且在中间点(100)处彼此连接的两个开关半臂(98)，各个中间点(100)经由滤波电感器(106)连接到所述逆变器(64)的相应输出端子(94)，各个开关半臂(98)包括至少一个可控开关(102)；以及
-所述逆变器的控制模块，所述控制模块被配置为控制所述逆变器(64)的所述可控开关(102)。
7.根据权利要求1所述的供应装置(20)，其中，各个可控开关(52、82、102)包括可控开关半导体部件(54)和与所述可控开关半导体部件反并联的二极管(56)。
8.一种用于电动车辆(10)、特别是铁路上的电动车辆的能量转换链(15)，所述能量转换链包括至少一个三相电气负载(130)、至少一个单相电气负载(140)、用于至少一个三相和单相电气负载(130)的电能供应装置(20)以及AC电压提供系统(18)，
其特征在于：所述供应装置(20)根据权利要求1，
所述AC电压提供系统(18)连接到所述供应装置(20)的所述整流器(60)的所述输入端子(72)，各个三相电气负载(130)连接到所述供应装置(20)的所述逆变器(64)的所述输出端子(94)，并且各个单相负载(140)连接到所述供应装置(20)的所述中性端子(66)、在所述中性端子与所述供应装置(20)的所述逆变器(64)的所述输出端子(94)中的一个之间。
9.根据权利要求8所述的能量转换链(15)，其中，所述AC电压提供系统(18)包括AC电压生成模块(30)和变压器(32)。
10.一种电动车辆(10)，特别是铁路上的电动车辆，所述电动车辆包括能量转换链(15)，其特征在于：所述能量转换链(15)根据权利要求8或9。
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