專利名稱：多系統(tǒng)驅(qū)動車的變壓器和饋送電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多系統(tǒng)驅(qū)動車領(lǐng)域。它涉及一種如在專利權(quán)利要求1前序部分所述的變壓器、一種制造所述變壓器的方法、以及一種如在專利權(quán)利要求7前序部分所述的饋送電路。
背景技術(shù)：
多系統(tǒng)驅(qū)動車用于這樣一些情況中其中，在旅行期間，系統(tǒng)電壓與/或系統(tǒng)頻率是變化的。在歐洲大陸，特別是，25kV/50Hz或15kV/16.7Hz交流電壓系統(tǒng)與3kV或1.5kV直流電壓饋電網(wǎng)共存。在交流運行期間，通過一個變壓器把接觸線電壓變換到所希望的值，并把其饋送到一個頻率轉(zhuǎn)換器或一個四象限調(diào)節(jié)器。所述四象限調(diào)節(jié)器反過來提供一個直流電壓中間電路，以此為出發(fā)點，由一個負(fù)載轉(zhuǎn)換器或一個脈沖調(diào)制三相交流逆變器控制驅(qū)動電機。在直流運行期間，把接觸線直流電壓直接或經(jīng)升壓轉(zhuǎn)換器或降壓轉(zhuǎn)換器饋送到中間電路。上述的轉(zhuǎn)換器和電源控制器包括基于半導(dǎo)體的切換元件，所述切換元件在特定的時鐘周期被驅(qū)動，并從饋電網(wǎng)中獲取脈沖形狀的電流。為了防止在接觸線電流中和連接導(dǎo)軌的車的導(dǎo)軌返回線電流中這些切換操作導(dǎo)致過高的切換干擾或振蕩，通常在直流運行期間提供包括平滑線圈和平滑電容器的平滑濾波器。將所述電網(wǎng)濾波器扼流圈作為集電器和轉(zhuǎn)換器或控制器之間的平滑線圈接入。在這種情況下，根據(jù)所產(chǎn)生的干擾振蕩與電網(wǎng)側(cè)所允許的干擾電流來確定電網(wǎng)濾波器扼流圈的量值，即它的電感。通常，把所述的電網(wǎng)濾波器扼流圈作為一個具有相應(yīng)重量和空間要求的獨立單元加以提供。
EP 1 052 136 A描述了一種針對具有一個附加扼流圈的多系統(tǒng)驅(qū)動車的饋送電路。該附加扼流圈既用作在直流運行期間的電網(wǎng)濾波器扼流圈，也用作交流運行期間與變壓器次級繞阻串聯(lián)的漏電感，在交流運行期間使用附加扼流圈避免了饋電網(wǎng)絡(luò)的干擾或短路，并使變壓器本身具有較低的泄漏損耗，從而使其更為緊湊。
專利DE 38 17 652 C2公開了一種多系統(tǒng)驅(qū)動車，其中，在交流運行期間，在輸入端，把一個四象限調(diào)節(jié)器連接于主變壓器的一個次級繞組，并在輸出端，連接于一個包括共振電路扼流圈和共振電路電容器的串聯(lián)共振電路。發(fā)明人建議，在直流運行期間，把共振電路用作一個輸入濾波器，即把共振電路扼流圈用作一個電網(wǎng)濾波器扼流圈。與此同時，通過相關(guān)主繞組的短路，把變壓器的次級繞組用作針對直流電壓控制器的電源控制器扼流圈。在升壓充電之后，使用這些電源控制器扼流圈，并且在電網(wǎng)制動期間的反饋操作中，所述電源控制器扼流圈作為縱向電感具有重要意義。
EP 0 993 007 A公開了一種車用移動變壓器，其中具有同心地圍繞主繞組的次級繞組，并包括各繞組之間的冷卻通道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)在于節(jié)省多系統(tǒng)驅(qū)動車的空間與重量。可通過具有權(quán)利要求1特性的變壓器，以及具有權(quán)利要求7特性的針對多系統(tǒng)驅(qū)動車的饋送電路。
本發(fā)明的核心是允許通過牽引變壓器的一個或多個次級繞組至少部分地在直流運行期間執(zhí)行電網(wǎng)濾波器扼流圈的功能。因此，省去一個對提供切換干擾進(jìn)行有效平滑所需的電網(wǎng)濾波器電感的獨立的電網(wǎng)濾波器扼流圈是可行的。以這樣的方式配置相關(guān)的次級繞組，即其總體電感基本上貢獻(xiàn)于所需的電網(wǎng)濾波器電感，特別是，如果由于一個流動在次級繞組中的饋送直流電流使變壓器的芯飽和，因而次級繞組作為空氣空氣線圈。
根據(jù)本發(fā)明的變壓器的特征在于徑向觀察時，相對于主繞組，同心地纏繞了第一相關(guān)的次級繞組，并作為一個外部繞組。因此，使得該第一次級繞組所形成的芯的橫截面最大，因而也使其電感最大，而且沒有交流運行不必要的漏電感產(chǎn)生。
如果提供有第二次級繞組，因為，例如，也配置了第二饋送交流電壓的驅(qū)動車，那么把該第二次級繞組纏繞到第一次級繞組上，并把第二次級繞組與其串聯(lián)連接。在直流運行期間，由于第二次級繞組的附加匝數(shù)，該串聯(lián)連接反過來進(jìn)一步增加了電感。
如果在直流運行期間變壓器飽和，那么變壓器芯不再能對磁場完全地加以導(dǎo)向，以至于出現(xiàn)較多的漏磁場，特別是沿變壓器的軸向。根據(jù)相應(yīng)的最新法規(guī)與/或國家標(biāo)準(zhǔn)(例如VDE 0848，第4 A3章；OVE1119；NISV 814.710)，為了保護(hù)人和電氣設(shè)備，這樣的漏磁場，在1.5m的距離內(nèi)，最高僅達(dá)300μT(16.7Hz)、100μT(50Hz)、以及1mT(直流)的場強是可接受的。在目前情況中，出于這一原因，所需的并且由高磁導(dǎo)率材料組成的磁屏敝與變壓器外殼完全一致是有益的，后者也適合于由鋼制造。
在根據(jù)本發(fā)明的用于制造變壓器的一種方法中，除了其它的邊界條件外，在次級繞組的尺寸方面，也考慮到所需的電網(wǎng)濾波器電感。將導(dǎo)體匝的排列和順序以及次級繞組的導(dǎo)體橫截面，相對于直流運行期間流經(jīng)它們的饋送直流進(jìn)行優(yōu)化。
根據(jù)該方法的一個有益的實施方案，把變壓器外殼用作磁屏敝，并對所述外殼進(jìn)行布置使得在外殼之外，饋送直流所產(chǎn)生的磁場不超過限制值。
在一個根據(jù)本發(fā)明的針對直流運行的饋送電路中，把以上所述的次級繞組與一個集電器串聯(lián)連接，并部分地貢獻(xiàn)于電網(wǎng)濾波器電感。較佳的做法是令饋送直流使變壓器芯完全飽和，以至于與不飽和的情況相比，雖然減少了電感，但是實現(xiàn)了對應(yīng)于一個具有相同幾何尺度的空氣線圈的恒定電感。
如果變壓器包括多個繞組對，或如果每繞組對設(shè)置有可以被獨立地連接于電路中的若干次級繞組，或如果額外有輔助繞組，那么可將所有可用的繞組電感任意組合，以便獲得一個特定的、對于上述直流運行所需的電網(wǎng)濾波器電感。如果可以使用兩個不同的饋送直流電壓，那么可以特別考慮專門基于次級繞組的兩個組合的可能性。另外的有益的實施方案由附屬權(quán)利要求提出。


以下將結(jié)合附圖并參照實施方案更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。在這些附圖中圖1是針對多系統(tǒng)驅(qū)動車的三種可能的饋送電路的示意圖；圖2描述了根據(jù)本發(fā)明的一個牽引變壓器；圖3描述了取決于線圈電流的一個次級繞組的電感；以及圖4描述了在交流運行期間和直流運行期間變壓器繞組的三種可能的連接。
把附圖中所使用的參照符號組合于參照符號列表中，在所有的圖中將以相同的參照符號指示相同的部件。
具體實施例方式
圖1說明了針對多系統(tǒng)驅(qū)動車的饋送電路，以及包括接觸線11和導(dǎo)軌12的饋電網(wǎng)1。在單相位交流運行期間(圖1a)，把牽引變壓器3的主繞組31經(jīng)集電器2連接于接觸線11，并經(jīng)輪子連接于導(dǎo)軌12。在次級側(cè)，把牽引變壓器3連接于提供了具有中間電路電容器5的直流電壓中間電路的四象限調(diào)節(jié)器4，并保持中間電路電壓UZ，例如2.8kV。負(fù)載轉(zhuǎn)換器6控制驅(qū)動車的驅(qū)動器7。在直流運行期間(圖1b)，經(jīng)集電器2把電網(wǎng)濾波器扼流圈8連接于接觸線11，并經(jīng)平滑電容器9連接于導(dǎo)軌12。把直流電壓控制器10并聯(lián)地與平滑電容器9相連，上述的直流電壓控制器10提升或降低過大偏離中間電路電壓UZ的饋送直流電壓UDC，(例如1.5kV)，即，作為一個升壓或降壓控制器進(jìn)行工作。如果饋送直流電壓UDC和中間電路電壓UZ大體上是相同的，那么也可以把電網(wǎng)濾波器扼流圈8直接連接于中間電路(圖1c)。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個牽引變壓器3的示意圖。變壓器芯34在變壓器外殼33中，圍繞變壓器芯34的是四對繞組，每一個繞組對包括一個主繞組和一或多個相關(guān)聯(lián)的牽引次級繞組。分別根據(jù)饋送交流電壓選擇主繞組的相互連接。在具體的四象限調(diào)節(jié)器中，兩對繞組總是一起饋送中間電路。把一個繞組對部分地加以顯示，從內(nèi)向外可以看到不同的繞組，每一個由絕緣層加以分隔針對輔助運行的輔助線圈35、主繞組或高壓繞組31和次級繞組或低壓繞組32。變壓器外殼33用鋼制造，以屏蔽漏磁場。出于這一原因，除了在變壓器的內(nèi)部以及附加獨立磁屏蔽外，不大適合采用不繡鋼或鋁制造外殼?？紤]相當(dāng)大的垂直于變壓器的軸的漏磁場強度，與所示的同心層繞組相比不太適合采用層狀繞組(交替的扁平繞組)。
圖3中示意性地顯示了一個次級線圈的電感的分布。在線圈電流LDC具有非常小的情況下，這一電感是高的，但從某一飽和線圈電流開始，變壓器芯完全飽和，次級線圈的電感LS呈現(xiàn)常數(shù)值LDC。這一電感反抗轉(zhuǎn)換器中切換操作所產(chǎn)生的電流波動。
最后，圖4示意性地描述了根據(jù)本發(fā)明變壓器的兩對繞組。從圖4a中可以明顯地看出，兩對繞組的主繞組31、31′并聯(lián)地連接在那里。但在其它的情況中，也可以把它們串聯(lián)地連接，或把它們組合，以形成一個單一的主繞組，即提供于一個主繞組31、31′的交流電壓可以，但不必等于饋電網(wǎng)的饋送電壓。在次級側(cè)，設(shè)置有第一次級繞組321、321′和第二次級繞組322、322′。在交流運行期間(圖4a)，在50Hz僅使用第一次級繞組321、321′，即分別在接線端2U1和2V1(50Hz)或2U2和2V2(50Hz)拾取(abgreifen)次級電壓。在16.7Hz的電網(wǎng)頻率下兩個次級繞組321、322把每一個繞組對的321′、322′串聯(lián)連接，并使用接線端2U1和2V1(16.7Hz)或接線端2U2和2V2(16.7Hz)。在3kV(圖4b，不再說明主繞組)饋送電壓的直流運行期間，把兩對繞組的兩個次級繞組串聯(lián)地連接。因而可以在接線端X11和X12之間獲得一個最大電網(wǎng)濾波器電感。在1.5kV的饋送直流電壓情況下(圖4c，再次僅說明次級側(cè))，在一個繞組對中串聯(lián)連接的次級繞組的并聯(lián)連接321、321′；322、322′形成電感。未示出并配置在變壓器之外的切換器允許在兩個直流配置之間進(jìn)行簡單切換。
對于3kV的饋送直流電壓，電網(wǎng)濾波器電感LF的所需的值是10～30mH，對于1.5kV的饋送直流電壓，為3～25mH。通過兩個或兩個以上的上述的次級繞組的合適的串聯(lián)和/或并聯(lián)的連接，也可能同時需要考慮另外的繞組，例如輔助次級線圈，可得到的6～40mH的電感，因此可獲得LF的所需的值。如果需要的話，通過添加可以提供一個附加的線圈，而且不在交流運行期間使用，從而僅擁有一個LF的幾分之一的電感。在0.8～8MVA的直流電源電平的情況下，整個饋送直流電流為500A或500A以上。即使當(dāng)存在兩個次級繞組(圖4c)的并聯(lián)連接時，線圈電流IDC也基本上位于單個次級繞組的飽和線圈電流之上。
應(yīng)該加以注意的是，可以針對切換操作的特定時鐘頻率配置電網(wǎng)濾波器電感LF，因此，也可以抑制進(jìn)一步的諧振，并可設(shè)置具有合適扼流線圈的另外的濾波器。因為這些無一例外地均以上述的時鐘頻率的倍數(shù)運行，對其電感的要求當(dāng)然是較低的，因此可知它們的體積不象一個獨立的電網(wǎng)濾波器扼流圈的體積那樣大。
用于制造或配置合適牽引變壓器的方法，所述方法首先要預(yù)先規(guī)定所要求的電網(wǎng)濾波器電感LF，這是在可接受的損耗并且重量最小變壓器的邊界條件進(jìn)行的。一個等價的變通邊界條件是，對具體的變壓器體積的預(yù)先規(guī)定，確定需要多少和需要哪一個變壓器次級繞組，以及根據(jù)這一考慮，確定如何排列繞組和如何選擇它們的導(dǎo)體橫截面。然后，較佳的做法是，通過數(shù)值模擬，即利用直流情況下對所預(yù)期的饋送直流電流強度和磁場的了解，確定最外繞組和變壓器外殼之間的距離。
附圖標(biāo)記清單1饋電網(wǎng)11接觸線12導(dǎo)軌2集電器3變壓器31、31′主繞組32、32′次級繞組33變壓器外殼34變壓器芯35輔助次級繞組4轉(zhuǎn)換器、四象限調(diào)節(jié)器5中間電路電容器6負(fù)載轉(zhuǎn)換器7驅(qū)動器8電網(wǎng)濾波器扼流圈9平滑電容器10直流電壓控制器UZ中間電路電壓LF電網(wǎng)濾波器電感LS次級線圈電感
權(quán)利要求
1.用于多系統(tǒng)驅(qū)動車的變壓器(3)，所述變壓器(3)擁有變壓器外殼(33)、變壓器芯(34)、以及至少一個繞組對，繞組對包括主繞組(31)和用于變換提供給主繞組(31)的第一交流電壓的第一次級繞組(321)，所述第一次級繞組(321)相對主繞組(31)同心排列并位于主繞組(31)之外，其特征在于，第一次級繞組(321)可以用作饋送直流電壓(UDC)的電網(wǎng)濾波器扼流圈(8)的一部分。
2.如權(quán)利要求1中所要求的變壓器，其特征在于，至少一個繞組對包括相對主繞組(31)同心排列的另一個繞組(35，322)，可以把所述繞組(35，322)與作為電網(wǎng)濾波器扼流圈(8)一部分的第一次級繞組(321)進(jìn)行串聯(lián)切換。
3.如權(quán)利要求2中所要求的變壓器，其特征在于，該另外的繞組是輔助次級繞組(35)。
4.如權(quán)利要求2中所要求的變壓器，其特征在于，該另外的繞組是用于變換提供給主繞組(31)的并低于第一交流電壓的第二交流電壓的第二次級繞組(322)，其中，把第二次級繞組(322)布置在第一次級繞組(321)之外。
5.如權(quán)利要求1中所要求的變壓器，其特征在于，采用高磁導(dǎo)率材料制成的磁屏蔽，圍繞于繞組(31，32)和變壓器芯(34)。
6.如權(quán)利要求5中所要求的變壓器，其特征在于，高磁導(dǎo)率材料包括鋼，磁屏敝為變壓器外殼(33)。
7.一種針對使用饋送直流電壓(UDC)直流運行的多系統(tǒng)驅(qū)動車的饋送電路，所述電路包括用于與接觸線(1)相接觸的集電器(2)以及有電網(wǎng)濾波器電感(LF)的電網(wǎng)濾波器扼流圈(8)；其中設(shè)有變壓器(3)用于多系統(tǒng)驅(qū)動車的交流運行，所述變壓器(3)有變壓器外殼(33)，變壓器芯(34)以及至少一個繞組對，所述繞組對包括主繞組(31)和第一次級繞組(321)，所述第一次級繞組(321)相對主繞組(31)同心排列并位于主繞組(31)之外，所述第一次級繞組(321))用于變換提供于主繞組(31)的第一交流電壓，其特征在于，電網(wǎng)濾波器扼流圈(8)包括第一次級繞組(321)。
8.如權(quán)利要求7中所要求的饋送電路，其中饋送直流電流流過第一次級繞組(321)，其特征在于，所述饋送直流使變壓器芯(34)飽和。
9.如權(quán)利要求7中所要求的饋送電路，其特征在于，所述電網(wǎng)濾波器扼流圈(8)包括第一次級繞組(321)與另一個相對主繞組(31)同心排列的并且屬于變壓器(3)的至少一個次級繞組對的次級繞組(35，322)的串聯(lián)連接。
10.如權(quán)利要求9中所要求的饋送電路，其特征在于，所述另一個繞組是第二次級繞組(322)，用于在多系統(tǒng)驅(qū)動車的交流運行中變換提供于主繞組(31)的第二交流電壓。
全文摘要
本發(fā)明的主題是用于多系統(tǒng)驅(qū)動車的變壓器，其次級繞組以這樣的方式進(jìn)行設(shè)計在直流運行期間，它們可以明顯地貢獻(xiàn)所需的電網(wǎng)濾波器電感。因此，可以省去獨立的電網(wǎng)濾波器扼流圈，因而可以節(jié)省體積和重量。因為在直流運行期間變壓器芯飽和時，所以必須用鋼制的變壓器外殼以適當(dāng)?shù)姆绞狡帘温┐艌?。另外，還公開了一種用于制造牽引變壓器和饋送電路的方法。
文檔編號B60L9/30GK1419251SQ0215047
公開日2003年5月21日 申請日期2002年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月14日
發(fā)明者H·齊格 申請人:Abb塞什隆有限公司