专利名称：牵引系统和用于牵引系统的控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于例如像铁路、有轨电车等运输系统中的牵引系统的一种控制 装置。特别是，本实用新型涉及用于驱动牵引系统的控制设备。
背景技术：
用于牵引电力电子设备的控制装置通常包括几个印刷电路板，这几个印刷电路板 执行不同的功能，例如电量的测量，模-数转换，信号滤波，设定点处理，控制算法，脉宽调 制器，通用IO处理，电路保护，自我监督，供电设备，数据显示和输入等等。专用设备之间的 通讯必须建立起来并且必须为大多数设备供给电力。在控制装置中用于电力电子系统的通讯线和供电线易受电磁干扰的影响，特别是 因为用于牵引系统的控制装置有时候位于具有一个或数个电机的电机单元附近。因此，要 仔细地选取控制系统的体系结构以便提供一种优化的系统，该系统对电磁干扰的脆弱性减 小并能以低成本建成。目前为止，控制装置已被订制为允许使用不同电力电子电路来控制不同类型的电 机单元。这就导致了设计系统需要增加成本，因为对于不同种类的电机单元和/或电力电 子电路要使用相应的控制装置。
实用新型内容根据第一方面提供了一种用于牵引系统的控制装置。控制装置包括多个不同的驱 动单元和控制单元，所述驱动单元特别是半导体驱动单元，用来分别给电力变流器(power converter)提供驱动信号，所述控制单元用于控制至少一个驱动单元，使得相应的驱动单 元产生驱动信号，其中，控制单元适合于在至少一个驱动单元中选择一个或多个并适合于 控制所选择的驱动单元给电力变流器提供驱动信号。此外，为了控制至少一个驱动单元，可以提供一种光学互连，其连接控制单元和驱 动单元以允许光学控制信号传送给相应的驱动单元。上述控制系统的一种思路是提供一种概念，该概念提供一种控制系统，该控制系 统能够灵活使用不同的电力电子标准部件(building block)来操作，同时提供减小了的对 电磁干扰的脆弱性。根据一个实施例，控制装置还可以包括I/O单元，所述I/O单元适合于(特别是通 过光学系统)接收外部情况和管理信号并且适合于将外部情况和管理信号转送到控制单兀。并且，控制装置可以进一步包括适合于接收指示牵引系统的外部状态信号的状态 信号的接口和IO单元。特别是，接口和IO单元包括用来响应于外部状态信号产生光学状 态信号的装置，并且其中接口和IO单元通过光学互连与控制单元耦合以便由控制单元接 收光学状态信号，其中控制单元适合于响应于光学状态信号而控制至少一个驱动单元。根据另一实施例，控制装置还可以包括第一供电单元和第二供电单元，所述第一供电单元产生用于向所述驱动单元供电的第一供给电力；所述第二供电单元用于向控制单 元供电，其中第一和第二供电单元的输出是电去耦的。此外，第一和/或第二供电单元可以适合于从电池电压源接收电池电压和从牵引 系统电压源(例如吊线(catenary))接收牵引系统电压，并且适合于将接收到的电池电压 电平与预定的阈值电平比较，其中当电池电压电平低于所述阈值电平时，控制单元和/或 驱动单元由牵引系统电压产生的辅助供电来操作。可以提供一种扁电池(flat battery)启动电路，用于在启动期间比较接收到的电 池电压电平和阈值电平，其中当电池电压电平低于阈值电平时，控制单元和/或驱动单元 由供电电压产生的辅助供电来供电。根据另一方面提供一种牵引系统。所述牵引系统包括如前述方案之一所述的控制 装置、具有一个或多个电机的电机单元和用于接收管理信号并用于激励所述电机单元以产 生牵引力的电力变流器单元。本实用新型的目的在于提供一种用于牵引系统的控制装置，其有改善的性能，减 小了的对电磁干扰的脆弱性，和增加了的用于不同牵引系统的灵活性。
就附图来更详细地描述优选的实施例，其中图1示出了用于运输系统的牵引系统；和图2示出了供在附图1的牵引系统中使用的控制装置。
具体实施例附图1示出框图，该框图示意性说明了用于像铁路、有轨列车等的运输系统的牵 引系统1。牵引系统1包括电机单元2，该电机单元2包括例如一个或多个电子换向电动机 (electrical motor)。例如可以使用像同步电机(synchronouselectrical machine)之类 的电动机牵引机。电机单元2由电力电子标准部件3激励，该电力电子标准部件3包括功率半导体 开关(例如IGBT、晶闸管等)以及快速保护装置。电力电子标准部件3不包括任何本地控制 器。电力电子标准部件3从控制装置4分别接收门信号和/或启动信号(firing signal), 该门信号和/或启动信号分别施加到IGBT或晶闸管。电力电子标准部件3可以分别具有 门驱动器或启动电路(firing circuit)，以为功率半导体开关执行开关功能。外部供电电压通过供给电压线路5、例如通过铁路系统的吊线供给向控制装置4 和电力电子标准部件3供电。此外，控制装置4通过管理信号线路6从(没有示出的)行车管理系统接收情况 和管理信号，该情况和管理信号可以指示电力电子标准部件3和电机单元2的期望操作状 态和电机单元2提供的期望驱动功率。为了控制装置4中的优化控制，控制装置4从电极 单元2和电力电子标准部件3通过反馈线路8接收操作状态，例如关于电流、电压、温度、旋 转速度、冷却液压力等的指示。在图2中更详细地示意性示出了图1的控制装置4。控制装置4包括控制单元10， 和一些子单元例如CAN单元11，接口和IO单元12，例如门驱动单元13和启动电路14的驱动单元，扁电池启动电路15，用于门驱动单元13和/或启动电路14的第一供电单元16，第 二供电单元17。单个控制单元10用来控制所述牵引系统1的所有功能，特别是驱动电机单 元2的功能和提供保护的安全功能。控制单元10与子单元——即CAN单元11、接口和IO单元12、门驱动单元13和启 动电路14和控制装置4中的可选地更多(未示出的)功能单元——信号连接。为了提 供改善了的抗电磁干扰的耐性(resistance)，控制单元10与子单元之间的信号通信通过 光纤18完成，其中光学信号可以被传输。通过光纤的信号传输对电磁干扰免疫。CAN单元 (11)适合于特别是通过光学系统(18)接收外部情况和管理信号，并且适合于将外部情况 管理信号传送到所述控制单元(10)。控制单元10为门驱动单元13和/或启动电路14提供控制信号。门驱动器13可 以产生门信号以施加到电力电子标准部件3。类似的，启动电路14可以产生启动信号以施 加到电力电子标准部件3。依靠电力电子标准部件3中使用的功率半导体开关，门信号或启 动信号中任一个或两者被施加到电力电子标准部件3。除了门驱动单元13和启动电路14 之外，可以实施更多不同的驱动单元。控制单元10适合于预先选择门驱动单元13和启动电路14中的一个或两者作为 预设。提供门驱动单元13和启动电路14两者使控制装置4灵活，这样控制装置4的单一 的设计就可以在不同类型的牵引系统1中操作不同种类的电力电子标准部件3。为维修目的，控制单元10还包括维修端口 19，例如以太网接口等。维修端口 19允 许在控制单元10中做设定，例如输入用于所连接的电力电子标准部件3的控制方案，以预 先选择与所连接的电力电子标准部件3匹配的正要被操作的(多个)驱动单元。控制单元10还通过接口和IO单元12接收状态信号，该接口和IO单元12在外部 连接到相应的电力电子标准部件3和/或电机单元2来接收状态信号。状态信号可以指示 例如一个或多个电机电流、一个或多个电机电压、电机转速、电力电子标准部件3中的驱动 电流和/或驱动电压、作为电力电子标准部件3的冷却系统中的冷却液的压力的冷却液压 力以及电机单元2和/或电力电子标准部件3的温度。接口和IO单元12可以包括一个或 多个模拟数字转换器来对外部状态信号进行模拟/数字转换以转换成数字状态信号，其中 外部状态信号主要以模拟电量形式提供。另外，接口和IO单元12可以包括电-光转换器(未示出)，该电-光转换器把数 字状态信号转换成光学状态信号。然后，光学状态信号能通过光纤18在接口和IO单元12 和控制单元10之间传输。通过状态信号，控制单元10能对电机单元2的操作进行反馈控制并监视电力电 子标准部件3和/或电机单元2的操作。例如，通过监视电力电子标准部件3和/或电机 单元2的温度，过热可以被检测到以便进行安全断电(power-off)。接口和IO单元12包括牵引安全子单元，该牵引安全子单元允许电力电子标准部 件3掉电(power down)以防电力电子标准部件3中的一个或多个电力电子部件出故障。牵 引安全子单元的功能允许确定电力电子标准部件3中是否发生故障并然后决定掉电策略 以用于通过门驱动单元13和/或启动电路14来操纵所述电力电子标准部件3的部件，从 而使得一个或多个部件中的故障不会因为例如过多的功率暴露(power exposure)而引起 更多的部件被破坏。
5[0031]CAN单元11可以包括CAN (控制器区域网络)控制器，与管理信号线路6通信的光 电转换器，管理信号线路6例如是光学总线系统，像车辆数据总线，其提供光学情况和管理 信号来控制和/或管理所述牵引系统1。控制装置4包括电池供电端口 20以从电池源22(例如是车辆电池)接收电池供 给电压。电池供给电压供给第二供电单元17，其为控制单元10和子单元如CAN单元11和 接口和IO单元12提供供电。此外，控制装置4通过牵引系统供给端口 21连接到供给电压 线路5，供给电压线路5也连接到电机单元2和电力电子标准部件3。牵引系统供给端口 21 供给牵引系统的供给电压，其可以对应于到牵引系统1的吊线电压。来自供电线路5的牵引系统供给电压提被供给控制装置4的扁电池启动电路15， 其作为控制装置4的辅助电压供给。扁电池启动线路15具有检测与电池供电端口 20连接 的电池源22的电池负载的功能。一旦电池电压低于电池电压阈值，扁电池启动电路15把 牵引系统供给电压转换成电池电压电平或预定的电压电平并将其提供给第二供电单元17 来给控制单元10和子单元供电，并且将其提供给第一供电单元16来为门驱动单元13和启 动电路14供电。因此，扁电池启动电路15甚至在供给电池供电端口 20的电池电压低的情况下仍 提供控制装置4的能力而使牵引系统1上电。也就是说，扁电池启动电路15能够在启动牵 引系统1时启动电力电子标准部件3和电机单元2。扁电池启动电路15因而被设计成利用 根据外部电池源22的电池充电状况的电压变化而起作用。一旦车辆电池电压完全用光，控 制装置4、即所述扁电池启动电路15，能够使用被称为扁电池启动的特殊功能来启动。在这 种情况下，如果牵引系统1包括在铁路等中的话，从吊线电压直接取得供电。第一和/或第二供电单元16、17适合于承受短时间的供给中断。这可以通过一直 或规律的检测通过电池电源电压端口 20供给的电池电压来实现，从而使得如果确定通过 电池电源电压端口 20供给的电池电压减少到最低值以下特定的时间段后，即在1到50ms 的范围内，则相应的供电单元16、17将继续通过转换通过牵引系统供给端口 21供给的电压 来向所述控制单元10和子单元供电，而没有任何明显的中断。第一供电单元16与第二供电单元17分离，以使得门驱动单元13和启动电路 14(和其它驱动单元)与控制装置4的其余部分实现电隔离。第一供电单元16可以包括 DC/AC变换单元来提供驱动单元13和14所需要的脉冲电压等。第二供电单元17可以包括 DC/DC转换器以把电池电压电平转换成操作控制单元10和子单元所需要的电压电平。本实用新型的一个思路是为牵引系统1提供一种控制装置4，其提供减小了的对 于电磁干扰的脆弱性，和改进了的对电池电压的电压变化或电池电压的故障的敏感性。对 电磁干扰的敏感性的减小是通过使用光纤在控制装置4内的部件之间进行通信实现的。此 外，控制装置4被设计成对于牵引系统1中的不同类型的电机单元2可以灵活的连接不同 的电力电子标准部件3。这样，可以操作许多不同的电机单元，如上面例子中那样门驱动单 元13和启动电路14能驱动功率半导体开关，例如电力电子标准部件3中的IGBT和/或晶 闸管。参考列表1牵引系统2电机单元[0042]4控制装置[0043]5供给电力线路[0044]6管理信号线路[0045]10控制单元[0046]IlCAN单元[0047]12接口和IO单元[0048]13门驱动单元[0049]14启动电路[0050]15扁电池启动电路[0051]16第一供电单元[0052]17第二供电单元[0053]18光纤[0054]19维护端口[0055]20电池电源端口[0056]21牵引系统供给端口[0057]22电池源
权利要求1.用于牵引系统(1)的控制装置G)，其特征在于包括-多个不同驱动单元(13，14)，分别为电力变流器(3)提供驱动信号； -控制单元(10)，用于控制至少一个驱动单元(13，14)，使得相应的驱动单元(13，14) 产生驱动信号，其中，控制单元(10)适合于在至少一个驱动单元(13，14)中选择一个或多 个并控制所选择的驱动单元(13，14)给电力变流器C3)提供驱动信号。
2.如权利要求1所述的控制装置G)，其特征在于为了控制所述至少一个驱动单元 (13，14)，提供光学互连，其连接所述控制单元(10)和所述驱动单元(13，14)以允许光学控 制信号传输到相应驱动单元(13，14)。
3.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于还包括-CAN单元(11)，其适合于特别是通过光学系统(18)接收外部情况和管理信号，并且适 合于将外部情况管理信号传送到所述控制单元(10)。
4.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于还包括-接口和IO单元(12)，其适合于接收指示所述牵引系统(1)的外部状态信号的状态信号。
5.如权利要求4所述的控制装置G)，其特征在于接口和IO单元(12)包括用于响应 于外部状态信号产生光学状态信号的装置，并且其中接口和IO单元(1 通过光学互连与 控制单元(10)耦合以便由控制单元(10)接收光学状态信号，其中控制单元(10)适合于响 应光学状态信号而控制至少一个驱动单元(13，14)。
6.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于还包括-第一供电单元(16)，产生用于向所述驱动单元(13，14)供电的第一供给电力；和 -第二供电单元(17)，用于向所述控制单元(10)供电， 其中第一和第二供电单元(16，17)的输出是电去耦的。
7.如权利要求6所述的控制装置G)，其特征在于第一和/或第二供电单元(16，17) 适合于从电池电压源02)接收电池电压和从牵引系统电压源接收牵引系统电压，并且适 合于将接收到的电池电压电平与阈值电平比较，其中当电池电压电平低于阈值电平时，控 制单元(10)和/或驱动单元(13，14)由牵引系统电压产生的辅助供电来操作。
8.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于还包括-扁电池启动线路(15)，用于在启动期间比较接收到的电池电压电平和阈值电平，其 中当电池电压电平低于所述阈值电平时，控制单元(10)和/或驱动单元(13，14)由供电电 压产生的辅助供电来供电。
9.牵引系统(1)，其特征在于包括-电机单元O)，其包括一个或多个电机；-电力变流器单元(3)，用于接收情况和管理信号并用于激励电机单元O)以产生牵引力；-如前面权利要求之一所述的控制装置G)。
专利摘要本实用新型涉及一种用于牵引系统(1)的控制装置(4)及包括该控制装置的牵引系统，包括-多个不同驱动单元(13，14)，分别为电力变流器(3)提供驱动信号；-控制单元(10)，用于控制至少一个驱动单元(13，14)，使得相应的驱动单元(13，14)产生驱动信号，其中，控制单元(10)适合于在至少一个驱动单元(13，14)中选择一个或多个并适合于控制所选择的驱动单元(13，14)给电力变流器(3)提供驱动信号。
文档编号B61C17/00GK201842093SQ200920178048
公开日2011年5月25日 申请日期2009年11月25日 优先权日2009年11月25日
发明者A·皮亚泽西 申请人:Abb瑞士有限公司