专利名称：用于操作牵引变换器电路以耦合到直流电压网的方法
技术领域：
本发明涉及功率电子学领域。本发明基于一种根据独立权利要求的前述部分所述的用于操作牵引变换器以耦合到直流电压网上的方法。
背景技术：
当今，在特别是用于有轨车辆例如电气铁路的众多的功率电子应用中使用牵引变换器电路。特别是在跨国使用有轨车辆时，必须能够从各种供电网、即从不同的网络电压的各种直流电压网和交流电压网中得到或者馈送驱动能量。对此，牵引变换器电路是必需的，该牵引变换器电路不但可耦合到基于直流电压的供电网，而且可以耦合到基于交流电压的供电网。常见的特别是用于铁路网的具有交流电压源的供电网基于频率为162/3Hz的15kV或者50Hz的25kV的交流电压。常见的特别是用于铁路网的具有直流电压源的供电网基于1.5kV或者3kV的直流电压。例如在DE1479 558 A1中说明了一种合适的用于耦合到直流电压网的牵引变换器电路。在此，牵引变换器电路包括网络变换器，该网络变换器直流电压侧与直流电压电路相连，其中直流电压电路可接到直流电压网。此外，牵引变换器电路还具有包括初级线圈和次级线圈的变压器，其中网络变换器交流电源侧与变压器的初级线圈相连。此外，还设置有变换器单元，变换器单元交流电压侧与变压器的次级线圈相连。根据本方法，借助用于调节网络变换器交流电压的可预给定的网络变换器控制信号来控制网络变换器，其中典型地通过用三角信号脉宽调制正弦信号、通常为正弦电压信号，来产生网络变换器控制信号，由此通常得到千赫兹范围中的开关频率。
网络变换器在其交流电压侧产生具有基频例如为100Hz的电压。结果产生200Hz的双倍频率功率振荡，功率振荡不容许传递给直流电压电路中的DC电压侧并由此传递进直流电压网。对此，LC滤波器形式的滤波电路(吸收电路)设置在直流电压电路上，该直流电压电路基本上被调谐到在网络变换器的交流电压侧上的电压的双倍基频，由此网络变换器的直流电压侧上的双倍频率的电压成分可以被滤除。但是，这种在直流电压侧上的滤波电路很重、需要很多位置、是有损耗的，降低了牵引变换器电路的可靠性而且显著提高了硬件成本。
发明内容
因此，本发明的任务在于，说明一种用于操作牵引变换器电路以耦合到直流电压网上的方法，通过该方法可以简化牵引变换器电路。该任务通过权利要求1所述的特征来解决。在从属权利要求中说明本发明的一些有利的改进方案。
在根据本发明的用于操作牵引变换器电路以耦合到直流电压网上的方法中，牵引变换器电路包括网络变换器，所述网络变换器直流电压侧与直流电压电路相连，其中直流电压电路可连接到直流电压网。此外，牵引变换器电路还包括具有初级线圈和次级线圈的变压器，其中网络变换器交流电压侧与变压器的初级线圈相连，还包括变换器单元，该变换器单元交流电压侧与变压器的次级线圈相连。根据本方法，借助用于调节网络变换器交流电压的可预给定的网络变换器控制信号来控制网络变换器。根据本发明，网络变换器控制信号为跟随参考矩形信号的矩形信号。由此，在网络变换器的直流电压侧上仅仅得到低幅度的非常低频的功率振荡，使得有利地可以省去现有技术中公知的直流电压电路上的滤波电路，并且由此极大地简化了牵引变换器电路。由于通过根据本发明的方法省去了滤波电路，所以在牵引变换器电路方面此外还可以显著地削减重量、位置和硬件费用，以及减小损耗而提高牵引变换器电路的可靠性和可用性。通过矩形网络变换器控制信号同样提高了网络整流器的功率半导体开关的利用，其中减小了热负载。
本发明的这些和其它任务、优点和特征从以下结合附图对本发明的优选实施形式的详细说明变得明显。
其中图1示出了用于耦合到直流电压网的牵引变换器电路的实施形式；图2示出了根据本发明方法的在电能量从牵引变换器电路的网络变换器流向牵引变换器电路的变换器单元时牵引变换器电路的物理量的时间曲线；图3示出了根据本发明的方法的一种变形方案的牵引变换器电路的参考矩形信号和网络变换器控制信号的时间曲线；以及图4示出了根据本发明的方法的在电能量从牵引变换器电路的网络变换器流到牵引变换器电路的变换器单元时的牵引变换器电路的物理量的时间曲线。
附图中所使用的参考标记以及其意义在参考标记表中概括性地列出。基本上，在图中相同部分标有相同的参考标记。所描述的实施形式示例性地表示本发明的主题而不具有限制作用。
具体实施例方式
在图1中示出了用于耦合到直流电压网1的牵引变换器电路的一种实施形式。直流电压网典型地具有1.5kV或者3kV的直流电压。图1中所示的用于耦合到直流电压网1的牵引变换器电路包括网络变换器2，该网络变换器2直流电压侧与直流电压电路3相连，其中直流电压电路3可以接到直流电压网1上。直流电压电路3具有一个电容性储能器，但是也可以具有多个、尤其是串联的电容性储能器。此外，牵引变换器电路包括具有初级线圈5和次级线圈6的变压器4，其中网络变换器2交流电压侧与变压器4的初级线圈5相连。此外，牵引变换器电路还具有变换器单元7，变换器单元7交流电压侧与变压器4的次级线圈6相连。例如如图1中所示，直流电压电路8可连接到变换器单元7的直流电压侧上，例如驱动变换器9与直流电压电路相连，驱动变换器例如馈电给驱动电机10。根据本方法，为了调节网络变换器交流电压UG，借助可预给定的网络变换器控制信号SN来控制网络变换器2。根据本发明，网络变换器控制信号SN为跟随参考矩形信号SClk的矩形信号。特别是，参考矩形信号SClk和网络变换器控制信号SN分别具有周期的分布，其中证明为特别有利的是，网络变换器控制信号SN的周期时间选择在5ms与25ms之间。在电能量从网络变换器3流到变换器单元7时，图2示出，根据本发明的方法的参考矩形信号SClk和网络变换器控制信号SN的时间曲线以及还要详细描述的牵引变换器电路的其它物理量。
由于网络变换器控制信号SN为跟随参考矩形信号SClk的矩形信号，所以在网络变换器3的直流电压侧上仅仅得到很低频率的小幅度的功率振荡，使得可以有利地省去现有技术中公知的在直流电压电路2上的滤波电路，并且由此极大地简化了牵引变换器电路。由于通过根据本发明的方法省去了滤波电路，所以在牵引变换器电路方面此外还可以明显地削减了重量、位置和硬件成本，以及减小了损耗而提高了牵引变换器电路的可靠性和可用性。此外，通过矩形的网络变换器控制信号SN有利地更好利用网络变换器3的功率半导体开关，其中减小了热负载。
图3中表示了按照根据本发明的方法的一种变形方案的牵引变换器电路的参考矩形信号SClk和网络变换器控制信号SN的时间曲线，尤其是在电能量从网络变换器3流到变换器单元7中的情况下。在此，网络变换器控制信号SN的矩形信号在网络变换器控制信号SN的每个极性变换时刻首先具有可调节的持续时间tN的零值，其中在可调节的持续时间tN结束之后接着完成极性变换。有利地，可通过这些措施避免开放变压器线圈上的不希望的过压，因为有利地实现了在相应开放的变压器线圈上的电压的衰减，其中牵引变换器电路典型地会具有开放的变压器线圈，但是出于清晰的原因在图1中未示出。优选地，参考矩形信号SClk的半个周期时间的最大10％被设置为持续时间tN。这样选择的持续时间tN有利地与等效的衰减RLC谐振电路的半个谐振周期相应。
如已提及的那样，图2示出了在从网络变换器3到变换器单元7的电能量流动时，参考矩形信号SClk和网络变换器控制信号SN的时间曲线以及牵引变换器电路的另一些物理量。从网络变换器3到变换器单元7的电能量流在牵引变换器电路中，例如应用在车辆中特别是在有轨车辆中的牵引变换器电路中，与“行驶”工作状态相应，因为变换器单元7在该工作状态中馈电给直流电压电路8，接着从直流电压电路通过驱动变换器9馈电给驱动电机10。根据本方法，如已描述的那样，网络变换器2借助网络变换器控制信号SN来控制，用于调节网络变换器交流电压UG，使得如图2中所示，网络变换器交流电压UG具有与网络变换器控制信号SN相应的矩形的同相曲线。根据图2，根据变换器单元电流参考信号Igw来控制变换器单元7。变换器单元电流参考信号Igw也优选为矩形信号。根据图2，在电能量从网络变换器2流向变换器单元7时，网络变换器控制信号SN同相地跟随参考矩形信号SClk，即在时间过程上网络变换器控制信号SN同相地随着参考矩形信号SClk。此外，根据图2，变换器单元电流参考信号Igw选择与参考矩形信号SClk反相，其中变换器单元电流参考信号Igw的极性变换时刻与参考矩形信号SClk的极性变换时刻相应。此外，根据图2，在变压器4的次级线圈6上的变换器单元电流Ig跟随变换器单元电流参考信号Igw，即特别是将变换器单元电流Ig调节到变换器单元电流参考信号Igw，其中变换器单元电流Ig由于变压器的杂散电感而具有基本上为梯形的曲线。针对上面所述的调节特别设置了电流调节器。此外，按照根据本发明的方法，在围绕变换器单元电流参考信号Igw的恒定值的公差范围的阈值Xs上来监控变换器单元电流Ig。围绕变换器单元电流参考信号Igw的恒定值的公差带在图2中表示为两个点线，其中变换器单元电流参考信号Igw的时间曲线表示为短划线。在参考矩形信号SClk的半个周期时间内第一次达到阈值Xs时，通过变换器单元7的相应控制，在变压器4的次级线圈6上的变换器单元电压Ug被切换到参考矩形信号SClk的极性上，如在图2中所示。在参考矩形信号SClk的半个周期时间内第一次达到阈值Xs时，优选通过变换器单元7的相应控制将变换器单元电流Ig保持在公差范围内，并且由此有利地保持其极性，如图2中所示，直到下一个极性变换时刻。根据图2，变换器单元电压Ug的曲线从在第一次达到阈值Xs时变换器单元7的上述控制中得到，并且通过变换器单元7的相应控制由此保持变换器单元电流Ig在公差范围内。总之，通过变换器单元电流参考信号Igw的矩形的预定值和变换器单元电流Ig的跟随以及通过其它上述措施，可以很有效地利用变换器单元7的功率半导体开关。由此，减小了变换器单元7的功率半导体开关的损耗，而提高了变换器单元7和整个牵引变换器电路的可靠性。
图4示出了在电能量从变换器单元7流向网络变换器2时，参考矩形信号SClk、网络变换器控制信号SN、变换器单元电流参考信号Igw、变换器单元电流Ig、网络变换器交流电压UG和变换器单元电压Ug的时间曲线。在例如使用在车辆、特别是有轨车辆中的牵引变换器电路中，从变换器单元7到网络变换器2的电能量流动与“制动”的工作状态相应，因为在该状态中，驱动电机10通过驱动变换器9向直流电压电路8馈电，接着从直流电压电路8将电能通过变换器单元7、变压器4和网络变换器2馈送进直流电压网1中。根据本方法，如已描述的那样，网络变换器2借助网络变换器控制信号SN来控制，用于调节网络变换器交流电压UG，使得如图4中所示，网络变换器交流电压UG具有与网络变换器控制信号SN相应的矩形同相曲线。根据图4，变换器单元7也根据变换器单元电流参考信号Igw来控制，其中变换器单元电流参考信号Igw优选同样为矩形信号。在根据图4的电能量从变换器单元7流向网络变换器2时，现在与参考矩形信号SClk同相地选择变换器单元电流参考信号Igw，其中变换器单元电流参考信号Igw的极性变换时刻与参考矩形信号SClk的极性变换时刻相应。此外，变压器4的次级线圈6上的变换器单元电流Ig跟随变换器单元电流参考信号Igw，即变换器单元电流Ig被特别地调节到变换器单元电流参考信号Igw上，其中变换器单元电流Ig由于变压器的杂散电感而具有基本上梯形的曲线。
对于上面所述的调节特别设置有前述电流调节器。此外，在围绕变换器单元电流参考信号Igw的恒定值的公差范围的阈值Xs上监控变换器单元电流Ig。围绕变换器单元电流参考信号Igw的恒定值的公差带在图4中表示为两个点线，其中变换器单元电流参考信号Igw的时间曲线表示为短划线。在参考矩形信号SClk的半个周期时间内第一次达到阈值Xs时，接着通过变换器单元7的相应控制将变压器4的次级线圈6上的变换器单元电压Ug接到参考矩形信号SClk的极性上，并且将网络变换器控制信号SN接到参考矩形信号SClk的极性，如图4中所示。在参考矩形信号SClk的半个周期时间内第一次达到阈值Xs时，通过变换器单元7的相应控制优选将变换器单元电流Ig保持在公差范围内，并且有利地保持其极性，如图4中所示，直到下一个极性变换时刻。根据图4，变换器单元电压Ug的曲线从在第一次达到阈值Xs时变换器单元7的前述控制中得到，并且通过变换器单元7的相应控制由此将变换器单元电流Ig保持在公差范围内。总之，在电能量从变换器单元7流向网络变换器2时，也可以通过变换器单元电流参考信号Igw的矩形的预定值和变换器单元电流Ig的跟随，以及通过其它上述措施很有效地利用变换器单元7的功率半导体开关。由此，在牵引变换器电路的该工作状态中，也减小了变换器单元7的功率半导体开关的损耗而提高了变换器单元7和整个牵引变换器电路的可靠性。
参考标记表1 直流电压网2 网络变换器3 直流电压电路4 变压器
5 变压器的初级线圈6 变压器的次级线圈7 变换器单元8 直流电压电路9 驱动变换器10 驱动电机
权利要求
1.一种用于操作牵引变换器电路以耦合到直流电压网(1)的方法，其中所述牵引变换器电路包括网络变换器(2)，所述网络变换器(2)直流电压侧与直流电压电路(3)相连，其中所述直流电压电路(3)可连接到所述直流电压网(1)上，变压器(4)，其具有初级线圈(5)和次级线圈(6)，其中所述网络变换器(2)交流电压侧与所述变压器(4)的初级线圈(5)相连，变换器单元(7)，所述变换器单元(7)交流电压侧与所述变压器(4)的次级线圈(6)相连，并且其中所述网络变换器(2)借助可预给定的网络变换器控制信号(SN)来控制，用于调节所述网络变换器交流电压(UG)，其特征在于，所述网络变换器控制信号(SN)为跟随参考矩形信号(SClk)的矩形信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述网络变换器控制信号(SN)的周期时间选择为5ms至25ms。
3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述网络变换器控制信号(SN)的矩形信号在所述网络变换器控制信号(SN)的每个极性变换时刻首先具有可调节的持续时间(tN)的零值，并且在所述可调节的持续时间(tN)的结束之后完成极性变换。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，设置所述参考矩形信号(SClk)的半个周期时间的最大10％作为持续时间(tN)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据变换器单元电流参考信号(Igw)来控制所述变换器单元(7)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述变换器单元电流参考信号(Igw)为矩形信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在电能从网络变换器(2)流向所述变换器单元(7)时，所述网络变换器控制信号(SN)同相跟随所述参考矩形信号(SClk)，所述变换器单元参考信号(Igw)与所述参考矩形信号(SClk)反相地选择，其中所述变换器单元电流参考信号(Igw)的极性变换时刻与所述参考矩形信号(SClk)的极性变换时刻相应，以及所述变压器(4)的次级线圈(6)上的变换器单元电流(Ig)跟随所述变换器单元电流参考信号(Igw)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在围绕所述变换器单元电流参考信号(Igw)的恒定值的公差范围的阈值(XS)上监控所述变换器单元电流(Ig)，在所述参考矩形信号(SClk)的半个周期时间内第一次达到所述阈值(XS)时，所述变压器(4)的次级线圈(6)上的变换器单元电压(Ug)通过所述变换器单元(7)的相应控制而被接到所述参考矩形信号(SClk)的极性上。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在电能从所述变换器单元(7)流向所述网络变换器(2)时，所述变换器单元电流参考信号(Igw)与所述参考矩形信号(SClk)同相地选择，其中所述变换器单元电流参考信号(Igw)的极性变换时刻与所述参考矩形信号(SClk)的极性变换时刻相应，以及所述变压器(4)的次级线圈(6)上的所述变换器单元电流(Ig)跟随所述变换器单元电流参考信号(Igw)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在围绕所述变换器单元电流参考信号(Igw)的恒定值的公差范围的阈值(XS)上监控所述变换器单元电流(Ig)，在所述参考矩形信号(SClk)的半个周期时间内第一次达到所述阈值(XS)时，所述变压器(4)的次级线圈(6)上的所述变换器单元电压(Ug)通过所述变换器单元(7)的相应控制而被接到所述参考矩形信号(SClk)的极性上，而所述网络变换器控制信号(SN)接到所述参考矩形信号(SClk)的极性上。
11.根据权利要求8或者10所述的方法，其特征在于，在所述参考矩形信号(SClk)的半个周期时间内第一次达到所述阈值(XS)时，所述变换器单元电流(Ig)通过所述变换器单元(7)的相应控制而被保持在所述公差范围内。
全文摘要
说明了一种用于操作牵引变换器电路以耦合到直流电压网的方法，其中牵引变换器电路包括网络变换器，该网络变换器直流电压侧与直流电压电路相连，其中直流电压电路可连接到直流电压网上；变压器，其具有初级线圈和次级线圈，其中网络变换器交流电压侧与变压器的初级线圈相连；变换器单元，该变换器单元交流电压侧与变压器的次级线圈相连；并且其中网络变换器借助可预给定的网络变换器控制信号来控制，用于调节网络变换器交流电压。为了简化牵引变换器电路，根据本发明，网络变换器控制信号为跟随参考矩形信号的矩形信号。
文档编号H02J1/00GK101071989SQ200710093710
公开日2007年11月14日 申请日期2007年4月5日 优先权日2006年4月6日
发明者彼得·德勒, 比特·格吉斯伯格 申请人:Abb瑞士有限公司