用于运行轨道车辆中的并联的辅助运行变流器的方法与流程

文档序号:11161857阅读:615来源:国知局
用于运行轨道车辆中的并联的辅助运行变流器的方法与制造工艺

本发明涉及一种用于对车辆的电负载供应电能的方法。本发明此外涉及一种车辆、尤其是轨道车辆的的能量供应系统,用于执行该方法。



背景技术:

辅助运行变流器被使用,从而对车辆的车载网络和与之连接的负载供应电能。车辆的、尤其是轨道车辆的典型的负载是用于控制/调节车辆、压缩机、空调设备、照明装置、插座等等的车载电子装置。负载被分成一组三相负载和一组单相负载。

三相负载通过三相能量供应网络、例如像交流电网供电。该能量供应网络包括三个相,其常常被描述为L1、L2和L3。多数情况下,该三相能量供应网络不提供零线(N导线)。然而也公开了一些应用,在这些应用中三相能量供应网络设计具有N导线。N导线表现为运行接地。尤其在轨道车辆中,三相能量供应网络常常设计成3AC列车多种用电回流母线。

单相负载的情况是不同的。其通过一个相位和零线供应能量。因此,单相能量供应网络具有N导线。出于安全性的原因,其与地电位低电阻地连接。

辅助运行变流器的任务是给能量供应网络的供电。通过多个并联连接的能量供应网络进行的供电也获得了提高的冗余并进而获得了能量供应的提高的故障安全性。

对于车辆的运行来说强制性需要的组件通过三相能量供应网络供电。即使当对于这些组件来说部分地还有对于该能量供应的失效而存在通过电池实现的附加供电,车辆的结构的目的还是在于尽可能故障防护地设计该三相能量供应网络。特别故障防护的网络表现为所谓的IT网络。IT网络、也称为IT系统是在接地故障时用于以提高的故障安全性进行电能供给的网络、尤其是低压网络的实现类型。在IT网络中,保护接地和运行接地不同地设计。保护接地用于通过人员对组件的接触保护。运行接地通过N导线设计。一旦在三相能量供应网络中完全存在运行接地,那么其就被隔离地,也就是断开地设计。N导线的高电阻的接地在此是允许的。由此在正常运行中不会出现在网络的相位L1,L2和L3和接地的部件之间的低电阻的连接。借此,IT网络就不具有相对于地电位的定义的电压电位并且被描述为无电位的。由此,当在相位中的一个出现接地故障时,能量供应网络也能够继续运行。在识别出的接地故障的情况中,报警信号通常敦促及时执行维护,从而排除接地故障。在能量供应网络中的另外的接地故障才导致能量供应网络的失效。因此,IT网络以特别的程度适用于车辆的故障安全的能量供应网络的实现。

除了三相的、故障安全的能量供应网络之外,此外常常尤其是在欧洲出现仅仅单相地运行(例如230V,50Hz)对供电安全性没有过大的要求的小功率负载,例如像插座或灯的需求。对于这些负载来说需要一个或者多个附加的变压器或者N导线形成器,其由现有的三相能量供应网络产生单相的电压系统。由此,三相能量供应网络可以设计成IT网络、即无电位的,并且单相的能量供应网络设计具有接地的N导线。特别是来自亚州和美洲的顾客常常附加地希望在轨道车辆中的能负载的N导线,从而单相负载能够简单地直接连接在三相能量供应网络的一个相位上。出于安全性的原因,在德国例如通过标准DIN VDE 0100确定,N导线在车辆方面永久地接地。该实现类型也被描述为TT网络或者TT系统。

通过一个或者多个附加的变压器,辅助运行变流器能够对车辆的能量供应网络供电,其不仅包括无电位的三相能量供应网络,而且也包括具有接地的N导线的单相能量供应网络。在三相能量供应网络中的接地故障基于在三相和单相能量供应网络之间的电隔离的原因而不会导致这两个能量供应网络的失效。

N导线的接地具有缺点,即在单相能量供应网络的相位中的每个接地故障都会导致辅助运行变流器中的短路电流。该短路电流能够通过变压器的合适的设计,例如通过高的短路电流电压uk降低。附加的是,为了保护辅助运行变流器在该种情况中能够实现单相能量供应网络的快速断开,从而保护辅助运行变流器的半导体防止损坏。

出于该原因,对于车辆的运行来说强制性需要的组件不是由单相能量供应网路供电而而是由三相能量供应网络供电,从而实现了车辆的继续运行。



技术实现要素:

本发明的目的在于提出一种用于为车辆的负载提供电能的方法,利用该方法能够利用在交流电压侧并联连接的辅助运行变流器安全并进而简单和成本低廉地克制尤其在对负载进行供电时的接地故障的故障情况。

该目的通过一种用于通过在交流电压侧并联连接的辅助运行变压器对车辆的负载进行供电的方法实现,其中,在接地故障的情况中中断在辅助运行变流器和能量供应网络的N导线之间的通过电流,其中,在交流电压侧并联连接的辅助运行变流器基波同步地并且脉冲同步地运行。

该目的进一步通过车辆、尤其是轨道车辆的能量供应系统实现,即确定用于执行该方法,并且包括至少两个并联地布置的辅助运行变流器、用于为电负载供电的能量供应网络和用于中断在辅助运行变流器和能量供应网络之间的通过电流的至少一个开关。

本发明基于这样的认识,即通过接地故障引发的故障不会导致三相能量供应网络的失效,当在辅助运行变流器和N导线之间的通过电流被中断时。通过该通过电流的中断,辅助运行变压器能够被无电位地运行。地电位然后通过接地故障确定。其相应于作为IT网络的运行。根据本发明的方法实现了在出现接地故障时在作为具有接地的N导线的TT网络的能量供应网络至作为IT网络的能量供应网络之间的动态变换,从而确保了三相能量供应网络和连接在其上的负载的供电安全性。存在的单相供电网络因此不再用于能量传输,因为通过N导线的通过电流的中断不再能够传输能量。因此,利用该方法确保了三相能量供应网络的故障安全的运行。该方法提供了优点,即与至今公开的方法相比不需要变压器。这使得在其中多数情况下布置有变压器的辅助运行变流器以及还有车辆的能量供应网络明显更加便宜和轻巧。

通过放弃变压器产生了这样的问题,即辅助运行变流器通过接地连接彼此耦合连接。通常在并联连接的辅助运行变流器之间产生平衡电流,其使得对车辆的负载的可靠的供给变得不可能。然而在此指出,当辅助运行变流器基波同步和脉冲同步地运行时,则并联连接的辅助运行变流器的并联运行是可能的。基波同步和脉冲同步的运行的优点在于,即在辅助运行变流器之间的平衡电流被避免或者至少尽可能降低,即辅助运行变流器的并联运行是可能的。由此辅助运行变流器的并联运行才变得有意义。

通过并联的布置,即使在一个辅助运行变流器故障时通过还保持运行的辅助运行变流器继续确保对能量供应网络的电用户的供给。通过并联连接的辅助运行变流器的可能方式的脉冲同步的定时还实现了在各个处于运行的辅助运行变流器上的均匀的功率分配。并联电路的优点在于,可以设置多个辅助运行变流器来对电负载进行供电,它们具有较小的结构尺寸并且能够简单地集成到现有的构造中。另外的优点在于,通过并联连接的辅助运行变流器获得了一定的冗余,从而即使在一个或者多个辅助运行变流器故障时也能可靠地为电负载、一部分电负载、尤其是对于车辆的运行来说必要的电负载供电。

在另一个优选的设计方案中,该方法为此确定,即使在设置用于对电负载进行供电的能量供应网络中的接地故障时也确保辅助运行变流器的运行。在能量供应网络中的接地故障是相应的能量供应网络故障的通常原因。该方法刚好对于能量供应网络中的接地故障展现出特别简单的可能性,即在没有变压器的情况下保持连接的负载的运行。

在另外优选的设计方案中,车辆是轨道车辆,其中,交流电压侧并联连接的辅助运行变流器对轨道车辆的车载网络进行供电。刚好在轨道车辆中提出了对车辆的可用性的高要求。基于通过在空闲道路上的或者、尤其是危险地在隧道中的抛锚和必要的动作、如复杂的救援造成的行驶状态的原因而需尽量避免车辆的故障。附加的是,在抛锚的轨道车辆的情况中要考虑到在轨道网络的另外部分中较大的、一部分是巨大的干扰。由于由此导致的延迟造成的顾客不满意也导致经济上的损失并且必须被阻止。在轨道车辆中,与装有橡胶轮胎的车辆相比能够更加容易地接地。这通常通过轮组与轨道的基础实现,该轨道处于地电位。通过这种方式,尤其在单相能量供应网络中的N导线能够以简单和廉价的方式实现。为了即使在接地故障的情况中利用该布置也能确保交流电压侧并联连接的3AC辅助运行变流器的安全运行而使用了根据本发明的方法。该方法允许对为了轨道车辆的运行而强制性需要的负载的安全供电。

在另外优选的设计方案中,通过电流通过开关的断开而中断。开关的断开展示一种简单的可能性,即中断在3AC辅助运行变流器和能量供应网络之间的通过电流。开关在此能够连接在辅助运行变流器中、能量供应网络中或者在3AC辅助运行变流器和能量供应网络之间的线路中。被证明特别有利的是,将开关布置在辅助运行变流器的容器中。因为关于辅助运行变流器的调节和/控制装置的接地短路的信息是已知的,当开关布置在辅助运行期的容器的内部中并且由辅助运行变流器的调节/控制装置所控制时,因此其能够快速地对该状态做出反应。因此,以特别简单的方式实现了对3AC辅助运行变流器的保护。

在另一个有利的设计方案中,在该方法中具有至少两个辅助运行变流器,在识别接地故障时执行以下步骤:

-关闭辅助运行变流器

-断开用于中断在辅助运行变流器和能量供应网络之间的通过电流的所述开关

-接通第一辅助运行变流器

-接通至少一个另外的辅助运行变流器,其中,另外的辅助运行变流器在接通过程中、尤其相关于频率和电压高度与第一辅助运行变流器同步,并且

-在确定的接地故障解除后接通用于中断在辅助运行变流器和能量供应网络之间的通过电流的开关。

在能量供应网络中的接地故障的出现没有导致辅助运行变流器之一的损害,其优选这样地设计成3AC辅助运行变流器,从而能够对至少一个3AC能量供应网络提供能量。此外确保,即在出现接地故障时,会导致3AC辅助运行变流器损害的通过电流被避免。通过另外的方法步骤确保,即在出现接地故障时,能量供应网络,有利的三相能量供应网络能够继续被供应能量。为此,第一3AC辅助运行变流器在第一步骤中与能量供应网络再次连接。并联连接的另外的3AC辅助运行变流器相关于其施加在输出端上的电压与第一3AC辅助运行变流器同步。然后,当另外的3AC辅助运行变流器在输出端上尤其相关于电压高度、频率和相位提供如3AC辅助运行变流器的相同的输出电压时,结束同步过程。然后,另外的3AC辅助运行变流器也可以为了对电负载进行供电而再次接通至能量供应网络。这适用于所有的另外的3AC辅助运行变流器。另外的辅助运行变流器的接通可以并行地和/或串行地实现。如果通过合适的装置确定,即不再存在接地故障,也就是出现接地故障解除,那么也可以再次产生在3AC辅助运行变流器和能量供应网络之间的通过电流。这例如可以通过接通在3AC辅助运行变流器和N导线之间的电连接实现。

在另一个有利的设计方案中,能量供应系统具有至少一个接地故障监控装置。能量供应网络在此包括三相能量供应网络(3AC)和N导线。该装置适于简单和可靠地识别出接地故障。通过该装置可以将关于接地故障的信息传递给辅助运行变流器的控制或者调节装置,通过该装置能够执行用于使并联的3AC辅助运行变流器运行的根据本发明的方法。优点是,对于该方法而言可以使用能在市场上找到的接地故障监控装置。用于执行之前描述的方法的特定设备的研发是不必要的。因此,确保了能量供应系统的接地故障监控的成本低廉的实现。

在另一个有利的设计方案中,能量供给系统的辅助运行变流器电并联地布置。在该设计方案中,辅助运行变流器也优选地设计成3AC辅助运行变流器。通过并联的布置,即使在一个辅助运行变流器故障时也能通过保持运行的另外的辅助运行变流器继续确保对能量供应网络的电负载的供电。通过并联的3AC辅助运行变流器的可能方式的脉冲同步的定时还实现了在各个处于运行的3AC辅助运行变流器上的均匀的功率分配。并联电路的优点在于,可以设置多个3AC辅助运行变流器来对电负载进行供电,其具有较小的结构尺寸并且能够简单地集成到现有的构造中。另外的优点在于,通过并联3AC辅助运行变流器获得了一定的冗余,从而即使在一个或者多个3AC辅助运行变流器故障时也能可靠地为电负载、至少一部分电负载,尤其是对于车辆的运行来说必要的电负载供电。

在另一个有利的设计方案中,能量供应系统具有三相能量供应网络和单相能量供应网络,其彼此电连接。通过应用根据本发明的方法,可以放弃单相和三相能量供给网络的电隔离。通常,通过变压器确保这种类型的电退耦、也称为电隔离。因为其对于根据本发明的能量供应系统来说不是必要的,因此其明显更加便宜和轻便。

在另一个有利的设计方案中,在单相能量供应网络和三相能量供应网络之间的电连接通过辅助运行变流器执行。该布置的优点在于,通过电流在接地故障的情况中通过辅助运行变流器流动并且能够由其通过控制/调节装置识别。通过该探测实现了根据本发明的方法的安全的使用。该特征确保,即也能在存在接地故障时进一步安全地保证辅助运行变流器的运行。

附图说明

接下来根据图中示出的实施例对本发明进一步说明和描述。图中示出:

图1是根据本发明的车辆的车载网络的第一原理电路图,

图2是具有分离的单相能量供应网络的根据本发明的车载网络的另外的原理电路图,

图3是具有开关的根据本发明的车载网络的另外的原理电路图,

图4是具有双极开关的根据奔放的车载网络的另外的原理电路图,

图5至8是具有并联布置的辅助运行变流器和三相AC汇流母线的能量供应系统。

具体实施方式

在图1中示出了辅助运行变流器1,其为电负载3供应电能。出于简化的目的,在图中仅仅示出了车辆的并联连接的辅助运行变流器1的一个辅助运行变流器1。在此,三相电负载31连接至三相能量供应网络21。单相负载32与单相能量供应网络22连接。单相能量供应网络22的N导线与地电位连接。在此示出的实施例中,辅助运行变流器1在其输出端提供了用于对三相能量供应网络21进行供电的三个相位L1,L2,L3。另外的输出端形成单相能量供应网络22的N导线N。单相能量供应网络的相位L通过与三相能量供应网络21的相位L1的电连接形成。可替换的是,单相能量供应网络22的相位L也能够由三相能量供应网络21的相位L2或者L3形成。整个能量供应网络2包括三相能量供应网络21和单相能量供应网络22。车辆、尤其是轨道车辆具有多个电负载3,不仅有三相电负载31还有单相电负载32,其中在图1中为了简化起见仅仅示出了相应一个三相电负载31和一个单相电负载32。

图2示出了可选的实施例,其中单相能量供应网络22的相位L也直接在辅助运行变流器1的输出端上提供。在该实施例中为了简化起见仅仅示出了车辆的交流电压侧并联连接的3AC辅助运行变流器1的一个辅助运行变流器1。在此,相位L的电位与三相能量供应网络21的相位L1,L2,L3的电位相同或者与该电位无关。该布置的优点在于,单相能量供应网络22的相位L的电位直接在辅助运行变流器1中产生,并且由此能够由辅助运行变流器1控制或者调节。辅助运行变流器1例如可以通过与用于对三相能量供应网络21的三个相位L1,L2,L3进行供电的输出端的连接产生单相能量供应网络22的相位L。相位L在相位L1,L2,L3之间的切换也被证明是有利的。此外,在单相能量供应网络21和辅助运行变流器1之间的通过电流能够简单地例如通过在此没有示出的开关中断。为了避免在系统的一致的组件方面的重复,参考对图1的描述和在那里添加的标号。

图3示出了根据图2的车辆的车载网络的另一个实施例,其中在辅助运行变流器1和能量供应网络2之间的连接中连接有用于中断在辅助运行变流器1和能量供应网络2之间的通过电流的开关4。为了避免在系统的一致的组件方面的重复,参考对图1和图2的描述和在那里添加的标号。在该实施例中,为了简化起见也仅仅示出了车辆的交流电压侧并联连接的3AC辅助运行变流器1中的一个辅助运行变流器1。该中断在本实施例中在接地的N导线N的情况中实现。在此示出的N导线对应于单相能量供应网络22。此外在此也被证明有利的是,三相能量供应网络21还具有N导线。在此涉及单独的N导线或者可以使用单相能量供应网络22的N导线。然后可以在三相能量供应网络21的相位L1,L2,L3和N导线之间连接单相负载32。在此也被证明为特别有利的是在辅助运行变流器1和三相能量供应网络21的接地的N导线之间配备有开关4,其中断在辅助运行变流器1和三相能量供应网络21的N导线N之间的通过电流。在此,开关4可以布置在辅助运行变流器1和能量供应网络2之间的线路中。有利的替代方案在于,用于中断在辅助运行变流器1和能量供应网络2之间的通过电流的开关4布置在辅助运行变流器1中。在该种情况中,开关4直接通过辅助运行变流器1的控制/调节装置来驱控。

图4示出了车辆的车载网络的另一个实施例,其中开关设计成双极的。该开关4的目的除了在接地故障时中断在辅助运行变流器1和能量供应网络2的N导线之间的通过电流外还用于中断单相能量供应网络的相位L。由此可以确保,即在接地故障的情况中无电压地接通单相能量供应网络22。对于人员,尤其是维护人员在接触中有危险的电压造成危险由此被极大地降低。为了避免在系统的一致的组件方面的重复,参考对图1、2和图3的描述和在那里添加的标号。在该实施例中,为了简化起见也仅仅示出了车辆的交流电压侧并联连接的3AC辅助运行变流器1中的一个辅助运行变流器1。

图5示出了具有多个并联地布置的辅助运行变流器11和12的能量供应系统5。在此并联连接的3AC辅助运行变流器同时为三相能量供应网络21的相位L1,L2,L3供电。该三相能量供应网络21设计成三相AC汇流母线。此外,还存在单相能量供应网络22,其中该单相能量供应网络22中的每一个都通过辅助运行变流器11,12中的一个供电。辅助运行变流器11,12的并联连接确保了,即使在一个或者多个辅助运行变流器11,12发生故障时也能可靠地为三相能量供应网络21提供电能。为了在辅助运行变流器11,12的故障的情况中能够将其与三相能量供应网络21断开,在辅助运行变流器11,12中设置有开关4。该开关4实现了为设置用于对能量供应网络2的输出端与能量供应网络2的断开。此外,该开关4允许中断在辅助运行变流器和能量供应系统5的N导线之间的通过电流。由此确保,即根据本发明的方法能够通过能量供应系统5执行。辅助运行变流器11,12除了具有开关4之外还具有带有功率半导体104、中间电路缓冲电容102和滤波器103的桥电路101。出于清晰的目的,放弃了用于接收从触线或者柴油发电机获得的能量的电路。桥电路101具有功率半导体104,其布置在桥电路中。在此,每个功率半导体104都包括半导体开关和与之反并联地连接的二极管。中间电路电容器102用于平滑中间电路电压。从中间电路电压,通过具有功率半导体开关104的桥电路101在辅助运行变流器11,12的输出端上产生具有能调节的电压高度和能调节的频率以及相位的电压。滤波器103用于过滤不希望的谐波。通过其帮助能够产生辅助运行变流器11,12的输出电压的足够精确的正弦走向。在三相能量供应系统21中的接地故障的情况中,与单相能量供应网络22连接的开关4被断开。由此确保,即由于接地故障的原因不会导致在辅助运行变流器11,12的内部的短路电路。此外确保,即能够可靠地对对于车辆、尤其是轨道车辆的运行来说必要的电负载供应能量。三相能量供应网络21的短时的故障在此并未消极地影响车辆的可用性。另外,三相能量供应网络21的短时的故障也不会对车辆的运行产生影响。

图6示出了用于车辆的能量供应系统5的另外的实施例。为了避免在系统的一致的组件方面的重复,参考对图5和图6的描述和在那里添加的标号。在图6中示出的实施例与图5的区别在于具有在辅助运行变流器11,12内部的功率半导体104的桥电路101。在此,辅助运行变流器11,12的用于与能量供应网络2的N导线连接的输出端没有与串联连接的中间电路电容器102的中点连接,而是与具有功率半导体104的桥电路101的另外的桥分支连接。通过该电路,在辅助运行变流器1的输出端上能够产生一个电压,该电压具有较小的谐波。该布置允许较小地和便宜地构造滤波器103。同时,辅助运行变流器1的输出电压的质量被进一步提高。这指出,即在输出端上的电压对应于正弦形状。

图7示出了根据本发明的能量供应系统5的另外的实施例。为了避免在系统的一致的组件方面的重复,参考对图5和图6的描述和在那里添加的标号。该实施例放弃了单相供应网络22。三相能量供应网络21由辅助运行变流器11,12供电,该三相供应网络设计成三相回流母线。此外,接地的N导线与辅助运行变流器11,12连接。通过放弃单相能量供应网络,该能量供应系统5能够成本低廉地制造。在该能量供应系统5中,出于清晰的原因而没有在该图中示出的单相负载32与三相能量供应网络21的相位L1,L2,L3中一个以及N导线N连接。在接地故障的情况中,在辅助运行变流器11,12和N导线N之间的通过电流被中断。这通过开关4实现,该开关设置在辅助运行变流器11,12的输出端上,并且产生至N导线的连接。这被证明是有优点的,即在该种构造时单相负载22如下地通过保护装置确保安全,即在中断N导线和辅助运行变流器1之间的通过电流时还将相应地引导电压的相位与单相负荷断开。

图8示出了根据本发明的能量供应系统5的另外的实施例。其基本上相应于图7中的实施例,然而,辅助运行变流器11,12的、设置用于与N导线连接的输出端与具有功率半导体104的桥电路的第四相位电连接。为了避免在系统的一致的组件方面的重复,参考对图5至7的描述和在那里添加的标号。在根据图7的实施例中在辅助运行变流器11,12内部的该输出端与两个串联连接的中间电容器102的中点连接,与该实施例不同的是,在辅助运行变流器11,12的、用于连接至三相能量供应网络21的相位L1,L2和L3的输出端上的电压的质量被进一步提高,这通过为具有功率半导体104的桥电路101扩展一个桥分支实现,至N导线N的连接被连接至该桥分支。这意味着,即该电压与理想的正弦形状的偏差很小。由此,辅助运行变流器11,12的滤波器103能够简单地并进而容易和成本低廉地设计。在该布置中,单相负载32也由三相能量供应网络21的相位L1,L2或L3中的一个和N导线供应。为了确保合乎规定的运行,为了确保对人员的保护以及为了保护连接的单相负载,被证明有利的是,在中断在能量供应网络2的N导线和辅助运行变流器11,12之间的通过电流时还中断在用于对单相负载32进行供电的相位和单相负载32之间的连接。

尽管本发明在细节上通过优选的实施例进行了详细的描述和说明,然而本发明并不单独地受到公开的实例的限制并且本领域技术人员能够由此推导出另外的变体方案,而不脱离本发明的保护范围。

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