專利名稱：高壓換流器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與一種換流器系統(tǒng)有關(guān)，該系統(tǒng)包含至少兩個分換流器系統(tǒng)，用于由高壓電源向至少一個負(fù)載饋電，每個分換流器系統(tǒng)包含至少一個輸入換流器、至少一個電壓中介電路和至少一個逆變器。
這樣的換流器系統(tǒng)尤其適用于鐵路機車的驅(qū)動系統(tǒng)。因此以下的說明與驅(qū)動系統(tǒng)有關(guān)，盡管該換流器系統(tǒng)原理上還可用于由高壓電源向不同本質(zhì)的其它負(fù)載，例如靜止負(fù)載供電。
鐵路機車驅(qū)動系統(tǒng)領(lǐng)域中的分換流器系統(tǒng)有各種不同的變體電路，其中的一些也可用于本發(fā)明中的換流器系統(tǒng)。
圖6中示出了與權(quán)利要求1的前序條款相符合的一種換流器系統(tǒng)。圖6取自Mannheim的ABB Henschel機車有限公司注明日期為1993年2月的文件“系統(tǒng)技術(shù)；用于任何應(yīng)用的機車技術(shù)”中第46頁。在鐵軌和所指的供電線路間有很高的電壓，其幅值和頻率隨鐵路系統(tǒng)不同而各異。例如，聯(lián)邦德國鐵路在15千伏、162/3赫茲下運行。該牽引電壓可由開關(guān)HS連接至變壓器的原邊繞組得到，變壓器在圖中未示出。分換流器系統(tǒng)SR2、SR3分別連接到變壓器的兩個副邊繞組。兩個分換流器系統(tǒng)分別通過電機串聯(lián)電感MVD向兩個并聯(lián)的牽引電機FM2、FM3供電。
每個分換流器系統(tǒng)有一個兩相四象限控制器4q-S作為輸入換流器，它向用電容示出的電壓中介電路供以直流電壓。每套電路中有一個多相逆變器WR向牽引電機供以三相電力。
一個相似的配置，但變壓器有四個副邊繞組，其中每個繞組連接至一個換流流器系統(tǒng)，用于ICE的高速列車并且在諸如由AEG、ABB和Siemens聯(lián)合發(fā)表的文件VT 6289/26100035中被加以說明。
斯德哥爾摩皇家工學(xué)院Stefan stlund所寫編號為Trita-EMK-9201，ISSN 1100-1631的學(xué)位論文“用于牽引的原邊開關(guān)換流器系統(tǒng)”如圖6.2.3描述了一種用于鐵路機車的換流器電路，其中的四個電源換流器以串聯(lián)形式連接。變壓器的原邊繞組連接至電源換流器的每個輸出。變壓器的唯一副邊繞組連至一個四象限控制器，其向直流電壓中介電路供電，中介電路再經(jīng)逆變器向電機供電，中介電路在圖2.2.1中示出。
已知的驅(qū)動系統(tǒng)在分換流器系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)計和電機側(cè)電路方面互相有明顯的區(qū)別，但其基本特征是所有這些系統(tǒng)在電源側(cè)有一個變壓器。
本發(fā)明的目的是詳細(xì)說明與權(quán)利要求1的前序條款相符合的換流器系統(tǒng)，它使得換流器系統(tǒng)重量和體積減小、成本降低，特別適用于驅(qū)動系統(tǒng)。它還使得將換流器系統(tǒng)設(shè)計為多方式系統(tǒng)成為可能，也就是說其可運行于不同電壓和頻率，包括直流電壓下。
在與權(quán)利要求1的前序條款相符合的換流器系統(tǒng)情況下，該目標(biāo)通過權(quán)利要求中的特征部分得以實現(xiàn)。
本發(fā)明詳細(xì)說明的換流器電路即使對于很高的輸入交流電壓情況也不必在電源側(cè)使用變壓器。
本發(fā)明的優(yōu)點不僅在于由于少用了變壓器使得驅(qū)動系統(tǒng)(換流器系統(tǒng)和電機)在重量、體積和成本各方面均減少30％，還使得設(shè)計多方式系統(tǒng)得以簡化，并且通過冗余分系統(tǒng)的連接提高了可用性。
與以上提及的Ostlund學(xué)位論文中在變壓器原邊側(cè)安排電源換流器串聯(lián)電路的配置方案相比，本發(fā)明具有較少的能量轉(zhuǎn)換次數(shù)，在已知的配置方案中，由于電源換流器、四象限控制器和逆變器的使用，需要三次能量轉(zhuǎn)換；而根據(jù)本發(fā)明的方案中，只需要兩次能量轉(zhuǎn)換，分別在輸入換流器和逆變器中進行。進一步的差別在于已知方案需要配有對稱阻擋層半導(dǎo)體元件的直流換流器，而本發(fā)明中的系統(tǒng)可在更有成本效益的非對稱半導(dǎo)體情況下工作，這在成本方面將有顯著差異。并且，不用中頻變壓器以及只在電機上加直流絕緣，其為一個有直流絕緣中性點的多重星形系統(tǒng)。
本換流器系統(tǒng)的有益的改進將在進一步的權(quán)利要求中詳細(xì)說明，并且可參照附圖在舉例的實施方案描述中發(fā)現(xiàn)，附圖為

圖1是有多系統(tǒng)電源的驅(qū)動系統(tǒng)的換流器系統(tǒng)的示意圖；圖2說明圖1中的換流器系統(tǒng)，示出其分系統(tǒng)的設(shè)計；圖3說明具有電流補償輸入電感線圈的分換流器系統(tǒng)；圖4說明圖1或圖2的系統(tǒng)中電機串聯(lián)電感器的配置；圖5說明有圓環(huán)柱心的電機串聯(lián)電感器；圖6是已有技術(shù)的換流器配置方案；
圖7是有保護裝置的換流器配置方案；圖8是兩個輸入換流器串聯(lián)連接的示意圖；圖9是用于平衡負(fù)載的矢量圖；圖10和圖11說明不平衡負(fù)載的分配；圖12說明控制器的過調(diào)制；并且圖13～16說明基波補償。
圖1示出用于鐵路機車的驅(qū)動系統(tǒng)1的設(shè)計方案。
驅(qū)動系統(tǒng)1包含換流器系統(tǒng)2和負(fù)載系統(tǒng)3。輸入電感線圈4在圖中示為驅(qū)動系統(tǒng)1的一部分，作為另一種表示，它也可作為換流器系統(tǒng)2的一部分。電感也可配置為分布電感來取代集總輸入電感線圈4，從過電壓保護角度看這更有利。
圖1一方面用于所稱的多系統(tǒng)電路中所用術(shù)語的定義，也可說明本發(fā)明中驅(qū)動系統(tǒng)1的設(shè)計。
術(shù)語多系統(tǒng)電路表示換流器系統(tǒng)2的分系統(tǒng)可以重組或換接以便它們可在不同高壓系統(tǒng)下工作。這種情況下的差別涉及電壓幅值、頻率和直流電壓。在圖1中，這種差別在于其為例如25千伏50赫茲或15千伏162/3赫茲交流電壓系統(tǒng)(5.1)，和3千伏或1.5千伏的直流電壓系統(tǒng)(5.2)。
驅(qū)動系統(tǒng)1包含多個分換流器系統(tǒng)2.1至2.n，在圖示例子中，它們中每個在輸入側(cè)有四個連接點E1至E4。
負(fù)載系統(tǒng)3也包含多個負(fù)載3.1至3.n，根據(jù)負(fù)載本質(zhì)的不同，一個負(fù)載可能由分換流器系統(tǒng)2.1至2.n中的一個或多個供電。此處考慮的驅(qū)動系統(tǒng)情況下，負(fù)載系統(tǒng)是一個電機系統(tǒng)，例如其帶有單星形或多星形電路，或者為其它多繞組配置。隨繞組電路不同，分換流器系統(tǒng)2.1至2.n和一個負(fù)載間的連線8可為兩導(dǎo)線或三導(dǎo)線連接。
隨高壓系統(tǒng)的不同，分換流器系統(tǒng)2.1至2.n按不同的連接運行，也就是說按并聯(lián)或串聯(lián)電路以及用或不用分換流器系統(tǒng)2.1至2.n的輸入控制器(見圖2)。圖1示出了隨電源不同而變的不同電路選擇，電源通過電流拾取器33由交流電壓系統(tǒng)5.1或由直流電壓系統(tǒng)5.2取得。數(shù)字6表示車輪，7表示車輪下的路軌和鐵路系統(tǒng)。
通過舉例和參照圖1，圖2示出了分換流器系統(tǒng)2.1至2.n的設(shè)計細(xì)節(jié)，每個分系統(tǒng)有著同樣的設(shè)計。
分換流器系統(tǒng)包含輸入電感配置20、最好設(shè)計為四象限控制器的輸入換流器21、有中介電路電容器Czw的電壓中介電路22和作為電機換流器的逆變器23。
第一轉(zhuǎn)換開關(guān)24和第二轉(zhuǎn)換開關(guān)25用于在不同高壓系統(tǒng)間切換。當(dāng)?shù)谝晦D(zhuǎn)換開關(guān)24位于第一切換位置時，輸入換流器21為了在高壓交流電源5.1上工作采用串聯(lián)連接，交流電源通過第一分換流器系統(tǒng)2.1的輸入E2供電。當(dāng)?shù)谝晦D(zhuǎn)換開關(guān)24位于第二切換位置2時，直流電壓5.2通過所有分換流器系統(tǒng)2.1至2.n的輸入端E1供電，此時輸入控制器21不用。通過第二轉(zhuǎn)換開關(guān)25和電感線圈LDRAIN，電源與分換流器系統(tǒng)2.1至2.n各自的電壓中介電路22相并聯(lián)，此時轉(zhuǎn)換開關(guān)位于切換位置2，電感線圈LDRAIN與直流電流負(fù)載匹配。
由第一高壓系統(tǒng)5.1供以交流電壓時，第二轉(zhuǎn)換開關(guān)25位于切換位置1，電感線圈LDRAIN與串聯(lián)調(diào)諧電路電容CDRAIN一起組成一個串聯(lián)調(diào)諧電路。
并聯(lián)供電的直流電壓的幅值由逆變器半導(dǎo)體的絕緣強度加以限制是不言而喻的。
圖3示出一種有輸入電感配置20的分換流器系統(tǒng)，例如2.1，電感配置20最好設(shè)計為電流補償電感，以減弱分換流器系統(tǒng)的輸入換流器21間的寄生均衡電流。并且，圖3示出了分換流器與地之間的可能寄生耦合(是以集總電容元件13的簡化形式示出的)，同樣還示出了電機3.1與地之間的可能寄生耦合，它是以集總電容元件14示出的。
圖4示出了電容補償電機串聯(lián)電感器15的一種可能配置，由文獻可知其用于減弱寄生效應(yīng)。因為，如果忽略寄生效應(yīng)，電流的總和實際上為零，這種電流補償電機串聯(lián)電感器15的鐵芯16可以設(shè)計得非常小，如圖5所示。
圖7示出了用于提供冗余的一些保護裝置和手段，圖1和圖2中所示的在不同高壓系統(tǒng)間切換的選擇被省略了。圖中示出分換流器系統(tǒng)2.1至2.n是串聯(lián)連接的。
除保險絲9和過電壓抑制器10外，主開關(guān)11、電源濾波器12、電源電感線圈17、兩個換流器18和作為過電壓保護的變阻器19被配置于電源電流通道上。換流器18連接至差動保護裝置30，它在換流器系統(tǒng)的輸入和輸出間出現(xiàn)電流差值時驅(qū)動主開關(guān)11。
三星形電機3.1至3.n通過電機開關(guān)31連接作為負(fù)載，每個電機開關(guān)31將一個分換流器系統(tǒng)連接至一個電機的一個星形系統(tǒng)。
每個換流器系統(tǒng)2.1至2.n可通過分流開關(guān)32斷開連接。對于有缺陷的分換流器系統(tǒng)，在有缺陷發(fā)生的情況下可用適當(dāng)?shù)碾娐放渲么嬖O(shè)計為冗余系統(tǒng)的備用換流器系統(tǒng)，或者對有缺陷的分換流器系統(tǒng)分流，只要根據(jù)上文陳述已在電路設(shè)計時對此加以考慮即可。
分換流器系統(tǒng)，特別是那些串聯(lián)連接的輸入換流器的控制和調(diào)節(jié)可用已知控制方法按不同方式實行。然而，不言而喻的是不可能將輸入電流設(shè)為負(fù)載的函數(shù)，要不然這對于中介電路電壓是一個標(biāo)準(zhǔn)的控制技術(shù)?；诜謸Q流器系統(tǒng)串聯(lián)連接的事實，所有輸入換流器中的輸入電流是相同的。
輸入電流，也就是換流器系統(tǒng)的電源電流，由換流器系統(tǒng)所消耗的總伏安數(shù)加以調(diào)節(jié)。伏安數(shù)可僅通過單個輸入換流器的電壓在各單個分換流器間分配，同時在兩個分換流器系統(tǒng)間分配有均衡負(fù)載情況下滿足圖9例示出的相加矢量圖。
圖10示出一種不平衡負(fù)載分配。圖11示出另一種可能的不平衡負(fù)載分配，其中單個電壓與總的電壓不同相。
圖8示出與圖9相對應(yīng)的兩個輸入換流器21串聯(lián)電路的基本層示，兩個輸入換流器標(biāo)識為四象限控制器4-QS1和4-QS2。此處的陳述還涉及提供驅(qū)動電機供電和正弦電源電流。
考慮單個分換流器系統(tǒng)帶不同負(fù)載運行的可能運行模式是必要的。例如，不同的負(fù)載可出現(xiàn)在不同的運行點，這種情況是，例如，電機中有開路的繞組，特別是電機低速運行時，因為正弦電流在開路繞組中會隨時間移位。
當(dāng)總的換流器系統(tǒng)驅(qū)動帶不同負(fù)載的多個電機(見圖6或圖7)時，會出現(xiàn)分換流器系統(tǒng)中帶有不同負(fù)載的情況。
分換流器系統(tǒng)消耗的伏安數(shù)可由電壓和電流的乘積得到，電流可由單個伏安數(shù)的總和以及總的電壓得到[原文如此]?？偟碾娏?因為是串聯(lián)電路，它等于分電流)隨總的換流器系統(tǒng)的總負(fù)載而改變?？紤]到串聯(lián)電路中各輸入電流相等，分換流器系統(tǒng)的伏安數(shù)由各自的輸入換流器電壓控制。
帶有平衡負(fù)載的輸入換流器標(biāo)稱電壓由總電壓對分換流器系統(tǒng)數(shù)目的比值定義。
在不平衡負(fù)載情況下，輸入換流器的標(biāo)稱電壓可由單個輸入換流器的電導(dǎo)與總電導(dǎo)的比值與總的控制器標(biāo)識電壓的乘積得到。控制器的標(biāo)稱電壓可由伏安元件的復(fù)分解得到，如果最大控制電壓被加以限制，在伏安元件間可能有更大的差別。
如果多個分換流器串聯(lián)連接，單個分換流器系統(tǒng)可在電源側(cè)過調(diào)制運行，只要那些本身不在過調(diào)制下運行的分換流器系統(tǒng)的控制電壓如此選擇使得能得到正弦的總電壓即可。這一方法使得在換流器系統(tǒng)總的伏安數(shù)保持不變情況下那些在過調(diào)制條件運行的分換流器的伏安數(shù)有最大27％的增加。在預(yù)期遇到嚴(yán)重不平衡負(fù)載分布時這降低了總的安裝容量。圖12示出了兩個分換流器串聯(lián)連接時一個控制器過調(diào)制的情況。在這種情況下，第二個控制器的輸出電壓使總的電壓為正弦。圖12對于兩個控制器示出了其運行模式，但相同的方式可擴展到多個控制器的情況。
圖13至圖16示出了當(dāng)控制器過調(diào)制運行時基波補償情況。因為隨系統(tǒng)而定的控制器電壓對中介電路電壓加以限制，除非采取另外的措施，否則所需的基波電壓無法得到。然而，如果事先使標(biāo)稱控制器電壓增加，則可提前進行補償。該電壓以一個系數(shù)精確地增加，這使所需的基波電壓能夠重新得到。這個系數(shù)可以事先計算好，然后存于一張表中。本不是過調(diào)制運行的控制器得接管初始所需電壓和最終調(diào)制電壓間的差值電壓。只要中介電路電壓限幅沒有發(fā)生，最終調(diào)制電壓可由中介電路電壓和基波補償后電壓所提供的電壓得到。
圖13示出沒有基波補償?shù)倪^調(diào)制控制器的控制器電壓。
圖14示出基波補償前和補償后的控制器標(biāo)稱電壓。陰影區(qū)域必須由另一個控制器處理。
圖15示出基波電壓補償后過調(diào)制運行的控制器的控制器標(biāo)稱電壓。
圖16示出與過調(diào)制的控制器串聯(lián)運行的無載調(diào)制器的控制器標(biāo)稱電壓。如果控制器有載，其控制器標(biāo)稱電壓將疊加于過調(diào)制的控制器的基波補償結(jié)果之上。
此處以兩個分換流器為例所示的方法，可在相同的系統(tǒng)下輕易地擴展至多于兩個控制器的情況，因此不再給出進一步的例子。
基波補償避免了控制所需電壓和可能的控制器電壓間的不一致。在基波脈沖的頂值調(diào)制限制范圍內(nèi)，基波補償允許進行線性控制。
參考符號表1驅(qū)動系統(tǒng)2換流器系統(tǒng)2.1至2.n 分換流器系統(tǒng)3負(fù)載系統(tǒng)3.1至3.n 負(fù)載(電機)4輸入電感器5.1 第一高壓電源(交流電壓)5.2 第二高壓電源(直流電壓)6車輪7路軌8連線9保險絲10 過電壓抑制器11 主開關(guān)12 電源濾波器13 分換流器和地之間的寄生耦合14 電機和地之間的寄生耦合15 電機串聯(lián)電感器16 鐵芯17 電源電感線圈18 換流器19 變阻器20 輸入電感配置21 輸入換流器22 電壓中介電路23 逆變器24 第一轉(zhuǎn)換開關(guān)25 第二轉(zhuǎn)換開關(guān)30 差動保護裝置31 電機開關(guān)32 分流開關(guān)33 電流拾取器
權(quán)利要求
1.由高壓電源(5.1，5.2)向至少一個負(fù)載(3，3.1至3.n)供電的換流器系統(tǒng)，該換流器系統(tǒng)(2)包含多個分換流器系統(tǒng)(2.1至2.n)，每個分換流器系統(tǒng)(2.1至2.n)包含至少一個輸入換流器(21)、一個電壓中介電路(22)和一個逆變器(23)，其特征在于提供裝置(24，25)，在每一情況下在電源側(cè)、中介電路位置或負(fù)載側(cè)均不用變壓器，a)如果電源為高壓交流電源(5.1，例如為15千伏、162/3赫茲，25千伏、50赫茲)，將分換流器系統(tǒng)(2.1至2.n)的輸入換流器(21)串聯(lián)連接，b)如果電源為直流電源(5.2，例如為1.5千伏或3千伏)，向分換流器系統(tǒng)(2.1至2.n)的電壓中介電路(22)提供并聯(lián)電源。
2.權(quán)利要求1中的換流器系統(tǒng)，其特征在于換流器系統(tǒng)是鐵路機車驅(qū)動系統(tǒng)(1)的一部分。
3.權(quán)利要求1或2中的換流器系統(tǒng)，其特征在于負(fù)載(3.1至3.n)是至少一個異步電機，它有多個開路繞組或多星形電路形式的繞組。
4.前述權(quán)利要求之一中的換流器系統(tǒng)，其特征在于在電源(5.1，5.2)和每個輸入換流器(21)之間配置有一個輸入電感器(20)。
5.權(quán)利要求1至3中的換流器系統(tǒng)，其特征在于電源電感線圈(17)的配置為所有分換流器系統(tǒng)(2.1至2.n)所公用(common)。
6.前述權(quán)利要求之一中的換流器系統(tǒng)，其特征在于分換流器系統(tǒng)(2.1至2.n)附帶有兩點或多點電路。
7.前述權(quán)利要求之一中的換流器系統(tǒng)，其特征在于逆變器(23)為兩相或更多相逆變器。
8.權(quán)利要求1至7之一中的控制換流器系統(tǒng)的方法，其特征在于在電源側(cè)串聯(lián)的控制器(21)中的一部分可過調(diào)制運行，其它的控制器(21)中的至少一個提供一個電壓使得總的電壓為正弦。
9.權(quán)利要求1至7之一中的控制換流器系統(tǒng)的方法，其特征在于在電源側(cè)串聯(lián)的控制器(21)中的一部分可過調(diào)制運行，標(biāo)稱基波電壓按事先計算好的系數(shù)增加以補償中介電路電壓上的隨依賴系統(tǒng)的控制器電壓限幅和得到總的正弦電壓。
全文摘要
本發(fā)明與高壓換流器系統(tǒng)有關(guān),該系統(tǒng)可用于,例如,鐵路機車的驅(qū)動系統(tǒng)(1)。換流器系統(tǒng)(2)包含多個分換流器系統(tǒng)(2.1至2.n),其向負(fù)載系統(tǒng)(3)的多個馬達(dá)供電。高壓交流電壓(5.1)向分換流器系統(tǒng)(2.1至2.n)的串聯(lián)電路供電,以避免在電源側(cè)需要使用變壓器。換流器系統(tǒng)(2)可用相當(dāng)簡單的方式設(shè)計為多方式系統(tǒng),以便也可用直流電壓(5.2)供電。
文檔編號H02M1/10GK1188453SQ97190316
公開日1998年7月22日 申請日期1997年4月14日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月13日
發(fā)明者M·斯泰納, P·克拉夫卡 申請人:Abb戴姆勒－奔馳運輸(技術(shù))有限公司