用于控制有轨车辆上的线路转换器的方法与流程

技术领域和

背景技术：

本发明涉及用于控制有轨车辆(track-boundvehicle)上的线路转换器的方法，所述转换器具有列于所附权利要求1的前序部分中的特征。

因而，该方法限定于从交流电源线获得电力的有轨车辆，但是有轨车辆(诸如轨道车辆)可以是任何可构思的类型。本发明并不限定于所述线路的交变电压的任意相数，尽管单相和三相电压是最常见的，本发明也不限定于通过所述线路转换器馈入的任意特定水平的此类电压或电力。

图1示意性地示出了可以如何将电力从交流电源线2馈入有轨车辆1以及在所述车辆中可以如何使用电力。车辆被配置为沿着交流电源线2移动，因此该交流电源线2充当交流电源并且可以输送例如15kv、16²/3hz(瑞典)以及25kv、50hz(丹麦)的单相交流电压。车辆具有用于将来自电源线2的电压转换为合适电平的变压器3。在此，变压器具有初级绕组40和两个次级绕组4、5，这两个次级绕组4、5之一连接至用于在其输出端上输送例如1.5-3kv的直流电压的线路转换器6。该直流电压被输送到辅助转换器7，该辅助转换器7由控制单元8控制，用于根据脉宽调制模式生成一列脉冲，以在其输出端上输送三相交流电压。转换器的输出连接至三相变压器9以及谐波滤波器10，用于平滑由配电网11输送到设置于有轨车辆内的插座(诸如用于计算机的连接)以及输送到照明、加热和其它电器的交流电压。

变压器的另一个次级绕组4连接至线路转换器12，线路转换器12被配置为将其输出端上的直流电压输送至马达转换器13的输入端，该马达转换器13由控制单元14按照与由控制单元8执行的控制类似的方式来控制，用于将马达转换器13的输出端上的三相交流电压输送至电机形式的马达15，以用于驱动车辆。控制单元14将接收来自车辆驾驶员的命令，用于将由马达的定子绕组输送的电压的频率调整为适应于所期望的车速。在制动的情况下，车辆电力将沿着从马达到交流电源线2的方向流过线路转换器12，然后通过控制单元16来控制以在其输出端上输送单相交流电压。要指出，这只是在线路转换器所属的有轨车辆中的电力系统的几种可能的表现之一。

图2示意性地示出了线路转换器12的一种实施例，在此，该实施例具有一个电桥，该电桥具有两个相脚(phase-leg)20、21，相脚20、21并联连接于直流中间链路60的相反极柱(pole)22、23之间，并且各自具有串联连接的两个电流阀24-27。每个电流阀包括关断式半导体器件28-31(诸如igbt(绝缘栅双极型晶体管))以及与其反向并联连接的整流部件32-35(诸如二极管)。每个相脚20、21的将相脚划分成相同的两半的中点36、37相对于另一个相脚的所述中点连接至变压器3的次级绕组4的相对侧。当从次级侧测量时，变压器具有电感l。变压器3的初级绕组40连接至以2指示的交流电源线。

这样的线路转换器12通常由控制单元16通过普通的脉宽调制模式方案来控制，这会导致比较大的电流纹波，如图3所示，从而导致来自变压器的可听噪声并且还导致高的功率损失。这种可听噪声的主要来源是电流谐波，如图3所示，这与普通的脉宽调制控制的情况基本相同，与基波电流的幅度无关。在此，噪声主要来自于开关频率的二次谐波h。因而，这种脉宽调制模式控制在车辆的马达空载时会导致与马达满负荷驱动时相同的噪声。当有轨车辆静止停靠于车站时，该噪声是特别大的问题，与站之间的区域不同，在车站仅可接受较低程度的可听噪声。

技术实现要素：

本发明的目的是提供用于控制有轨车辆上的线路转换器的方法，用于解决由对以上公开的线路转换器的控制导致的所述噪声的问题。

根据本发明，这一目的通过提供一种方法来实现，该方法的特征在于控制电流阀的半导体器件接通和关断，从而阻止通过变压器的次级绕组的电流过零和改变方向，除了该电流在所述初级绕组两端的电压在变压器的绕组两端的交流线电压的新的半周期开始时改变方向时过零和改变方向的情况。

因而，这意味着，在低电流情况下，电流将被中断，因为电流纹波将达到零，但是不会改变方向。这导致由如同车辆停在车站那样空载时的电流纹波导致的谐波彻底消除，并且这些谐波随着负荷增加而越来越大。这意味着，空载时的切换不会导致干扰噪声，并且噪声的大幅降低预计可以达到满载电流的大约20％，这是在根据脉宽调制模式方案来控制所述线路转换器时电流纹波通常会具有的值。这还将导致在较低负荷情况下在变压器和线路转换器内的功率损失减少。

根据本发明的一种实施例，该方法包括第一控制方案，根据该方案控制所述半导体器件，使得如果通过变压器的次级绕组的具有一定方向的电流达到零，则它将保持为零，直到在所述交流线电压的同一个半周期内再次沿着相同的特定方向开始流动，并且因此该电流是不连续的。

根据本发明的另一种实施例，控制形式为两级转换器的线路转换器。

根据本发明的构成了最后提及的实施例的进一步发展的另一种实施例，只有当经由变压器从交流电源线传输到所述车辆的电功率低于预定水平(诸如可传输到所述车辆的最大电功率的30％或20％)时，才根据所述第一控制方案来执行对线路转换器的所述半导体器件的控制。因而，很有可能在较高电流的情况下改为脉宽调制控制方案，在该控制方案下，由这样的控制导致的电流纹波在一个时间周期的主要部分内不会过零，使得通过阻止电流过零并使其不连续，由谐波产生的噪声可能无论如何不会降低。

根据本发明的另一种实施例，测量所述车辆的速度，并且只有当车辆的速度低于预定水平(诸如20km/h、10km/h或5km/h)时，才将所述第一控制方案用于控制线路转换器的半导体器件。当车辆的速度具有这样低的水平时，通过线路转换器的电流通常也会很低，以至于所述第一控制方案将有效地减少由对线路转换器的控制而导致的干扰噪声的产生，这使得车辆的速度成为决定要使用哪种控制方案的合适参数。

根据本发明的另一种实施例，当电力通过线路转换器从交流电源线馈入直流中间链路时，针对所述第一控制方案，电流阀的半导体器件在接通后保持为导通的时间t1通过使用以下公式来计算：

其中

t1＝半导体器件的导通时间

tp＝开关的周期时间

ud＝直流中间链路电压

u＝转换至次级侧的交流线电压(绝对值)

iref＝电流基准绝对值

l＝变压器的电感

当电流不连续并且电力从线路转换器馈入直流中间链路时，该控制方案的使用会导致通过变压器的次级绕组的电流脉冲的正确的平均值。在本公开所使用的电力流动方向的标准中，它不是瞬时功率流，而是相关的在例如交流电源电压的基波周期或半周期内估计的平均功率。

根据本发明的另一种实施例，当电力通过线路转换器从直流中间链路馈入交流电源线时，针对所述第一控制方案，电流阀的半导体器件在接通后保持为导通的时间t1通过使用以下公式来计算：

其中

t1＝半导体器件的导通时间

tp＝开关的周期时间

ud＝直流中间链路电压

u＝转换至次级侧的交流线电压(绝对值)

iref＝电流基准绝对值

l＝变压器的电感

当电流不连续并且线路转换器将电力从直流中间链路馈送至交流电源线以在制动车辆时再生电力时，该控制方案的使用会导致通过变压器的次级绕组的电流脉冲的正确的平均值。

根据本发明的另一种实施例，该方法包括形式为包括流过变压器的所述次级绕组的连续电流的正常的脉宽调制的第二控制方案，并且当从交流电源线传输到所述车辆的电功率超过可从所述交流电源线传输到车辆的最大电功率的一定百分比(诸如其20％或30％)时，从所述第一控制方案转换为所述第二控制方案。因而，尽管将可以不依赖于从交流电源线传输到车辆的电功率的大小而使用所述第一控制方案，但是在较高负荷的情况下(在此情况下第一控制方案没有实质意义)转换至正常的脉宽调制可能是有利的，因为电流纹波将不会达到零，除了在基波电压和电流改变方向之前和之后短时间内。

根据本发明的另一种实施例，当电力通过线路转换器从交流电源线馈入直流中间链路时，针对所述第二控制方案，每个电流阀的半导体器件的导通时间t1通过使用以下公式来计算：

其中

t1＝半导体器件的导通时间

tp＝开关的周期时间

ud＝直流中间链路电压

iref＝电流基准绝对值

i＝电流绝对值

l＝变压器的电感

u＝转换至次级侧的交流线电压(绝对值)。

根据本发明的另一种实施例，当电力通过线路转换器从直流中间链路馈入交流电源线时，针对所述第二控制方案，每个电流阀的半导体器件的导通时间t1通过使用以下公式来计算：

其中

t1＝半导体器件的导通时间

tp＝开关的周期时间

ud＝直流中间链路电压

iref＝电流基准绝对值

i＝电流绝对值

l＝变压器的电感

u＝转换至次级侧的交流线电压(绝对值)。

根据本发明的另一种实施例，根据第一和第二控制方案并行地计算tl，将这样获得的tl的两个值进行比较，并且选择与得到tl的最低值的公式相关的控制方案用于控制每个电流阀的半导体器件。这意味着，从第一到第二控制方案的转换以及相反方向的转换将自动发生，并且在可以通过阻止电流过零来使得电流不连续的情况下，根据第一控制方案的控制也可以只在一个周期的某些部分内使用。

根据本发明的另一种实施例，在所述第一控制方案的时间内只有每个相脚的一个电流阀的半导体器件被接通。这样的控制可能会在低电流水平的情况下导致不连续的电流。

根据本发明的另一种实施例，当电力通过所述线路转换器从交流电源线馈入所述直流中间链路时，通过以下操作来执行所述第一控制方案：使除了一个半导体器件以外的所有半导体器件保持关断，并且在交流线电压的前半周期内，要么仅接通和关断所述相脚中的第一相脚中的与所述直流中间链路的所述极柱中的第一极柱连接的电流阀的半导体器件，要么仅接通和关断所述相脚中的第二相脚中的与所述极柱中的第二极柱连接的电流阀的半导体器件，并且相应地在交流线电压的另一半周期内，要么仅接通和关断所述第一相脚中的与所述第二极柱连接的半导体器件，要么仅接通和关断所述第二相脚中的与所述第一极柱连接的半导体器件。

根据本发明的另一种实施例，当电力通过所述线路转换器从交流电源线馈入所述直流中间链路时，通过以下操作来执行所述第一控制方案：要么在同一脉冲周期内同时接通和关断与直流中间链路的所述极柱中的第一极柱连接的两个电流阀的半导体器件，要么，替代地，在同一脉冲周期内同时接通和关断与所述直流中间链路的第二极柱连接的两个电流阀的半导体器件。第一控制方案的这种简化实施例可以仅在电流被控制为与电压同相时才使用，即在电动机运转期间才使用。当半导体器件被接通时，变压器的次级将被短路，并且变压器内的电流将增长。当半导体被关断时，由于变压器的电感(见图2中的l)，电流将继续经过二极管流到直流中间链路的电容器。第一控制方案的这种实施例具有这样的优势：不必知道基波电压何时过零以及何时改变方向。

根据构成了最后提及的实施例的进一步发展的本发明的另一种实施例，与直流中间链路的所述第一极柱和所述第二极柱连接的电流阀的半导体器件被交替接通。这将导致均匀的耗散，因而将导致所有半导体器件的均匀芯片温度。

根据本发明的另一种实施例，当电力通过所述线路转换器从所述直流中间链路馈入交流电源线时，例如当车辆在制动时，通过以下操作来执行第一控制方案：在交流线电压的前半周期内，使所述相脚中的第一相脚中的与所述直流中间链路的所述极柱中的第一极柱连接的半导体器件持续保持接通，并且接通和关断所述相脚中的第二相脚中的与直流中间链路的所述极柱中的第二极柱连接的半导体器件从而使其以脉冲形式导通，并且相应地在交流电源线电压的另一半周期内，使所述第二相脚中的与所述第一极柱连接的电流阀的半导体器件持续保持接通，并且接通和关断所述第一相脚中的与所述第二极柱连接的半导体器件从而使其以脉冲形式导通。

本发明还涉及具有所附权利要求16的特征的计算机程序、具有权利要求17的特征的计算机程序产品、根据权利要求18所述的有轨车辆的电子控制单元以及根据权利要求19所述的有轨车辆。

通过下面关于本发明的实施例的描述，本发明的更多优点以及有利特征将变得明显。

附图说明

参考附图，下面是作为示例而引用的本发明的实施例的具体描述。

在附图中：

图1是示出电力系统的示意图，其中该电力系统中包括可以通过根据本发明的方法来控制的线路转换器，

图2是所述线路转换器的示意图，

图3a和3b是在通过现有技术的脉宽调制方案且在比较高的基波电流值的情况下控制线路转换器(如图2所示)时在基波电压的时间周期内的电流-时间以及由其导致的电流谐波-频率的曲线图，

图4a和4b是在通过根据本发明的一种实施例的方法但在比较低的基波电流值的情况下控制线路转换器时得到的与图3a和3b的曲线图对应的曲线图，

图5a和5b示出了在根据所述第一控制方案来控制线路转换器并且在电力通过线路转换器从交流电源线馈入直流中间链路时，即在正常的电动机运转时对图2中的线路转换器的电流阀的控制(针对电压和电流的正半周期)，并且图5c示出了由该控制导致的不连续的电流，

图6a、6b和6c对应于图5a、5b和5c，不过是针对电流的负半周期，

图7a-7c和8a-8c分别对应于图5a-5c和6a-6c，是电力通过线路转换器从直流中间链路馈入交流电源线的情况，即针对发电机运转的情况，

图9是在根据所述第一控制方案的简化实施例来执行控制时交流电源线的电压的时间周期内通过图2中的线路转换器的变压器的次级绕组的电流的曲线图，以及

图10是示出用于实施根据本发明的方法的电子控制单元的示意图。

具体实施方式

我们假定，由控制单元16通过应用第一控制方案来控制图2所示的线路转换器，其中第一控制方案包括用于计算电流阀的半导体器件在接通之后保持导通的时间tl的算法，并且当电力通过线路转换器从交流电源线馈入直流中间链路时，tl根据1)来计算，而当电力通过线路转换器从直流中间链路馈入交流电源线时，tl根据2)来计算：

1)2)

其中

t1＝半导体器件的导通时间

tp＝开关的周期时间

ud＝直流中间链路电压

u＝交流线电压绝对值

iref＝电流基准绝对值

l＝变压器的电感

在低负荷的情况下，电流在一个半周期内将不连续且为正，并且在下一个半周期内将不连续且为负，如图4a所示。由此将导致图4b所示的电流谐波，并且可以看出，与图3b所示的脉宽调制控制的情形相比，1800hz附近的干扰谐波显著较弱。在使用根据本发明的第一控制方案时，电流越小，所述谐波的减小程度就越高。

图5a-5c涉及针对电动机运转且在正半周期的情形下使用所述第一控制方案。图5a和5b分别示出了对第一相脚和第二相脚的半导体的控制次序。控制次序＝0，即具有在时间轴上的值，意味着没有任何一个半导体是接通的。正的控制次序，即具有在时间轴上方的值，意味着与中间链路的正极柱连接的半导体被接通，而另一个半导体关断。负的控制次序，即具有在时间轴下方的值，意味着与中间链路的负极柱连接的半导体被接通，而另一个半导体关断。可以看出，只有第一相脚20的下方半导体器件29和第二相脚21的上方半导体器件30被接通，其结果是可防止电流i(图5c)为负。

图6a-6c示出了在负半周期内对于电动机运转的控制，其中只有第一相脚20的上方半导体器件28以及第二相脚21的下方半导体器件31被接通。

图8a和8b示出了在电压的负半周期内针对根据图2的线路转换器的发电机运转如何执行第一控制方案。第一相脚20的下方半导体器件29被保持为持续接通，而第二相脚21的上方半导体器件30被交替地接通和关断。这可防止电流i(见图8c)变为负的，所以在低负载电流的情况下它将是不连续的。

与图8a-8c对应地，图7a-7c针对电压的正半周期内的发电机运转，其中第二相脚21的下方半导体器件31持续接通，而第一相脚20的上方半导体器件28交替地接通和关断，其结果是可防止通过变压器的次级绕组的电流i为正，使得在低负载电流的情况下它将是不连续的。

图9示出了在低电流运行的情况下根据所述第一控制方案的简化实施例来控制线路转换器时通过变压器的次级绕组的电流的发展，其中根据图2的线路转换器通过该变压器的次级绕组连接，在此期间两个相脚的两个上方半导体器件28、30以及两个相脚的两个下方半导体器件29、31交替地接通和关断。这种控制方案只能在电流被控制为与电压同相的情况下执行，即在电动机运转期间执行。因而，为了针对线路转换器的低电流运行获得不连续的电流，不必知道电压何时过零以及新的半周期何时开始，如同在图9中针对电流i所示的。

用于实施根据本发明的方法的计算机程序代码可有利地包括于计算机程序内，该计算机程序可以被读入计算机的内存，例如有轨车辆的电子控制单元的内存。这样的计算机程序可有利地经由计算机程序产品来提供，该计算机程序产品包括可以由计算机读取且具有存储于其上的计算机程序的数据存储介质。图10示意性地示出了包括用于执行计算机软件的执行装置50(例如中央处理器单元(cpu))的电子控制单元16。执行装置50经由数据总线(databuss)52与例如ram类型的存储器51通信。控制单元16还包括非暂时性数据存储介质53，例如为闪存或者rom、prom、eprom或eeprom类型的存储器的形式。执行装置50经由数据总线52与数据存储介质53通信。计算机程序包括用于实施根据本发明(例如根据以上所公开的实施例)的方法的计算机程序代码，其被存储于数据存储介质53上。

当然，本发明决不限定于以上所述的实施例，因为它们的很多修改可能性对本领域技术人员而言很可能是明显的，而不必然偏离所附权利要求限定的发明范围。

根据本发明的方法可以应用于具有多于一个电桥(例如，连接到同一变压器的六个电桥)的线路转换器。转换器的每个电流阀都可以具有串联连接的且作为单个半导体器件而被同步地控制的多个半导体器件。以上线路转换器中示出的整流部件也可以代表串联连接的多个整流部件。