紧急辅助负载的供电方法、辅助变换器及其铁道车辆的制作方法

专利名称：紧急辅助负载的供电方法、辅助变换器及其铁道车辆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于为紧急捕助负载供电的方法、辅助变换器以及利用该
方法的4失ii车辆。
背景技术：
已经存^v车辆上的车载可再充电电育^f^殳备为铁道车辆的紧急捕助负
栽供电的方法。在紧急4莫式中，負&量^i殳备能够^ft足够多的能量使得紧急
辅助负载单独利用该能量源运行大约多于三十^^中，典型#30^4中和1小时 之间。
JW的方法包括正常模式，在该正常模式中，电池充电器为^^辅助负载 供电并对电^Wi殳M充电，该充电器能够产生DC电压，其能够利用^目 电源对电^4^i殳M充电。
/斤提出的^^明涉^l辅助变换器的^:
用于来自^DC电压的接触网(catenary)的DC电源，或者在接 触网M交流电压的情况下，用于来自强制切换单相^(FSSPB)的DC电源；
具有低频输出变压器(典型的50Hz或60Hz)的通用的DPI(直接
PWM逆变器)4s朴结构；
具有由^^^器以及可能M400Vac平台电源插>^馈电的电池充 电器。
从DC电力获得^目电压，其中该DC电力经由DC/AC变换器从接触网获 取，或者在接触网M交流电压的情况下，该DC电力通过由强制切换单相整 ^^(FSSPByit电的中间直流母线(bus)获队
该充电器包拾
三个输入端子，#^个与^目电压的其中一相连接，
至少两个输出端子，更经常的是三个，其中两个输出端子连接至电 ,育t^i殳备，并且整^^的直流电压传^该电負^^i殳备。 实际上，电池充电器通常具有三个输出端子两个具有it^性以及一个具 有负极性，具有i^ L性的第一端子直接连接至电池。具有JE^L性的第1子具 有非返回^ L管(non-return diode )，且为必须由DC电压供电的辅助负载供电， 这样产生由火车上的多个电齡多个充电驗电的辅助低电压系统，且保证如 果电池或充电E^时，母线上^#有电力。
该充电器还包括
* ^目AC/DC变换器，其三个臂作为输入端连接J^目系统，其DC输 出端连接至电池充电器的输出端子，该AC/DC变换器是晶闸管桥或;^^晶闸管 和4管桥，
*晶闸管开关和控制单元，以变换^目电压。
除了铁道车辆的驱动电动机以外，铁道车辆上的辅助负载4^是安絲铁 道车辆上的电气负栽。这些辅助负载分为两类 *由4氐电压供电的^目AC负载，以及 *由低电压供电的负栽。
出于冗余原因，中等电压^目交流负载经由不同的系统(通常为两个)或通过 单个网络由多个辅助变换，电，则该辅助变换器to匕同步，其中如果一个辅 助变换器^jl故障，则该不同的系统可以通过它们之间的^^接触器连接在一 起。中等电压是指350Vac和500Vac之间的^f目电压。这些中等电压辅助负栽 例如是空调单元、加热汽车内部的辐射器、照明装置或加湿器。
由低电压DC供电的负载由具有緩冲电池的低电压网给映电，该标准电池 电压是24、 48、 72、 96和110Vdc。低电压辅助负载例如是设备、控制电子器 件、^:信息服务、所有或部分照明装置等。
辅助变换器是指能够M由接触网俘获的电力产生为辅助负栽供电的^目 中等电压和DC低电压的电气设备。该设备通常位于一个外壳内。
x M^文中，"低电压，MU旨小于150Vdc的DC电压。
术语"接触网，，不仅是指悬挂在铁轨上方为铁道车辆供电的架空线 (overhead wire )，而Jbl指地面上的为铁道车辆銜逸电力的沿铁^^伸且与集 电lft^触的第三轨。
可控功率切换电子单元的切换频率定义为每#^时间该单元切换次数的倒 数。当切换次数由该方法控制时，切 率典型地等于脉宽调制载^0率。有
时术if脉宽调制"的首字棘略词PWM(脉宽调制)更公知。
^有方法中，可控开关包括晶闸管，^if滤波器连接在充电器的输出端
子之间以使整流的DC电压平滑。该滤波器典型地包含串联的电 和电感；
该类型的滤波器是必须的，这是由于晶闸管将电压峰 ^于整流器的输出端。 此时，这些L"C滤波^^;UL重量大，整流谐波的存在也对中等电压系
统的^目滤波器 口 了限制。
通过由J. Rodriguez等A^写的IEEE文章"PWM Regenerative Rectifiers: state of the Art，，中描述的类型的再生整流器来替代晶闸管整流器，可以消除充电 器滤波器的电感和由于整流产生的^M谐波。
并且， 一些X^目供电的AC辅助负栽，特别是地下火车的紧急iiX，需要 专门的DC/AC变换器，其可以连接至电池，使得它们可以在紧急模式下被供电， 也I61说，在缺失接触网电压的情况下，^EJt常模式下由接触网供电的主变换 器不^^f皮供电。
这>(^*大量的大型设备和由此导致的更高的制造费用。
该技术问题是减少正常模式和紧急模式所需的设备的质量和体积，而保留 由J贿设备的结构实现的谐波滤波I"生能。

发明内容
出于该目的，本发明涉及一种用于^目辅助模式供电的方法，其中该方法
-在整流器的每个臂中提供两个可控功率切换电子单元，其能够以受控的方 式断开和闭合，并且能够4iL常模式中切换它们所在的臂中^Ut的电流，
-^jE常模式中，控制单;^特定的时间控制电子单元的导通和关断以整流 ^目电压，该电子单元的切换频率J^^4目电压的基频高至少二十倍，以及
-在紧急模式中，^^^li^殳有接触网电压时，主DC/AC变换器不再受控 制单元的控制，而电池充电器象DC/AC变换器一样受控制单元的控制，
-该控制单it^制在特定的时间控制电子单;^c导通状态(passing state )至 非导通状态(non-passingstate)的切换以;5L^过来的切换，以，助网络中产 生^目电压，使得辅助紧急负^:行，该^目电M电育^^i殳备中M的能 量产生。
在上iiit程中，^^可控电子单元特别是晶体管的事实提供了不仅可以自 由确定它们导通的时间还可以自由确定它们关断的时间。因此，晶体管比晶闸 管提供了更多的控制的可能性，其中晶闸管M导通可控。iU^M该附加的 可能性用以对电流斩波，其中该电流必须利用比^目电压的频率高得多的切换 频率进行整流。该高频斩波使得可以利用t医器的漏电感来使得电流平滑并因 此去除输出电感，这样整流器变成电流源。这样产生的电流谐波可以通过位于 输出端的电^从电池充电器滤除。
除jtb^卜，整流器包^r个可控功率切换电子单元的事实意味着它本质上 是可逆的，也"tUi兑，它可以在不具有接触网电压(紧急模式)的情况下，被控制 为DC/AC变换器。那么它可以在不使用特定的单独的DC/AC变换器的情况下， 对由AC供电的特别的辅助负救紧急itX)供电。
该方法的实施例可以包括一个或多个下述特征
-同样地，电子单元的切，^至少比产生的^目电压的基频高二十倍，
-在正常模式中，^目变压器利用从接触网俘获的能量在辅助母线上产生 350和500Vac之间的^目中等电压，以为连接至该辅助母线的辅助负载供电。
4^触网MDC电压，^常模式中，DC/AC变换器利用从接触网俘获的 能量产生^目电压作为给^N^器的输入，
4^触网MAC电压，#常模式中，单相整^#产生整流的DC电压作 为给DC/AC变换器的输入，连接所迷DC/AC变换辦为^目变压器的输入，
-在正常模式中，控制单元能够以同步方式控制三个臂中的可控开关和 DC/AC变换器，
-可控功率切换电子单元是晶体管(^1^ IGBT型)或GTO(^fel关断晶闸管)。
-扭常模式中
-控制单元从三相电流和三相电压的测量建立代表有功功率(active power)的^lt，
^制单it^取有功功率参考值，其用于确定由充电器在^%入端子和 输出端子之间传送的有功功率值，以#其端子之间传送的有功功率的方向，
^制单4于有功功率参考值和建立的代耒有功功率的参数之间的差 值，确定可控功率切换电子单元的切换次数，
^制单it^于测量的^目电流和^M目电压建立无功功率的代表性;^， -拴制单元利用无功功率参考值被编程，该无功功率参考值用于确定由充电
器在^T入端子和输出端子之间传送的无功功^^L，以^E其端子之间传送的
无功功率的方向，
画控制单W娥所述无功功率参考值和建立的^^JL功功率的^:之间的 差值，确定晶体管的切换次数，
-^JL常模式中，所i^功功率参考^fe^零，
-在紧急模式中，控制单元调节网络的电压和频率以预设存储器中记录的值。
-^^常模^^紧急模^^前，^^"元(pilot unit)确定晶体管的切
换次数，以抵消在辅助母线中测量的^M目电压的相位和充电器的输入端子之间 的^目电压的相位之间的差值，后者的相位，决于晶体管的切换次数。
这些供电过程的实施例^^Jr有下述优势
-晶体管切换以产生^目电压的控制使得可以利用相同的晶体管对能量存 ^f^殳备充电并为紧急捕助负载供电，这制氐了为紧急捕助负载供电所需的设备 的费用和^ 、。
-利用^目变压器产生对辅助母线馈电的中等电压使得可以在正常模式和 紧急橫式中利用相同的辅助母线以为紧急捕助负载供电，
-根据无功功率参考值和测量的代表无功功率的参数之间的差值来确定晶 体管切换次数，这一点4吏得可以调节通过输入端子流至充电器输出端子的无功 功率，
一^Jt常模式中i5X零无功功^f吏得可以限制能量损耗， -#^辅助母线上^目电压的相位和充电器输入端子之间的电压的相位之 间的差m^确定晶体管切换次数，这一点使得可以在当M常模式转为辅助模 式时，为辅助母线上的^目电^目^^供錢性，
4t助模式具有下述特殊的特征，即通it^^S器初级侧^目电压的无源整 流产生给主DC/AC变换器的输入电压，利用此可以
*将电池充电器用作DC/AC变换器，从电池对主DC/AC变换器的
输入滤波电絲预充电(消麵充电电阻)， 如果没有接触网，重新产生接触网电压，其可以用作能量源以使 得火车前移。
本发明还涉及辅助变换器，该变换器包括
-^目dc/ac变换器，其能够利用从接触网俘获的电力产生^目电压，
一^目妙器，具有三个初级，次鄉第三^^且单元，其通itt^器的初级 连接至dc/ac变换器的^目输出端，该dc/ac变换器/^器单元能够在正常 模式中将接触网的电压变^; 350Vac和500Vac之间的^目中等电压，其可以 被传it^辅助系统中的t医器的次级以向辅助负栽供电，
-连接至妙器的第三^^且的充电器,其能够扭常模式中从由^目dc/ac 变换器产生的3目电压中产生整流的dc电压，该充电器包括
三个输入端子，^个都连接至g器的第三^^且，
*两^h输出端子，其连接至电負y^i殳备，整流的dc电压被传U该电 肯^Wi殳备，
并^il接在两个输出端子之间的三个臂，每付包括两橫过中点串联 连接的可控开关，每个中点分别连接J^目应的输入端子， 參控制单元切换开关以整fc4目电压，
-所述开关的^-~个#*有至少一个可控功率切换电子单元，其能够以受控 方踪非导通状态断开，并在导通状态闭合，以切^^斤迷开关所在的臂中;組
的电〗克，以及
-控制单元能够在特定的时间控制充电器的电子单元从导通状态至非导通 状态的切换以M非导通状态至导通状态的切换，以整^t^目电压，电子单元 的切，率比^目电压的基频高二十倍。
该变换器的实施例可以包括一个或多个下述特征
-在紧急模式中，控制单元能够在特定的时间控制电子单;^tA导通状态至非 导通状态的切换以;^gj^的切换，以从痴ir出端子之间存在的dc电压产生 输入端子之间的^f目电压，晶体管的切，率比所产生的^f目电压的频率高至 少二十倍，
-充电器通it^目变压器与^目dc/ac变换器电隔离。 本发明还涉及一种铁道车辆，其包拾 -^目辅助系统，
-至少一个紧急捕助负载，其在紧急模式中必须##^皮供电至少大约三十分
钟，该负栽连接至辅助系统，
-可再充电电育^H^殳备，其可以连接至每个紧急捕助负栽，该设备能够存 储足够多的能量，以允许所有紧急捕助负#紧急模式中单独利用该能量源至
少运械过十^4中，
-至少一个向辅助系统供电的上 助变换器。


通过阅读下述i^f通过非限制性示例提供的说明书并参照附图，将更好的
理解本发明，其中
图1A^S沐电池充电器的铁道车辆的图解性说明，
图2賴于图1中电池充电器的控制单元的图觯性说明，
图3;l^图1中车辆中的紧急捕助负载的供电的过程的i^呈图，
图4是表示在图3中的过程中使用的多个矢量的图，
图5是图1中的铁道车辆电池充电器的用于^以图3中的过程的模型的图
觯柳月，
图6、 10和14是计时图，用于示意由电池充电器产生的^目电流的一相的 波形。
图7和11 *别示出在图6和10中示意的电流濒镨的图形， 图8、 12和15是计时图，用于示出对于不同的切换频率来说，由电池充电 ||#流的DC电压的变化，
图9和13是用于分别示意图8和12中示意的电压频镨的图形。 ^il些附图中，相同的附图才斜己用于指示相同的元件。
^实施方式
在该说明书的剩^P分，将不详细描ii^域技^A员^^P的特^功能。 图1表示通过受电弓(pantograph) 4供电的铁道车辆2，其中受电弓4与
供电接触网6接触。接触网6M高压，即典型的具有额定值600Vdc或更高的
DC电压。例如，接触网6的电源电/iiiiE是1500Vdc。
车辆2例如A^S己了紧急iMi殳备的地下4fei、火车或有轨电车。
车辆2包括向辅助网络12提供^M目中等电压的辅助变换器10。母线12上的^f目电压是400Vac。
辅助网络12包括^目# 14至16和一个中性导体18。
典型地，辅助网络12延伸穿过车辆2中的M车厢。
作为变形，车辆2包括至少两个辅助变换器和一^为至少两条的400Vac母线。
该车辆2 Ji^的辅助负荷^i^接至母线12。 i^E没有示出DC低电压负载。
辅助负载细分为两組， 一组"fit辅助负栽和一组紧急捕助负栽。该"f^辅 助负^jE常模式下必须被供电而在紧急4莫式下不必供电。i^E正常模式定义 为"~^辅助负 过受电弓4俘获的能量供电的运^^莫式。紧急捕助负^JE 常模式下也由母线12 M过受电弓4 ^ff获的能量供电。
紧急4莫式定义为^r紧急捕助负勤皮供电的运e^式。在紧急4莫式中，这
些负载仅由车辆2 Ji^的电肯^^殳备映电。
典型地，紧急模iO^应于在从接触网6至车辆2的电源中断后车辆2的运
^f莫式。电源的这种中断可以是意外'&资的或有意的。
为了简化图l,仅示意一^h4^辅助负载20和一个紧急捕助负载22。
负栽20例如是车厢的空调。负栽20通过可控接触器24连接至辅助网络12 。
在紧急模式下接触器24将负载20与母线12电隔离。
负载22连接至网络12，而不经过接触器，因此，它可以扭常模式和紧急
模式下被供电。负栽22例如A^！于循环由中等电压供电的车辆2中一个车厢内
的空气的M。
it^变换器10也能够向DC母^li側仏电源，该DC母线包括两个;fc^ 电隔离的徘28和30。 iU/f仏典型的是110Vdc。
可再充电电^Wi殳备32电连接在*28和30之间。可再充电能量絲 设备32包括两个输出端子。
设备32可以##足够的能量以由自身向紧急捕助负栽供电多于大约三十分 钟。这里，例如，设备32是电池。
变换器10通过波比电隔离的* 36和38连接。
变换器10包括在一个单个的金属外壳中按照以下顺序tobit接的下^t
件-隔离和预充电电路40， -滤波器42， -DC/AC变换器44，
-包括一纟"目电感Ll、 L2、 L3和一组电絲C1、 C2、 C3的正弦输出滤 波器，
-变压器48。
电路40包括与#36串^i^接的开关或接触器50，使得当开关50断开时 该变换器可以被隔离，并且当开关50闭合时，将该变换器可以交替重新连接至 其电源。
作为变形，在AC接触网的情况下，变换器10通过爭沐36至38连接至由 接触网经由，!I^电的强制切换单相^(FSSPB)。
电路40还包括可控开关或接触器52，其与预充电电阻54串联后与开关50 并联。预充电电路是^^p的，因otbi^不在更详细的描述电路40。
滤波器42是LC滤波器，包括与將36串^i^接的电感L和连接在科 36和导体38之间的电容器Cf 。
DC/AC变换器44可以将由滤波器42滤波的DC电压变换为频率为fT的三 相电压。典型地，频率fr在45Hz和65Hz之间。这里，频率fr是50Hz。产生 的^目电压中的^""相由相应的端子58至60传送。
正弦输出滤波器用于滤波DC/AC变换器44在端子58至60上产生的^目 电压。例如，正弦输出滤波器包括在一端分别连接至端子58至60，在另一端分 别连接至滤波器46的输出端子62至64的三个电感Lp L2和La。实际上，电 感L1、 L2、 L3以，器漏电感的形式臬成。
端子62、 63和64分别连接至变压器48的三个初^ i组70至72的一端。 初M^组70至72以三角形连^H^成一组初^J^且。
这些初，组70至72通过电^^i^接J^个次^J i组74至76，其中该 三个次^組以星形连接形成一组次皿組。没有连接至星形中点的绕组74至 76的端部分别连接J^目中等电压的输出端子78至80。次^5J i组的星形连接 的中点连接至输出端子82。
电容器G 、 C2和C3分别连接在端子78和79、 79和80以及78和80之间。
选##刀^^脉次 ^且之间的匝数比，以在端子78至80传iiLM目中等
电压。端子78至80和端子82分别连接至#14至16和18。因此变压器48 可以用于向辅助网络12提供中等电压。
变压器48还包括三个第三绕组84至86,其电^^至初^5Ji组70至72 和次^组74至76 ，成一组第三绕组。第三绕组的一端连接至中点以形成 星形连接。这些第三绕組的另一端分别连接至输出端子88至90。
变换器2还包括电池充电器100。该充电器100包括分别连接至端子88至 卯的三个输入端子102、 104。
充电器100还包括分别与充电设备32的端子相关联，且电连接至导体28 和30的两个端子106和108。
作为变形，未示出的辅助负载也可以连接至电池充电器的输出端并与其并联。
还利用电;錄感器测量电池32的充电电流。
这里，充电器100是可逆的，即它可以从输入端子102至104向输出端子 106和108传递电力，以对设备32进行再充电，也可以以相反方向从i殳备32 向紧急捕助负载供电。
为此目的，充电器100包括可逆的整流器110，其包括并^i^接在端子106 和108之间的三^ 112至114。每M包M过中点串^i^接的两个可控的开 关Ih和Ib。臂112至114的中点分别具有参考点116至118。中点116至118 分别i^接至端子102至104。
开关lH和lB是两^Hf关，其在闭合时在两个方向上;腿电流，在断开时在 一个方向上流过电流。
每M关IB包括
_功率晶体管120，其集电极电连接至端子106,其发^i^接至中点，以
及
-并#所述集电;^^发#^之间的^1管122，其阴fe^接至端子106， 其阳^i^接^目同的中点。 每个晶体管IH包拾
画功率晶体管124，其集电极电连接至中点，其发ttl^接至端子108,以
及
-并联在晶体管124的集电旨发^fel之间的二教管126, 二极管126的阴^i^接^目同的中点，其阳^U^接至端子108。
为了简化图l， #臂112中利用附图才射己120、 122、 124和126指示开关 Ih和Ib。
功率晶体管是能够切换大于50A电流的晶体管。例如，晶体管120和124 是IGBT(^4^P^l晶体管)。
晶体管120、 124中的^—个能够响应于在^*^ (grid)接收的命令，从 非导通状态切^;导通状态，>^_之亦然。
为此目的，这些晶体管中#^个的棚格都通过由双箭头132概略示出的电 连接而连接至整流器110的控制单元130。
控制单元或者中夹单元130可以同步控制整流器110和DC/AC变换器44。 控制单元130使得整流器110扭常模式下能够作为整流器运行，以及作为替 换在紧急橫式下作为DC/AC变换器运行。为此目的，中央单元130连接至电流 传感器134至136，该电沐传感器可以分别测量流经端子104至102的电流强度 IR、 Is、 It。单元130也连接至两个分别具有电压Vrt和Vrs的传感器138和140。 电压VRT和Vrs分别是端子104和102之间以及104和103之间的电压。
结合图2更详细的描i^单元130。
#常模式中，单元130连接J^器142,该务賭器142包括有功功率的 参考值Idcsg和无功功率的参考值I^。扭常模式下，参考值I^是负的。例如， 同样的情况M用于参考值、邻。
在紧急模式下，没有有功和无功功率的调节。在紧急4莫式下，单元130调 节母线12上的电压一率以预设M器142中记录的值(例如250V和35Hz)。 当阅读本说明书的剩余部分时，这些参考值的作用将变得显而易见。
充电器100还包^il接至端子106和108之间的电容器150。该电容器152 的电容小于50mF。更特别地，选#^电絲150的电容，使得其端子上的电压 波动(ripple)位于1%的|*:量级。
图2更详细地示出了单元130。该单元130包^^调器160,用于才^t^jE 常模式下，由传感器134至136提供的电流lR、 Is和lT和传感器138和140提 供的电压Vrs和VRT的测量而建立有功电流强度Id和无功电流强度Iq。
i!E不应忘记由下述关系限定有功功4(AP):
/4P^/t/c， (1)
其中
一I是^目电流的有效值，
-u是^目电压的有效值，
-伊是三湘电流和电压之间的相位差的值，
翻^&，无功功^P)由下述关系限定
有功电流Id和无功电流Iq分别为值I COS(p和I
在车辆2中，有效值UM恒定，使得电流强度Id和I^本身可以分别被视 为代^-有功功率和无功功率。
解调器160分别向减法器162和164的负输入端发送电流L和Iq的值。减 法器162的正输入端被设计^^t参考值1^g。减法器162的输出端连接至调节 器166以向后者发送参考值I^和测量的电流强度Id之间的差值。利用该差值， 该调节器166可以计算必须产生的电压矢量Uap^的横坐标Vd。
减法器164的iL^T入端被设计^于接/lt4^器142中记录的参考值^esg。 减法器164的输出端向调节器168传送参考值Iq^和测量的电流强度Iq之间的 差值。基于该差值，调节器168可以计算必须产生的电压矢量的纵坐标Vq。
解调器160也能骑送与矢量Uopm和参考系a卩中的a轴之间的角度对应 的角度p。
单元130包括转换模块170 ，用于M^坐才沐M标Vd和Vq计算矢量U和g 的模M和角度a。
减法器172用于计算角度p和脉宽调制器174传送的角度y之间的差值￡。 减法器172可以向相位环乂其更Z/^P的是其首字鄉写PLL(锁相巧辦i^t 值￡，该差值s已劍口入角度值a。利用角度a和差值s的和，环176能够产生
频率参考值fs。
调制器174可以基于模M和频率fs确定各个晶体管接通的时刻，并在所确 定的时间控制这些晶体管的切换。为此目的，例如，调制器174使用载波^ 制H^间的免氛。该载^i^率固定了晶体管切，率。
St^参照图3的过程^^助图4中的图形，更详细描述车辆2的运行。 开始，假设车辆2 ^JE常模式下在阶度180运行。通过该阶歐180车辆2
通过受电弓4^^触网6衫L供电。开关50处于导通状态，而""S4i波器已经净皮 充电，则朋预充电输/J虑波器的开关52 t^皮控制为断开。初始,在阶段182， 辆的辅助负载电连接至母线12，使得它们可以由jtbl皮供电。
随后，在阶段184, DC/AC变换器44利用争沐36和38之间存在的DC电 压，在端子58至60上产生^目电压。
在步骤186，变压器48将由DC/AC变换器44产生的^目电压变^在辅 助母线12上传送的^目中等电压。
在步骤188，连接至母线12的^Nt助负载由此由通过受电弓4俘获的能 量供电。这样，负载20和22被供电ilit行。
同时，在步骤190，变压器48也向充电器100的输入端子102至104传送 ^目电压。
在步骤192，充电器100利用输入端子102至104 Ji^在的^目电压再充电 设备32。为此目的，充电器100整^^端子102至104上存在的^目电压，以 在端子106和108之间产生整流后的DC电压，其用于对设备32再充电。
更M的，在操怍194中，传感器134至136、 138和140测量电压VRs、
VRT和电流强度lR、 Is和It。
然后，在操怍196中，由调节器130计算对应于正常^t模式的参考值I^g 和Iqesg以^ 、电池充电功能。这些M负的，其等M^J^入端子102至104 通过可逆整流器110至输出端子106和108的能量传送。处，参考值Iq邻是 零，以不消耗无功功率。
在,198中，解调器160才娥步骤194中获得的测量值，在参考系ap中
确定电压矢量U，的坐标Va和Vb。坐标变换用于该目的。^E才^下述关系
确定坐标Va和Vb:
一 r
在图4中的参考系(xp中示出该矢量U咖。该矢量U咖相对于轴a成角p。 图4也示出了对应于测量的^目电;脉参考系a|5中^Ji的矢量I^m。该矢 量lapm的坐标分别由Ia和Ib^^示。这些坐标例如再次利用Concordia变^M十
算。例如，利用下述关系确定坐标Ia和Ib:
<formula>formula see original document page 19</formula> (4)
例如，利用坐标va和vb建立角p的值。
然后，ii^作为^t 198的,分，解调器160利用下述关系建立测量的
有功电流Id和无功电流、
& =乙.sinO) + ^ cosO) V《"。'cos(P)-Vsin(P)
然后，在操怍200中，减法器162和164利用下述关系计算差值Aid和AIq: Aid = Idcsg-Id (6)
然后计算用于抵消差值Md和AIq的电压参考矢量U^的坐标Vd和Vq。
为此目的，在操怍202中，调节器166才Mt差值AId计算矢量Ua—的坐标Vd。 调节器166例如是PI(比例积分)调节器以使有功功率的调节稳定。例如，利用 下述关系计算坐标Vd的值
^;'A^ + K爲 (8) 其中
-Kpd和Kw是调节器PI的比例和积M数。
同样地，在操作204中，调节器168才Nt差值AIq计算坐标Vq的值。在操
作204中，例如，利用下述关系计算坐标Vq: WA + JX々.A (9)
关系(9)中的常数Kpq和Kiq不必和关系(8)中的Kpd和Kid具有相同的值。
在辦206中，4缺170^^坐标Vd和Vq计W^考系ap中矢量U一的 角度a械M。
模M^Jl接发iO^调制器174，而角度a^^i^减法器172。 在操怍208中，减法器172利用下述关系计算差值￡:
<formula>formula see original document page 19</formula> (10)
其中Y是对应于由调制器174确定的切换次数的^目电压Uapg相对于参考
系ap的a轴的角度。
角度Y是由调制器174产生的数值数据。
s代表测量的^目电压的相4沐此时由整流器110产生或消耗的^4目电压的
相位之间的差值。
为了整流器110能够与测量的^目电压同步，该差值s必须是零。 减法器172也将由模块170传送的角度a的 至该差值s。该加法的结果 ^^Ci^环176，该环176在l^t 209中计算频率fs，该频率fs可以同时抵消差 值￡并iiJiJ施加的有功和无功功率的参考值l^g和!^g。例如，环176利用下述 关系计算频率f<formula>formula see original document page 20</formula>(11)
其中
-ekPLL=a+￡，
-kpPLL和kffLL是环176的调节PI的比例和帝、M数。
然后，在操作210中，调制器174确定晶体管120和124的切换次数以产 生频率t的^目电压，M效值等于模M。调制器174 ^^^所确定的次lt控制 晶体管120和124的切换。
持续重复"^ftl94和210，因此，电池32由通过整流交流而产生的DC电 ;M"充电。
晶体管组120和124在步骤214 ##切换以确保电池中的零电流以及为并 ^i^接至电池的所有辅助负栽供电。
在某个辦^fr^,如果接触网6不再械高电压功率，那么变换器IO 4filuE常模式的，。它终止阶段180并逸&按紧急模^^ft^阶段216。
除了阶段182由阶段218代替，阶度184和214被省《^卜，阶段216与 阶段180相同。在阶段218， j的辅助模^Wt助母线12断开。例如，在阶 段218，接触器24打开以将负载20与辅助系统12电隔离。相反，紧急捕助负 ^i且保持电连接至母线12。在阶段218，开关50和52^T开。
为了简化图3，由虛线4化阶段218^^^t^阶段186至192。
在阶段192,不再进行从端子102至104到端子106至108的能量传送，但 是进行拟目反的方向的能量传送，使##线12由设备32中^W能量供电。 这样，在阶段186,负栽22由设备32通狄^^脉第三^^且之间的电^^ 供电，使得它即^^车辆2不再由接触网6供电时还機运行。
图5示出了充电器100l分功率的模型。在该模型中，微R、 L对应 于串^_接的电阻和电感。该电感和该电阻在变压器48的第三绕组84至86中
*，因此不在图l中示出。
图6至15示出了利用图5中的模型获得的仿真结果。利用下迷数字值^/f亍 仿真
-VRs=45Vac，
-交流系统的频率是50Hz,
誦^目电流的有效"ilbi 321.68A,
-电感L是15mH，
- 电阻R是236mfi，
-充电器输出电容C是l.lmF
-端子106和108之间的DC电压Vdc是120Vdc，
-对设备32充电的DC电流Inc是208.33A，
-端子106和108之间传送的电功率是25kW,
-^目电^^^目电压之间的相位差(p取为0。
当调制器174使用的脉宽调制载波的频率是1050Hz时，获得图6至9。
图6示出了当设备32被再充电时，作为时间的函IUL^过输入端子102至 104中一个的电流的变化。最大峰值强U841A。
图7示出了图6中示出的曲线的频语。可以看出该相位的基频是50Hz。最 接^&频的谐波紧邻1050Hz(切lfe^率)。除Ab^卜，；iJ皮tl^少比第""i皆波 的tM高四倍。J^皮的"1"I^454A。
图8示出了当设备32被再充电时，作为时间的函数的充电器100的输出电 压的变化。最大""W:+i^43.7Vdc， ^!^R^小于37。/。的变换比。
图9示出了图8中示出的充电器的输出电压的频镨，其包括DC^f:。去 RM1过1050Hz的50Hz的第一JJH皆波。在图9中未示出的DC ^i:的"l"i^也 至少比第^"i皆波的,大四倍。
在^M青;X^目等的情况下，当脉宽调制载波频率是3450Hz的情况下，获得 图10至13。
图10示出了作为时间的函彰LSL,端子102至104中一个的电流强度的变 化。最大峰值强M575A。
图11示出了图10中示出的电流频i普。用于图11中的比例和用于图7中的 相同。在图11中，J^皮落在50Hz。第一i皆波絲3450Hz以上。U皮的"l"l^
少比第^i皆波的,大十倍。
图12示出了当设备32被充电时，由充电器100产生的整流的DC电压。 这里最大的峰值+1^11.9￥(1(:，其代表小于10%的变换比。
图13示出了图12中的整流的DC电压的频语，其包括未示出的0Hz的DC 分量。从JJ皮中去除高于3450Hz的50Hz的第一^H皆波。并且，DC分量的 ^^^iX少比第^i皆波的tKiU倍。
在^fetp相同的情况下，利用脉宽调制栽波的频率15150Hz获得图14和 15。图14示出了;媳端子102至104中一个的电流强度。最大峰值强M 484.2A。
在图14中相电流的频镨中，从Jj顷中去除高于15150Hz的第"^i皆波。
图15示出了当充电器100給i殳备32充电时，由充电器100产生的整流的
DC电压的变化的夕MP包络线。最大的#^1^1:2.55￥€1"其等价于小于3%
的变换电平。
在整流的DC电压的频语中，>^^皮中去除高于15150Hz的第一谐波。可 以看出，脉宽调制栽波的频率越高，也 _说切舰率越高，>^>皮中躲除 更多的第-"i皆波。这样，切 率增加4 多，^器的M电感(dispersion inductance)的舰大，电容器152的电容可以减小，i^映^il些元件，尤其 是滤波器150的^R的减小。
可以有i午多，的实施例。
例如，充电器100可以通it独立于变压器48的^f目，器连接至导沐14、 15和16。在这种情况下，可以省略变压器48的第三绕组。
it^描述的电池充电器110的控制是矢量控制。但是，作为变形，从当晶 体管切换频率至少比^目电压的基频大二十倍时起，可以4^1 #*控制取代矢 量控制。
在图1中，仅示出了车辆2中的一个辅助变换器。但是，实际上，铁道车 辆至少包M'J^变换器10 —样的第；助变换器。
作为变形，紧急4t助负栽由连接至设备32的端子的^SDC母线供电，而 不通it^f目辅助母线12供电。
作为变形，电^组C1、 C2、 C3可以分为两部分且去f^"部分，以能够 扭常模式中提供无功功率，以碌紧急模式中4hf尝^器的磁化电流。 作为变形，执行从电树电絲的预充电(消,充电设备52、 54)。 最后，如果仅期望通过和给设备32充电的设备-样的设^M^紧急捕助负 载供电，那么切，率不必比^目电压的基频高至少二十倍。^il种情况下， 滤波器150的^ 、和质量不必减小，但LAi5—方面，^#了下述优点，即具有 单个可逆整流器，用于絲助负载^i殳备32之间，^l方向上交换电能。
权利要求
1.一种用于从铁道车辆的车载可再充电电能存储设备(32)给铁道车辆的紧急辅助负载(22)供电的方法，其中该可再充电电能存储设备(32)能够存储足够多的能量以允许紧急辅助负载在紧急模式中利用该单个的能量源至少运行大约三十分钟，该方法包括充电器(100)给该电能存储设备(32)充电的正常模式(180)，该充电器(100)能够产生整流的DC电压，通过该整流的DC电压，该电能存储设备(32)在正常模式下能由从接触网(4)俘获的电力获得的三相电压充电，该充电器包括●三个输入端子(102-104)，每一个都连接至该三相电压中的一相，●两个输出端子(106、108)，其连接至该电能存储设备，其中该整流的DC电压传送至该电能存储设备，●并联连接在该两个输出端子之间的三个臂(112-114)，每个臂包括两个通过中点(116-118)串联连接的可控开关(IH、IB)，每个中点连接至相应的输入端子，●控制该开关的切换以整流该三相电压的单元(130)，其特征在于该方法包括下述步骤-在每个开关中设置可控功率切换电子单元(120、124)，该可控功率切换电子单元(120、124)能够以可控的方式在非导通状态断开并且在导通状态闭合，以切换在其所在的臂中流过的电流，-在正常模式中，控制单元(130)在自由选择的时间控制(210)该可控功率切换电子单元(120、124)从导通状态至非导通状态的切换以及反过来的切换，以整流该三相电压，该可控功率电子单元(120、124)的切换频率比该三相电压的基频高至少二十倍，以及-在紧急模式中，AC供电的紧急辅助负载(22)通过三相中等电压辅助网络(12)连接至该充电器的输入端子，以及-控制单元(130)在自由确定的时间控制(210)该电子单元从导通状态至非导通状态的切换以及反过来的切换，以在辅助网络(12)上产生辅助三相电压，使得该紧急辅助负载(22)能够运行，该辅助三相电压从电能存储设备中存储的能量产生。
2、 如权矛j^"求1所述的方法，其中在紧急橫式中，该电子单元的切，率 也至少比产生的^目电压的基频高二十倍。
3、 如斥W决求1或2所述的方法，其中^常^^式中，^目，孰48)利 用从该接触网俘获的能量在该辅助网^(12)上产生350和500Vac之间的3目中 等电压，以为连^^至辅助系^(12)的辅助负^(20、 22>供电。
4、 H5U'决求3所述的方法，其中该接触网(4)^JL流电压，其中在正常 模式中，DC/AC变换#(44)利用从该接触网俘获的能量产生输7^该_^目^ H(48)的^目电压。
5、 如 纟要求3所述的方法，其中该接触网(4)絲交流电压，其中"常 模式中，单相整^^产生整流的DC电压作为DC/AC变换^(44)的输入，连接 该DC/AC变换^(44)作为该^目^a^(48)的输入。
6、 如权矛j^"求4和5所述的方法，其中^常模式中，该控制单iL(130) 能够以同步方i^制该三M(112-114)中的可控开关和该DC/AC变换H(44)。
7、 如权利要求1至6中但一项所述的方法，其中该功率电子单元是晶体管， 特别的是IGBT型或GTO的。
8、 一种如前述^-权利要求所述的itf呈，其中^iL常模式中 -该控制单元利用在充电器的输入端测量的S目电^^H4目电压，建立(198)^PC^有功功率的I^Id)，-该控制单元利用有功功率参考值被编禾1(196)，其中该有功功率参考值用于确定由充电器在^^入端子和输出端子之间传送的有功功^直，以a其端子 之间传送有功功率的方向，-该控制单iL^提该有功功率参考值和建立的代束有功功率的参数之间的 差值，确定(210)该可控功率切换电子单元的切换次数。
9、 一种如前述^-;M'要求所述的方法，其中^i常模式中 -该控制单4于^目电流和^目电压的测量，建立(198)代表无功功率的参崎-该控制单it^得(196)无功功率参考值，其中该无功功率参考值用于确定由充电器在^r入端子和输出端子之间传送的无功功^i，以^t其端子之间传送无功功率的方向，-该控制单;^^1悟该无功功率参考值和建立的代^功功率的参数之间的 差值，确定(210)该晶体管的切换次数。
10、 ^fWJ要求9所述的方法，其中^jE常模式中该无功功率参考^t^零。
11、 如似'j要求1至10中^-项所述的方法，其中在紧急4莫式中，该控制 单iL(130)调节母线(12)的电压械率以预设絲H(142)中记录的值。
12、 一种如前述^^权利要求所述的方法，其中^ ^vJL常模^^紧急4莫 式之前，该控制单it^角定(209)该电子单元的切换次数，以抵消絲助网络中测 量的^4目电压的相位和充电器的输入端子之间的^4目电压的相位之间的差值， 后者的相位W^于该电子单元的切换次数。
13、 一种适用于铁道车辆的辅助变换器，该辅助变换器包括画^目DC/AC变换H(44)，用于利用^^电压的接触网俘获的电能产生三 相电压，-^目t^器(48)，具有^i且初级、次级和第三绕组，其通过初^组的组 (70-72)连接至该变换H(44)的^目输出端，该变换孰44)/^H(48)组件扭常 模式中能够将接触网的电压变换为350Vac和500Vac之间的^目中等电压，其 被传ill^辅助系统(12)中的该^￡器的次^(74~46)以向辅助负载供电，-连接至^￡^(48)的第三绕組的组(84-86)的充电11(100),其^iE常模式中 利用由^4目变换H(46)产生的^目电压产生整流的DC电压，该充电器包拾*三个输入端子(102-104)，每一个都连接至该变压器(148)的第三绕组 (84-86)， 两个输出端子(106、 108)，其可连接至电負^f^更4(32),其中该整流的 DC电压传iHJJ亥电育^f^殳^(32),*并^i^接在该两个输出端子之间的三个臂(112-114)，每^包括两^if 过中点(116"118)串^i^接的可控开关(lH、 IB),每个中点分别连接至一个输入端 子，*控制该开关的切换以整流该3目电压的控制单iL(130),-该开关(lH、 IB)中的^个都具有至少一个可控功率切换电子单元(120、124)，其能够以受控方式在非导通状态断开并JU^导通状态闭合，以通过从导 通状态切^J^非导通状态以;5UJi^的切^^切换该电子单iL(120、 124)所在的 臂中^it的电流，以及一^i常模式中，该控制单it(130)能够在特定的时间控制该充电器的可控功 率切换电子单^L(120、 124)从导通状态至非导通状态的切换以M非导通状态至 导通状态的切换，以整流该^4目电压，该电子单元的切，率比该^M目电压的 基频高至少二十倍，以及-在紧急模式中，该控制单it(130)能够在特定的时间控制该可控功率切换电 子单^L(120、 124)从导通状态至非导通状态的切换以;5UJi表的切换，以从^r 出端子(106、 108)之间存在的DC电压产生输入端子(102-104)之间的^目电压。
14、 如权利要求13所述的辅助变换器，^#棘于在紧急橫式中，该可控 功率切换电子单元(120、 124)的切 率比产生的^目电压的频率高至少二十 倍。
15、 如权利要求13或14所述的变换器，其中，扭常模式中，当该^目 t^^(48)用于为辅助系统供电时，该充电^(100)通过该3目妙器(48)的初 ^J ^且(70-72)与该^目DC/AC变换^(44)电隔离。
16、 H5L利要求13至15中任一项所述的变换器，其中该可控功率电子单 元是晶体管，特别是IGBT型或GTO的。
17、 一种经由接触网供电的铁道车辆，该车辆包括 一^目辅助网^(12)，-至少一个紧急捕助负载(22)，其在紧急橫式中必须^M^皮供电至少大约三 十^#，该负载连接至该辅助网斷12)，-可再充电电負^^殳4<32)，其可以连接至每个紧急補助负载(22)，该设备 能够^^足够多的能量以允许所有紧急捕助负M紧急模式中利用该单个的能 量源至少运卩亍大约三十^l中，-至少一个向该辅助系统供电的辅助变换器，^#征在于该辅助变换孰10)与 ']^求13至16中的^-"项中的一致。
全文摘要
本发明涉及紧急辅助负载的供电方法、辅助变换器及其铁道车辆。用于为铁道车辆的紧急辅助负载(22)供电的车载方法包括下述步骤在充电器中的每个开关中提供至少一个可控功率切换电子单元，用于切换该开关所在的臂中流过的电流，以及在正常模式中，控制单元在自由指定的时间控制(210)可控电子单元从导通状态至非导通状态的切换以及反过来的切换以整流三相电压，晶体管的切换频率比三相电压的基频高至少二十倍，在紧急模式中，控制单元控制电子单元的切换，以产生意在用于紧急辅助负载的辅助三相电压。
文档编号H02J7/00GK101369735SQ200810171449
公开日2009年2月18日 申请日期2008年8月1日 优先权日2007年8月3日
发明者J·布萨达, 让-埃马努埃尔·马塞鲁斯 申请人:阿尔斯通运输股份有限公司