專利名稱：用于操作牽引變換器電路以耦合到直流電壓網(wǎng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率電子學(xué)領(lǐng)域。本發(fā)明基于一種根據(jù)獨立權(quán)利要求的前述部分所述的用于操作牽引變換器以耦合到直流電壓網(wǎng)上的方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)今，在特別是用于有軌車輛例如電氣鐵路的眾多的功率電子應(yīng)用中使用牽引變換器電路。特別是在跨國使用有軌車輛時，必須能夠從各種供電網(wǎng)、即從不同的網(wǎng)絡(luò)電壓的各種直流電壓網(wǎng)和交流電壓網(wǎng)中得到或者饋送驅(qū)動能量。對此，牽引變換器電路是必需的，該牽引變換器電路不但可耦合到基于直流電壓的供電網(wǎng)，而且可以耦合到基于交流電壓的供電網(wǎng)。常見的特別是用于鐵路網(wǎng)的具有交流電壓源的供電網(wǎng)基于頻率為162/3Hz的15kV或者50Hz的25kV的交流電壓。常見的特別是用于鐵路網(wǎng)的具有直流電壓源的供電網(wǎng)基于1.5kV或者3kV的直流電壓。例如在DE1479 558 A1中說明了一種合適的用于耦合到直流電壓網(wǎng)的牽引變換器電路。在此，牽引變換器電路包括網(wǎng)絡(luò)變換器，該網(wǎng)絡(luò)變換器直流電壓側(cè)與直流電壓電路相連，其中直流電壓電路可接到直流電壓網(wǎng)。此外，牽引變換器電路還具有包括初級線圈和次級線圈的變壓器，其中網(wǎng)絡(luò)變換器交流電源側(cè)與變壓器的初級線圈相連。此外，還設(shè)置有變換器單元，變換器單元交流電壓側(cè)與變壓器的次級線圈相連。根據(jù)本方法，借助用于調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)變換器交流電壓的可預(yù)給定的網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號來控制網(wǎng)絡(luò)變換器，其中典型地通過用三角信號脈寬調(diào)制正弦信號、通常為正弦電壓信號，來產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號，由此通常得到千赫茲范圍中的開關(guān)頻率。
網(wǎng)絡(luò)變換器在其交流電壓側(cè)產(chǎn)生具有基頻例如為100Hz的電壓。結(jié)果產(chǎn)生200Hz的雙倍頻率功率振蕩，功率振蕩不容許傳遞給直流電壓電路中的DC電壓側(cè)并由此傳遞進直流電壓網(wǎng)。對此，LC濾波器形式的濾波電路(吸收電路)設(shè)置在直流電壓電路上，該直流電壓電路基本上被調(diào)諧到在網(wǎng)絡(luò)變換器的交流電壓側(cè)上的電壓的雙倍基頻，由此網(wǎng)絡(luò)變換器的直流電壓側(cè)上的雙倍頻率的電壓成分可以被濾除。但是，這種在直流電壓側(cè)上的濾波電路很重、需要很多位置、是有損耗的，降低了牽引變換器電路的可靠性而且顯著提高了硬件成本。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務(wù)在于，說明一種用于操作牽引變換器電路以耦合到直流電壓網(wǎng)上的方法，通過該方法可以簡化牽引變換器電路。該任務(wù)通過權(quán)利要求1所述的特征來解決。在從屬權(quán)利要求中說明本發(fā)明的一些有利的改進方案。
在根據(jù)本發(fā)明的用于操作牽引變換器電路以耦合到直流電壓網(wǎng)上的方法中，牽引變換器電路包括網(wǎng)絡(luò)變換器，所述網(wǎng)絡(luò)變換器直流電壓側(cè)與直流電壓電路相連，其中直流電壓電路可連接到直流電壓網(wǎng)。此外，牽引變換器電路還包括具有初級線圈和次級線圈的變壓器，其中網(wǎng)絡(luò)變換器交流電壓側(cè)與變壓器的初級線圈相連，還包括變換器單元，該變換器單元交流電壓側(cè)與變壓器的次級線圈相連。根據(jù)本方法，借助用于調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)變換器交流電壓的可預(yù)給定的網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號來控制網(wǎng)絡(luò)變換器。根據(jù)本發(fā)明，網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號為跟隨參考矩形信號的矩形信號。由此，在網(wǎng)絡(luò)變換器的直流電壓側(cè)上僅僅得到低幅度的非常低頻的功率振蕩，使得有利地可以省去現(xiàn)有技術(shù)中公知的直流電壓電路上的濾波電路，并且由此極大地簡化了牽引變換器電路。由于通過根據(jù)本發(fā)明的方法省去了濾波電路，所以在牽引變換器電路方面此外還可以顯著地削減重量、位置和硬件費用，以及減小損耗而提高牽引變換器電路的可靠性和可用性。通過矩形網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號同樣提高了網(wǎng)絡(luò)整流器的功率半導(dǎo)體開關(guān)的利用，其中減小了熱負載。
本發(fā)明的這些和其它任務(wù)、優(yōu)點和特征從以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施形式的詳細說明變得明顯。


其中圖1示出了用于耦合到直流電壓網(wǎng)的牽引變換器電路的實施形式；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明方法的在電能量從牽引變換器電路的網(wǎng)絡(luò)變換器流向牽引變換器電路的變換器單元時牽引變換器電路的物理量的時間曲線；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的一種變形方案的牽引變換器電路的參考矩形信號和網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號的時間曲線；以及圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的在電能量從牽引變換器電路的網(wǎng)絡(luò)變換器流到牽引變換器電路的變換器單元時的牽引變換器電路的物理量的時間曲線。
附圖中所使用的參考標(biāo)記以及其意義在參考標(biāo)記表中概括性地列出?；旧?，在圖中相同部分標(biāo)有相同的參考標(biāo)記。所描述的實施形式示例性地表示本發(fā)明的主題而不具有限制作用。
具體實施例方式
在圖1中示出了用于耦合到直流電壓網(wǎng)1的牽引變換器電路的一種實施形式。直流電壓網(wǎng)典型地具有1.5kV或者3kV的直流電壓。圖1中所示的用于耦合到直流電壓網(wǎng)1的牽引變換器電路包括網(wǎng)絡(luò)變換器2，該網(wǎng)絡(luò)變換器2直流電壓側(cè)與直流電壓電路3相連，其中直流電壓電路3可以接到直流電壓網(wǎng)1上。直流電壓電路3具有一個電容性儲能器，但是也可以具有多個、尤其是串聯(lián)的電容性儲能器。此外，牽引變換器電路包括具有初級線圈5和次級線圈6的變壓器4，其中網(wǎng)絡(luò)變換器2交流電壓側(cè)與變壓器4的初級線圈5相連。此外，牽引變換器電路還具有變換器單元7，變換器單元7交流電壓側(cè)與變壓器4的次級線圈6相連。例如如圖1中所示，直流電壓電路8可連接到變換器單元7的直流電壓側(cè)上，例如驅(qū)動變換器9與直流電壓電路相連，驅(qū)動變換器例如饋電給驅(qū)動電機10。根據(jù)本方法，為了調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)變換器交流電壓UG，借助可預(yù)給定的網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN來控制網(wǎng)絡(luò)變換器2。根據(jù)本發(fā)明，網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN為跟隨參考矩形信號SClk的矩形信號。特別是，參考矩形信號SClk和網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN分別具有周期的分布，其中證明為特別有利的是，網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN的周期時間選擇在5ms與25ms之間。在電能量從網(wǎng)絡(luò)變換器3流到變換器單元7時，圖2示出，根據(jù)本發(fā)明的方法的參考矩形信號SClk和網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN的時間曲線以及還要詳細描述的牽引變換器電路的其它物理量。
由于網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN為跟隨參考矩形信號SClk的矩形信號，所以在網(wǎng)絡(luò)變換器3的直流電壓側(cè)上僅僅得到很低頻率的小幅度的功率振蕩，使得可以有利地省去現(xiàn)有技術(shù)中公知的在直流電壓電路2上的濾波電路，并且由此極大地簡化了牽引變換器電路。由于通過根據(jù)本發(fā)明的方法省去了濾波電路，所以在牽引變換器電路方面此外還可以明顯地削減了重量、位置和硬件成本，以及減小了損耗而提高了牽引變換器電路的可靠性和可用性。此外，通過矩形的網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN有利地更好利用網(wǎng)絡(luò)變換器3的功率半導(dǎo)體開關(guān)，其中減小了熱負載。
圖3中表示了按照根據(jù)本發(fā)明的方法的一種變形方案的牽引變換器電路的參考矩形信號SClk和網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN的時間曲線，尤其是在電能量從網(wǎng)絡(luò)變換器3流到變換器單元7中的情況下。在此，網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN的矩形信號在網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN的每個極性變換時刻首先具有可調(diào)節(jié)的持續(xù)時間tN的零值，其中在可調(diào)節(jié)的持續(xù)時間tN結(jié)束之后接著完成極性變換。有利地，可通過這些措施避免開放變壓器線圈上的不希望的過壓，因為有利地實現(xiàn)了在相應(yīng)開放的變壓器線圈上的電壓的衰減，其中牽引變換器電路典型地會具有開放的變壓器線圈，但是出于清晰的原因在圖1中未示出。優(yōu)選地，參考矩形信號SClk的半個周期時間的最大10％被設(shè)置為持續(xù)時間tN。這樣選擇的持續(xù)時間tN有利地與等效的衰減RLC諧振電路的半個諧振周期相應(yīng)。
如已提及的那樣，圖2示出了在從網(wǎng)絡(luò)變換器3到變換器單元7的電能量流動時，參考矩形信號SClk和網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN的時間曲線以及牽引變換器電路的另一些物理量。從網(wǎng)絡(luò)變換器3到變換器單元7的電能量流在牽引變換器電路中，例如應(yīng)用在車輛中特別是在有軌車輛中的牽引變換器電路中，與“行駛”工作狀態(tài)相應(yīng)，因為變換器單元7在該工作狀態(tài)中饋電給直流電壓電路8，接著從直流電壓電路通過驅(qū)動變換器9饋電給驅(qū)動電機10。根據(jù)本方法，如已描述的那樣，網(wǎng)絡(luò)變換器2借助網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN來控制，用于調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)變換器交流電壓UG，使得如圖2中所示，網(wǎng)絡(luò)變換器交流電壓UG具有與網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN相應(yīng)的矩形的同相曲線。根據(jù)圖2，根據(jù)變換器單元電流參考信號Igw來控制變換器單元7。變換器單元電流參考信號Igw也優(yōu)選為矩形信號。根據(jù)圖2，在電能量從網(wǎng)絡(luò)變換器2流向變換器單元7時，網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN同相地跟隨參考矩形信號SClk，即在時間過程上網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN同相地隨著參考矩形信號SClk。此外，根據(jù)圖2，變換器單元電流參考信號Igw選擇與參考矩形信號SClk反相，其中變換器單元電流參考信號Igw的極性變換時刻與參考矩形信號SClk的極性變換時刻相應(yīng)。此外，根據(jù)圖2，在變壓器4的次級線圈6上的變換器單元電流Ig跟隨變換器單元電流參考信號Igw，即特別是將變換器單元電流Ig調(diào)節(jié)到變換器單元電流參考信號Igw，其中變換器單元電流Ig由于變壓器的雜散電感而具有基本上為梯形的曲線。針對上面所述的調(diào)節(jié)特別設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器。此外，按照根據(jù)本發(fā)明的方法，在圍繞變換器單元電流參考信號Igw的恒定值的公差范圍的閾值Xs上來監(jiān)控變換器單元電流Ig。圍繞變換器單元電流參考信號Igw的恒定值的公差帶在圖2中表示為兩個點線，其中變換器單元電流參考信號Igw的時間曲線表示為短劃線。在參考矩形信號SClk的半個周期時間內(nèi)第一次達到閾值Xs時，通過變換器單元7的相應(yīng)控制，在變壓器4的次級線圈6上的變換器單元電壓Ug被切換到參考矩形信號SClk的極性上，如在圖2中所示。在參考矩形信號SClk的半個周期時間內(nèi)第一次達到閾值Xs時，優(yōu)選通過變換器單元7的相應(yīng)控制將變換器單元電流Ig保持在公差范圍內(nèi)，并且由此有利地保持其極性，如圖2中所示，直到下一個極性變換時刻。根據(jù)圖2，變換器單元電壓Ug的曲線從在第一次達到閾值Xs時變換器單元7的上述控制中得到，并且通過變換器單元7的相應(yīng)控制由此保持變換器單元電流Ig在公差范圍內(nèi)?？傊?，通過變換器單元電流參考信號Igw的矩形的預(yù)定值和變換器單元電流Ig的跟隨以及通過其它上述措施，可以很有效地利用變換器單元7的功率半導(dǎo)體開關(guān)。由此，減小了變換器單元7的功率半導(dǎo)體開關(guān)的損耗，而提高了變換器單元7和整個牽引變換器電路的可靠性。
圖4示出了在電能量從變換器單元7流向網(wǎng)絡(luò)變換器2時，參考矩形信號SClk、網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN、變換器單元電流參考信號Igw、變換器單元電流Ig、網(wǎng)絡(luò)變換器交流電壓UG和變換器單元電壓Ug的時間曲線。在例如使用在車輛、特別是有軌車輛中的牽引變換器電路中，從變換器單元7到網(wǎng)絡(luò)變換器2的電能量流動與“制動”的工作狀態(tài)相應(yīng)，因為在該狀態(tài)中，驅(qū)動電機10通過驅(qū)動變換器9向直流電壓電路8饋電，接著從直流電壓電路8將電能通過變換器單元7、變壓器4和網(wǎng)絡(luò)變換器2饋送進直流電壓網(wǎng)1中。根據(jù)本方法，如已描述的那樣，網(wǎng)絡(luò)變換器2借助網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN來控制，用于調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)變換器交流電壓UG，使得如圖4中所示，網(wǎng)絡(luò)變換器交流電壓UG具有與網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN相應(yīng)的矩形同相曲線。根據(jù)圖4，變換器單元7也根據(jù)變換器單元電流參考信號Igw來控制，其中變換器單元電流參考信號Igw優(yōu)選同樣為矩形信號。在根據(jù)圖4的電能量從變換器單元7流向網(wǎng)絡(luò)變換器2時，現(xiàn)在與參考矩形信號SClk同相地選擇變換器單元電流參考信號Igw，其中變換器單元電流參考信號Igw的極性變換時刻與參考矩形信號SClk的極性變換時刻相應(yīng)。此外，變壓器4的次級線圈6上的變換器單元電流Ig跟隨變換器單元電流參考信號Igw，即變換器單元電流Ig被特別地調(diào)節(jié)到變換器單元電流參考信號Igw上，其中變換器單元電流Ig由于變壓器的雜散電感而具有基本上梯形的曲線。
對于上面所述的調(diào)節(jié)特別設(shè)置有前述電流調(diào)節(jié)器。此外，在圍繞變換器單元電流參考信號Igw的恒定值的公差范圍的閾值Xs上監(jiān)控變換器單元電流Ig。圍繞變換器單元電流參考信號Igw的恒定值的公差帶在圖4中表示為兩個點線，其中變換器單元電流參考信號Igw的時間曲線表示為短劃線。在參考矩形信號SClk的半個周期時間內(nèi)第一次達到閾值Xs時，接著通過變換器單元7的相應(yīng)控制將變壓器4的次級線圈6上的變換器單元電壓Ug接到參考矩形信號SClk的極性上，并且將網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號SN接到參考矩形信號SClk的極性，如圖4中所示。在參考矩形信號SClk的半個周期時間內(nèi)第一次達到閾值Xs時，通過變換器單元7的相應(yīng)控制優(yōu)選將變換器單元電流Ig保持在公差范圍內(nèi)，并且有利地保持其極性，如圖4中所示，直到下一個極性變換時刻。根據(jù)圖4，變換器單元電壓Ug的曲線從在第一次達到閾值Xs時變換器單元7的前述控制中得到，并且通過變換器單元7的相應(yīng)控制由此將變換器單元電流Ig保持在公差范圍內(nèi)?？傊陔娔芰繌淖儞Q器單元7流向網(wǎng)絡(luò)變換器2時，也可以通過變換器單元電流參考信號Igw的矩形的預(yù)定值和變換器單元電流Ig的跟隨，以及通過其它上述措施很有效地利用變換器單元7的功率半導(dǎo)體開關(guān)。由此，在牽引變換器電路的該工作狀態(tài)中，也減小了變換器單元7的功率半導(dǎo)體開關(guān)的損耗而提高了變換器單元7和整個牽引變換器電路的可靠性。
參考標(biāo)記表1 直流電壓網(wǎng)2 網(wǎng)絡(luò)變換器3 直流電壓電路4 變壓器
5 變壓器的初級線圈6 變壓器的次級線圈7 變換器單元8 直流電壓電路9 驅(qū)動變換器10 驅(qū)動電機
權(quán)利要求
1.一種用于操作牽引變換器電路以耦合到直流電壓網(wǎng)(1)的方法，其中所述牽引變換器電路包括網(wǎng)絡(luò)變換器(2)，所述網(wǎng)絡(luò)變換器(2)直流電壓側(cè)與直流電壓電路(3)相連，其中所述直流電壓電路(3)可連接到所述直流電壓網(wǎng)(1)上，變壓器(4)，其具有初級線圈(5)和次級線圈(6)，其中所述網(wǎng)絡(luò)變換器(2)交流電壓側(cè)與所述變壓器(4)的初級線圈(5)相連，變換器單元(7)，所述變換器單元(7)交流電壓側(cè)與所述變壓器(4)的次級線圈(6)相連，并且其中所述網(wǎng)絡(luò)變換器(2)借助可預(yù)給定的網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號(SN)來控制，用于調(diào)節(jié)所述網(wǎng)絡(luò)變換器交流電壓(UG)，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號(SN)為跟隨參考矩形信號(SClk)的矩形信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將所述網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號(SN)的周期時間選擇為5ms至25ms。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號(SN)的矩形信號在所述網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號(SN)的每個極性變換時刻首先具有可調(diào)節(jié)的持續(xù)時間(tN)的零值，并且在所述可調(diào)節(jié)的持續(xù)時間(tN)的結(jié)束之后完成極性變換。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，設(shè)置所述參考矩形信號(SClk)的半個周期時間的最大10％作為持續(xù)時間(tN)。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，根據(jù)變換器單元電流參考信號(Igw)來控制所述變換器單元(7)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述變換器單元電流參考信號(Igw)為矩形信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在電能從網(wǎng)絡(luò)變換器(2)流向所述變換器單元(7)時，所述網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號(SN)同相跟隨所述參考矩形信號(SClk)，所述變換器單元參考信號(Igw)與所述參考矩形信號(SClk)反相地選擇，其中所述變換器單元電流參考信號(Igw)的極性變換時刻與所述參考矩形信號(SClk)的極性變換時刻相應(yīng)，以及所述變壓器(4)的次級線圈(6)上的變換器單元電流(Ig)跟隨所述變換器單元電流參考信號(Igw)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在圍繞所述變換器單元電流參考信號(Igw)的恒定值的公差范圍的閾值(XS)上監(jiān)控所述變換器單元電流(Ig)，在所述參考矩形信號(SClk)的半個周期時間內(nèi)第一次達到所述閾值(XS)時，所述變壓器(4)的次級線圈(6)上的變換器單元電壓(Ug)通過所述變換器單元(7)的相應(yīng)控制而被接到所述參考矩形信號(SClk)的極性上。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在電能從所述變換器單元(7)流向所述網(wǎng)絡(luò)變換器(2)時，所述變換器單元電流參考信號(Igw)與所述參考矩形信號(SClk)同相地選擇，其中所述變換器單元電流參考信號(Igw)的極性變換時刻與所述參考矩形信號(SClk)的極性變換時刻相應(yīng)，以及所述變壓器(4)的次級線圈(6)上的所述變換器單元電流(Ig)跟隨所述變換器單元電流參考信號(Igw)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，在圍繞所述變換器單元電流參考信號(Igw)的恒定值的公差范圍的閾值(XS)上監(jiān)控所述變換器單元電流(Ig)，在所述參考矩形信號(SClk)的半個周期時間內(nèi)第一次達到所述閾值(XS)時，所述變壓器(4)的次級線圈(6)上的所述變換器單元電壓(Ug)通過所述變換器單元(7)的相應(yīng)控制而被接到所述參考矩形信號(SClk)的極性上，而所述網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號(SN)接到所述參考矩形信號(SClk)的極性上。
11.根據(jù)權(quán)利要求8或者10所述的方法，其特征在于，在所述參考矩形信號(SClk)的半個周期時間內(nèi)第一次達到所述閾值(XS)時，所述變換器單元電流(Ig)通過所述變換器單元(7)的相應(yīng)控制而被保持在所述公差范圍內(nèi)。
全文摘要
說明了一種用于操作牽引變換器電路以耦合到直流電壓網(wǎng)的方法，其中牽引變換器電路包括網(wǎng)絡(luò)變換器，該網(wǎng)絡(luò)變換器直流電壓側(cè)與直流電壓電路相連，其中直流電壓電路可連接到直流電壓網(wǎng)上；變壓器，其具有初級線圈和次級線圈，其中網(wǎng)絡(luò)變換器交流電壓側(cè)與變壓器的初級線圈相連；變換器單元，該變換器單元交流電壓側(cè)與變壓器的次級線圈相連；并且其中網(wǎng)絡(luò)變換器借助可預(yù)給定的網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號來控制，用于調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)變換器交流電壓。為了簡化牽引變換器電路，根據(jù)本發(fā)明，網(wǎng)絡(luò)變換器控制信號為跟隨參考矩形信號的矩形信號。
文檔編號H02J1/00GK101071989SQ200710093710
公開日2007年11月14日 申請日期2007年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月6日
發(fā)明者彼得·德勒, 比特·格吉斯伯格 申請人:Abb瑞士有限公司