CN1543406A - 用于铁路车辆的多电压电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组成铁路推进链的装置，其特征在于，其包括以下元件，这些元件在由吊线供电的电源变压器和所述车辆的电动机之间的电源电路中按照顺序排列，所述吊线能够提供多个电网电压，交流的或直流的，所述电路包括多个接触开关，用于选择给定的吊线电压：被控整流器桥(A1，A2)，最好是具有强制转换(FSMB)的单相桥；基本上无功的输入滤波器(A3)，最好至少包括一个电容器与/或至少一个电感线圈；也能够包括限幅功能的制动斩波器(B)；多值多相逆变器(C1，C2，C3)，最好是三相；电子元件，最好是IGBT型的功率半导体元件，每个元件属于模块电路图的至少一个基本的电源臂。

Description

用于铁路车辆的多电压电源

技术领域

本发明涉及对铁路车辆的推进链供电的方法，所述车辆最好是机车。

本发明尤其涉及在各种吊线供电电压下利用电路图的重新配置进行的供电方法。

本发明还涉及用于实施所述方法的装置。

背景技术

本发明的应用领域涉及利用在吊线上存在的各种供电电压，交流的或直流的，实行的同步电机或异步电机的可变速控制。

因此，推进链由一定数量的元件构成，这些元件旨在转换吊线的电压，以便提供用于控制所述电动机的电压。

这些推进链由至少一个变换器、逆变器或整流器构成，用于把吊线上存在的电压转换成尽可能接近频率和幅值可变的平衡的正弦三相系统的三相电压，以便控制同步或异步电动机。在某种情况下，它们还包括制动斩波器，可能和限幅器以及各种滤波器相关。

下面对于在吊线上存在的电压的几个特定的例子给出几个推进链的例子。

25千伏-50赫兹，交流

-电源变压器；

-被控整流器，一般是FSMB(具有强制转换的单相桥式)；

-用于推进电动机的电源逆变器；

-变阻式制动斩波器(不总是能够恢复)；

15千伏-16赫兹，2/3交流

-电源变压器(和25千伏-50赫兹的相同)；

-被控整流器(同上)；

-用于推进电动机的电源逆变器；

-制动斩波器在这个电压下不是必备的。

3千伏，直流

-输入滤波器；

-用于推进电动机的电源逆变器；

-制动斩波器(是必须的，因为只有当在线路上具有另一个用户时恢复才是可能的)；这种制动斩波器还实现电压斩波器功能(其限制半导体上的电压)。

1500V，直流

-输入滤波器；

-用于推进电动机的电源逆变器；

-制动斩波器(是必须的，因为只有当在线路上具有另一个用户时恢复才是可能的)；这种制动斩波器还实现电压斩波器功能(其限制半导体上的电压)。

在某种电网下，例如一般地在SNCF电网下，需要确保没有电流返回吊线。此时整个的制动通过耗散在制动电阻中的能量来实现。

这个清单列出的功能可以扩展到其它的交流或直流电压。

除去这些和推进链本身有相连的功能之外，还需要增加一个辅助变换器功能(CVS)，使得能够向推进系统的辅助设备例如风扇、压缩机等供电。

考虑到并不是所有的国家都使用相同的电源这个事实，问题便成为复杂的。具体地说，当机车旅行而跨过从一个国家到另一个国家的边界时，必然使同步电机或异步电机能够在吊线上具有的不同的供电电压下被供电。

上述的在推进链中具有的大部分元件由开关构成，其中利用功率元件例如可控硅或GTO(直到最近才使用)。

在GTO的具体情况下，这是一种具有4.5千伏的耐压的半导体器件，其需要配备“缓冲器”型的保护电路，即具有开关辅助电路。

这些半导体元件具有下述优点：

-不需要限幅器装置，因为对于3千伏的额定电压，其耐压是足够的；

-能够断开电路，使得借助于缓冲器在开关环路中甚至在输入电容器和变换器之间放置一个接触开关，使得开关电路的讨厌的感应线圈成为不重要的。

此外，从GTO的4.5千伏的最大耐压看来，只利用一个元件承受3千伏的吊线直流电压是不可能的。从设置直接串联连接的两个这种开关元件的难度看来，通常最好包括一个输入装置，用于分级降低电压(GTO的非直接串联设置)，此时把逆变器置于较低的电压下。

不久以前，出现了可以被称为“IGBT”(绝缘栅双极晶体管)的新型静态半导体器件。

直到最近，这种IGBT半导体器件具有3.3千伏的最大耐压。最近的发展已经使得能够研制可以达到6.5千伏的数量级的电压的半导体器件。这意味着可以用一个半导体器件直接承受3千伏的额定直流电网电压。

IGBT型的半导体器件不再需要缓冲器。因此，在电容器和变换器之间的讨厌的电感线圈必须被减到最小，并且在这种开关环路中不再能够设置接触开关。

因此，由和这种新的半导体元件的出现相关的这个问题看来，这种情况迫使设计者重新考虑电路图，但是同时使得所述电路图能够大大简化，并可能对和多电压铁路车辆的推进链相关的电路图提出新的解决方案。

最后，已经看到，直流和交流电网强加了最高的滤除吊线电流谐波的标准，这是为了不干扰用于提供信号联络的轨道电路。这些标准按照使用的轨道电路的功能对于每个电网是特定的。某个电网，例如3千伏的意大利铁路电网，强制滤除非常低的电流，甚至对于低频和甚低频，其实际上是输入滤波器(电感线圈+电容器)的谐振频率。因此，至少这个输入滤波器的激励(逆变器的截止，吊线电压波动等)超出了这些标准。

发明内容

本发明旨在提供一种能够克服现有技术的缺点的解决方案。

更具体地说，本发明的目的在于通过限制用于操作铁路推进链所需的基本电气元件的最大数量而提供一种在各种供电电压下的电路图的重构，其中使所述数量为最佳。

本发明的主要目的在于提出一种避免向吊线返回电流的解决方案。

本发明的附加的目的在于解决不符合标准的问题，包括对于甚低频的不符合标准的问题。

本发明的第二个目的在于再次使用至少一个辅助变换器的电源的现有电路图的元件。

本发明的一个附加的目的在于消除在半导体元件导通时的开关损失，从而使得能够增加频率，并减小用于辅助变换器的电源的输电感线圈。

本发明的第三个目的在于恢复在15千伏-16赫兹2/3下用于操作所需的滤波器2f的电容器，而在25千伏-50赫兹或者在直流电压下则没有滤波器2f。

本发明的主要特征元件

本发明的第一目的涉及来自吊线的交流与/或直流多电压电源的处理，旨在借助于至少一个推进链对铁路车辆的电动机提供所需的电压，所述车辆最好是机车，所述推进链具有模块电路图，其包括多个基本电源臂，每个所述的臂包括至少一个相对于高压被反向偏置的二极管和半导体元件，并且其可以根据不同的供电电压功能借助于优化所使用的所述臂的数量被重构，此外所述电源在由吊线供电的电源变压器和所述车辆的电动机之间的电源电路中，按照顺序包括被控整流器桥，其每个臂包括至少一个反向二极管，用于将经变压器由吊线提供的交流电压整流成为直流电压，一个基本上无功的输入滤波器，也可以具有限幅功能的制动斩波器，以及多相逆变器，这些不同的单元包括电子元件，例如功率半导体元件，所述逆变器相对于直流供电电压直接和吊线相连，其特征在于，在制动操作方式期间，在吊线的直流电压下的所述被控整流器桥的第一臂的二极管被再利用，以便阻止电能被吊线回收。

如果需要，在低的直流电压下的被控整流器桥的第一臂被再利用，以便提供升压斩波器功能，使得能够在所述低的直流电压下增加所述推进链的功率。

按照优选实施例，电源变压器的二次侧可以被回收，以便实现升压斩波器的输入电感线圈的功能。

有利的是，在制动操作方式期间，借助于使和所述二极管并联的半导体元件的导通来短路所述二极管，可以由吊线进行电能的回收。

此外，在直流电压下，在推进链上的可能短路期间，所述二极管可用于减少由其它推进链的电容器提供的短路电流。

此外，本发明旨在通过提出一种处理解决不符合标准的问题，其中所述二极管阻止当所述滤波器被偶然激励时在直流电压下在输入滤波器中发生的电流振荡，借以减少所述滤波器的谐波电流。

本发明的第二个目的涉及处理来自吊线的交流与/或直流多电压电源，旨在借助于至少一个推进链提供铁路车辆的电动机所需的电压，所述铁路车辆最好是机车，所述推进链具有模块电路图，其包括多个基本电源臂，每个所述的臂包括至少一个相对于高压被反向偏置的二极管和半导体元件，并且其可以根据不同的供电电压功能借助于优化所使用的所述臂的数量被重构，此外所述电源在由吊线供电的电源变压器和所述车辆的电动机之间的电源电路中，按照顺序包括被控整流器桥，其每个臂包括至少一个反向二极管，用于将经变压器由吊线提供的交流电压整流成为直流电压，一个基本上无功的输入滤波器，也可以具有限幅功能的制动斩波器，以及多相逆变器，这些不同的单元包括电子元件，例如功率半导体元件，所述逆变器相对于直流供电电压直接和吊线相连，其特征在于，在直流电压下，所述被控整流器桥的第二臂被再利用，以便提供降压斩波器功能，从而产生较低的电压，使得能够优选地向所述车辆的辅助变换器供电。

有利的是，所述降压斩波器被控整流器桥的被再利用的所述第二臂，具有上部半导体元件和下部半导体元件，并用这样的方式被控制，使得获得非常大的电流脉动，以便使输出电感线圈上的输出电流反向。于是，半导体元件的导通在零电流下实现，并且二极管的转换在过零期间以温和的方式实现，从而消除所述半导体元件导通时以及相应的二极管截止时的开关损失。用这种方式，能够有利地增加开关频率。

优选地，实际使用的臂的数量取决于选择的电压，所述数量借助于其打开或闭合位置取决于所述选择的电压的多个接触开关来实现。

所述逆变器可以是三相的，并且可以具有两个电压等级，可以包括3个臂。

本发明的第三个目的旨在提出对于来自吊线的交流与/或直流多电压电源的一种处理，旨在借助于至少一个推进链提供铁路车辆的电动机所需的电压，所述铁路车辆最好是机车，所述推进链具有模块电路图，其包括多个基本电源臂，每个所述的臂包括至少一个相对于高压被反向偏置的二极管和半导体元件，并且其可以根据不同的供电电压功能借助于优化所使用的所述臂的数量被重构，此外所述电源在由吊线供电的电源变压器和所述车辆的电动机之间的电源电路中，按照顺序包括被控整流器桥，其每个臂包括至少一个反向二极管，用于将经变压器由吊线提供的交流电压整流成为直流电压，一个基本上无功的输入滤波器，也可以具有限幅功能的制动斩波器，以及多相逆变器，这些不同的单元包括电子元件，例如功率半导体元件，所述逆变器相对于直流供电电压直接和吊线相连，其特征在于，在最低频率的交流电压下，最好在15kVac/16Hz 2/3的交流电压下，和串联电感线圈结合使用、用于滤除由被控整流器产生的两倍基频的谐波的电容器被再利用，以便增加在其它的供电电压下用于对直流电压滤波的电容器的值，所述滤波器被称为“2f滤波器”，所述2f滤波器在其它的交流或直流电压下是不需要的。

按照本发明的各种处理可以用特别有利的方式被组合使用，用于从包括至少以下电压的组中选择的多电压推进链：25kVac/50Hz，15kVac/16Hz 2/3，3kVdc和1.5kVdc。

本发明还涉及一种旨在用于实施本发明的各种处理的装置。所述组成推进链的装置包括，至少按照顺序，在由吊线供电的电源变压器和所述车辆的电动机之间的电源电路中，所述吊线能够提供多个电网电压，交流的或直流的，所述电路包括多个接触开关，用于选择给定的吊线电压：

-被控整流器桥，最好是具有强制转换(FSMB)的单相桥；

-基本上无功的输入滤波器，最好至少包括电容与/或至少一个电感线圈；

-也能够包括限幅功能的制动斩波器；

-多值多相逆变器，最好是三相；

-电子元件，最好是IGBT型的功率半导体元件，每个元件属于模块电路图的至少一个基本的电源臂。

附图说明

图1是从吊线到推进链(n＝4)的铁路车辆的一般的电源电路图，所述车辆最好是机车。推进链数为1，其中包括电动机M，这些被详细地示出了；

图2表示按照本发明的优选实施例的图1的一种改型；

图3示意地表示用于产生辅助变换器的下降斩波器的FSMB的一个可逆臂；

图4以时间的函数表示在图3中表示的辅助变换器的可逆臂的输出端的电流和电压。

具体实施方式

构成本发明的基本构思如下：假定多电压推进链的电源电路的电路图必须专门对于每个供电电压被重构，并假定所述电源电路是模块式的，并且包括一定数量的基本臂，所述臂的一个或几个臂在每个给定的供电电压下被再利用，用于提供在所述的供电电压下必须被理想地完成的功能。应当注意，在这种情况下被再利用的臂或者是剩余的和不需要的，或者在所述供电电压下已经具有确定的功能。

在本发明的优选实施例的情况下重构的电路图如图1所示。

电压在交流形式的(25千伏-50赫兹或15千伏-16赫兹2/3)或直流形式的(3千伏或1.5千伏)吊线1上被分接。

由吊线1对电源变压器提供交流电流。所述变压器包括数量和要被供电的推进链(11，12，13，14)的数量相同的二次绕组和可能的辅助二次绕组(15，16)，例如用作第二变换器的交流电源(CVS)或者提供火车的供热。在图1中详细地示出了关于推进链的完整的电路图，其中其余的相同的图部分未示出(Prp2，Prp3，Prp4)。

提出的解决方案使得在25千伏-50赫兹下进行操作时只有6个臂是严格需要的，在其它电压的情况下则再利用它们。在该图中，向每个推进链M供电的三相逆变器直接和吊线直接相连。

下面说明在各种电压下这些臂的用途：

在25千伏-50赫兹交流

我们使用：

-被控整流器FSMB：其由两个臂或半桥(A1，A2)构成；

-用于推进电动机的电源逆变器：由3个臂(C1，C2，C3)构成；

-制动斩波器(B)：由斩波器臂构成；

-辅助变换器AC(CVS)：和主变压器的专用低压绕组15相连

在这种结构中，接触开关34闭合，以便对全控整流桥(A1，A2)提供50赫兹的交流电压。整流电压借助于容性输入滤波器(A3，闭合的接触开关25)供给制动斩波器(B)，然后供给逆变器(C1，C2，C3)。

在15千伏-16赫兹2/3交流

我们使用：

-被控整流器(A1，A2)：其由两个臂或半桥构成；

-用于推进电动机的电源逆变器：由3个臂(C1，C2，C3)构成；

-AC CVS：和主变压器的专用低压绕组15相连。

在这种结构中，接触开关35闭合，以便对全控整流桥(A1，A2)提供16赫兹2/3交流电压。交流电压借助于无功输入滤波器被提供，即容性/感性滤波器(A3，电感线圈L，接触开关25打开)然后提供给逆变器(C1，C2，C3)。

在3千伏直流

我们使用：

-用于推进电动机的电源逆变器：由3个臂(C1，C2，C3)构成；

-制动斩波器和限幅器(B与/或A1)：由斩波器臂构成；

-DC CVS：由降压斩波器供电，所述斩波器由FSMB第二臂构成(A2，接触开关24在CVS上闭合)。这是一个可逆的斩波器臂。

在1500V DC

我们使用：

-用于推进电动机的电源逆变器：由3个臂(C1，C2，C3)构成；

-制动斩波器和限幅器(B)：由斩波器臂构成；

-升压斩波器可以由FSMB(A1)的第一臂构成；

-DC CVS由降压斩波器供电，所述斩波器由FSMB第二臂构成(A2，接触开关24在CVS上闭合)。这是一个可逆的斩波器臂。

因此，CVS不需要3千伏级，并且只包括由小于1000V的电压供电的元件(工业元件)。换句话说，不需要在推进链和辅助变换器上分离高压级。

这些臂利用最少的接触开关被重构，并且在由逆变器的输入电容器和由半导体元件构成的臂构成的环路中不设置接触开关，从而不强制使用缓冲器。

可以通过第一FSMB臂A1向推进链1提供吊线电压(接触开关23闭合)。在这种情况下，第一FSMB臂A1的二极管D1使得能够确保在制动时电流不会返回吊线。这种结构还使得能够通过吊线对辅助变换器连续供电，同时确保没有电流返回吊线。如果需要，可以通过简单地控制和二极管并联的IGBT半导体元件把这个臂重构成为升压斩波器。如果其它的1500V DC电网需要恢复制动，则控制导通IGBT便足够了。

在该电路中设置二极管还使得能够减少在直流电网中的短路电流。具体地说，如果在推进链1上存在短路，则其它推进链的电容器不再向所述短路放电。

使用可逆臂构成辅助变换器的降压斩波器使得能够允许相当大的电流脉动，并允许输出电流在输出感应线圈中反向。

因此，半导体元件的导通在零电流时实现，并且在过零期间，以温和的方式实现二极管的转换。

图2表示一个优选实施例，其中去除了输入电感线圈，由电源变压器的二次侧代替。在这种情况下，观察到在逆变器的输入端和所述二次侧之间出现直接连接。

图3和图4分别表示原理图和操作方式。

最后，应当指出在最低频率的交流电压，一般是15千伏-16赫兹2/3下，和串联电感(“滤波器2f”，A3)结合使用的电容器的有利的再利用，用于滤除由被控整流器在直流电压上产生的两倍的基波频率。这个滤波器在其它的交流电压(较高的频率)和直流电压下是不需要的。所述电容器用这种方式被再利用，使得增加用于对直流电源进行低通滤波的电容器的值，从而提供在吊线上被滤除的电流的可接受的谐波含量，或者在直流母线上的电压振荡。

Claims (13)

1.一种对于来自吊线的交流与/或直流多电压电源的处理，旨在借助于至少一个推进链对铁路车辆的电动机提供所需的电压，所述车辆最好是机车，所述推进链具有模块电路图，其包括多个基本电源臂，每个所述的臂包括至少一个相对于高压被反向偏置的二极管和半导体元件，并且其可以根据不同的供电电压功能借助于优化所使用的所述臂的数量被重构，此外，所述电源在由吊线供电的电源变压器和所述车辆的电动机之间的电源电路中，按照顺序包括被控整流器桥(A1，A2)，其每个臂包括至少一个反向二极管(D1，D2)，用于将经变压器由吊线提供的交流电压整流成为直流电压，一个基本上无功的输入滤波器(A3)，还可以具有限幅功能的制动斩波器(B)，以及多相逆变器(C)，这些不同的单元包括电子元件，例如功率半导体元件，所述逆变器(C)相对于直流供电电压直接和吊线相连，其特征在于，在制动操作方式期间，在吊线的直流电压下的所述被控整流器桥的第一臂(A1)的二极管(D1)被再利用，以便阻止电能被吊线回收。

2.如权利要求1所述的处理，其特征在于，在低的直流电压下的被控整流器桥的第一臂(A1)被再利用，以便提供升压斩波器功能，使得能够在所述低的直流电压下增加所述推进链的功率。

3.如权利要求2所述的处理，其特征在于，电源变压器的二次侧被回收，以便实现升压斩波器的输入电感线圈的功能。

4.如权利要求1所述的处理，其特征在于，在制动操作方式期间，借助于使和所述二极管并联的半导体元件的导通来短路所述二极管(D1)，使得由吊线进行电能的回收。

5.如权利要求1所述的处理，其特征在于，在直流电压下，在推进链上的可能短路期间，所述二极管(D1)可用于减少由其它推进链的电容器提供的短路电流。

6.如权利要求1所述的处理，其特征在于，所述二极管(D1)阻止当所述滤波器被偶然激励时在直流电压下在输入滤波器中发生的电流振荡，借以减少所述滤波器的谐波电流。

7.一种对于来自吊线的交流与/或直流多电压电源的处理，旨在借助于至少一个推进链提供铁路车辆的电动机所需的电压，所述铁路车辆最好是机车，所述推进链具有模块电路图，其包括多个基本电源臂，每个所述的臂包括至少一个相对于高压被反向偏置的二极管和半导体元件，并且其可以根据不同的供电电压功能借助于优化所使用的所述臂的数量被重构，此外，所述电源在由吊线供电的电源变压器和所述车辆的电动机之间的电源电路中，按照顺序包括被控整流器桥(A1，A2)，其每个臂包括至少一个反向二极管(D1，D2)，用于将经变压器由吊线提供的交流电压整流成为直流电压，一个基本上无功的输入滤波器(A3)，也可以具有限幅功能的制动斩波器(B)，以及多相逆变器(C)，这些不同的单元包括电子元件，例如功率半导体元件，所述逆变器(C)相对于直流供电电压直接和吊线相连，其特征在于，在直流电压下，所述被控整流器桥的第二臂(A2)被再利用，以便提供降压斩波器功能，从而产生较低的电压，使得能够优选地向所述车辆的辅助变换器供电。

8.如权利要求7所述的处理，其特征在于，由所述被控整流器桥的被再利用的所述第二臂构成的所述降压斩波器具有上部半导体元件和下部半导体元件，并用这样的方式被控制，使得获得非常大的电流脉动，以便使输出电感线圈上的输出电流反向。

9.如权利要求7或8所述的处理，其特征在于，实际使用的臂的数量取决于选择的电压，所述数量借助于其打开或闭合位置取决于所述选择的电压的多个接触开关来实现。

10.如权利要求7或8所述的处理，其特征在于，所述逆变器(C)是三相的，最好具有两个电压等级，并且包括3个臂(C1，C2，C3)。

11.一种对于来自吊线的交流与/或直流多电压电源的处理，旨在借助于至少一个推进链提供铁路车辆的电动机所需的电压，所述铁路车辆最好是机车，所述推进链具有模块电路图，其包括多个基本电源臂，每个所述的臂包括至少一个相对于高压被反向偏置的二极管和半导体元件，并且其可以根据不同的供电电压功能借助于优化所使用的所述臂的数量被重构，此外所述电源在由吊线供电的电源变压器和所述车辆的电动机之间的电源电路中，按照顺序包括被控整流器桥(A1，A2)，其每个臂包括至少一个反向二极管(D1，D2)，用于将经变压器由吊线提供的交流电压整流成为直流电压，一个基本上无功的输入滤波器(A3)，也可以具有限幅功能的制动斩波器(B)，以及多相逆变器(C)，这些不同的单元包括电子元件，例如功率半导体元件，所述逆变器(C)相对于直流供电电压直接和吊线相连，其特征在于，在最低频率的交流电压下，最好在15kVac/16Hz 2/3的交流电压下，和串联电感线圈结合使用，以用于滤除由被控整流器产生的两倍基频的谐波的电容器被再利用，以便增加在其它的供电电压下用于对直流电压滤波的电容器的值，所述滤波器被称为“2f滤波器”，所述2f滤波器在其它的交流或直流电压下是不需要的。

12.按照前面任何一个权利要求所述的处理中的至少两个处理的组合使用，用于从至少包括以下电压的组中选择的多电压推进链：25kVac/50Hz，15kVac/16Hz 2/3，3kVdc和1.5kVdc。

13.一种旨在用于实施权利要求1-11任何一个所述的处理并组成推进链的装置，其特征在于，其至少包括以下元件，这些元件在由吊线供电的电源变压器和所述车辆的电动机之间的电源电路中按照顺序排列，所述吊线能够提供多个交流的或直流的电网电压，所述电路包括多个接触开关，用于选择给定的吊线电压：

-被控整流器桥(A1，A2)，最好是具有强制转换(FSMB)的单相桥；

-基本上无功的输入滤波器(A3)，最好至少包括一个电容器与/或至少一个电感线圈；

-也能够包括限幅功能的制动斩波器(B)；

-多值多相逆变器(C1，C2，C3)，最好是三相；

-电子元件，最好是IGBT型的功率半导体元件，每个元件属于模块电路图的至少一个基本的电源臂。

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