专利名称：柴油电力驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的柴油电力驱动系统和一种对该 柴油电力驱动系统的柴油机进行静载试验的方法。
背景技术：
DE 102007003172A1揭示一种同类型柴油电力驱动系统，本案图1为其等效电 路图。在这个等效电路图中，2表示柴油机，4表示发电机，尤其是永磁同步发电机，6 表示电压中间电路变换器，8各表示一感应电机，尤其是三相异步电动机。电压中间电 路变换器6具有两个发电机侧自换相脉冲变流器10、12和两个负载侧自换相脉冲变流器 14、16。这些自换相脉冲变流器10、12和14、16通过中间电路电容器18 (特别是具有 中间电路电容器组的电压中间电路20)在直流电压侧彼此导电相连。发电机4具有复数 个多相绕组系统22和M，这些多相绕组系统分别通过断路器沈和28与两个发电机侧自 换相脉冲变流器10和12的交流电压侧接点R1、Si、Tl和R2、S2、T2相连。彼此对 应的交流电压侧接点Rl和R2、Sl和S2、Tl和T2分别通过一个制动电阻30彼此导电 相连。DE 102007003172A1已经对这种柴油电力驱动系统的工作方式特别是制动模式进 行了详细说明，此处不再加以赘述。
图2同样是柴油电力驱动系统的等效电路图。这个柴油电力驱动系统与图1所示 柴油电力驱动系统之间的区别在于，它给出了发电机侧及负载侧自换相脉冲变流器10、 12和14、16的实现方案。这些自换相脉冲变流器10、12、14和16借助双变流器桥接旁 路模块32而实现。图3是这种双变流器桥接旁路模块32的等效电路图。两个发电机侧 自换相脉冲变流器10和12通过三个双变流器桥接旁路模块32而实现，而任何一个负载 侧自换相脉冲变流器14或16的实现都需要采用三个双变流器桥接旁路模块32。这样， 实现该柴油电力驱动系统的电压中间电路变换器6就需要使用九个双变流器桥接旁路模 块32。
根据双变流器桥接旁路模块32如图3所示的等效电路图，该双变流器桥接旁路 模块32具有两个在直流电压侧并联的桥接旁路模块34。每个桥接旁路模块34均具有两 个彼此串联的可断半导体开关36和38，特别是绝缘栅双极晶体管(IGBT)，这些可断半 导体开关各配有一相应的续流二极管40、42。每两个串联可断半导体开关36和38之间 的连接点各构成一交流电压侧接点Rl和R2、Sl和S2、Tl和T2。每个双变流器桥接旁 路模块32的直流电压侧接点44和46均分别与电压中间电路变换器6的电压中间电路20 的一个电位导电相连。
在柴油电力牵引驱动装置(例如柴油机车或矿用汽车)中，安装在这个柴油机2 上的发电机4用于为驱动电动机8提供能量。发电机4的电压由发电机侧自换相脉冲变 流器10和12调节至预定的中间电路电压，这个中间电路电压被提供给驱动电动机8的负 载侧自换相脉冲变流器14和16。进行电气制动时，电压中间电路变换器6中的能流正 好为反向。能量由负载侧自换相脉冲变流器14和16传输到变换器6的电压中间电路20内。由于柴油机2无法吸收制动能量，因而需要借助制动电阻30将制动能转化为热能。 为了实现持续配电，将由两个自换相脉冲变流器10和12进行过脉宽调制的电压施加在制 动电阻30上。
为能对维修后的柴油机2进行性能检验，需要实施所谓的自载试验 (Self-Ioad-Test)(内燃机静载试验)。这种自载试验已经成为矿用汽车和东欧北美柴油机 车的标准。对具有电激励同步发电机和接在该发电机下游的二极管整流器的柴油电力驱 动系统进行这种自载试验时，是在车辆静止的情况下通过制动电阻来实施，这些制动电 阻由电压中间电路通过变流器(尤其是斩波器)予以供电。这类车辆的电力制动器功率 一般情况下至少与行驶时的柴油机功率相符，因此不需要使用辅助设备就可以进行上述 静载试验。
如果不采用更有效的半导体开关，就无法对同类型柴油电力驱动系统进行最高 达最大柴油机功率的自载试验，因为自载试验
a) 一方面需要将总柴油机功率以电流基波的形式馈入电压中间电路变换器的电 压中间电路，
b)同时需要再借助制动电阻将这部分功率以电流谐波的形式从这个电压中间电 路中沿相反方向传输出去。
当电流基波振幅在某些操作时间点上与电流谐波重叠时，就会造成柴油电力驱 动系统的电子功率设备过载。
为能对同类型柴油电力驱动系统进行自载试验，需要在电压中间电路变换器的 电压中间电路中安装附加的制动斩波器，其中，这个制动斩波器必须按50%的总制动功 率进行设计。这个附加制动斩波器不但会增加成本，还会增大牵引变流器重量。此外， 柴油电力机车或矿用汽车上必须存在足以容纳该附加变流器的空间。发明内容
因此，本发明的目的是对同类型柴油电力驱动系统进行改进，不需要使用附加 制动斩波器就可对其进行自载试验。
根据本发明，这个目的通过权利要求1所包含的区别特征和权利要求1前序部分 所包含的特征而达成。
通过将每个制动电阻分割成两个串联电阻且每两个串联电阻之间的连接点均与 一包含有中性点接地变压器Mtempunktbildner)的两极开关装置的一输入端相连，可将发 电机-定子绕组-脉冲变流器这两个多相系统解耦并为每个系统分配一个电阻值为所述制 动电阻一半的多相电阻。对于以这种方式解耦的柴油电力驱动系统，进行自载试验时就 可对发电机(特别是永磁同步发电机)的固有制动特性曲线加以利用，但是除电机参数 外，这条固有制动特性曲线的特征还与转速和该三相电阻的值有关。
这些特性曲线的特征可以通过无功电流闭环调节来施加影响。最简单的做法是 为所述电阻并联电容器，由此可提供电容性无功电流。但这会使与转速有关的制动转矩 变大。除了需要采用车辆牵引模式和制动模式所不需要的其他附加元件(电容器)夕卜， 这种配置方案本身也不具有可调性。
根据本发明，这种解耦柴油电力驱动系统按照权利要求5所包含的特征进行工4作。将每一个分别由两个电阻构成的串联电路断开并为每个子系统的电阻建立星形连接 后，两个发电机侧自换相脉冲变流器就会同步且分别以移相器模式进行工作。在此情况 下，所述电压中间电路变换器已充电的电压中间电路会产生经调节的无功电流。通过对 这个无功电流进行调节，可对任一转速下的制动转矩进行调节，从而在自载试验中可以 遵循所述柴油机的要求转矩曲线。
本发明的创造性在于，对简单而低成本且包含有中性点接地变压器的两极开关 装置加以使用，同时借助现有的发电机侧自换相脉冲变流器进行无功电流调节。在已知 的柴油电力驱动系统中采用本发明上述改进方案后，就可以经调节的负载转矩进行自载 试验，且在此过程中，不再会产生前述问题。
下文将借助附图所示的本发明柴油电力驱动系统的实施方式对本发明予以进一 步说明。
图1为同类型柴油电力驱动系统的等效电路图2为图1所示驱动系统实现方案的等效电路图3为图2所示驱动系统自换相脉冲变流器的双变流器桥接模块的等效电路 图4为包含有本发明柴油电力驱动系统实施方式的等效电路图5为图4所示柴油电力驱动系统在解耦状态下的实施方式；
图6为永磁同步电机各种制动特性曲线与转速的关系图7为自载试验过程中当发电机侧自换相脉冲变流器进行9重脉冲调制 (9-fach-Taktung)时，各种电流波形与时间的关系图；以及
图8为自载试验过程中当发电机侧自换相脉冲变流器进行基频脉冲调制 (Blocktaktung)时，各种电流波形与时间的关系图。
具体实施方式
本发明柴油电力驱动系统如图4所示的实施方式具有两个彼此串联且都用作制 动电阻30的电阻48和50。每个电阻48、50的电阻值都等于图1所示驱动系统的制动电 阻30的一半电阻值。也就是说，制动电阻30被分割成两个彼此串联的电阻元件。每两 个串联电阻48和50之间的连接点52均与一两极开关装置M的输入端相连。这个两极 开关装置M可将每一个分别由两个电阻48和50构成的串联电路断开，同时为电阻48、 50建立星形连接。对两极开关装置M进行操纵所产生的结果由图5予以详细展示。本 发明这种改进方案可将发电机4-绕组系统22或自换相脉冲变流器10或12这两个系 统解耦并为每个系统分配电阻48、50。
借助于由此产生的这一电路(图5)，进行自载试验时就可对永磁同步电机如图6 所示的固有制动特性曲线A(再生转矩)加以利用。但是除电机参数外，这条固有制动特 性曲线A的特征还与发电机4的转速η和定子电阻值有关。如果这条制动转矩特性曲线 A与图4所示柴油电力驱动系统的柴油机2的转矩特性曲线相符，则这种情况纯属巧合。 图6所示的曲线图中还包含了一条与转速η有关的固有制动转矩特性曲线B，使用制动电阻48、50时就会产生这条特性曲线。也就是说，产生制动转矩特性曲线A时只有所述永 磁同步电动机的定子电阻起作用，产生制动转矩特性曲线B时起作用的则是该永磁同步 电动机的定子电阻与附加电阻48、50所构成的串联电路。电阻值增大会使再生转矩的最 大值发生位移。
如前文所述，特性曲线的特征可以通过无功电流调节来施加影响。最简单的做 法是为电阻48、50并联电容器。在这些电容器的作用下，与转速η有关的制动转矩将会 变大。图6中的C就是与此有关的以转速η为横坐标的制动转矩特性曲线。但是这种配 置方案不具有可调性且需采用车辆牵引模式和制动模式所不需要的附加电容器。
作为利用不可变电容器来产生无功电流这一方案的替代方案，本发明将所述柴 油电力驱动系统的电压中间电路变换器6的两个发电机侧自换相脉冲变流器10和12用作 移相器。通过将这些自换相脉冲变流器10和12用作移相器，可对电压中间电路变换器 6已充电的中间电路电容器18所提供的无功电流进行调节。通过对这个无功电流进行调 节，可对任一转速下的制动转矩进行调节，从而使所述柴油电力驱动系统的柴油机2的 要求转矩曲线在自载试验中得到遵循。
在移相器模式下，同步的脉冲变流器10和12因电压谐波也为制动电阻48和50 提供电流谐波。所述柴油电力驱动系统的综合平衡必须对这部分从该驱动系统的电压中 间电路变换器6的电压中间电路20获得的有功功率加以考虑，以便能够对耗散在制动电 阻48和50中的功率进行调节。但是所提供的电流谐波不足以导致两个自换相脉冲变流 器10和12的功率半导体过载。进行自载试验期间，可用电压中间电路20为辅助设备提 供能量，这样就可以运行风扇和/或冷却设备。
因此，永磁同步发电机4的功率必须等于电阻48和50的损耗功率与上述辅助设 备的功率之和。电阻48和50的损耗功率只取决于自换相脉冲变流器10和12的脉冲电 压的均方根值。永磁同步发电机4的功率取决于该脉冲电压的基波与永磁同步发电机4 的同步电动势之间的角度。图7展示的是自载试验过程中进行9重脉冲调制时的制动电 流iB、电机电流iM和变流器电流iP与时间相关的曲线图。为清楚起见，电机电流iM的波 形用断线表示，变流器电流iP的波形用加粗实线表示，制动电流^的波形用普通实线表 示。图8展示的是自载试验过程中进行基频脉冲调制时该制动电流iB、电机电流iM和变 流器电流iP与时间相关的曲线图。在这个曲线图中，电机电流、变流器电流和制动电流 iM、iP和iB的波形也是用上述类型的线条表示。
通过使用简单而低成本的开关装置M，并结合将每个制动电阻30分割成两个串 联电阻48和50以及利用柴油电力驱动系统电压中间电路变换器6的现有发电机侧自换相 脉冲变流器10和12来进行无功电流调节等措施，可在该驱动系统中以可调负载转矩进行 自载试验，且在此过程中，该驱动系统电压中间电路变换器6的两个自换相脉冲变流器 10和12的功率半导体不会发生过载。
权利要求
1.一种柴油电力驱动系统，其包括一发电机(4)，所述发电机在转子侧与一柴油机 (2)机械耦合，在定子侧与一电压中间电路变换器(6)导电相连，其中，所述发电机(4) 具有两个多相绕组系统(22，24)，所述多相绕组系统分别与所述电压中间电路变换器 (6)的一自换相脉冲变流器(10，12)的复数个交流电压侧接点(Rl, Si，Tl; R2，S2， T2)导电相连，所述两个自换相脉冲变流器(10，12)在直流电压侧与所述电压中间电路 变换器(6)的一中间电路电容器(18)并联，其中一个自换相脉冲变流器(10)的每个交流 电压侧接点(R1，Si，Tl)均通过一制动电阻(30)与另一脉冲变流器(12)与之对应的交 流电压侧接点(R2，S2，T2)导电相连，其特征在于，设有两个用作制动电阻(30)的电阻(48，50)，两个所述电阻(48，50)串联连接，每 个所述电阻(48，50)的电阻值均等于所述制动电阻(30)的一半电阻值，每两个串联连接 的电阻(48，50)之间的一连接点(52)均与一包含有复数个中性点接地变压器的两极开关 装置(54)的一输入端相连。
2.根据权利要求1所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，所述发电机⑷采用永磁同步发电机。
3.根据权利要求1所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，所述发电机(4)采用异步发电机。
4.根据权利要求1所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，所述中间电路电容器(18)采用电容器组。
5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，所述发电机(4)的每个多相绕组系统(22，24)均借助一断路器(26，28)与一自换相脉冲变流器(10，12)的复数个交流电压侧接点(R1，Si，Tl ； R2，S2，T2)相连。
6.—种对一根据权利要求1所述的柴油电力驱动系统的一柴油机(2)进行静载试验的 方法，包括下列实施步骤a)对所述两极开关装置(54)进行操纵，b)使所述两个自换相脉冲变流器(10，12)同步，以及C)对所述两个自换相脉冲变流器(10，12)进行调节，使得从所述脉冲变流器(10， 12)中流出一预定的无功电流。
全文摘要
本发明涉及一种柴油电力驱动系统，其包括一发电机(4)、一柴油机(2)和一电压中间电路变换器(6)，所述发电机具有两个多相绕组系统(22，24)，所述电压中间电路变换器的两个发电机侧自换相脉冲变流器(10，12)一方面与所述发电机(4)的这些绕组系统(22，24)相连，另一方面在交流电压侧借助一制动电阻(30)彼此相连。本发明设有两个用作制动电阻(30)的串联电阻(48，50)，其电阻值均等于所述制动电阻(30)的一半电阻值，另外设有一两极开关装置(54)，其输出端分别与每两个串联电阻(48，50)之间的一连接点(52)相连。如此便可在这种柴油电力驱动系统中以可调负载转矩进行自载试验，以便对所述柴油机(2)进行性能检验，且在此过程中，所述发电机侧自换相脉冲变流器(10，12)的功率半导体将不再发生过载情况。
文档编号H02P3/22GK102027669SQ200980116774
公开日2011年4月20日 申请日期2009年3月27日 优先权日2008年5月13日
发明者奥拉夫·克尔纳, 安德烈亚斯·霍尔韦克 申请人:西门子公司