CN117897903A - 电动牵引系统 - Google Patents
电动牵引系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117897903A CN117897903A CN202180101785.XA CN202180101785A CN117897903A CN 117897903 A CN117897903 A CN 117897903A CN 202180101785 A CN202180101785 A CN 202180101785A CN 117897903 A CN117897903 A CN 117897903A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- power
- traction system
- inverter
- electric
- power inverter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 57
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 50
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 18
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 230000003137 locomotive effect Effects 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 3
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000027311 M phase Effects 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P5/00—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors
- H02P5/74—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors controlling two or more ac dynamo-electric motors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
- Control Of Ac Motors In General (AREA)
Abstract
本发明提供了一种电动牵引系统(1)，包括：牵引变流器模块(2)，包括：用于可操作性耦接至DC电源的正输入端子(4)和负输入端子(6)，以及多个功率逆变器(11)，每个功率逆变器包括配置为接收DC功率的正和负输入节点(3，5)以及配置为供应AC功率的输出节点(9)，其中多个功率逆变器(11)的正和负输入节点(3，5)串联地电连接在正输入端子(4)与负输入端子(6)之间；以及至少一个电动马达(8)，配置为由牵引变流器模块(2)驱动，该至少一个电动马达(8)包括多相电动马达(81)。
Description
技术领域
本公开涉及一种电动牵引系统。更具体地但非排他地，本公开涉及一种接收直流(DC)功率并驱动电动马达负载的电动牵引系统。此类电动牵引系统适用于各种功率电子应用，如城市轨道交通应用。
背景技术
电动牵引系统通过使用电能驱动电动马达来将电能转换成机械能，从而产生引起电机推进的牵引力。电机的典型示例是车辆(例如，机车、电动或氢动力车辆、电梯或电动车组)。电动马达也可以称为牵引马达。
电动牵引系统可以使用DC电源或交流(AC)电源。通常，城市轨道交通应用(例如，地铁)采用由DC电网供电的牵引系统。在城市轨道交通应用中，DC电源可以由架空线或第三轨道提供。
图1示意性地示出了城市轨道交通应用中使用的现有电动牵引系统100。现有牵引系统100包括DC-AC功率逆变器电路102，其在输入节点104、106处接收DC功率并在输出节点109处供应AC功率。DC-AC功率逆变器电路102也可以称为功率逆变器。在典型示例中，功率逆变器102是三相全桥逆变器，具有两个输出电平(两电平)或三个输出电平(三电平)。现有的牵引系统100进一步包括电动马达108。电动马达108典型地为三相AC电动马达，在常规的轨道交通应用中可以为异步电动马达或永磁同步电动马达。马达108的定子绕组电连接到功率逆变器102的输出节点109。
功率逆变器102由功率半导体装置构成并且负责将输入的DC功率逆变为三相AC功率以驱动马达108。对于城市轨道交通应用，施加在逆变器102的正负输入节点104、106之间的DC电网电压通常额定为1500V。在逆变器102构造为三相全桥两电平逆变器的情况下，额定3300V的硅基(Si基)绝缘栅双极晶体管(IGBT)通常用作逆变器102内的功率半导体装置。在逆变器102构造为三相全桥三电平逆变器的情况下，额定1700V的Si基IGBT通常用作逆变器102内的功率半导体装置。这两种电路拓扑由于功率逆变器102已得到很好的发展，进一步改善功率逆变器102的效率和降低成本的空间有限。此外，功率逆变器102输出马达108所需的所有功率。因此，功率逆变器102受到高功率输出的要求，这进而需要使用具有高额定功率的功率半导体装置。
高效、轻量化和小型化一直是轨道交通应用牵引系统发展的主要目标。此外，还期望降低此类牵引系统的成本。
最新的额定电压为1700V或3300V的碳化硅基(SiC基)功率半导体装置可以用于替代具有相同额定电压的硅基IGBT。在功率逆变器102内使用SiC基装置可以减少损耗、提高效率，并且通过设计优化有助于功率逆变器102的轻量化和小型化。然而，SiC基装置的成本非常高，并且SiC基装置在1700V或更高额定电压下的可靠性还有待验证。因此，在功率逆变器102内采用SiC装置仍处于原型设计和实验阶段。
本公开的一个目的是提供一种电动牵引系统，其提供了对已知牵引系统的改善。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种电动牵引系统，包括：
牵引变流器模块，包括：正输入端子和负输入端子，用于可操作性耦接到DC电源，以及多个功率逆变器，每个功率逆变器包括配置为接收DC功率的正输入节点和负输入节点，以及配置为供应AC功率的输出节点，其中多个功率逆变器的正输入端和负输入端串联电连接在正输入端子与负输入端子之间；以及至少一个电动马达配置为由牵引转换器模块驱动，该至少一个电动马达包括多相电动马达。
通过将多个功率逆变器的正输入节点和负输入节点串联地电连接在正输入端子与负输入端子之间，多个功率逆变器的输入侧共同共享由DC电源提供的DC电压。结果，每个功率逆变器在其正输入节点与负输入节点之间接收DC电压的一部分。因此，允许每个功率逆变器使用具有降低的额定电压的功率半导体装置。具有较低额定电压的功率半导体装置通常比具有较高额定电压的功率半导体装置具有更小的封装尺寸、更低的价格和更高的成熟度。此外，低压功率半导体装置比高压功率半导体装置提供更低的开关损耗和更高的效率。此外，低压功率半导体装置放宽了冷却和热交换要求，使牵引系统能够减轻重量、体积和成本。
应当理解，多相电动马达是包括多于三个相的单个电动马达。与传统的三相电动马达相比，多相电动马达具有更大的容错能力，因为它提供相冗余并且可以在断相故障期间运行。因此，使用多相电动马达改善了电动牵引系统的可靠性。此外，与传统的三相马达相比，多相马达实现了更高的扭矩密度、减小的扭矩脉动幅度和增加的频率、更高的效率、更低的DC链路电流谐波以及更好的噪声和振动特性。此外，多相电动马达能够以比传统三相电动马达更大的自由度进行控制，从而使得多相电动马达能够实现对扭矩和轴电压的更大调节。
因此，与现有的电动牵引系统相比，本公开的电动牵引系统具有更高的效率、减小的重量和体积以及降低的成本。
电动马达也可以称为牵引电动马达(其生成引起电机推进的牵引力)。还应当理解的是，电动马达是AC马达。
多相电动马达可以由多个功率逆变器中的一个或多个驱动。
对于表述“用于可操作性耦接到DC电源”，旨在意指DC电源可以不是电动牵引系统的一部分。
对于表述“多个功率逆变器的正和负输入节点串联地电连接在正输入端子与负输入端子之间”，是指功率逆变器的负输入节点连接到后一相邻功率逆变器的正输入节点，和/或功率逆变器的正输入节点连接到前一相邻功率逆变器的负输入节点。
术语“功率逆变器”也可以称为DC-AC功率转换器。换言之，功率逆变器将在其输入节点处接收的DC功率转换成AC功率以在其输出节点处输出。
在本公开中使用的术语“可操作性耦接(operatively coupled或operativelycoupling)”意指一个或多个中间元件可以连接在耦接元件之间。
多个功率逆变器可以包括第一功率逆变器和第二功率逆变器，并且第一功率逆变器和第二功率逆变器的输出节点可以配置为给多相电动马达供应AC功率以便驱动多相电动马达。
通过使第一功率逆变器和第二功率逆变器共同驱动多相电动马达，第一功率逆变器和第二功率逆变器中的每一个供应多相电动马达所需的总功率的一部分。因此，可以降低每个功率逆变器所需的额定功率以及其中使用的半导体装置所需的额定功率。
应当理解，除了第一功率逆变器和第二功率逆变器之外，多个功率逆变器还可以包括另外的功率逆变器。还应当理解，术语“第一”和“第二”仅用于标记功率逆变器以便于描述，并且并不意味着对牵引变换器模块内的逆变器的顺序或位置的任何限制。第一功率逆变器可以紧邻或可以不紧邻第二功率逆变器。
第一功率逆变器和第二功率逆变器可以具有相同的电路拓扑。有利地，相同的电路拓扑允许第一功率逆变器和第二功率逆变器通过给多相电动马达供应等量的功率来实现功率匹配。
多相电动马达可包括第一组定子绕组和第二组定子绕组。第一功率逆变器的输出节点可以电耦接到第一组定子绕组，并且第二功率逆变器的输出节点可以电耦接到第二组定子绕组。
本公开中使用的术语“电耦接”意指一个或多个中间元件(例如，电接触件)可以连接在耦接元件之间。
应当理解，多相电动马达可以包括另外的定子绕组的组。
第一组定子绕组和第二组定子绕组可以彼此电隔离。
有利地，定子绕组的组之间的电隔离改善了系统可靠性。
第一功率逆变器的相的数量可以与第一组定子绕组的相的数量相同。
也就是说，第一逆变器在其输出节点输出M相AC功率，并且第一组定子绕组包括M相定子绕组。M可以是等于或大于三的整数。
第一功率逆变器的输出节点的数量可以与第一功率逆变器的相的数量相同。
可替代地，第一功率逆变器的输出节点的数量可以是第一功率逆变器的相的数量的两倍。这种布置对于驱动开放端定子绕组可能是冒险的。
第一组定子绕组可以按星形或三角形配置连接。可替代地，第一组定子绕组可以是需要从两端供电的端部开路的定子绕组。
第二功率逆变器和第二组定子绕组可以具有与上面对于第一功率逆变器和第一组定子绕组描述的特征类似的特征。
多个功率逆变器可以具有相同的电路拓扑。
第一功率逆变器和第二功率逆变器中的一个或每个可以是两电平功率逆变器。
第一功率逆变器和第二功率逆变器中的一个或每个可以是三电平功率逆变器。
第一功率逆变器和第二功率逆变器中的一个或每个可以是多电平功率逆变器。
第一功率逆变器和第二功率逆变器中的一个或每个可以是全桥功率逆变器。
第一和第二功率逆变器中的一个或每个可以是半桥功率逆变器。
多个功率逆变器中的一个或多个可以包括至少一个功率半导体装置，其电连接在一方面正输入节点和负输入节点中的每一个与另一方面输出节点中的每一个之间。
功率半导体装置用作开关以选择性地将输出节点连接到输入节点。
多个功率逆变器中的一个或多个可以包括连接在相应功率逆变器的正输入节点与负输入节点之间的DC链路电容器。
多个功率逆变器中的一个或多个可以包括连接在相应功率逆变器的正输入节点与负输入节点之间的多个逆变器支路。多个逆变器支路可以分别提供相应功率逆变器的输出节点。
多个逆变器支路中的每一个可以包括至少一个功率半导体装置。
电动牵引系统可以进一步包括控制器，该控制器配置为控制相应功率逆变器的功率半导体装置的开启和关闭状态，以便在牵引系统的牵引模式期间将在输入节点处接收到的DC功率逆变为在输出节点处的AC功率。
控制器还可以配置为控制相应功率逆变器的功率半导体装置的开启和关闭状态，以便在牵引系统的制动模式期间将至少一个电动马达的机械能转换为牵引变换器模块的正输入端子与负输入端子之间的电能。
电能可以回充给DC电源。
多个功率逆变器中的至少一个还可以包括连接在相应功率逆变器的正输入节点与负输入节点之间的旁路开关。
多个功率逆变器中的至少一个可以配置为使得当旁路开关处于关闭状态(即，断开)时，相应的逆变器被激活，并且当所述旁路开关处于开启状态(即，闭合)时，相应的逆变器被激活，相应的逆变器被停用。
可选地，多个功率逆变器中的每个功率逆变器可以包括连接在相应功率逆变器的正输入节点与负输入节点之间的旁路开关。
多个功率逆变器可以进一步包括冗余功率逆变器，并且冗余功率逆变器包括连接在其正输入节点与负输入节点之间的旁路开关。
冗余功率逆变器可以配置为代替多个功率逆变器中的有故障的一个。
牵引变流器模块可以配置成使得当多个功率逆变器无故障时，冗余功率逆变器的旁路开关处于开启状态(即闭合)，并且其他功率逆变器的旁路开关处于关闭状态(即断开)，并且当故障发生时，故障逆变器的旁路开关切换到开启状态，冗余逆变器的旁路开关切换到关闭状态。
多相电动马达可以包括定子绕组的冗余组。冗余功率逆变器的输出节点可以电耦接到定子绕组的冗余组。
控制器可以配置为控制旁路开关的开启和关闭状态。
电动牵引系统可以进一步包括电耦接到正输入端子的电子滤波器，其中电子滤波器配置为衰减正输入端子可从DC电源接收的高频电流信号。
电子滤波器可以用于将正输入端子电耦接至DC电源。电子滤波器可以包括电感器。
电动牵引系统可以进一步包括电耦接到正输入端子的预充电电路。预充电电路配置为在牵引变换器模块正常操作之前对DC链路电容器充电。
预充电电路可以用于将正输入端子电耦接至DC电源。
根据本公开的第二方面，提供了一种包括根据第一方面的电动牵引系统的电机。
电机可以包括车辆。车辆可以选自由电力机车、电动或氢气车辆、电梯和电力动车组组成的组。
可替代地，电机可以包括工业设备。
根据本公开的第三方面，提供了一种功率电子系统，包括DC电源以及如第一方面的电动牵引系统，其中电动牵引系统的正输入端子可操作性耦接至DC电源。
根据本发明的第四方面，提供了一种城市轨道交通系统，包括：DC电源以及包括如第一方面所述的电动牵引系统的车辆，其中，电动牵引系统的正输入端子可操作性耦接至DC电源。
DC电源可以包括DC电网。
应当理解，城市轨道交通系统可以包括有轨电车系统、轻轨系统、快速交通系统(例如，地铁、地铁和/或地下铁)、单轨系统、通勤铁路系统、缆索、缆车、导向巴士等中的一种或多种。
在适当的情况下，上面描述的与本公开的一个方面相关的任意可选特征可以应用于本公开的另一个方面。
附图说明
为了使本发明能够更全面地理解，现在将参考附图以示例的方式描述本发明的多个实施例，其中：
图1是现有电动牵引系统的框图；
图2是根据本发明的电动牵引系统的框图；
图3是根据图2构建的电动牵引系统的电路原理图；
图4是可以用于图2或图3的电动牵引系统中的功率逆变器的示意性电路图。
图5是可以用于图2或图3的电动牵引系统中的另一种功率逆变器的示意性电路图。
图6是可以用于图2或图3的电动牵引系统中的另一种功率逆变器的示意性电路图。
在附图中，相似的部件由相似的附图标记表示。
应当理解，附图仅用于说明目的并且未按比例绘制。
具体实施方式
图2示意性地示出了根据本公开的电动牵引系统1(以下称为“牵引系统”)的框图。牵引系统1使用牵引变流器模块2来代替现有牵引系统100中使用的功率逆变器102。牵引变流器模块2将DC功率转换为AC功率以驱动电动马达81、…8Q。如图2所示，牵引变流器模块2包括正输入端子4和负输入端子6，其在使用中电耦接到DC电源(例如，DC电网)。
牵引变流器模块2进一步包括多个功率逆变器111、…11N(统称为11)，每个功率逆变器与功率逆变器102类似。每个功率逆变器11i(i＝1、...N)包括接收DC功率的正输入节点3i和负输入节点5i，连接在输入节点之间的开关7i，以及提供用于驱动马达负载的AC功率的输出节点9i。
功率逆变器11的正和负输入节点3、5串联地电连接在正输入端子4与负输入端子6之间。具体地，功率逆变器11i的负输入节点5i电连接到后一个功率逆变器11i+1的正输入节点3i+1，功率逆变器11i的正输入节点3i电连接到前一个功率逆变器11i-1的负输入节点5i-1。在功率逆变器阵列11前面的功率逆变器11i具有电连接到正输入端4的正输入节点3i。位于功率逆变器阵列11后面的功率逆变器11N具有电连接到负输入端子6的负输入节点5N。
开关7用作旁路开关，并且可以用于激活或停用相应的功率逆变器11。当开关7i(例如，图2中的73)闭合(即处于ON状态)时，相应的功率逆变器11i的正输入节点和负输入节点3i和5i电短路在一起。结果，功率逆变器11i不接收DC功率并因此被停用。相反，打开(即，OFF)开关7i(例如，图2中的71、72或7N)允许其相应的功率逆变器11i正常工作。
参考图2的电路，具有断开开关7的有源功率逆变器11(例如，图2中除了113之外的所有)共享在正输入端子4与负输入端子6之间接收的DC电压。每个有源逆变器11i的输入节点3i、5i仅是在端子4、6之间接收的DC电压的一部分。与现有功率逆变器102相比，每个功率逆变器11可以通过使用具有低得多的额定电压(例如，1700V或更低)的功率半导体装置来构造。这也扩大了功率半导体装置的选择范围，超越硅基IGBT和碳化硅基装置。例如，Si基金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和氮化镓基(GaN基)MOSFET可以用于构造功率逆变器11。
具有较低额定电压的功率半导体装置通常比具有较高额定电压的功率半导体装置具有更小的封装尺寸、更低的价格和更高的成熟度。此外，低压功率半导体装置比高压功率半导体装置提供更低的开关损耗和更高的效率。另外，低压功率半导体装置放宽了冷却和热交换要求，使得牵引系统1能够具有减小的重量、体积和成本。
由于牵引系统1通过改善电路结构允许使用较低额定值的功率半导体装置，而不需要较低额定值的直流电源，因此牵引系统1可以使用与现有牵引系统100相同的DC电源。因此，在城市轨道交通应用中，牵引系统1可以直接替代现有的牵引系统100。
牵引系统1进一步包括控制器10。控制器10使用信号线12控制旁路开关7的开启/关闭。控制器10还使用信号线14控制每个功率逆变器11内的功率半导体装置的开启/关闭。因此，每个功率逆变器11的功能可以由控制器10独立地控制。开关7可以实施为栅极控制功率开关，例如MOSFET或IGBT，或者电流控制器功率开关，例如晶闸管。控制器10可以包括控制单元(例如，处理器、可编程逻辑装置和/或专用集成电路(ASIC)等)以及用于转换由控制器输出的低电流控制信号的驱动电路。控制单元提供更高电流的控制信号。虽然图2示出了控制器10是牵引系统L的一部分，但是应当理解，控制器10可以替代地是牵引系统1的外部部件。
牵引系统1还包括电动马达81、…8Q，它们是AC马达。电动马达81、...8Q的定子绕组电耦接到一个或多个功率逆变器11的输出节点9。因此，牵引变流器模块2通过给马达供应AC功率来驱动电动马达81、...8Q。电动马达81…8Q通常生成引起电机(例如，车辆或工业机械等)的推进的牵引力，并且因此可以称为牵引马达。电动马达81、…8Q中的一个或多个可以是异步电动马达或永磁同步电动马达。
在图2的示例中，电动马达81是多相电动马达。多相马达通常具有三个以上的相(例如，五至九个相)。对于传统的三相马达(例如马达108)，如果其中一个相缺失，马达内的旋转磁场也会消失，马达将停止工作。与传统的三相马达相比，多相马达81具有更大的容错能力，因为它提供了相冗余并且可以在相断开故障期间运行。因此，多相马达81的使用使得牵引系统1具有更高的可靠性。此外，与传统的三相马达相比，多相马达81实现了更高的扭矩密度、减小的扭矩脉动幅度和增加的频率、更高的效率、更低的DC链路电流谐波以及更好的噪声和振动特性。此外，与传统的三相电动马达相比，多相电动马达81能够以更大的自由度进行控制，从而使得电动马达81能够实现对扭矩和轴电压的更大调节。电动马达81可以是异步电动马达或永磁同步电动马达。
牵引转换器模块2的电路拓扑特别适合于驱动多相电动马达，例如电动马达81。参考图2，至少两个功率逆变器11驱动马达81。例如，功率逆变器111的输出节点9i驱动马达81的一组(例如，三相)定子绕组，并且功率逆变器112的输出节点92驱动马达81的另一组定子绕组。马达81可以具有由其他逆变器11驱动的另外的定子绕组。优选地，功率逆变器的相的数量(例如，等于或大于三)可以与该组逆变器的相的数量相同。由此驱动的定子绕组的数量。因此，每个功率逆变器提供马达81所需的总功率的一部分。通过使驱动马达81的功率逆变器(例如，111、112等)具有相同的电路拓扑，每个功率逆变器给马达81的相应组定子绕组供应等量的功率(例如，马达81所需的总功率的50％)，从而实现彼此的功率匹配。
马达81内的多组定子绕组可以通过例如具有分离的中性点而彼此电隔离。定子绕组组之间的电隔离对于提高系统可靠性是有用的。可替代地，马达81内的多组定子绕组可共享相同的中性点。无论如何，马达81具有多于三相。多组定子绕组可以独立控制，从而为优化马达81的扭矩和轴电压提供更高程度的控制自由度。
牵引系统1也配置有冗余。参考图2，多相电动马达81包括一组冗余定子绕组，其电耦接到冗余功率逆变器113的输出节点93。在正常操作期间，功率逆变器113的旁路开关73由控制器10保持闭合以停用冗余功率逆变器113。同时，功率逆变器111、112的开关71、72由控制器10保持打开。这样，功率逆变器111、112共同驱动马达81。当功率逆变器111或112或由其驱动的定子绕组发生故障时，控制器10关闭故障支路的开关71或72，并打开冗余功率逆变器113的开关73以激活冗余功率逆变器113。因此，冗余功率逆变器113与其他有源逆变器一起驱动马达81。多相电动马达81和牵引变流器模块2提供的这种冗余机制允许牵引系统1在电动马达81或功率逆变器11发生故障的情况下继续运行，从而显著改善牵引的可靠性。
图2示出牵引系统1包括另外的马达8Q，其至少由功率逆变器11N的输出节点9N驱动。另外的马达8Q可以是传统的三相电动马达或多相电动马达，类似于电动马达81。然而，应当理解的是，另外的马达8Q可以省略，使得牵引系统1包括单个多相电动马达81或多个多相电动马达81至8Q-1。多个多相电动马达81-8Q-1可以具有相同的电动马达拓扑，和/或可以由具有相同电路拓扑的逆变器组驱动。虽然图2示出多相马达81由至少两个功率逆变器(例如，111、112)驱动，但是应当理解，多相马达81可以由输出AC功率的多相的单个功率逆变器驱动。
虽然图2中未示出，但电触点可连接在至少一个功率逆变器11的一个或多个输出节点9与马达8的相应定子绕组之间。电触点是电路部件常见于电气开关、继电器、连接器和断路器。每个触点是一块导电材料，典型地金属。当一对电触头接触时，它们可以通过电流并使相应的输出节点9与定子绕组电连接。
还应当理解，可以省略旁路开关7，使得所有功率逆变器11都是有源功率逆变器。
虽然功率逆变器11将在输入节点3、5处接收的DC功率转换成在输出节点9处的AC功率，但是功率逆变器11还可以执行AC-DC整流的相反功能，即，将在输入节点9处接收的AC功率转换成在节点3、5处的DC功率。整流的相反功能实现牵引系统1的再生制动，并且将马达8的机械能转换回电能。电能可以存储在连接在功率逆变器11的输入节点3、5之间的DC链路电容器(下面更详细地描述)处，并且可以进一步返回到DC电源。控制器10控制功率逆变器11的工作模式以及流经功率逆变器11的功率方向。
虽然图2示出了牵引变流器模块2包括四个以上的功率逆变器11，这些功率逆变器11在其输入侧串联电连接，但是应当理解，这仅用于说明目的并且决不意味着对功率的数量有任何限制。事实上，在输入侧具有至少两个串联连接的功率逆变器11将允许牵引变流器模块2实现上述优点。
每个功率逆变器11可以使用各种电路拓扑来实现，例如，两电平、三电平或多电平逆变器、全桥或半桥逆变器等。应当理解，至少一个功率逆变器半导体装置电连接在每个输出节点9与每个输入节点3、5之间。该至少一个功率半导体装置可以串联或并联电连接在节点之间。优选地，功率逆变器11牵引变流器模块2内的直流电压彼此相同(即，具有相同装置参数的相同电路拓扑)，使得有源功率逆变器11将均等地共享正极端子4与输入端子6之间的DC电压。应当理解，这种布置不是必需的。
此外，功率逆变器11可以是三相逆变器，其对于驱动马达8的三相绕组组是理想的。然而，应当理解，每个功率逆变器11的相可以多于三个。
图3至图6提供了牵引系统1和功率逆变器11的示例性电路图。
图3示出了基于图2的框图构建的电动牵引系统1A的电路图。在图3的示例中，牵引变流器模块2包括两个功率逆变器11A1和11A2(统称为11A)，它们一起驱动多相马达8。功率逆变器11A的输入侧串联电连接在牵引变流器模块2的正输入端子4与负输入端子6之间。具体地，第一功率逆变器11A1的负输入节点5i电连接到第二功率逆变器11A2的正输入节点32，并且第一功率逆变器11A1的正输入节点31电连接至正输入端子4。同时，第二功率逆变器11A2的负输入节点52电连接至负输入端子6。为了简单起见，电动牵引系统1A不包括任何旁路开关7或冗余功率逆变器。虽然图3中未示出，但是应当理解，功率逆变器11A内的功率半导体装置的操作由控制器(类似于图2的控制器10)控制。
两个功率逆变器具有相同的电路拓扑和相同的装置参数。这样，功率逆变器11A1和11A2相等地共享由正负输入端子4、6接收的DC电压。如图3所示，每个功率逆变器HA都是两电平三相全桥逆变器。为了简单起见，下面仅描述功率逆变器11A1的结构。应当理解，该描述类似地适用于功率转换装置11A2。功率逆变器11A1包括电连接在正输入节点31与负输入节点51之间的DC链路电容器231以及每个提供输出节点的三个逆变器支路。三个逆变器桥臂具有相同的结构。第一逆变器支路包括连接在正与负输入节点31、51之间的两个功率半导体装置T1和T2，其输出节点位于两个装置T1、T2之间。通过控制三个逆变器支路的功率半导体装置在不同时间接通和关断，在功率逆变器11A1的三个输出节点91处提供的AC功率具有三个相。
在一个示例中，多相马达8为双三相马达(即总共6个相)，其包括两组三相定子绕组。两组三相定子绕组通过例如具有分离的中性点而彼此电隔离。多相马达8代替现有牵引系统100的三相马达108，但保持相同的额定功率。在示例中，多相马达8具有200kW的额定功率，并且因此每组三相定子绕组的额定功率为100kW。功率逆变器11A1的输出节点91电耦接到第一组三相定子绕组。功率逆变器11A2的输出节点92电耦接到第二组三相定子绕组。因此，功率逆变器11A1独立地控制流入/流出相应组三相定子绕组的功率流。功率逆变器11A1中的每一个提供马达8所需的总功率的一半。
参考图3，电动牵引系统1A具有正极端子21。使用时，DC电源(例如，DC电网)连接在牵引变流器模块2的正端子21与负输入端子6之间。预充电电路19和电子滤波器20(下面更详细地描述)串联地电连接在正端子21与正输入端子4之间。在使用中，预充电电路19两端的电压降和电子滤波器20可以忽略。因此，正端子4和负输入端子6两端的直流电压与直流电源提供的直流电压基本相同。
DC电网可以为大约1500V或根据实际需要调整。当DC电网额定电压为1500V时，通过控制将各逆变器的输入额定电压稳定在750V DC。功率逆变器11A内使用的功率半导体装置可以是1700V额定装置，而不是现有牵引系统100中使用的3300VSi基半导体功率装置。1700V额定功率装置的示例包括Si基IGBT、Si基MOSFET、SiC基MOSFET、GaN基MOSFET或其他基于半导体的功率装置。
预充电电路19包括与预充电电阻18串联的第一开关17，以及与开关17和电阻18并联的第二开关19。在牵引变流器模块2正常工作之前，第一开关17闭合同时第二开关19断开。这样，DC电源通过预充电电阻18对功率逆变器11A的DC链路电容器23进行充电。一旦完成DC链路电容器23的预充电，预充电电阻18就通过闭合第二开关19并断开第一开关17来旁路。对DC链路电容器23预充电对于防止系统启动时的过量浪涌电流是有用的，该浪涌电流可能损坏DC链路电容器23和功率变换器11A的功率半导体装置。
电子滤波器20包括电感器，并且可用于减少来自/流向DC电网的高频电流含量。高频电流成分可能引起牵引系统1A内的谐振，并且因此有利于滤除高频电流成分。预充电电路19和电子滤波器20也可以应用在图2的牵引系统1内。
牵引系统1A可以在牵引模式和制动模式下操作。在牵引模式期间，牵引系统1A从DC电网获取功率，并且在平衡负载的情况下，DC电网的电压由两个逆变器11A均分。两个功率逆变器11A产生两组具有可变频率和可变基波幅值的三相交流电压来驱动六相牵引马达8。在此过程中电能转换为机械能。在制动模式期间，六相马达8的机械动力以受控方式再生为电力。通过两个功率逆变器11A，电力整流回到串联的两个DC链路电容器23然后经由LC滤波器返回到DC电网。LC滤波器由DC链电容器23和电感器20构成。
图3的牵引系统1A是柔性的以便延伸。例如，可以扩展为在正输入端子4与负输入端子6之间串联连接两个以上的功率逆变器11A，并且多相马达8包括两组以上的三相绕组。在示例中，牵引变流器模块2包括三个功率逆变器11A，其输入节点串联电连接在端子4、6之间，并且三个功率逆变器11A共同驱动9相(例如，三个3相)牵引马达。因此，三个功率逆变器11A中的每一个负责马达功率的三分之一。当DC电网额定电压为1500V时，通过控制将各逆变器的输入额定电压稳定在500V DC。因此，1200V额定功率半导体装置适合在功率逆变器11A内使用。1200V额定功率装置的示例包括Si基IGBT、Si基MOSFET、SiC基MOSFET、GaN基MOSFET或其他基于半导体的功率装置。
图3的功率逆变器11A是两电平三相全桥逆变器。应当理解，它们可以替换为其他类型的功率逆变器。图4示出了三电平三相中性点钳位(NPC)全桥逆变器11B。逆变器的级数表示输出级数。三电平功率逆变器是指逆变器可以在其输出节点输出三种不同的电压电平(例如，0、Vdd/2、Vdd)，其中Vdd为正负输入节点之间的电压差。
如图4所示，功率逆变器11B包括正输入节点3、负输入节点5以及串联地电连接在正与负输入节点3、5之间的两个DC链路电容器24、25。节点30位于两个电容器24、25之间。由于电容器24、25具有相同的电容，因此节点30的电势位于输入节点3、5的电势之间的中心。功率逆变器11B进一步包括三个逆变器支路，其具有相同的结构和装置参数。为了简单起见，下面仅描述第一逆变器支路的结构。应当理解，该描述类似地适用于其他两个逆变器支路。第一逆变器支路包括串联地连接在正输入节点3与输出节点U之间的两个功率半导体装置T1和T2，串联地连接在负输入节点5与输出节点U之间的另外两个功率半导体装置T3和T4，连接在节点30与装置T1和T2之间的中间节点之间的二极管D1，以及连接在节点30与装置T3和T4之间的中间节点之间的二极管D2。当装置T1和T2导通时，输出节点U的电压电平等于正输入节点3的电压电平。当装置T3和T4导通时，输出节点U的电压电平等于负输入节点5的电压电平。当装置T2和T3导通时，输出节点U的电压电平等于节点30的电压电平。通过控制三个逆变器支路的功率半导体装置在不同的时间开启和关闭，在功率逆变器11B的三个输出节点9处提供的交流电具有三相。
图4的功率逆变器11B可以用来代替图3的功率逆变器11A1和11A2中的每一个。在DC电网为1500V的情况下，每个功率逆变器11B的输入通过控制将额定并稳定在750V直流电压。由于在输入节点3、5中的每一个与输出节点U、V或W之间总是串联地连接有两个功率半导体装置(例如，T1和T2、或T3和T4)，因此功率逆变器11B内使用的功率半导体装置可以是900V额定装置而不是功率逆变器11A中使用的1700V额定装置或现有牵引系统100中使用的3300V额定装置。900V额定功率装置的示例包括Si基IGBT、Si基MOSFET、SiC基MOSFET、GaN基MOSFET或其他基于半导体的功率装置。
在图3和图4提供的示例中，为了驱动牵引马达8的一组三相定子绕组，相应的功率逆变器具有三个输出节点，每个输出节点将AC功率的一个相供应至牵引马达8的相应相。当马达绕组以星形(即星形)或三角形配置连接时，这种布置可能是合适的。在牵引电动马达具有端部开路定子绕组的情况下，可以使用如图5和图6所示的功率逆变器11C或11D来代替图3的功率逆变器11A1和11A2中的每一个。
如图5所示，功率逆变器11C包括正输入节点3、负输入节点5以及电连接在正与负输入节点3、5之间的DC链路电容器23。功率逆变器11C进一步包括三对逆变器支路，其具有相同的结构。为了简单起见，下面仅描述第一对逆变器支路的结构。第一对逆变器支路包括串联连接在输入节点3、5之间的两个功率半导体装置T1和T2，装置T1与T2之间串联连接的输出节点9u-1，串联连接在输入节点3、5之间的另外两个功率半导体装置T3和T4，以及装置T3和T4之间的输出节点9u-r。定子绕组连接在一对输出节点9u-l、9u-r之间，其给两端的定子绕组供应AC功率。图5示出了一组三相定子绕组32。为了驱动三相定子绕组32，采用三对逆变器支路，产生三对输出节点。
功率逆变器11C还可以视为连接在定子绕组32的相对侧的两个功率逆变器11C-L、11C-R的组合。两个功率逆变器11C-L、11C-R共享相同的DC链路电容器23、相同的输入节点3、5以及相同的DC电源(未示出)。每个逆变器是两电平三相全桥功率逆变器，类似于图3的功率逆变器11A。
类似于功率逆变器11C，功率逆变器11D也可以视为布置在定子绕组32的相对侧的两个功率逆变器11D-L、11D-R的组合。然而，逆变器11D的直流电源-R由电容器34代替。
本公开的牵引系统1、1A可以是电机的一部分。电机的典型示例包括车辆(例如，电力机车、电动或氢车辆、电梯或电动复合单元)和工业设备。
虽然本公开的牵引系统1、1A特别适合在城市轨道交通应用中使用，但是它们也可以在使用DC电源来驱动AC电动马达负载的任何电力电子牵引系统中使用。
城市轨道交通是在城市或郊区及其周边地区提供客运服务的各种类型的地方铁路系统的总称。城市轨道交通系统通常包括有轨电车系统、轻轨系统、快速交通系统(例如，地铁、地铁和/或地铁)、单轨系统、通勤铁路系统、缆车、缆车中的一种或多种、导游巴士等。
术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放性的，这些术语表示存在所描述的结构、元件或特征，但是不排除存在附加元件或特征。冠词“一”、“一个”和“该”旨在包括复数和单数，除非上下文另有明确说明。
虽然已根据上文阐述的优选实施例描述了本公开，但是应理解这些实施例仅是说明性的并且权利要求书不限于那些实施例。考虑到本公开内容，本领域的技术人员将能够做出修改和替代，这些修改和替代方案视为落入所附权利要求的范围内。本说明书中公开或示出的每个特征可以单独地或与本文公开或示出的任何其他特征以任何适当的组合并入本公开中。
Claims (22)
1.一种电动牵引系统，包括：
牵引变流器模块，包括正输入端子和负输入端子，用于可操作性耦接到DC电源，以及多个功率逆变器，每个所述功率逆变器包括配置为接收DC功率的正输入节点和负输入节点、以及配置为供应AC功率的输出节点，其中所述多个功率逆变器的所述正输入节点和所述负输入节点串联地电连接在所述正输入端子与所述负输入端子之间；以及
至少一个电动马达，配置为由所述牵引变流器模块驱动，所述至少一个电动马达包括多相电动马达。
2.如权利要求1所述的电动牵引系统，其中，所述多个功率逆变器包括第一功率逆变器和第二功率逆变器，并且所述第一和所述第二功率逆变器的输出节点配置为给所述多相电动马达供应AC功率以便驱动所述多相电动马达。
3.如权利要求2所述的电动牵引系统，其中，所述第一和所述第二功率逆变器具有相同的电路拓扑。
4.如权利要求2或3所述的电动牵引系统，其中，所述多相电动马达包括第一组定子绕组和第二组定子绕组，并且其中所述第一功率逆变器的输出节点电耦接到所述第一组定子绕组，并且所述第二功率逆变器的输出节点电耦接到所述第二组定子绕组。
5.如权利要求4所述的电动牵引系统，其中，所述第一组定子绕组与所述第二组定子绕组彼此电隔离。
6.如权利要求3或4所述的电动牵引系统，其中，所述第一功率逆变器的相的数量与所述第一组定子绕组的相的数量相同。
7.如前述权利要求中任一项所述的电动牵引系统，其中，所述多个功率逆变器中的一个或多个包括至少一个功率半导体装置，所述至少一个功率半导体装置电连接在一方面所述正输入节点和所述负输入节点中的每一个与另一方面所述输出节点中的每一个之间。
8.如前述权利要求中任一项所述的电动牵引系统，其中，所述多个功率逆变器中的一个或多个包括连接在所述相应的功率逆变器的正输入节点与负输入节点之间的DC链路电容器。
9.如前述权利要求中任一项所述的电动牵引系统，其中，所述多个功率逆变器中的一个或多个包括连接在所述相应的功率逆变器的正输入节点与负输入节点之间的多个逆变器支路，并且其中所述多个逆变器支路分别提供所述相应的功率逆变器的输出节点。
10.如权利要求9所述的电动牵引系统，其中，所述多个逆变器支路中的每一个包括至少一个功率半导体装置。
11.如权利要求7或10所述的电动牵引系统，进一步包括控制器，所述控制器配置为控制所述相应的功率逆变器的所述功率半导体装置的开启和关闭状态，以便在所述牵引系统的牵引模式期间将在所述输入节点处接收的DC功率逆变为所述输出节点处的AC功率。
12.如权利要求11所述的电动牵引系统，其中，所述控制器进一步配置为控制所述相应的功率逆变器的所述功率半导体装置的开启和关闭状态，以便在所述牵引系统的制动模式期间将所述至少一个电动马达的机械能转换为所述牵引变流器模块的所述正输入端子与所述负输入端子之间的电能。
13.如前述权利要求中任一项所述的电动牵引系统，其中，所述多个功率逆变器中的至少一个进一步包括旁路开关，所述旁路开关连接在所述相应功率逆变器的所述正输入节点与所述负输入节点之间。
14.如前述权利要求中任一项所述的电动牵引系统，其中，所述多个功率逆变器进一步包括冗余功率逆变器，并且所述冗余功率逆变器包括连接在其正输入节点与负输入节点之间的旁路开关。
15.如权利要求14所述的电动牵引系统，其中，所述多相电动马达包括冗余组的定子绕组，并且所述冗余功率逆变器的输出节点电耦接到所述冗余组的定子绕组。
16.如从属于权利要求11的权利要求13或14所述的电动牵引系统，其中，所述控制器配置为控制所述旁路开关的开启和关闭状态。
17.如前述权利要求中任一项所述的电动牵引系统，进一步包括电子滤波器，所述电子滤波器电耦接到所述正输入端子，其中所述电子滤波器配置为衰减所述正输入端子能够从所述DC电源接收的高频电流信号。
18.如从属于权利要求8的前述权利要求中任一项所述的电动牵引系统，进一步包括预充电电路，所述预充电电路电耦接到所述正输入端子，其中所述预充电电路配置为在所述牵引变流器模块正常操作之前对所述DC链路电容器充电。
19.一种电机，包括如前述权利要求中任一项所述的电动牵引系统。
20.如权利要求19所述的电机，其中，所述电机包括车辆。
21.一种功率电子系统，包括DC电源以及如权利要求1至18中任一项所述的电动牵引系统，其中，所述电动牵引系统的所述正输入端子可操作性耦接到所述DC电源。
22.一种城市轨道交通系统，包括：直流电源以及包括如权利要求1至18中任一项所述的电动牵引系统的车辆，其中，所述电动牵引系统的所述正输入端子可操作性耦接到所述DC电源。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/CN2021/104299 WO2023272727A1 (en) | 2021-07-02 | 2021-07-02 | Electric traction system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117897903A true CN117897903A (zh) | 2024-04-16 |
Family
ID=76958660
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202180101785.XA Pending CN117897903A (zh) | 2021-07-02 | 2021-07-02 | 电动牵引系统 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4364285A1 (zh) |
| CN (1) | CN117897903A (zh) |
| WO (1) | WO2023272727A1 (zh) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5182310B2 (ja) * | 2010-03-23 | 2013-04-17 | 株式会社日立製作所 | 鉄道編成車両の駆動システム |
| US11063531B2 (en) * | 2014-02-14 | 2021-07-13 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Series connected DC input inverters |
| DE102014203553A1 (de) * | 2014-02-27 | 2015-08-27 | Robert Bosch Gmbh | Elektrisches Antriebssystem |
-
2021
- 2021-07-02 CN CN202180101785.XA patent/CN117897903A/zh active Pending
- 2021-07-02 EP EP21742688.1A patent/EP4364285A1/en active Pending
- 2021-07-02 WO PCT/CN2021/104299 patent/WO2023272727A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023272727A1 (en) | 2023-01-05 |
| EP4364285A1 (en) | 2024-05-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6637552B2 (ja) | エネルギー貯蔵器を充電するための装置 | |
| JP3723983B2 (ja) | 直列多重３相ｐｗｍサイクロコンバータ | |
| JP6096881B2 (ja) | 車両用電力変換装置 | |
| US20090045761A1 (en) | Diesel-electric drive system having a synchronous generator with permanent-magnet excitation | |
| KR101536492B1 (ko) | 구동 시스템, 철도 차량용 구동 시스템 및 이것을 탑재한 철도 차량, 편성 열차 | |
| CN109311409B (zh) | 具有逆变器、蓄能器、电机和直流电流传输端子的车辆车载电网 | |
| CN109195831B (zh) | 具有逆变器、蓄能器、电机和交流电流传输端子的车辆车载电网 | |
| JP2009529308A (ja) | 永久磁石励磁同期発電機を備えたディーゼル電気駆動システム | |
| US9520802B2 (en) | Power semiconductor module, power converting apparatus and railway car | |
| CN104242705A (zh) | 搭载蓄电装置的电力变换装置 | |
| Eckel et al. | A new family of modular IGBT converters for traction applications | |
| KR20150031169A (ko) | 철도 차량용 구동 장치 | |
| WO2023272727A1 (en) | Electric traction system | |
| Bakran et al. | Comparison of multisystem traction converters for high-power locomotives | |
| WO2022205654A1 (en) | Electric traction system | |
| JP7103320B2 (ja) | 電源装置 | |
| JP2004007991A (ja) | 電気車の駆動装置 | |
| JP2020171156A (ja) | 電力変換装置、鉄道車両、および鉄道車両の生産方法 | |
| Hill | Traction drives and converters | |
| Bakran et al. | Power electronics technologies for locomotives | |
| JPH10126904A (ja) | 電気車の駆動装置 | |
| JP7301686B2 (ja) | 電力変換システム | |
| KR101859443B1 (ko) | 전기철도차량용 1c2m 추진 제어 시스템 및 이를 구비한 전기철도차량 | |
| JP2023148848A (ja) | 鉄道システム、車上装置及び電気車駆動方法 | |
| EA041837B1 (ru) | Инверторная система |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |