用于铁路车辆的辅助电源系统和辅助转换器组件的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及大功率电子装置的领域。具体而言，本实用新型涉及可机载安装在铁路车辆上的辅助电源系统及其组件。
【背景技术】
[0002]本实用新型涉及机载安装在铁路车辆或轨道车辆上以用于向安装在铁路车辆中的辅助电气设备供能的辅助电源系统的领域。
[0003]铁路车辆通常包含多个辅助电气设备，以用于设备冷却、乘客舒适性、餐车、照明、制动/安全相关的功能等。存在借助于使用静态功率转换器(下文称为辅助转换器)来对那些辅助电气设备供能的若干方法。
[0004]由AC电源供能的铁路车辆通常具有机载牵引变压器，其还包含用于辅助电源的绕组。来自变压器的辅助电源在给送辅助电气设备之前由辅助电源系统进一步处理。在一些情况中，辅助电源系统包括若干平行的辅助转换器，其连接到相同的辅助绕组上，而没有用于冗余的电流隔离，且优化了安装设备的量。
[0005]此类多个转换器大体上具有非对称的负载分布，且可生成共模电压，这可不利于整个系统的绝缘完整性。具体而言，对于带有线路整流控制的整流器的转换器，输入线路电压可远高于中间DC链路电压。由于输入整流器的发射角可能由于转换器之间的非对称负载而并未与彼此同步，故可生成共模电压。该共模电压可除由电压源逆变器(其振幅和上升比率可由DC链路电压和使用的功率半导体的切换特征限定)生成的切换频率调制共模电压之外生成。
[0006]克服上面提到的问题的一个途径在于根据预计的共模电压应力水平来确定整个系统的绝缘的大小。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型的目的在于提供一种用于牵引应用的辅助转换器，其仅生成低的共模电压应力。
[0008]本实用新型的另一个目的在于提供一种用于牵引应用的辅助转换器，其是紧凑的、重量轻的，具有有效的冷却设备，且构造有稳健的柜。
[0009]这些目的通过独立权利要求的主题实现。其它示例性实施例从从属权利要求和以下详细中清楚。
[0010]本实用新型的第一方面涉及一种用于铁路车辆的辅助电源系统。辅助电源系统可从变压器供应，例如，变压器从悬链线接收其电力。辅助电源系统的构件可布置在铁路车辆的机房内。
[0011]根据本实用新型的实施例，辅助电源系统包括AC到AC转换器，其适于将单个AC输入电压转换成多相AC输出电压。AC到AC转换器包括用于将单相AC电压转换成DC电压的整流器，该整流器可连接到变压器的公共绕组上，以及用于将来自相应整流器的DC电压转换成多相AC输出电压的DC到AC逆变器。DC到AC逆变器包括带有连接在逆变器的各个输出相中的相逆变器的LC输出滤波器和连接到各个输出相上且连接到星形点的相电容器，其中星形点经由接地电阻器和接地电容器的串联连接接地。
[0012]整流器为受控的整流器(线路整流的整流器)或半受控的整流器，S卩，其可包括带有可控的半导体开关(如，晶闸管)的一个半桥和带有二极管的另一个半桥。线路整流可利用单相非对称半受控整流器来执行。
[0013]整流器和逆变器可与DC链路互连。中间DC链路可包括LC滤波器，以使整流器输出电压平滑且还减小线路电路中的谐波。DC链路还可包括电压限制单元，以在动态振荡期间限制过压，且在停机期间主动地使DC链路放电。
[0014]逆变器可为电压源逆变器，其利用将IGBT用作半导体开关的三相半桥形态来实现。逆变器可利用脉宽调制控制，例如，以生成三相正弦加权AC输出电压。
[0015]AC输出中的切换频率涟波利用低通LC滤波器来过滤。LC滤波器输出处的所得电压波形可几乎没有高频分量。
[0016]LC滤波器的星形点连接可利用带有串联的电阻器和电容器的铁路车辆的等电势基准来接地，这限制和分配共模电压，且/或其减小循环电流的大小。以此方式，共模电压最佳地在AC输出相上分布。此外，共模电压的上升速率限于低值(如，小于20V/US)。
[0017]特别地，当若干AC到AC转换器的若干线路整流受控整流器并联连接时，经由接地电阻器和接地电容器的接地可限制共模电压对公共绕组的冲击，而不另外需要电流分离。
[0018]根据本实用新型的实施例，接地电容器与另一个、第二接地电阻器并联连接。另一个接地电阻器可与第一接地电阻器串联连接。
[0019]根据本实用新型的实施例，星形点与在整流器与逆变器之间互连的分流DC链路的中性点互连。以此方式，还可限制整流器的输入处的共模电压。
[0020]根据本实用新型的实施例，各个输出相的逆变器包括并联连接的两个半桥，各个半桥均包括在它们之间提供中点的两个串联连接的半导体开关。中点经由共模扼流圈与相应的输出相连接，共模扼流圈包括各个半桥的电感器，电感器被电感地耦合。
[0021]逆变器可利用硬并联的半导体开关(诸如，IGBT)实现，S卩，两个半桥的并联的半导体开关可由一个栅极驱动控制。共模扼流圈用于平衡两个并联的半导体开关之间的电流。电流平衡可在不采用独立的栅极驱动或主动电流平衡控制的情况下实现。
[0022]根据本实用新型的实施例，辅助电源系统包括可并联连接到其输入处的公共绕组上的至少两个单相AC到三相AC转换器。可能的是辅助电源系统包括两个或更多个AC到AC转换器，它们所有都可如上文和下文所述那样设计。两个或更多个AC到AC转换器可布置在一个公共或独立的柜或两者的组合中。
[0023]例如，各个AC到AC转换器可生成用于辅助电气设备的三相正弦滤波的AC输出。
[0024]两个或更多个AC到AC转换器可连接到其输入处的变压器的公共绕组上，其在它的副侧上还包括与适用于供应用于驱动铁路车辆的电动机的牵引转换器连接的其它绕组。
[0025]此外，辅助电源系统可包括电池充电器，以用于生成DC输出来对车辆电池充电，且对铁路车辆中的DC辅助负载供能。电池充电器的输入可连接到AC到AC转换器的一个或更多个AC输出上，可选在它们中的一个故障的情况下在转换器之间切换。因此，牵引变压器的公共绕组可对所有AC到AC转换器供能，且一个AC到AC转换器可对电池充电器供能。
[0026]电池充电器的DC输出可与AC到DC转换器的AC输出电流隔离。例如，电池充电器可包括电流隔离的变压器。
[0027]本实用新型的另一个方面涉及用于铁路车辆的辅助转换器组件。辅助转换器组件可包括如上文和下文所述的辅助电源系统，或布置在柜中的至少其构件，其可附接到铁路车辆的发动机房内。
[0028]根据本实用新型的实施例，辅助转换器组件还包括承载AC到AC转换器的半导体开关的功率半导体模块。辅助转换器组件的功率部分可配备有可取回的功率半导体模块(电力电子标准模块，PEBB)和/或模块化子组件。复杂的功率电子电路可由保养友好的模块化智能可再配置且可靠的功率处理平台替换。可取回的功率半导体模块的使用可导致较低的替换时间，由此将停机时间减到最低。这些功率模块连同其控制器可提供针对需要的牵引功率转换系统的高速控制要求的优化解决方案。
[0029]根据本实用新型的实施例，各个功率半导体模块包括用于冷却半导体开关的热沉。将理解的是，热沉还可看作是用于从相应装置吸收热的换热器，其冷却且将这些热与诸如空气的其它介质交换。
[0030]辅助转换器组件还包括柜，功率半导体模块附接到柜上，使得功率半导体在柜内，且热沉从柜突出。辅助转换器组件还包括盖，其覆盖热沉，且其提供用于以空气冷却热沉的第一空气导管。辅助转换器组件的模块可通过强制对流来冷却，使用了用于设备冷却的铁路车辆中可用的独立的新鲜空气流。
[0031]根据本实用新型的实施例，辅助转换器组件还包括用于生成柜内的内部空气流的风扇、在柜内且在空气流中的换热器，该换热器附接到柜的壁上。用于以空气冷却柜的壁的第二空气导管设在柜中。辅助转换器组件还可设有一个或更多个内部搅拌风扇，以经由空气循环内部空气至其它内部空气换热器，以与外部环境交换辅助转换器的内部损失，由此通过降低内部环境温度和避免形成局部热点来延长构件的使用寿命。第二空气导管还可通过利用用于设备冷却的铁路车辆中可用的独立新鲜空气流的强制对流来冷却。
[0032]辅助电源系统的主要控制器还可布置在柜内。主控制器可利用数字系统构架基于微控制器和/或FPGA实现，其可提供强大计算资源和/或允许操作和交互简便的通信接口。控制信号连同状态变量测量结果和/或各种命令可使用公共通信协议传输，该协议允许系统的即插即用(PnP)能力，带来了模块性、可再配置性和可再使用性。车辆控制单元与主控制器之间的通信可通过设在转换器柜内的网关执行。
[0033]根据本实用新型的实施例，辅助转换器组件还包括另一个风扇，其布置在第一空气导管内。例如，在转