专利名称：具有接触器的轨道车辆以及控制和使用这些接触器的方法
技术领域：
本发明涉及一种设置有接触器的轨道车辆，以及控制和使用这些 接触器的方法。
背景技术：
提供的用于生产轨道车辆的设备包括-
-多相电动机，其设置有用于电动机的每一相的电连接端子和具 有永磁体并能够旋转地驱动该轨道车辆的驱动轮的转子；
-多相逆变器，其能够提供电动机的多相供电电压，该逆变器设 置有用于每一相的连接端子；以及
-至少一个用于电动机的每一相的可控接触器，该接触器设置有 至少两个分别被电气连接到逆变器的相应端子和电动机的相应端子 的电极，这两个电极能够移动以使得在非导电状态与导电状态之间变 换，其中，在非导电状态下，这两个电极将他们连接的逆变器和电动 机的端子彼此隔离，而在导电状态下，他们将这两个端子电气连接， 所述两个电极在非导电状态下隔开了电极间距D。
在本说明书的余下部分，将设置为其中具有永磁体的转子的电动 机称为"永磁式电动机"。
与没有永磁体的电动机相比，例如大多数的异步电动机，永磁式 电动机即使在多相逆变器不再向其定子上的绕组供电时也能够产生 电流。因此，在逆变器发生故障的情况下，必须将永磁式电动机与逆 变器电气隔离。然而，逆变器和永磁式电动机之间流动的多相电流和 电压的特性大大不同于向其他电动机(特别是没有永磁体的电动机) 供电的多相电流和电压的特性。
例如，在逆变器发生特殊故障后，每一相中的电流可能既具有固
定分量(continuous component)又具有不等于零的交流分量。尤其是， 当出现所谓的"非对称性短路"故障时，这种状况将会发生。
将这种短路称为"非对称性的"，这是因为缺陷相中的电流的固 定分量的振幅不同于其他相中的电流的固定分量的振幅。更确切地 说，在出现非对称性短路时，缺陷相中的固定分量的振幅大于交流分 量的振幅，从而该相中的电流永远不会被抵消。而且，固定分量的振 幅一般非常高，即大于2卩0安培，典型性地大于或等于700安培。
最后，在非对称性短路期间，交流分量的频率可能非常高，也就 是说该频率可能是相同功率的异步电动机的常见频率的两倍。目前认 为没有永磁体的用来牵引轨道车辆的异步电动机的多相电压频率不 会超过200赫兹，且一般在60赫兹以下。在非对称性短路期间，交 流分量的频率可能大于400赫兹。
发明内容
本发明的目的是提供一种轨道车辆，在该轨道车辆中，永磁式电 动机可以与逆变器电气隔离，尤其是在出现非对称性短路时。
因此，本发明涉及一种轨道车辆，其中
-每个接触器包括一个管(bulb)，该管的内部在非导电状态下具
有压力P，电极放置在该管内；以及
-压力P乘以电极间距D的乘积接近帕邢曲线的最低点的左侧。
令人惊奇地发现，具有上述特性的管式接触器能够将永磁式电动 机与逆变器电气隔离，甚至在非对称性短路期间。更确切地说，通常 认为压力乘以电极间距的乘积接近帕邢曲线的最低点的左侧的接触 器只能切断正被抵消的交流电流。因此，推理这种类型的接触器不适 宜用于永磁式电动机，这是因为当产生非对称性短路时，缺陷相中的 电流永远不会被抵消。而且，缺陷相中的这个电流具有强度通常非常 高的固定分量。现在发现这种推理是不正确的。
主张的用于解释这种意外特性的理论之一如下。缺陷相以外的其 他相中流动的电流被周期性地抵消。利用这种方式， 一个非缺陷相的 一个接触器在电流下次变成零时就断开。然后，电流在两个剩余相(也就是说与仍然闭合的接触器相对应的那些相)之间保持平衡。这种情 况导致缺陷相的电流中的固定分量的消失。因此，甚至使缺陷相的电 流也被周期性地抵消。因此，这两个接触器在它们各自的相电流一旦 再次降到零时就断开。
此外，在相同性能水平的情况下，尤其是在切断功率和/或断开 速度方面，这种管式开关所需的空间比采用其他技术形式生产的接触 器的空间小得多(也就是说， 一般至少小两倍)。
最后，这类接触器也适用于切断对称性短路。
这种轨道车辆的实施例可以包括一个或多个下列特征
-轨道车辆包括控制单元，其能够在出现非对称性短路时控制接 触器断开，将其中一相中的电流既具有固定分量又具有不等于零的周 期性基波分量的情况定义为非对称性短路，固定分量的振幅绝对地大 于周期性基波分量的振幅，从而使得该相中的电流永远不会被抵消；
-轨道车辆包括用于检测非对称性短路的设备，该设备一检测到 非对称性短路就能自动断开接触器；
-逆变器能够提供基波频率低于6赫兹的多相电流，并且其中， 即使要切断的多相电流的基波分量小于6赫兹，该控制单元也能控制 接触器断开；
-逆变器还能够在零到至少400赫兹之间改变提供的多相电压的 频率；
-对于每个接触器，轨道车辆包括上游电导线和下游电导线，上 游导线将接触器电气连接到逆变器的相应端子，而下游导线将接触器 电气连接到电动机的相应端子，并且至少一个铁氧体设置在上游导线 和/或下游导线的周围；
-在接触器闭合期间所产生的频率下，每个铁氧体的电阻部分比 电感部分大。
轨道车辆的这些实施例还具有下列优点
-在永磁式电动机中，低于6赫兹的频率对应于非常低的交流电 压，即低于或等于15V。对于这种低电压，发现在非对称性短路情况 下用于隔离电动机与逆变器的这些接触器中的每一个还能够切断不等于零的电流，这允许使用这种接触器，以便切断低频率或零频率的 电流；
-这些接触器在一方面的空间要求和另一方面的切断频率可能达 到400赫兹的电流的能力之间提供最佳的折衷；
-存在于上游导线和/或下游导线上的铁氧体限制了由多次发生的 预先放电或预先点火而产生的脉冲序列的显著电压梯度(显著梯度可 以理解为超过10kV/u s的梯度)。.
本发明还涉及一种用于控制上述轨道车辆的接触器以及使用该 接触器使轨道车辆的永磁式电动机与其逆变器电气隔离的方法。
通过阅读下面的参照附图给出的完全作为非限制性实例的说明 将更好地理解本发明，在附图中
图1是设置有永磁式电动机的轨道车辆的结构示意图2是用于图1的车辆中的真空管式接触器的示意图；以及
图3是用于控制图1的轨道车辆的真空管式接触器的方法流程图。
具体实施例方式
在本说明书的余下部分，将不再具体描述本领域技术人员所熟知 的特征和功能。
图1示出了轨道车辆2，例如火车。
该车辆2通过受电弓6电气连接到接触网4。
例如，车辆2包括连续串联连接的断路器10、变压器12和整流 器14，以便将利用经由受电弓6接收的电压所产生的固定电流和电 压提供给DC母线16。
逆变器/整流器20电气连接在母线16的导线之间。该逆变器/整 流器20设置有用于电气连接的三个端子22至24。该逆变器/整流器 20经由端子22至24提供或接收三相电压。更确切地说，当逆变器/ 整流器20在端子22至24上提供三相电压时，其作为逆变器工作；
而当逆变器/整流器20在端子22至24上接收三相电压进行整流后再 提供给母线16时，其作为整流器工作。
该逆变器/整流器20能够提供或整流可变频率的电压。在该示例 中，在端子22至24上接收或提供的三相电压的频率在0到大于400 赫兹之间变化。例如，三相电压的频率在0到450赫兹之间。
每个端子22至24分别经由一个上游导线26至28连接到单相接 触器34至36的输入端子30至32。
这些单相接触器34至36分别包括一个输出端子38至40，其经 由下游电导线42到44分别电连接到永磁同步电动机50的相应连接 端子46至48。电动机50包括设置有永磁体的转子。该转子能够旋 转驱动车辆2的一个或多个驱动轮，或被这些驱动轮驱动旋转。为了 简化图l，仅示出一个驱动轮54。
在每条导线26至28以及42至44的周围，设置用于过滤由多次预先放电或多次预先点火所引起的显著电压梯度的设备。显著梯度是 指大于10kV/us的梯度。例如，在该示例中，将铁氧体60至62以 及64至66分别布置在导线26至28以及42至44的周围。这些铁氧 体专门用于去除在接触器34至36闭合和断开期间所产生的显著电压 梯度。
例如，可以根据Alstom在1998年6月29日提交的申请号为 FR9808207的专利申请中的教导生产这些铁氧体。尤其是，每个铁氧 体的电阻部分相对于在接触器34至36闭合期间所产生的频率起主要 作用。
下面将参考图2更加详细地描述接触器34至36。
车辆2还包括在每条导线26至28中的相电流的传感器70至72。这些传感器连接到检测器74，该检测器74能够根据传感器70至72测得的电流值来检测非对称性短路。
检测器74连接到用于控制接触器34至36断开的单元76。
接触器34至36彼此完全相同。图2更加详细地示出了接触器34。接触器34可以在将导线26与导线42电气隔离的断开位置和将导线26与导线42电气连接的闭合位置之间移动。
接触器34包括一个管80，该管80形成一个密封腔，在该密封 腔内产生低压。在该示例中，低压是指低于1(^毫巴(l帕斯卡)并 可能达到10—7毫巴(10'spa)的压力。
两个电极82和84在管80内相对放置。这些电极82和84可以 移动以使得在导电状态和非导电状态之间变换，反之亦然。为此，这 两个电极中的至少一个可以在与电极84电气接触的有效位置以及与 电极84电气隔离的縮回位置之间移动。在其对应于导电状态的有效 位置，端子30和38彼此电气连接；而在其对应于非导电状态的縮回 位置，端子30和38彼此电气隔离。在其縮回位置，电极82和84彼 此隔开一个电极间距D。
选择压力P和间距D，以使得压力P乘以间距D的乘积接近帕 邢曲线的最低点的左侧。应当注意的是，帕邢曲线表示在恒温下、与 压力P乘以电极间距的乘积相一致的点火电压值的变化。可以在不同 的气体中定义帕邢曲线，例如空气、氮气等。
在该示例中，接触器34是真空管式接触器。这些接触器被称为 "真空开关"。
在该示例中，接触器34适于切断强度大于300A、基波分量的频 率大于或等于450赫兹的交流电流。具有这些特性的真空开关已经商 业化了。
在图2中，应该注意的是，铁氧体60和64分别布置在导线26 和42的周围，同时与这些导线26和42电气隔离。并且还将铁氧体 60和64布置为尽可能地接近电极82和84。
现在将参考图3的方法描述车辆2的运行。
在正常牵引运行的阶段卯期间，在步骤92期间，逆变器/整流 器20在端子22至24上提供三相电压。例如，该三相电压的频率由 用于控制电动机50的扭矩的机构自动确定。
在步骤94期间，响应于该三相电压，电动机50产生对应于牵引 值的牵引扭矩，以便牵引车辆2。
阶段90与用作发电机正常运行的阶段96交替进行。
在阶段96的步骤98期间，电动机50的转子由车辆2的车轮旋
转地驱动。在该示例中，在步骤98期间，电动机50在导线42和44上产生三相电压。
在步骤100期间，该三相电压由逆变器/整流器20整流，并在母线16上以电压和连续电流的形式传输。例如，电动机50由此产生的电能被重新传输回到接触网4，或用在车辆2中，以便向电气设备供 电。该电能也可以由可变电阻器消耗掉。
在与阶段90和96并行的步骤102期间，检测器74持续地利用传感器70至72所测得的电流值来判断是否存在非对称性短路。
如果在步骤102中检测到非对称性短路，为了使电动机50与逆变器20电气隔离，该单元76立即执行步骤104以控制接触器34至36断开。
许多其他实施例也是可以的。例如，检测器74和控制单元76可以组合在同一部件中。
该示例中已经描述的技术同样也适用于具有多于三相的多相电动机，并且更加一般地适用于当其转子被旋转驱动时能够产生周期电流的任何多相电动机，且不必为此提供至少一个电动机的绕组。
在该示例中，对于该具体示例已经描述了接触器34和36，其中，通过改变电极间距D来实现从断开位置到闭合位置的移动，反之亦然。在一个变型中，可以通过改变压力P来实现从断开位置到闭合位 置的移动。在这一变型中，电极间距D可以是常量。
权利要求
1、轨道车辆，包括-多相电动机(50)，其设置有用于该电动机的每一相的电连接端子(46-48)以及具有永磁体并且能够旋转地驱动所述轨道车辆的驱动轮的转子；-多相逆变器(20)，其能够提供所述电动机的多相供电电压，该逆变器设置有用于每一相的连接端子(22-24)；以及-至少一个用于所述电动机的每一相的可控接触器(34-36)，该接触器设置有至少两个分别电气连接到所述逆变器的相应端子和所述电动机的相应端子的电极，这两个电极能够移动以使得在非导电状态与导电状态之间变换，其中，在所述非导电状态下，这两个电极将他们连接的所述逆变器和所述电动机的端子彼此隔离，而在所述导电状态下，他们将这两个端子电气连接，所述两个电极在所述非导电状态下隔开了电极间距D；其特征在于-每个接触器包括一个管，该管的内部在所述非导电状态下具有压力P，所述电极放置在该管内；以及-所述压力P乘以所述电极间距D的乘积接近帕邢曲线的最低点的左侧。
2、 根据权利要求1所述的车辆，其特征在于，所述轨道车辆包 括控制单元(76)，该控制单元(76)在出现非对称性短路时能够控 制所述接触器(34-36)断开，将其中一相中的电流既具有固定分量 又具有不等于零的周期性基波分量的情况定义为非对称性短路，所述固定分量的振幅绝对地大于所述周期性基波分量的振幅，从而使得该 相中的电流永远不会被抵消。
3、 根据权利要求2所述的轨道车辆，其特征在于，所述轨道车 辆包括用于检测非对称性短路的设备(74),该设备一检测到非对称性短路就能自动断开所述接触器(34-36)。
4、 根据权利要求2或3所述的车辆，其特征在于，所述逆变器 (20)能够提供基波频率低于6赫兹的多相电流，并且其中，即使要切断的所述多相电流的所述基波频率低于6赫兹，所述控制单元也能 够控制所述接触器断开。
5、 根据前述任一项权利要求所述的车辆，其特征在于，所述逆 变器(20)还能够在0到至少400赫兹之间改变所提供的多相电压的 频率。
6、 根据前述任一项权利要求所述的车辆，其特征在于，对于每 个接触器，所述车辆包括上游电导线(26-28)和下游电导线(42-44)， 上游导线将所述接触器电气连接到所述逆变器的相应端子，而下游导 线将所述接触器电气连接到所述电动机的相应端子，并且其中至少一 个铁氧体(60-62， 64-66)设置在所述上游导线和/或下游导线的周围。
7、 根据权利要求6所述的车辆，其特征在于，每个铁氧体(60-62， 64-66)的电阻部分在所述接触器闭合期间所产生的频率下比电感部 分大。
8、 根据前述任一项权利要求所述的车辆，其特征在于，所述压 力P在所述接触器工作期间一般低于1Pa。
9、 根据前述任一项权利要求所述的车辆，其特征在于，在所述 接触器工作期间，所述两个电极中的至少一个在与另一个电极电气接 触以便获得所述导电状态的位置和与另一个电极电气隔离以便获得 所述非导电状态的縮回位置之间移动。
10、 用于控制根据权利要求1至9中任一项所述车辆中的接触器的方法，其特征在于在出现非对称性短路时，控制(104)所述接 触器断开。
11、使用接触器(34-36)以便将具有永磁体并能够旋转地驱动 轨道车辆的驱动轮的多相电动机(50)与能够在连接端子上提供所述 电动机的多相供电电压的多相逆变器(20)进行电气隔离，其特征在 于，这些接触器的压力P乘以电极间距D的乘积接近帕邢曲线的最 低点的左侧。
全文摘要
一种具有接触器的轨道车辆以及控制和使用这些接触器的方法，该轨道车辆包括-多相电动机(50)，其设置有具有永磁体并能够旋转地驱动轨道车辆的驱动轮的转子；-多相逆变器(20)，其能够提供电动机的多相电压；以及-至少一个可控接触器(34-36)，其设置有两个被放置在密封管内的电极。压力乘以电极间距的乘积接近帕邢曲线的最低点的左侧。
文档编号H02K11/00GK101202481SQ200710167628
公开日2008年6月18日 申请日期2007年9月21日 优先权日2006年9月21日
发明者D·西佩尔斯, G·德波特, O·贾科莫尼 申请人:阿尔斯通运输公司