专利名称：高压换流器系统的制作方法
技术领域：
本发明与一种换流器系统有关，该系统包含至少两个分换流器系统，用于由高压电源向至少一个负载馈电，每个分换流器系统包含至少一个输入换流器、至少一个电压中介电路和至少一个逆变器。
这样的换流器系统尤其适用于铁路机车的驱动系统。因此以下的说明与驱动系统有关，尽管该换流器系统原理上还可用于由高压电源向不同本质的其它负载，例如静止负载供电。
铁路机车驱动系统领域中的分换流器系统有各种不同的变体电路，其中的一些也可用于本发明中的换流器系统。
图6中示出了与权利要求1的前序条款相符合的一种换流器系统。图6取自Mannheim的ABB Henschel机车有限公司注明日期为1993年2月的文件“系统技术；用于任何应用的机车技术”中第46页。在铁轨和所指的供电线路间有很高的电压，其幅值和频率随铁路系统不同而各异。例如，联邦德国铁路在15千伏、162/3赫兹下运行。该牵引电压可由开关HS连接至变压器的原边绕组得到，变压器在图中未示出。分换流器系统SR2、SR3分别连接到变压器的两个副边绕组。两个分换流器系统分别通过电机串联电感MVD向两个并联的牵引电机FM2、FM3供电。
每个分换流器系统有一个两相四象限控制器4q-S作为输入换流器，它向用电容示出的电压中介电路供以直流电压。每套电路中有一个多相逆变器WR向牵引电机供以三相电力。
一个相似的配置，但变压器有四个副边绕组，其中每个绕组连接至一个换流流器系统，用于ICE的高速列车并且在诸如由AEG、ABB和Siemens联合发表的文件VT 6289/26100035中被加以说明。
斯德哥尔摩皇家工学院Stefan stlund所写编号为Trita-EMK-9201，ISSN 1100-1631的学位论文“用于牵引的原边开关换流器系统”如图6.2.3描述了一种用于铁路机车的换流器电路，其中的四个电源换流器以串联形式连接。变压器的原边绕组连接至电源换流器的每个输出。变压器的唯一副边绕组连至一个四象限控制器，其向直流电压中介电路供电，中介电路再经逆变器向电机供电，中介电路在图2.2.1中示出。
已知的驱动系统在分换流器系统的内部设计和电机侧电路方面互相有明显的区别，但其基本特征是所有这些系统在电源侧有一个变压器。
本发明的目的是详细说明与权利要求1的前序条款相符合的换流器系统，它使得换流器系统重量和体积减小、成本降低，特别适用于驱动系统。它还使得将换流器系统设计为多方式系统成为可能，也就是说其可运行于不同电压和频率，包括直流电压下。
在与权利要求1的前序条款相符合的换流器系统情况下，该目标通过权利要求中的特征部分得以实现。
本发明详细说明的换流器电路即使对于很高的输入交流电压情况也不必在电源侧使用变压器。
本发明的优点不仅在于由于少用了变压器使得驱动系统(换流器系统和电机)在重量、体积和成本各方面均减少30％，还使得设计多方式系统得以简化，并且通过冗余分系统的连接提高了可用性。
与以上提及的Ostlund学位论文中在变压器原边侧安排电源换流器串联电路的配置方案相比，本发明具有较少的能量转换次数，在已知的配置方案中，由于电源换流器、四象限控制器和逆变器的使用，需要三次能量转换；而根据本发明的方案中，只需要两次能量转换，分别在输入换流器和逆变器中进行。进一步的差别在于已知方案需要配有对称阻挡层半导体元件的直流换流器，而本发明中的系统可在更有成本效益的非对称半导体情况下工作，这在成本方面将有显著差异。并且，不用中频变压器以及只在电机上加直流绝缘，其为一个有直流绝缘中性点的多重星形系统。
本换流器系统的有益的改进将在进一步的权利要求中详细说明，并且可参照附图在举例的实施方案描述中发现，附图为
图1是有多系统电源的驱动系统的换流器系统的示意图；图2说明图1中的换流器系统，示出其分系统的设计；图3说明具有电流补偿输入电感线圈的分换流器系统；图4说明图1或图2的系统中电机串联电感器的配置；图5说明有圆环柱心的电机串联电感器；图6是已有技术的换流器配置方案；
图7是有保护装置的换流器配置方案；图8是两个输入换流器串联连接的示意图；图9是用于平衡负载的矢量图；图10和图11说明不平衡负载的分配；图12说明控制器的过调制；并且图13～16说明基波补偿。
图1示出用于铁路机车的驱动系统1的设计方案。
驱动系统1包含换流器系统2和负载系统3。输入电感线圈4在图中示为驱动系统1的一部分，作为另一种表示，它也可作为换流器系统2的一部分。电感也可配置为分布电感来取代集总输入电感线圈4，从过电压保护角度看这更有利。
图1一方面用于所称的多系统电路中所用术语的定义，也可说明本发明中驱动系统1的设计。
术语多系统电路表示换流器系统2的分系统可以重组或换接以便它们可在不同高压系统下工作。这种情况下的差别涉及电压幅值、频率和直流电压。在图1中，这种差别在于其为例如25千伏50赫兹或15千伏162/3赫兹交流电压系统(5.1)，和3千伏或1.5千伏的直流电压系统(5.2)。
驱动系统1包含多个分换流器系统2.1至2.n，在图示例子中，它们中每个在输入侧有四个连接点E1至E4。
负载系统3也包含多个负载3.1至3.n，根据负载本质的不同，一个负载可能由分换流器系统2.1至2.n中的一个或多个供电。此处考虑的驱动系统情况下，负载系统是一个电机系统，例如其带有单星形或多星形电路，或者为其它多绕组配置。随绕组电路不同，分换流器系统2.1至2.n和一个负载间的连线8可为两导线或三导线连接。
随高压系统的不同，分换流器系统2.1至2.n按不同的连接运行，也就是说按并联或串联电路以及用或不用分换流器系统2.1至2.n的输入控制器(见图2)。图1示出了随电源不同而变的不同电路选择，电源通过电流拾取器33由交流电压系统5.1或由直流电压系统5.2取得。数字6表示车轮，7表示车轮下的路轨和铁路系统。
通过举例和参照图1，图2示出了分换流器系统2.1至2.n的设计细节，每个分系统有着同样的设计。
分换流器系统包含输入电感配置20、最好设计为四象限控制器的输入换流器21、有中介电路电容器Czw的电压中介电路22和作为电机换流器的逆变器23。
第一转换开关24和第二转换开关25用于在不同高压系统间切换。当第一转换开关24位于第一切换位置时，输入换流器21为了在高压交流电源5.1上工作采用串联连接，交流电源通过第一分换流器系统2.1的输入E2供电。当第一转换开关24位于第二切换位置2时，直流电压5.2通过所有分换流器系统2.1至2.n的输入端E1供电，此时输入控制器21不用。通过第二转换开关25和电感线圈LDRAIN，电源与分换流器系统2.1至2.n各自的电压中介电路22相并联，此时转换开关位于切换位置2，电感线圈LDRAIN与直流电流负载匹配。
由第一高压系统5.1供以交流电压时，第二转换开关25位于切换位置1，电感线圈LDRAIN与串联调谐电路电容CDRAIN一起组成一个串联调谐电路。
并联供电的直流电压的幅值由逆变器半导体的绝缘强度加以限制是不言而喻的。
图3示出一种有输入电感配置20的分换流器系统，例如2.1，电感配置20最好设计为电流补偿电感，以减弱分换流器系统的输入换流器21间的寄生均衡电流。并且，图3示出了分换流器与地之间的可能寄生耦合(是以集总电容元件13的简化形式示出的)，同样还示出了电机3.1与地之间的可能寄生耦合，它是以集总电容元件14示出的。
图4示出了电容补偿电机串联电感器15的一种可能配置，由文献可知其用于减弱寄生效应。因为，如果忽略寄生效应，电流的总和实际上为零，这种电流补偿电机串联电感器15的铁芯16可以设计得非常小，如图5所示。
图7示出了用于提供冗余的一些保护装置和手段，图1和图2中所示的在不同高压系统间切换的选择被省略了。图中示出分换流器系统2.1至2.n是串联连接的。
除保险丝9和过电压抑制器10外，主开关11、电源滤波器12、电源电感线圈17、两个换流器18和作为过电压保护的变阻器19被配置于电源电流通道上。换流器18连接至差动保护装置30，它在换流器系统的输入和输出间出现电流差值时驱动主开关11。
三星形电机3.1至3.n通过电机开关31连接作为负载，每个电机开关31将一个分换流器系统连接至一个电机的一个星形系统。
每个换流器系统2.1至2.n可通过分流开关32断开连接。对于有缺陷的分换流器系统，在有缺陷发生的情况下可用适当的电路配置代替设计为冗余系统的备用换流器系统，或者对有缺陷的分换流器系统分流，只要根据上文陈述已在电路设计时对此加以考虑即可。
分换流器系统，特别是那些串联连接的输入换流器的控制和调节可用已知控制方法按不同方式实行。然而，不言而喻的是不可能将输入电流设为负载的函数，要不然这对于中介电路电压是一个标准的控制技术。基于分换流器系统串联连接的事实，所有输入换流器中的输入电流是相同的。
输入电流，也就是换流器系统的电源电流，由换流器系统所消耗的总伏安数加以调节。伏安数可仅通过单个输入换流器的电压在各单个分换流器间分配，同时在两个分换流器系统间分配有均衡负载情况下满足图9例示出的相加矢量图。
图10示出一种不平衡负载分配。图11示出另一种可能的不平衡负载分配，其中单个电压与总的电压不同相。
图8示出与图9相对应的两个输入换流器21串联电路的基本层示，两个输入换流器标识为四象限控制器4-QS1和4-QS2。此处的陈述还涉及提供驱动电机供电和正弦电源电流。
考虑单个分换流器系统带不同负载运行的可能运行模式是必要的。例如，不同的负载可出现在不同的运行点，这种情况是，例如，电机中有开路的绕组，特别是电机低速运行时，因为正弦电流在开路绕组中会随时间移位。
当总的换流器系统驱动带不同负载的多个电机(见图6或图7)时，会出现分换流器系统中带有不同负载的情况。
分换流器系统消耗的伏安数可由电压和电流的乘积得到，电流可由单个伏安数的总和以及总的电压得到[原文如此]。总的电流(因为是串联电路，它等于分电流)随总的换流器系统的总负载而改变。考虑到串联电路中各输入电流相等，分换流器系统的伏安数由各自的输入换流器电压控制。
带有平衡负载的输入换流器标称电压由总电压对分换流器系统数目的比值定义。
在不平衡负载情况下，输入换流器的标称电压可由单个输入换流器的电导与总电导的比值与总的控制器标识电压的乘积得到。控制器的标称电压可由伏安元件的复分解得到，如果最大控制电压被加以限制，在伏安元件间可能有更大的差别。
如果多个分换流器串联连接，单个分换流器系统可在电源侧过调制运行，只要那些本身不在过调制下运行的分换流器系统的控制电压如此选择使得能得到正弦的总电压即可。这一方法使得在换流器系统总的伏安数保持不变情况下那些在过调制条件运行的分换流器的伏安数有最大27％的增加。在预期遇到严重不平衡负载分布时这降低了总的安装容量。图12示出了两个分换流器串联连接时一个控制器过调制的情况。在这种情况下，第二个控制器的输出电压使总的电压为正弦。图12对于两个控制器示出了其运行模式，但相同的方式可扩展到多个控制器的情况。
图13至图16示出了当控制器过调制运行时基波补偿情况。因为随系统而定的控制器电压对中介电路电压加以限制，除非采取另外的措施，否则所需的基波电压无法得到。然而，如果事先使标称控制器电压增加，则可提前进行补偿。该电压以一个系数精确地增加，这使所需的基波电压能够重新得到。这个系数可以事先计算好，然后存于一张表中。本不是过调制运行的控制器得接管初始所需电压和最终调制电压间的差值电压。只要中介电路电压限幅没有发生，最终调制电压可由中介电路电压和基波补偿后电压所提供的电压得到。
图13示出没有基波补偿的过调制控制器的控制器电压。
图14示出基波补偿前和补偿后的控制器标称电压。阴影区域必须由另一个控制器处理。
图15示出基波电压补偿后过调制运行的控制器的控制器标称电压。
图16示出与过调制的控制器串联运行的无载调制器的控制器标称电压。如果控制器有载，其控制器标称电压将叠加于过调制的控制器的基波补偿结果之上。
此处以两个分换流器为例所示的方法，可在相同的系统下轻易地扩展至多于两个控制器的情况，因此不再给出进一步的例子。
基波补偿避免了控制所需电压和可能的控制器电压间的不一致。在基波脉冲的顶值调制限制范围内，基波补偿允许进行线性控制。
参考符号表1驱动系统2换流器系统2.1至2.n 分换流器系统3负载系统3.1至3.n 负载(电机)4输入电感器5.1 第一高压电源(交流电压)5.2 第二高压电源(直流电压)6车轮7路轨8连线9保险丝10 过电压抑制器11 主开关12 电源滤波器13 分换流器和地之间的寄生耦合14 电机和地之间的寄生耦合15 电机串联电感器16 铁芯17 电源电感线圈18 换流器19 变阻器20 输入电感配置21 输入换流器22 电压中介电路23 逆变器24 第一转换开关25 第二转换开关30 差动保护装置31 电机开关32 分流开关33 电流拾取器
权利要求
1.由高压电源(5.1，5.2)向至少一个负载(3，3.1至3.n)供电的换流器系统，该换流器系统(2)包含多个分换流器系统(2.1至2.n)，每个分换流器系统(2.1至2.n)包含至少一个输入换流器(21)、一个电压中介电路(22)和一个逆变器(23)，其特征在于提供装置(24，25)，在每一情况下在电源侧、中介电路位置或负载侧均不用变压器，a)如果电源为高压交流电源(5.1，例如为15千伏、162/3赫兹，25千伏、50赫兹)，将分换流器系统(2.1至2.n)的输入换流器(21)串联连接，b)如果电源为直流电源(5.2，例如为1.5千伏或3千伏)，向分换流器系统(2.1至2.n)的电压中介电路(22)提供并联电源。
2.权利要求1中的换流器系统，其特征在于换流器系统是铁路机车驱动系统(1)的一部分。
3.权利要求1或2中的换流器系统，其特征在于负载(3.1至3.n)是至少一个异步电机，它有多个开路绕组或多星形电路形式的绕组。
4.前述权利要求之一中的换流器系统，其特征在于在电源(5.1，5.2)和每个输入换流器(21)之间配置有一个输入电感器(20)。
5.权利要求1至3中的换流器系统，其特征在于电源电感线圈(17)的配置为所有分换流器系统(2.1至2.n)所公用(common)。
6.前述权利要求之一中的换流器系统，其特征在于分换流器系统(2.1至2.n)附带有两点或多点电路。
7.前述权利要求之一中的换流器系统，其特征在于逆变器(23)为两相或更多相逆变器。
8.权利要求1至7之一中的控制换流器系统的方法，其特征在于在电源侧串联的控制器(21)中的一部分可过调制运行，其它的控制器(21)中的至少一个提供一个电压使得总的电压为正弦。
9.权利要求1至7之一中的控制换流器系统的方法，其特征在于在电源侧串联的控制器(21)中的一部分可过调制运行，标称基波电压按事先计算好的系数增加以补偿中介电路电压上的随依赖系统的控制器电压限幅和得到总的正弦电压。
全文摘要
本发明与高压换流器系统有关,该系统可用于,例如,铁路机车的驱动系统(1)。换流器系统(2)包含多个分换流器系统(2.1至2.n),其向负载系统(3)的多个马达供电。高压交流电压(5.1)向分换流器系统(2.1至2.n)的串联电路供电,以避免在电源侧需要使用变压器。换流器系统(2)可用相当简单的方式设计为多方式系统,以便也可用直流电压(5.2)供电。
文档编号H02M1/10GK1188453SQ97190316
公开日1998年7月22日 申请日期1997年4月14日 优先权日1996年4月13日
发明者M·斯泰纳, P·克拉夫卡 申请人:Abb戴姆勒－奔驰运输(技术)有限公司