CN205377680U - 用于铁路车辆的辅助电源系统和辅助转换器组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及用于铁路车辆的辅助电源系统和辅助转换器组件。一种用于铁路车辆(10)的辅助电源系统(24)，包括：AC到AC转换器(26)，其包括可连接到变压器(16)的公共绕组(22)上的整流器(28)，以及用于将来自相应的整流器(28)的DC电压转换成多相AC输出电压的逆变器(34)；其中AC到AC转换器(26)包括LC输出滤波器(36)，其带有连接在逆变器(34)的各个输出相中的相电感器(104)和连接到各个输出相且连接到星形点(108)的相电容器(106)；其中星形点(108)经由接地电阻器(110)和接地电容器(112)的串联连接接地。

Description

用于铁路车辆的辅助电源系统和辅助转换器组件

技术领域

本实用新型涉及大功率电子装置的领域。具体而言，本实用新型涉及可机载安装在铁路车辆上的辅助电源系统及其组件。

背景技术

本实用新型涉及机载安装在铁路车辆或轨道车辆上以用于向安装在铁路车辆中的辅助电气设备供能的辅助电源系统的领域。

铁路车辆通常包含多个辅助电气设备，以用于设备冷却、乘客舒适性、餐车、照明、制动/安全相关的功能等。存在借助于使用静态功率转换器(下文称为辅助转换器)来对那些辅助电气设备供能的若干方法。

由AC电源供能的铁路车辆通常具有机载牵引变压器，其还包含用于辅助电源的绕组。来自变压器的辅助电源在给送辅助电气设备之前由辅助电源系统进一步处理。在一些情况中，辅助电源系统包括若干平行的辅助转换器，其连接到相同的辅助绕组上，而没有用于冗余的电流隔离，且优化了安装设备的量。

此类多个转换器大体上具有非对称的负载分布，且可生成共模电压，这可不利于整个系统的绝缘完整性。具体而言，对于带有线路整流控制的整流器的转换器，输入线路电压可远高于中间DC链路电压。由于输入整流器的发射角可能由于转换器之间的非对称负载而并未与彼此同步，故可生成共模电压。该共模电压可除由电压源逆变器(其振幅和上升比率可由DC链路电压和使用的功率半导体的切换特征限定)生成的切换频率调制共模电压之外生成。

克服上面提到的问题的一个途径在于根据预计的共模电压应力水平来确定整个系统的绝缘的大小。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于牵引应用的辅助转换器，其仅生成低的共模电压应力。

本实用新型的另一个目的在于提供一种用于牵引应用的辅助转换器，其是紧凑的、重量轻的，具有有效的冷却设备，且构造有稳健的柜。

这些目的通过独立权利要求的主题实现。其它示例性实施例从从属权利要求和以下详细中清楚。

本实用新型的第一方面涉及一种用于铁路车辆的辅助电源系统。辅助电源系统可从变压器供应，例如，变压器从悬链线接收其电力。辅助电源系统的构件可布置在铁路车辆的机房内。

根据本实用新型的实施例，辅助电源系统包括AC到AC转换器，其适于将单个AC输入电压转换成多相AC输出电压。AC到AC转换器包括用于将单相AC电压转换成DC电压的整流器，该整流器可连接到变压器的公共绕组上，以及用于将来自相应整流器的DC电压转换成多相AC输出电压的DC到AC逆变器。DC到AC逆变器包括带有连接在逆变器的各个输出相中的相逆变器的LC输出滤波器和连接到各个输出相上且连接到星形点的相电容器，其中星形点经由接地电阻器和接地电容器的串联连接接地。

整流器为受控的整流器(线路整流的整流器)或半受控的整流器，即，其可包括带有可控的半导体开关(如，晶闸管)的一个半桥和带有二极管的另一个半桥。线路整流可利用单相非对称半受控整流器来执行。

整流器和逆变器可与DC链路互连。中间DC链路可包括LC滤波器，以使整流器输出电压平滑且还减小线路电路中的谐波。DC链路还可包括电压限制单元，以在动态振荡期间限制过压，且在停机期间主动地使DC链路放电。

逆变器可为电压源逆变器，其利用将IGBT用作半导体开关的三相半桥形态来实现。逆变器可利用脉宽调制控制，例如，以生成三相正弦加权AC输出电压。

AC输出中的切换频率涟波利用低通LC滤波器来过滤。LC滤波器输出处的所得电压波形可几乎没有高频分量。

LC滤波器的星形点连接可利用带有串联的电阻器和电容器的铁路车辆的等电势基准来接地，这限制和分配共模电压，且/或其减小循环电流的大小。以此方式，共模电压最佳地在AC输出相上分布。此外，共模电压的上升速率限于低值(如，小于20V/us)。

特别地，当若干AC到AC转换器的若干线路整流受控整流器并联连接时，经由接地电阻器和接地电容器的接地可限制共模电压对公共绕组的冲击，而不另外需要电流分离。

根据本实用新型的实施例，接地电容器与另一个、第二接地电阻器并联连接。另一个接地电阻器可与第一接地电阻器串联连接。

根据本实用新型的实施例，星形点与在整流器与逆变器之间互连的分流DC链路的中性点互连。以此方式，还可限制整流器的输入处的共模电压。

根据本实用新型的实施例，各个输出相的逆变器包括并联连接的两个半桥，各个半桥均包括在它们之间提供中点的两个串联连接的半导体开关。中点经由共模扼流圈与相应的输出相连接，共模扼流圈包括各个半桥的电感器，电感器被电感地耦合。

逆变器可利用硬并联的半导体开关(诸如，IGBT)实现，即，两个半桥的并联的半导体开关可由一个栅极驱动控制。共模扼流圈用于平衡两个并联的半导体开关之间的电流。电流平衡可在不采用独立的栅极驱动或主动电流平衡控制的情况下实现。

根据本实用新型的实施例，辅助电源系统包括可并联连接到其输入处的公共绕组上的至少两个单相AC到三相AC转换器。可能的是辅助电源系统包括两个或更多个AC到AC转换器，它们所有都可如上文和下文所述那样设计。两个或更多个AC到AC转换器可布置在一个公共或独立的柜或两者的组合中。

例如，各个AC到AC转换器可生成用于辅助电气设备的三相正弦滤波的AC输出。

两个或更多个AC到AC转换器可连接到其输入处的变压器的公共绕组上，其在它的副侧上还包括与适用于供应用于驱动铁路车辆的电动机的牵引转换器连接的其它绕组。

此外，辅助电源系统可包括电池充电器，以用于生成DC输出来对车辆电池充电，且对铁路车辆中的DC辅助负载供能。电池充电器的输入可连接到AC到AC转换器的一个或更多个AC输出上，可选在它们中的一个故障的情况下在转换器之间切换。因此，牵引变压器的公共绕组可对所有AC到AC转换器供能，且一个AC到AC转换器可对电池充电器供能。

电池充电器的DC输出可与AC到DC转换器的AC输出电流隔离。例如，电池充电器可包括电流隔离的变压器。

本实用新型的另一个方面涉及用于铁路车辆的辅助转换器组件。辅助转换器组件可包括如上文和下文所述的辅助电源系统，或布置在柜中的至少其构件，其可附接到铁路车辆的发动机房内。

根据本实用新型的实施例，辅助转换器组件还包括承载AC到AC转换器的半导体开关的功率半导体模块。辅助转换器组件的功率部分可配备有可取回的功率半导体模块(电力电子标准模块,PEBB)和/或模块化子组件。复杂的功率电子电路可由保养友好的模块化智能可再配置且可靠的功率处理平台替换。可取回的功率半导体模块的使用可导致较低的替换时间，由此将停机时间减到最低。这些功率模块连同其控制器可提供针对需要的牵引功率转换系统的高速控制要求的优化解决方案。

根据本实用新型的实施例，各个功率半导体模块包括用于冷却半导体开关的热沉。将理解的是，热沉还可看作是用于从相应装置吸收热的换热器，其冷却且将这些热与诸如空气的其它介质交换。

辅助转换器组件还包括柜，功率半导体模块附接到柜上，使得功率半导体在柜内，且热沉从柜突出。辅助转换器组件还包括盖，其覆盖热沉，且其提供用于以空气冷却热沉的第一空气导管。辅助转换器组件的模块可通过强制对流来冷却，使用了用于设备冷却的铁路车辆中可用的独立的新鲜空气流。

根据本实用新型的实施例，辅助转换器组件还包括用于生成柜内的内部空气流的风扇、在柜内且在空气流中的换热器，该换热器附接到柜的壁上。用于以空气冷却柜的壁的第二空气导管设在柜中。辅助转换器组件还可设有一个或更多个内部搅拌风扇，以经由空气循环内部空气至其它内部空气换热器，以与外部环境交换辅助转换器的内部损失，由此通过降低内部环境温度和避免形成局部热点来延长构件的使用寿命。第二空气导管还可通过利用用于设备冷却的铁路车辆中可用的独立新鲜空气流的强制对流来冷却。

辅助电源系统的主要控制器还可布置在柜内。主控制器可利用数字系统构架基于微控制器和/或FPGA实现，其可提供强大计算资源和/或允许操作和交互简便的通信接口。控制信号连同状态变量测量结果和/或各种命令可使用公共通信协议传输，该协议允许系统的即插即用(PnP)能力，带来了模块性、可再配置性和可再使用性。车辆控制单元与主控制器之间的通信可通过设在转换器柜内的网关执行。

根据本实用新型的实施例，辅助转换器组件还包括另一个风扇，其布置在第一空气导管内。例如，在转换器的顶部上使用一个或更多个冷却风扇以消除附加的压降，且由于使用第一空气导管中的热沉而实现所需的空气流，该热沉可具有高鳍片密度。

根据本实用新型的实施例，第一空气导管在柜的底部处开始，且在柜的顶部处引导至柜的后侧。此外，第二空气导管可布置在柜的后侧处。由铁路车辆提供的空气流可在柜的底部处进入两个导管，且可在后侧处离开辅助转换器组件。

根据本实用新型的实施例，功率半导体模块包括以下中的至少一个：整流器模块、逆变器模块、电池充电器模块。

整流器的半导体开关和/或逆变器的半导体开关可布置在可容易地替换的单独的功率半导体模块上。另外，电池充电器的半导体开关可布置在电池充电器模块上。

根据本实用新型的实施例，柜包括带有金属板的框架，金属板提供柜的壁，其中金属板铆接到框架上。辅助转换器组件的柜可基于铆接构造，该构造抵抗振动和冲击，使得柜适于在需要牵引应用中安装。

本实用新型的这些及其它方面将从下文描述的实施例中清楚且参照这些实施例来说明。

附图说明

本实用新型的主题将在以下文本中参照在附图中示出的示例性实施例更详细地阐释。

图1示意性地显示了根据本实用新型的实施例的辅助电源系统的电路图。

图2显示了根据本实用新型的实施例的辅助转换器组件的透视图。

图3显示了图1的辅助转换器组件的分解图。

图4显示了图1的辅助转换器组件的内部的零件的前视图。

图5显示了根据本实用新型的实施例的辅助转换器组件的示意性截面图。

图6显示了根据本实用新型的实施例的用于辅助电源系统的接地逆变器的电路图。

图7A显示了根据本实用新型的实施例的用于辅助转换器组件的整流器模块的透视图。

图7B显示了图7A的整流器模块的电路图。

图8A显示了根据本实用新型的实施例的用于辅助转换器组件的逆变器模块的透视图。

图8B显示了图8A的逆变器模块的电路图。

图9A显示了根据本实用新型的实施例的用于辅助转换器组件的电池充电器模块的透视图。

图9B显示了图9A的电池充电器模块的电路图。

附图中使用的参考标号和其意义以简要形式在参考标号列表中列出。原则上，相同的部分在附图中设有相同的参考标号。

零件列表

10铁路车辆

12悬链线

14轮

16牵引变压器

18初级绕组

20用于牵引的次级绕组

22辅助次级绕组

24辅助电源系统

26AC到AC转换器

28整流器

30DC链路

32电压限制器单元

34逆变器

36正弦滤波器

38输入保险丝

40DC链路电容器

42DC链路扼流圈

44AC到AC转换器的输入

46AC到AC转换器的输出

48负载分配接触器

50电池充电器

52电池充电器的输入

54输入保险丝

56输入电感器

58输入整流器

60DC链路

61逆变器

62变压器

64输出整流器

66输出滤波器

68电池充电器的输出

70控制器

72辅助转换器组件

74辅助转换器组件

76框架

78金属板

80柜

82平盖

84突出盖

86功率半导体模块

86a逆变器模块

86b整流器模块

86c电池充电器模块

88开口

90模块的内部零件

92热沉

94第一空气导管

96第二空气导管

97风扇

98风扇

100柜的内部空间

102内部换热器

104滤波器电感器

106滤波器电容器

108滤波器的星形点

110第一接地电阻器

112接地电容器

114第二接地电阻器

116中性点

118双半桥

120单半桥

122中点

124共模扼流圈

126半桥

128连接。

具体实施方式

图1显示了铁路车辆10，其经由悬链线12接收其电力，且经由它的轮14接地。例如，悬链线可提供50Hz的25kV或以162/3Hz的15kV。

铁路车辆的牵引变压器16包括在悬链线12与轮14之间互连的初级绕组18，在四个次级牵引绕组20处提供牵引电流，且在次级辅助绕组22处提供辅助功率。牵引绕组20与牵引转换器(未显示)互连。

辅助绕组22与辅助电源系统24互连，该系统24包括三个AC到AC转换器26，转换器26连接到辅助绕组22上。即，辅助绕组22为用于三个AC到AC转换器26的输入的公共绕组。

各个AC到AC转换器26包括整流器28、DC链路30、电压限制单元32、逆变器34和正弦滤波器36，它们级联连接。

各个整流器28为半控制整流器，且经由输入保险丝38与辅助绕组22连接。DC链路包括DC链路电容器40和DC链路扼流圈42，扼流圈42包括经由公共芯耦合的两个电感器。

例如，各个AC到AC转换器26从变压器16在其输入44处接收50Hz下大约1000V的单相输入电压，且在其输出46处生成三相基本正弦AC输出电压。

AC到AC转换器26中的一个经由负载分配接触器48与电池充电器50连接。利用负载分配接触器48，来自AC到AC转换器26的三相输出电压可在电池充电器50的输出46与输入52之间切换。

电池充电器50包括输入保险丝54、输入电感器56、输入整流器58、DC链路60、逆变器61、电流隔离变压器62、输出整流器64和输出滤波器66，它们级联连接。例如，在电池充电器的输出68处，其提供带有大约12.1kW的最大功率的大约110V的DC电压。

AC到AC转换器26中的每一个和电池充电器50都包括控制器70。

图1中显示的上面的AC到AC转换器26(除了它的DC链路扼流圈42)布置在第一辅助转换器组件72中。

图1中显示的两个下面的AC到AC转换器(除了它们的DC链路扼流圈42)和电池充电器50布置在图2中显示的另一个辅助转换器组件74中。

辅助转换器组件74包括框架76，框架76带有铆接到框架76上的金属板78。框架76和金属板78提供用于辅助转换器组件74的柜80，其中金属板78提供壁。

此外，若干平盖82附接(例如，螺接)到柜80上，这允许通向柜80的内部。此外，两个突出的盖84附接到柜80的前部上。

如图3中所示，图3显示了没有盖84的图2的辅助转换器组件的分解图，盖84覆盖容纳在柜80中的功率模块86。具体而言，各个功率半导体模块86附接在前金属板78的开口88中，使得其至少基本气密性地密封开口88，且使得承载功率半导体的零件90突入柜80的内部中，且用于冷却功率半导体的热沉92从柜80突出。盖84(见图2)形成空气导管94，这将关于图5更详细地描述。

模块86为用于逆变器34的两个逆变器模块86a、用于逆变器28的两个整流器模块86b，以及用于电池充电器50的电池充电器模块86c。

图4显示了除去盖82,84和模块86的辅助转换器组件74的前视图。在柜80的内部中，例如，可布置控制器70、开关装置如负载分配开关48，以及其它构件如滤波器36。

图5显示了辅助转换器组件74的截面视图。柜80提供了两个空气导管94,96，其在柜的底部处供有来自铁路车辆10的外部空气供应源的空气流。

第一空气导管94设在柜80的前部处，在前金属板78与前盖84之间。热沉92布置在第一空气导管94内，且由空气流冷却。在顶部处，第一空气导管94弯曲，且行进至柜80的后部。在第一空气导管94的该顶部中，一个或更多个风扇97布置成补偿热沉92引起的空气流中的压降。

柜80的内部100基本气密性密封，且包括用于在内部100循环空气的一个或更多个内部风扇98。在柜80的后侧处，内部换热器102布置在内部100中，其适于将热消散到第二空气导管96中，导管96在柜80的后侧处行进。

图6显示了一个AC到AC转换器26的DC链路30、逆变器34和正弦滤波器36的一部分的电路图。

正弦滤波器36为LC滤波器，其包括逆变器34的每个输出相中的滤波器电感器104，且其包括用于在一端处连接到相而在另一端处连接到星形点108上的各个相的滤波器电容器106。星形点经由串联连接的第一接地电阻器110和接地电容器112，以及并联连接到接地电容器112上且与第一接地电阻器110串联连接的第二接地电阻器114接地。逆转器34的输出相中的共模电压可至少部分地由此接地电路补偿。

DC链路30为带有两个串联连接的电容器40的分流DC链路，其提供它们之间的中性点116。中性点116连接到滤波器36的星形点108上。

对于各个相，为电压源逆变器的逆变器34包括双半桥118，其中的每一个均包括并联连接到DC链路30的输出上的两个单半桥120。各个单半桥120包括提供中点122的上半导体开关和下半导体快关，中点122连接到逆变器34的相输出上。中点122经由共模扼流圈124连接，扼流圈124用于平衡来自两个单半桥120的电流。各个双半桥118的上半导体开关和下半导体开关硬并联，即，上半导体开关和下半导体开关分别利用相同门信号控制。

图7A显示了用于整流器28的整流器模块86b的透视图，且图7B示出了带有由整流器模块86b承载的构件和功率半导体的电路图。整流器模块86b和/或整流器28包括并联连接的两个半桥126，其中一个半桥126可受控，即，包括可控制的半导体开关，而另一个半桥126包括二极管。

图8A显示了用于逆变器34的逆变器模块86a的透视图，且图8B显示了带有由逆变器模块86a承载的构件和功率半导体的电路图。如已经关于图6所描述的，逆变器模块86a和/或逆变器34包括用于输出相的三个双半桥118。此外，逆变器模块86a和/或逆变器34包括供应电压限制器单元32的单半桥126。

此外，逆变器模块86a承载DC链路30的DC链路电容器40。

图9A显示了用于电池充电器50的电池充电器模块86c的透视图，且图7B显示了带有由电池充电器模块86c承载的构件和功率半导体的电路图。电池充电器模块86承载用于输入整流器58的三个半桥126、DC链路60、用于逆变器61的两个可控半桥126、至变压器62的连接128，以及输出整流器64的两个半桥。

尽管在附图和前述描述中已经详细示出和描述了本实用新型，但此图示和描述将认作是示范性或示例性的，而非限制性的；本实用新型不限于所公开的实施例。公开实施例的其它变型可由本领域的技术人员理解和实现，且从附图、公开内容和所附权利要求的研究中实践提出的本实用新型。在权利要求中，词语“包括”并未排除其它元件或步骤，且词语“一”或“一个”并未排除多个。单个处理器或控制器或其它单元可实现权利要求中叙述的若干项目的功能。某些措施在互不相同的从属权利要求中叙述的实施并未指出这些手段的组合不可有利使用。权利要求中的任何参考标号不应当看作是限制范围。

Claims (11)

1.一种用于铁路车辆(10)的辅助电源系统(24)，所述辅助电源系统(24)包括：

AC到AC转换器(26)，其适用于将单个AC输入电压转换成多相AC输出电压，所述AC到AC转换器(26)包括可连接到变压器(16)的公共绕组(22)上的整流器(28)，以及用于将来自相应的整流器(28)的DC电压转换成所述多相AC输出电压的逆变器(34)；

其中所述逆变器(34)包括LC输出滤波器(36)，其带有连接在所述逆变器(34)的各个输出相中的相电感器(104)和连接到各个输出相且连接到星形点(108)的相电容器(106)；

其中所述相电容器(106)连接到其上的所述星形点(108)经由接地电阻器(110)和接地电容器(112)的串联连接接地。

2.根据权利要求1所述的辅助电源系统(24)，

其特征在于，所述接地电容器(112)与另一个接地电阻器(114)并联连接。

3.根据权利要求1所述的辅助电源系统(24)，

其特征在于，所述星形点(108)与在所述整流器(28)与所述逆变器(34)之间互连的分流DC链路(30)的中性点(116)互连。

4.根据权利要求1所述的辅助电源系统(24)，

其特征在于，用于各个输出相的所述逆变器(34)包括并联连接的两个半桥(120)，各个半桥(120)均包括在它们之间提供中点(122)的两个串联连接的半导体开关；

其中所述中点(122)经由共模扼流圈(124)与相应的输出相连接，所述共模扼流圈(124)包括用于各个半桥(120)的电感器，所述电感器被电感地耦合。

5.根据权利要求1所述的辅助电源系统(24)，

其特征在于，所述辅助电源系统(24)包括可并联连接到所述公共绕组(22)上的至少两个AC到AC转换器(26)。

6.一种用于铁路车辆(10)的辅助转换器组件(74)，所述辅助转换器组件包括：

根据权利要求1的辅助电源系统(24)；

功率半导体模块(86)，其承载至少一个AC到AC转换器(26)的半导体开关，其中所述功率半导体模块(86)包括用于冷却所述半导体开关的热沉(92)；

柜(80)，所述功率半导体模块(86)附接到其上，使得所述功率半导体在所述柜(80)内，且所述热沉(92)从所述柜(80)突出；以及

盖(48)，其覆盖所述热沉(92)且其提供用于以空气冷却所述热沉(92)的第一空气导管(94)。

7.根据权利要求6所述的辅助转换器组件(74)，其特征在于，还包括：

用于生成所述柜(80)内的内部空气流的风扇(78)；

在所述柜(80)内且在所述空气流中的换热器(102)，其附接至所述柜(80)的壁；

用于以空气冷却所述柜的所述壁的第二空气导管(96)。

8.根据权利要求6所述的辅助转换器组件(74)，其特征在于，还包括：

另一个风扇(97)，其布置在所述第一空气导管(94)内。

9.根据权利要求6所述的辅助转换器组件(74)，

其特征在于，所述第一空气导管(94)在所述柜(80)的底部处开始，且在所述柜的顶部处被引导至所述柜的后侧；以及/或者

其中第二空气导管(96)布置在所述柜(80)的后侧处。

10.根据权利要求6所述的辅助转换器组件(74)，

其特征在于，所述功率半导体模块包括以下中的至少一个：

整流器模块(86b)、逆变器模块(86a)、电池充电器模块(86c)。

11.根据权利要求6所述的辅助转换器组件(74)，

其特征在于，所述柜(80)包括带有提供所述柜(80)的壁的金属板(78)的框架(76)；

其中所述金属板(78)铆接至所述框架(76)。