CN1374741A

CN1374741A - 电能转换器

Info

Publication number: CN1374741A
Application number: CN02103186A
Authority: CN
Inventors: 热拉尔·卡尔费拉吉; 菲利普·奥班
Original assignee: FEFRAY TRANSPORT Co
Current assignee: FEFRAY TRANSPORT Co
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2002-10-16
Anticipated expiration: 2022-02-04
Also published as: DE60237325D1; EP1231704A2; JP2002315344A; JP3974417B2; BR0200298A; US20020126511A1; US6654266B2; EP1231704A3; ATE478465T1; HK1048896A1; CA2370074A1; CN1374741B; CA2370074C; EP1231704B1

Abstract

本发明描述了一种电能转换器,该电能转换器包括:N个变压器,每个变压器分别包括初级线圈和次级线圈(S_N);初级电路,与变压器的初级线圈连接在其上的两个输入端相连;次级电路,与变压器的次级线圈连接在其上的两个输出端相连。根据本发明的转换器的特征在于,该转换器的初级电路和次级电路分别包括一组与N个初级线圈和N个次级线圈相连的开关装置,其特征还在于,它包括用于控制初级电路或次级电路至少之一的开关装置的控制装置,这样连接开关装置,以致利用控制装置使N个初级线圈和/或次级线圈串联和/或并联。

Description

电能转换器

所属技术领域

本发明涉及与多个变压器串联和/或并联的电能转换器。

背景技术

已经存在与变压器串联或并联的转换器。

因此，US 4 339 704以及US 3 419 786文献描述了一种包括初级线圈和几个次级线圈的转换器。对该转换器提供交流电压。次级线圈与两条导线并联，每条导线上分别具有串联的二极管。因此，在其各自二极管之间，利用次级线圈使两条导线互联。US 3 419 786文献描述的转换器，对于N个次级线圈，在每条导线上包括N+1个二极管。此外，它还包括与各次级线圈串联的N个开关。

US 4 339 704文献描述的转换器在每条导线上包括N+2个串联的二极管，两个设置在两个相继次级线圈接线之间的二极管。N-1个开关将相继串联连接的两个二极管之间的两条导线连接在一起。

这两种转换器通过使次级线圈串联或并联，可以将输出电压改变N倍。

然而，它们的缺陷是需要使用大量开关并且不能容许击穿初级电路容限。

此外，这两种转换器对直流输入电压无效，并且输出电压的变化范围有限。

发明的内容

本发明试图通过利用需要减少数量开关然而可以获得相同或更大输出电压变化范围的简单设计转换器并且通过容许简单击穿来解决这些问题。

此外，根据本发明的转换器对交流或直流输出电压或交流或直流输入电压有效。

为此，本发明的第一方面涉及提供一种电能转换器，该电能转换器包括：

●N个变压器，每个变压器分别包括一个初级线圈和一个次级线圈。

●初级电路，与变压器的初级线圈连接在其上的两个输入端相连。

●次级电路，与变压器的次级线圈连接在其上的两个输出端相连。

此转换器的特征在于，转换器的初级电路和次级电路分别包括与N个初级线圈和N个次级线圈相连的一组开关装置，其特征还在于，它包括用于控制初级电路或次级电路至少之一的开关装置的控制装置，这样连接开关装置，以致利用控制装置使N个初级线圈和/或次级线圈串联和/或并联。

在第一变换例中，初级电路包括为输入端供电的电流发生器，次级电路包括与输出端并联的电压发生器。

在第二变换例中，初级电路包括与输入端并联的电压发生器，次级电路包括与输出端相连的电流发生器。

在一个实施例中，初级电路或次级电路可以分别采用如下两种对偶配置之一。

●第一种配置包括两条并联在输入端或输出端之间的电导线，每条导线均至

少包括N+1个串联开关装置，在各自开关装置之间，利用初级线圈或次

级线圈使两条导线互联。

●第二种配置包括N+1条并联在输入端或输出端之间的电导线，每条导线

至少包括两个串联的开关装置，在各自开关装置之间，利用初级线圈或次

级线圈使各导线互联。

本发明的另一个目的涉及一种用于控制根据本发明其初级电路采用第一种配置的转换器的方法。

该方法包括步骤：沿着初级电路的开关装置对，相继改变开关模式；以及对于各对开关装置，顺序倒置该对开关装置中的开关装置之一的状态，或者顺序倒置该对开关装置中的两个开关装置的状态。

一对开关装置即连接在给定线圈之前或之后的两个开关装置。

附图说明

在参考利用非限制性实例提供的附图、阅读以下说明后，本发明的其它目的和优势将变得更加明显。附图包括：

图1示出根据本发明转换器的实施例；

图2示出根据本发明的第二实施例；

图3示出图1所示的变换例；

图4示出根据本发明的第三实施例；

图5示出时间与输入电压的关系曲线图，图5a、图5b以及图5c图解示出根据图5中的曲线图上所示的电压，变压器线圈采用的串联和/或并联示意图。

图6和图7示出根据本发明的转换器的两种开关模式。

具体实施例

根据本发明的电能转换器包括：

●N个变压器(P_N，S_N)，分别包括一个初级线圈P_N和一个次级线圈S_N，N是

整数。

●初级电路1，与变压器的初级线圈P_N连接在其上的两个输入端2、3相连。

●次级电路4，与变压器的次级线圈S_N连接在其上的两个输出端5、6相连。

初级电路1和次级电路4分别至少包括2N+2个开关装置I_N和I’_N。

该转换器还包括用于控制开关装置I_N和I’_N以及至少初级电路和次级电路之一的控制装置7，这样连接开关装置，以致利用该控制装置使N个初级线圈或次级线圈串联和/或并联。

控制装置7可以单独控制初级电路1或次级电路4的开关装置，或者同时控制初级电路1和次级电路4的开关装置。

开关装置I_N和I’_N可以断开并闭合与它们相连的电路。

这些开关装置可以是单向开关或双向开关，例如：二极管、IGBT、半导体开关元件、三端双向可控硅开关元件，场效应晶体管、双极型晶体管、接触器、触电、GTO、ICGT、MOS或类似元件。

在第一变换例中，初级电路1包括为输入端2、3供电的电流发生器，次级电路4包括与输出端5、6并联的电压发生器。例如，电压发生器为电容器。

在第二变换例中，初级电路1包括与输入端2、3并联的电压发生器(例如：电容器)，次级电路4包括与输出端5、6相连的电流发生器(例如：线圈)。

初级电路1或次级电路4均可以采用如下两种对偶配置之一。

参考图1说明第一种配置，图1示出其初级电路1和次级电路4均采用此第一种配置的转换器。

在所示的例子中，转换器包括N＝2个变压器。

初级电路1和次级电路4分别包括两条并联在输入端2、3或输出端5、6之间的电导线C₁、C₂。

导线C₁、C₂内分别包括N+1个串联开关I_N和I’_N。

在各自开关I_N和I’_N之间，利用初级线圈P_N，使初级电路的两条导线C₁、C₂互联。因此，在两条导线C₁、C₂之间并联初级线圈P_N。

同样，在各自开关I_N和I’_N之间，利用次级线圈S_N，使次级电路的两条导线C₁、C₂互联。这样，就可以在两条导线C₁、C₂之间并联次级线圈S_N。

在图1所示的实施例中，次级电路的开关I_N和I’_N为二极管。在同一个方向连接所有这些二极管。

图1至图4所示的、位于初级线圈P_N和次级线圈S_N电平上的点代表线圈的方向。

因此，在图1中，线圈P₂、S₂为相同方向，而线圈P₁、S₁方向互相相反。当初级电路的线圈并联时，此配置可以获得次级电路线圈的并联分路，反之亦然。

对于具有N个变压器的转换器，当初级电路和次级电路具有相同配置时，根据初级电路的相应线圈倒置两个次级电路上的线圈。

参考图2说明作为第一种配置的对偶的第二种配置，图2示出其初级电路1具有第一种配置，而其次级电路4采用此第二种配置的转换器。

两个电路之间的对偶性包括如下特性：

●当初级电路的开关闭合时，次级电路内的相应开关断开，反之亦然；

●初级开关上的电压波形变成次级开关内的电流波形，反之亦然；

●当初级线圈串联时，次级线圈就并联，反之亦然。

在图2所示的例子中，转换器包括N＝2个变压器。

初级电路1与图1所示的初级电路相同。

次级电路4包括与次级电路的输出端5、6并联的N+1条电导线C_N。

次级电路的每条导线C_N分别包括串联的两个开关I_N.1和I_N.2，在各自开关之间，利用次级线圈S_N使导线C_N两条两条互联。

在此图所示的实施例中，次级电路的开关I_N.1和I_N.2是二极管。

由于初级电路1的配置和次级电路4的配置互相对偶，所以，当初级电路线圈串联使，无需倒置两个电路上的线圈的方向，就可以获得并联的次级电路线圈分路，反之亦然。

因此，对于图2所示的转换器，代表线圈方向的点全部在同一侧。

对于具有N个变压器的转换器，当初级电路和次级电路是对偶配置时，所有线圈均为同一个方向。

为了获得转换器的可能性，要求次级电路的二极管开关并联，利用初级控制器的对偶性对这些开关进行控制。还可以采用双向开关I_N.1和I_N.2。

图3示出图2所示实施例的变换例。在这些图中，相同的参考符号表示相同的部分。

在此变换例中，初级电路1采用第一种配置，而次级电路4采用第二种配置。

次级电路4与图1所示的次级电路相同，因此用相同的参考符号表示相同的单元。

此外，次级电路的两条导线C₁、C₂还与线圈8串联，与电容器9并联。

由于存在线圈8，所以次级电路具有电流发生器。

初级电路1与图1所示的初级电路基本相同，所以，相同的参考编号表示相同的部分。

初级电路的两条导线C₁、C₂与电容器13并联。

电容器13与线圈15和电压发生器16串联。该电压发生器连接在输入端2、3之间。

由于存在电容器13，所以初级电路具有电压发生器。

参考图4说明第三实施例。

在此实施例中，初级电路和次级电路采用具有N＝2个变压器的第二种配置。因此，根据相应P₂以及其它线圈P₁、S₁的方向，倒置次级线圈之一(在此为S₂)的方向。

初级电路1的开关I_N.1和I_N.2分别与二极管17并联，从而实现双向运行。

次级电路的开关I_N.1和I_N.2是二极管。

电压发生器(VE)为初级电路供电。次级电路与电流发生器(线圈18)相连。线圈18串联安装到正输出端5，电容器9并联安装到输出端5、6之间。

以下将说明本发明各实施例的运行过程。

Ve定义输入端2、3之间的电压，Vs定义输出端5、6之间的电压。

现在，将参考图1对其初级电路和次级电路均采用第一种配置的转换器的运行过程进行说明。

当两个线圈P₁和P₂并联时，例如当初级电路1的开关I_s1和I’₁断开，而其它开关闭合时，如果输入端2为正，则与输入端2相连的线圈一端也为正。这些端与图1所示的点一致。

利用变压器结构，用点表示的次级线圈S₁和S₂的相应各端也为正，这样就在次级电路4内感应环流，然后，次级线圈串联。

由于初级线圈P₁和P₂并联，所以各线圈电平电压等于Ve。因此，如果变压比为1，则各次级线圈S₁和S₂的电平电压也等于Ve，输出电压Vs＝2Ve。

当线圈P₁和P₂串联时，例如，当开关I₁、I’₂以及I₃闭合而其它开关断开时，与输入端2(正)相连的线圈P₁端(图中利用点标记的端)为正，并且P₂上被点标记的端为负。各线圈P₁、P₂的电平电压等于Ve/2。

因此，线圈S₁上用点标记的端为正，而线圈S₂上用点标记的端为负，以致只有二极管I’₁、I’₂、I₂、I₃导通，并且S₁和S₂并联，各线圈S₁、S₂的电平电压均等于Ve/2。

因此，输出电压为Vs＝Ve/2。

所以，对于包括N个变压比为1的变压器的转换器，可以使输出电压在Ve/N与N.Ve之间变化。因此，电子电路的动态特性为N²。

当然，通过断开开关I₁和I₃并通过闭合其它开关，初级线圈P₁、P₂还可以并联。对各端施加的电压被倒置，因此可以施加变压器所需的交流运行电压。

对于交流输入电压Ve，根据交流输入电压的变化频率，通过以适当频率闭合或断开初级电路的开关，可以获得直流输出电压Vs。因此，必须保证初级电路的所有开关均是双向的。

这种组装方式的优势在于，可以使用高可变输入电压(例如：100伏与1600伏之间)并且可以将输出电压调节到固定值。

发生器的数量N越大，电压的变化范围就越大。

如果初级线圈并联，次级线圈串联，则可以保证变压器的电压平衡，反之亦然。

以下将参考图2对其初级电路和次级电路分别采用第一种配置和第二种配置的转换器的运行过程进行说明。

两种配置互相对偶的事实意味着，当初级电路的线圈P₁、P₂并联时，线圈S₁、S₂串联，反之亦然。

因此，当P₁和P₂并联并且其上用点标记的端为正时，S₁和S₂的相应端也为正，以致只有二极管I_1.1、I₃导通，而S₁、S₂串联。

如果P₁和P₂并联，并且具有倒置极性，则S₁和S₂以倒置极性串联，并且只有二极管I_1.2、I_3.1导通。

同样，对于上述转换器，可以在输入端使用直流电压发生器或交流电压发生器，并在输出端获得直流电压。

现在，在如图5所示的正弦交流输入电压情况下，对图3所示的电路进行说明。

用Vmax定义最高电压Ve，并且分别用V1和V2定义的输入电压分别接近等于约1/3Vmax和2/3Vmax。

然后，将正弦输入电压曲线分割为几个区：

●A区，对应于电压范围：0≤Ve≤V1

●B区，对应于电压范围：V1≤Ve≤V2

●C区，对应于电压范围：V2≤Ve≤Vmax

当Ve位于A区内时，输入电压非常低，并且每个变压器均可以支持此输入电压。例如，闭合或断开初级电路的开关I_N和I’_N，以使所有初级线圈P_N并联，从而使次级线圈S_N串联，如图5a所示。

对每个线圈P_N、S_N施加低电压Ve，并且给定弱电流通过线圈S_N。

当Ve位于B区内时，输入电压高，并且各变压器不再支持该电压。例如，闭合或断开初级电路的开关I_N和I’_N以使初级线圈P_N两个两个并联，从而导致次级线圈S_N两个两个串联，如图5B所示。

因此，对每个线圈P_N、S_N分别施加电压V3/2，被一分为二的电流通过所有线圈S_N。

当Ve位于C区内时，输入电压更高，并且各变压器不再完全支持此输入电压。例如，闭合或断开初级电路的开关I_N和I’_N以使所有初级线圈P_N串联，从而导致次级线圈S_N并联，如图5C所示。

因此，对每个线圈P_N、S_N施加电压Ve/N，并且被一分为N的电流通过所有线圈S_N。

对于具有N个变压器的电路，使初级线圈并联和/或串联的可能性非常高，以致可以根据用途，例如根据固定值来调节输出电压。

以下将说明图4所示的实施例。

当初级线圈P₁、P₂并联时，例如当开关I_1.1、I_3.1、I_2.2闭合而其它开关断开时，线圈P₁上被点标记的一端为正，而线圈P₂上被点标记的一端为负。因此，次级线圈S₁、S₂上被点标记的各端分别为正和负。极性意味着，只有二极管I_1.1导通，并且线圈S₁、S₂串联。

图6和图7示出初级电路1的导线C₁和C₂。仅表示出首先的7个线圈P_N。

被示为粗线的部分导线C₁和C₂表示开关I_N、I’_N闭合，而被示为细线的部分导线C₁和C₂表示开关I_N、I’_N断开。

一对开关装置被定义为是由连接在给定线圈之前或之后的两个开关装置构成的。

通过改变利用沿开关装置对的框架C表示的开关模式，并通过顺序倒置位于该框架内的一个或两个开关装置的，逐渐实现闭合或断开。在两种倒置情况下，这些可以连续实现。

因此，控制装置连续控制各对开关装置I₁、I’₁，I₂、I’₂，...，I_N、I’_N。在各步骤，根据要求的结果，倒置或不倒置开关元件I_N，倒置或不倒置开关元件I’_N。

例如，此方法可以倒置初级电路的极性，或者说可以倒置各变压器端的电压的极性。

图6所示的例子是对位于所有初级线圈P_N为串联的配置中的初级线圈的极性极性倒置。通过倒置所有开关实现极性倒置。

在图7所示的例子中，这样闭合和断开开关装置，以致可以从其所有开关装置I_N、I’_N均为串联的配置转换为其开关装置两个两个并联的配置。

此控制方法具有如下优势：

●开关的闭合或断开过程几乎是“柔性的”即：事实上动态损失被降低为4

分之一；

●在同一个时间可以闭合或断开一个开关，这样可以简化实现过程，并且不

存在与同时闭合或断开串联半导体有关的问题；

●从次级电路检测到的视在频率非常高；

●输入自感线圈之后的初级端的波动振幅极低，这样就可以减小输入自感线

圈的大小；

●由于调节过程的响应时间极短，所以有助于对输入电流进行调节。

此外，由于在根据本发明的电路中持续有电流流过，所以与具有显著脉动电流的传统电路比较，该电路的输入滤波器和输出滤波器承受的压力小。

根据本发明的转换器还具有容许简单击穿的优势：而与变压器开关的击穿方式无关，可以在恶化状态下运行。

通过对开关施加适当命令，可以将故障级隔离。结果是限制了整个电路的容量(降低了电压变化范围)，而无需停止整个电路运行。

此外，采用第一种配置的初级电路非常适于高电压，因为各开关共享它们之间的电压。采用第二种配置的次级电路非常适于高输出电流，因为各开关共享输出电流。

根据本发明的电子电路在电子学中的应用范围广阔。

本发明并不局限于所描述的实施例，具体地说，所使用的数值N的变化范围大。

具体地说，在本发明范围内，可以设计变压器初级线圈和/或次级线圈的各种并联和/或串联组合。

此外，可以利用计算机对所有电子电路元件部分进行控制，从而获得要求的变压器连接。

以下将说明本发明的两个特定应用。

在根据本发明电子电路的第一种应用中，此电路替换设置在电力机车内、利用1500v或3000v直流电压或1000v或1500v的交流电压供电的电能转换器，所述转换器可以将此电压转换为可以对安装在此机车内的电气元件供电的电压。

通过利用根据本发明的电子电路替换已知的电能转换器，就可以取消输入滤波器。

事实上，在已知的实施例中，UIC 550标准(国际铁路联合会)要求使用由电容器和有感电阻器构成的笨重输入滤波器。

利用根据本发明的电子电路，可以取消所述笨重滤波器，又符合标准并因此减少可观的重量。

输入发生器变成电流发生器。

用于控制开关的方法对符合标准UIC 550的恒流进行调节，从而产生高输入阻抗。

在50Hz以下，设置电流控制点以调节输出电压。

该转换器的另一种应用是将它用作一种提供牵引利用15000V或25000V交流供电的电力机车能力的转换器，所述转换器可以将此电压转换为能够对安装在所述机车内的电气元件供电的电压。所述电气转换器内没有低频(50Hz或16.7Hz)高压变压器。

根据本发明的转换器可以用于大量应用领域：

●铁路运输：当前使用的输入变压器及其整流器重达13吨，而根据本发明

的转换器只有3吨；

●各种供电电压的平均功率应用：利用根据本发明的转换器，不再需要调整

设备，只要能够调节控制方法就可以。

●恒功率供电以及可变输出电压供电。

Claims

1.一种电能转换器，该电能转换器包括：

●N个变压器，每个变压器分别包括初级线圈(P_N)和次级线圈(S_N)；

●初级电路(1)，与变压器的初级线圈(P_N)连接在其上的两个输入端(2、

3)相连；

●次级电路(4)，与变压器的次级线圈(S_N)连接在其上的两个输出端(5、

6)相连；

其特征在于，该转换器的初级电路(1)和次级电路(4)分别包括一组与N个初级线圈(P_N)和N个次级线圈(S_N)相连的开关装置(I_N、I’_N、I_N.1、I_N.2)；

其特征还在于，它包括用于控制初级电路(1)或次级电路(4)至少之一的开关装置(I_N、I’_N、I_N.1、I_N.2)的控制装置(7)，这样连接开关装置(I_N、I’_N、I_N.1、I_N.2)，以致利用控制装置(7)使N个初级线圈(P_N)和/或次级线圈(S_N)串联和/或并联。

2.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，初级电路(1)包括为输入端(2、3)供电的电流发生器，次级电路(4)包括与输出端(5、6)并联的电压发生器。

3.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，初级电路(1)包括与输入端(2、3)并联的发生器，次级电路(4)包括与输出端(5、6)相连的电流发生器。

4.根据权利要求1至3之一所述的转换器，其特征在于，初级电路(1)或次级电路(4)可以分别采用如下两种对偶配置之一：

●第一种配置，包括两条并联在输入端(2、3)或输出端(5、6)之间的电

导线(C₁、C₂)，每条导线(C₁、C₂)均至少包括N+1个串联开关装置(I_N、

I’_N)，在各自开关装置(I_N、I’_N)之间，利用初级线圈(P_N)或次级线圈(S_N)

使两条导线(C₁、C₂)互联；

●第二种配置，包括N+1条并联在输入端(2、3)或输出端(5、6)之间

的电导线(C_N)，每条导线(C_N)至少包括两个串联的开关装置(I_N.1、I’_N.2)，

在各自开关装置(I_N.1、I’_N.2)之间，利用初级线圈(P_N)或次级线圈(S_N)

使各导线(C_N)互联。

5.根据权利要求3或4所述的转换器，其特征在于，当初级电路(1)和次级电路(4)具有相同配置时，根据初级电路的相应线圈(P_N)倒置两个次级电路(S_N)上的一个线圈。

6.根据权利要求3或4所述的转换器，其特征在于，当初级电路(1)和次级电路(4)具有不同配置时，所有线圈(P_N、S_N)为同一个方向。

7.根据权利要求1至6之一所述的转换器，其特征在于，次级电路(4)和/或初级电路(1)的开关装置(I_N、I’_N、I_N.1、I_N.2)为单向开关或双向开关。

8.根据权利要求1至7之一所述的转换器，其特征在于，控制装置(7)控制初级电路(1)和/或次级电路(4)的开关装置(I_N、I’_N、I_N.1、I_N.2)，同时在初级和次级对所述开关进行控制。

9.根据权利要求3至8之一所述的转换器，其特征在于，它包括：

●初级电路(1)，采用第一种配置，初级电路的两条导线(C₁、C₂)与电容

器(13)并联；

●线圈(15)，与电容器(13)串联；

●电压发生器(16)，连接在输入端(2、3)之间；

●次级电路(4)，采用第一种配置，其两条导线(C₁、C₂)与线圈(8)串联，

与电容器(9)并联；

次级电路的开关装置(I_N、I’_N)为二极管。

10.根据权利要求3至8之一所述的转换器，其特征在于，它包括：

●初级电路(1)，采用其开关装置(I_N、I’_N)为分别与一个二极管并联的单

向开关的第二种配置；

●次级电路，采用其开关装置(I_N、I’_N)为二极管的第二种配置；

●电容器(19)，与输出端(5、6)并联；

●线圈(18)，与输出端(5、6)之一串联。

11.根据权利要求1至10所述的转换器的应用于作为，设置在电力机车内、利用1500v或3000v直流电压或1000v或1500v的交流电压供电的电能转换器，所述转换器可以将此电压转换为可以对安装在所述机车内的电气元件供电的电压，其特征在于，所述电气转换器没有输入滤波器。

12.根据权利要求1至10所述的转换器的应用于作为，提供牵引机车能力、利用15000V或25000V交流供电的转换器，所述转换器可以将所述电压转换为能够对安装在所述机车内的电气元件供电的电压，其特征在于，所述电气转换器内没有高输入电压低频变压器。

13.根据本发明权利要求1至9所述的转换器的控制方法，其中初级电路具有第一种配置，一对开关装置即连接在给定线圈之前或之后的两个开关装置，其特征在于，该方法包括步骤：沿着初级电路的开关装置对，相继改变开关模式；以及对于各对开关装置，顺序倒置该对开关装置中的开关装置之一的状态，或者顺序倒置该对开关装置中的两个开关装置的状态。