專利名稱：用于牽引應(yīng)用的多級ac/dc轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電氣化鐵路電源系統(tǒng)領(lǐng)域。它從如權(quán)利要求1的前序 部分中所描述的在鋏路牽引應(yīng)用中用于將AC電源線的單相、.線路頻 率AC電源電壓轉(zhuǎn)換為DC鏈路的DC鏈路電壓的多級AC/DC轉(zhuǎn)換器 出發(fā)。
背景技術(shù)：
諸如機車或鐵路客車的通過交流(AC)電源線供電的電氣化鐵路 車輛利用牽引變壓器和AC/DC轉(zhuǎn)換器來將電源線的高電壓(15 kV或 25 kV)轉(zhuǎn)換為幾kV的直流(DC)鏈路電壓并確;沐高電壓和牽引電路間的電隔離。處于DC鏈路電壓的DC鏈路或總線對用于牽引或推 進車輛的驅(qū)動或電機轉(zhuǎn)換器以及用于輔助能量供應(yīng)的輔助轉(zhuǎn)狹器饋.電。因此，DC鏈路電壓不會超過電機或輔助轉(zhuǎn)換器中的半導(dǎo)體裝置 的額定值。在現(xiàn)代鐵路車輛的概念中，牽引變壓器通常設(shè)置在車輛的 主體外面，即設(shè)在地板下或車頂上。但是，在這些情況下，由于重量 和體積都較大，所以具有16.7 Hz或50 Hz標稱頻率的常規(guī)變壓器會 造成集成問題。、因此，備選的電源系統(tǒng)旨在通過基于半導(dǎo)體技術(shù)的額外轉(zhuǎn)換器、 結(jié)合以更高頻率工作的更小更輕便的變壓器來取代前迷常規(guī)變壓器。 以半導(dǎo)體裝置中的開關(guān)損耗為代價,'因而可以減小變壓器的質(zhì)量和體積以及變壓器中的總(即，銅和磁)損耗，從而可以更有效地利用來 自電源線的電功率。在專利申請EP-A 1 226 994中，介紹了一種用于鐵路車輛的中頻 的電源系統(tǒng)，它包括用于在高輸入AC電壓和DC輸出電壓之間雙向轉(zhuǎn)換的典型轉(zhuǎn)換器拓樸。該系統(tǒng)包括初級轉(zhuǎn)換器，包括至少三個串 聯(lián)電連接的級聯(lián)轉(zhuǎn)換器模塊或區(qū)段；單個共用變壓器；以及單個次級 轉(zhuǎn)換器。而每個級聯(lián)模塊又由四象限轉(zhuǎn)換器、3.6kVDC中間級和諧 振轉(zhuǎn)換器形成。后者包括具有兩個電路元件和一個串聯(lián)諧振電容器的 半橋，其中每個電路元件具有晶體管和續(xù)流(free-wheeling) 二極管。 串聯(lián)諧振電容器和變壓器的對應(yīng)初級漏感線圈一起共同形成諧振頻 率大于變壓器標稱頻率的振.蕩電路。次級或輸出轉(zhuǎn)換器是ff車輛的1.65 kV DC鏈路饋電的諧振開關(guān) 四象限轉(zhuǎn)換器。所有的開關(guān)元件都是具有自.適應(yīng)柵極驅(qū)動器技術(shù)的高 級的6.5kV絕緣柵雙極晶體管UGBT)。該中頻(MF)變壓器具有 鐵氧體磁芯和5 kHz的標稱頻率，這被認為是變壓器的體積和重量與 半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)損耗之間的最佳折衷。預(yù)期只提供一個變壓器和一 個次級轉(zhuǎn)換器不僅可以節(jié)省成本而且還可以減輕重量，但是很明顯， 這會損害電源系統(tǒng)的可用性。取代經(jīng)過DC中間儲能級，從一個頻率轉(zhuǎn)換為另 一個頻率可以通 過直接AC頻率轉(zhuǎn)換器(又稱為循環(huán)轉(zhuǎn)換器)直接從AC輸入轉(zhuǎn)換到 AC輸出來實現(xiàn)。舉例來說，DE 2614445公開一種經(jīng)由在中等/高頻工 作的變壓器來將低頻AC電壓轉(zhuǎn)換為DC電壓的整流器,它在變壓器 的AC側(cè)上包含外部控制的單相橋式循環(huán)轉(zhuǎn)換器。后者包括介于電源 線的低頻和變壓器的中等/高頻之間的單轉(zhuǎn)換級，因而與包括中間DC 級的上述級稱漢塊相比，呈現(xiàn)更少的功率轉(zhuǎn)換級，且不包舍消孤電路。 此外，循環(huán)轉(zhuǎn)換器以自然換向工作，.另一方面，位于變壓器的DC側(cè) 上的電壓源轉(zhuǎn)換器(VSC)以硬切斷工作，從而對具有電流閥和高開 關(guān)損耗的半導(dǎo)體裝置帶^M目當大的壓力。在Staffan Norrga的論文M Expe"'附e"to/泣"辦o/c iSq/ -w"c/^ /so/Weof爿C/DC CowveWer Jta:〃z'a/7 C&cw/f" (35th Annual正EEPower Electronics Specialists Conference, Aachen， Germany, 2004，笫 2406-2412頁)中，介紹了 一種用于雙向功率流的單級單相AC/DC轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器拓樸包含通過中頻(MF)變壓器耦合到電壓源轉(zhuǎn)換器 (VSC)的單相循環(huán)轉(zhuǎn)換器。VSC具有并聯(lián)連接到每個半導(dǎo)體閥的所 謂的緩沖電容器，由此提供足以允許零電壓關(guān)閉所述閥的電容，并減 小閥接通時的電壓導(dǎo)數(shù)，另一方面，VSC不具有本身不參與功率轉(zhuǎn)換 而只是增加轉(zhuǎn)換器的成本和復(fù)雜度的額外的或輔助的半導(dǎo)體裝置。遵 循提出的換向算法，該拓樸允許在所有操作點獲得VSC轉(zhuǎn)換器中的半 導(dǎo)體閥的軟開關(guān).。原型轉(zhuǎn)換器系統(tǒng);1通過600 V的DC鏈路電壓和在 6 kHz工作的鐵氧體磁芯環(huán)形MF變壓器實現(xiàn)的。循環(huán)轉(zhuǎn)換器的雙向組成。Mikihiko Matsui等人的論文"http:///g/z-Fr^Mewc;/丄/wA: Z)C/^C Co"群fe尸 w幼 S卿m5^ Fb/toge C7a附p C7歸"—A^Mra/Zy Cow腦f她c/尸/wse爿"g/e Cow的/ w"/2 Se(/" 71wn -(9# DevZce，，(正EE Trans. Ind. pl., Vol. 32, No. 2,1996，第293-300頁)提出用于例如不 間斷電源(UPS )系統(tǒng)的循環(huán)轉(zhuǎn)4灸器型三相輸出高頻(HF )鏈路DC/AC 轉(zhuǎn)換器的備選控制。該轉(zhuǎn)換器具有兩個功率轉(zhuǎn)換級，即用于將D.C.轉(zhuǎn) 換為HF (16 kHz)的倒相級和用于將HF轉(zhuǎn)換為AC電源線的低頻或 商用頻率的循環(huán)轉(zhuǎn)換器級。由于使用自動關(guān)閉裝置(雙向晶體管和快 速恢復(fù)二極管)，所以提出的控制方案需要改進的控制脈沖計時，并 且只基于循環(huán)轉(zhuǎn)換器級的自然換向采用相位角控制。因為會釋放在開 關(guān)時刻存儲在HF變壓器的漏感中的磁能并反饋給DC電壓源，所以 在變壓器的循環(huán)轉(zhuǎn)換器側(cè)上無需額外的浪涌抑制電路(緩沖電路或有 源電壓箝位電路)來吸收所述-茲能。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的是在不過分增加重量的情況下增大前迷鐵路 牽引應(yīng)用的電源系統(tǒng)的可用性。該目的是通過根據(jù)權(quán)利要求1的具有 頻率轉(zhuǎn)換的多級AC/DC轉(zhuǎn)換器和根據(jù)權(quán)利要求8的用于將AC電源電壓轉(zhuǎn)換為DC鏈路電壓的方法來實現(xiàn)的，根據(jù)從屬專利權(quán)利要求可以 顯而易見其它優(yōu)選實施例。根據(jù)本發(fā)明，在具有包括可連接到AC電源線的多個串聯(lián)連接的 初級轉(zhuǎn)換器和可以在大于AC線路頻率的變壓器標稱頻率工作的牽引 變壓器的多級AC/DC轉(zhuǎn)換器的電源系統(tǒng)中，提供可以連接到DC鏈路 的多于一個并聯(lián)連4妄的次級轉(zhuǎn)換器。在次級轉(zhuǎn)換器之一發(fā)生故陣的情 況下，多級AC/DC轉(zhuǎn)換器因而可以在通過剩余次級轉(zhuǎn)換器遞送的減 小的功率下繼續(xù)工作。為了補償次級線圏側(cè)上的重量增加，利用單級循環(huán)轉(zhuǎn)換器(cycloconverter)或直接AC頻率轉(zhuǎn)換器作為初級轉(zhuǎn)換器。 此外，與包括中間DC級的典型轉(zhuǎn)換器拓樸相比功率轉(zhuǎn)換級和/或循環(huán) 轉(zhuǎn)換器的組件數(shù)量的減少，減小了控制序列的復(fù)雜度以及轉(zhuǎn)換器的總 重量、體積和損耗。在本發(fā)明的一個有利變型中，選擇牽引變壓器的標稱變壓器頻率 叢低于3kHz，優(yōu)選小于l、kHz，由此允許使用包括鎧裝鐵磁芯而不是 在中等/高頻變壓器中使用的鐵氧體磁芯的已知的低頻變壓器技術(shù)。換 句話說，已證實的低廉的變壓器技術(shù)將增大變壓器磁芯中的磁或磁滯 損耗和減小體積之間的最佳平衡偏移至更低的變壓器頻率。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，次級轉(zhuǎn)換器少了與半導(dǎo)體開關(guān)并 聯(lián)布置的額外緩沖電容器。因此> 當打開次級轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體開關(guān)時 會發(fā)生硬切斷。因而可以省去多個組件，從而使次級轉(zhuǎn)換器變得不太 復(fù)雜且更堅固。在一個有利實施例中，提供數(shù)量等于初級轉(zhuǎn)換器的多個次級轉(zhuǎn)換 器。多級AC/DC轉(zhuǎn)換器的每個轉(zhuǎn)換器級因而包括連接到牽引變壓器 的同軸初級和次級繞組的初級轉(zhuǎn)換器和專用次級轉(zhuǎn)換器。


下文將參照如附圖所示的優(yōu)選示例性實施例更詳細地說明本發(fā) 明的主題，附圖中圖1示意性地描述所提出的多級轉(zhuǎn)換器拓樸；以及 圖2示意性地示出單個AC/DC轉(zhuǎn)換器級的細節(jié)。 在附圖標記列表中概括地羅列了圖中使用的附圖標記及其含義。 原則上，圖中相同的零件具有相同的附圖標記。
具體實施方式
圖1描繪根據(jù)本發(fā)明提出的多級轉(zhuǎn)換器拓樸。集電器10的集電 弓框架與鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的高架電源線11接觸。集電器經(jīng)由線路阻 抗濾波器12連接到第一初級轉(zhuǎn)換器20。后者與第二初級轉(zhuǎn)換器20， 以及其它初級轉(zhuǎn)換器串聯(lián)連接，其中最后一個初級轉(zhuǎn)換器20，，經(jīng)由車 輪13連接到鐵軌。每個初級轉(zhuǎn)換器20、 20，、 20"還連接到牽引變壓 器21的初級繞組210、 210，、 210"。牽引變壓器21的次級繞組211、 211，、 211"連接到次級轉(zhuǎn)換器22、 22，、 22"。每個初級轉(zhuǎn)換器20、 20，、 20，，與對應(yīng)的變壓器繞組210、 211; 210，、 211，; 210"、 211" 以及次級轉(zhuǎn)換器22、 22'、 22"形成單個AC/DC轉(zhuǎn)換器級。所有次級 轉(zhuǎn)換器22、 22，、 22"相互并且與DC鏈路23并聯(lián)電連接。圖2示出單個AC/DC轉(zhuǎn)換器級的細節(jié)。初級轉(zhuǎn)換器20是具有布 置成H橋的四個雙向半導(dǎo)體閥200的單相循環(huán)轉(zhuǎn)換器。每個閥200由 兩個反并聯(lián)布置的合成晶閘管組.成，每個晶閘管包含串聯(lián)連接的絕緣 柵雙極晶體管(IGBT)201、 201，和二極管202、 202，，其中一個IGBT 201的發(fā)射極和另一個IGBT201，的發(fā)射極連接在一起。很明顯，雙向 閥可以通過其它功率半導(dǎo)體元件來實現(xiàn)，如快速雙極控制晶閘管 (BCT)或集成柵換向晶體管(IGCT)。循環(huán)轉(zhuǎn)換器的組件的過電壓 保護一般是通過與每個轉(zhuǎn)換器級的輸入端并聯(lián)地增加諸如變阻器203 的非線性組件來實現(xiàn)的。類似地，與每個轉(zhuǎn)換器級的輸入端并聯(lián)的諸 如電阻-電容器電路204的保護性緩沖電路防止功率半導(dǎo)體裝置兩端 的電壓過快地上升。此外，可以在循環(huán)轉(zhuǎn)換器的每個IGBT柵極驅(qū)動 器上提供有源電壓箝位部件(圖2中沒有描繪)。變壓器21確保電源線路電壓和DC鏈踏之間的電隔離(galvanic insulation)。在工作中，初級轉(zhuǎn)^:器20將電源線AC電壓的分壓UAC 轉(zhuǎn)換為標稱變壓器頻率fxR的方波電壓以饋送給變壓器。變壓器優(yōu)選由在k頻牽引變壓器中使用的常規(guī)材料制成，.即.，將常規(guī)磁片堆疊在一起以構(gòu)建變壓器磁芯。將磁芯和繞組浸沒在包含于安全殼中的冷卻 和/或絕緣液體中，而安全殼可以裝在車輛外殼的地板下或車頂上。由 于是常規(guī)的變壓器設(shè)計，所以標稱變壓器頻率fm小于3kHz,優(yōu)逸約 為400Hz,且因而顯然大于AC線路頻率。變壓比Nto可以等于1，以便使DC鏈路電壓Udc近似等于施加在單個轉(zhuǎn)換器級上的電壓UAC的有效值。另一方面，如果例如為了減 少級數(shù)，初級轉(zhuǎn)換器20利用電壓額定值大于'次級轉(zhuǎn)換器22中使用的 半導(dǎo)體裝置的電壓額定值的半導(dǎo)體裝置，那么大于1、且優(yōu)選小于5 的變壓比NTR會將電壓UAc調(diào)節(jié)為DC鏈路電壓Udc。次級轉(zhuǎn)換器22是電壓辨、轉(zhuǎn)換器，它包括具有兩個相腳和四個單 向閥220以便允許4象限操作的常規(guī)H-橋。閥220由反并聯(lián)連接的 IGBT和續(xù)流二極管組成。為了減少組件數(shù)量，IGBT是硬切斷的，即， 不提供與IGBT并聯(lián)的允許軟換向的緩沖電容器。用于該目的的優(yōu)選 控制方案可以從上文引用的Mikihiko Matsui等人的論文獲悉，它們通 過適當釋放存儲在變壓器的漏感中的磁能來減小半導(dǎo)體裝置兩端的 電壓尖峰。牽引車輛中將使用的轉(zhuǎn)換器級的數(shù)量取決于AC線路電壓。例如， 對于15 kV的線路電壓，總共16個級為各個級中的半導(dǎo)體裝置所暴 露的單級電壓UAC提供足夠的安全余量。在這16個級之一發(fā)生故障 的情況下，剩余的15個級因而允許AC/DC轉(zhuǎn)換器以原始功率的約 15/16繼續(xù)工作。也可以延伸到25 kV的線路電壓，但必需對轉(zhuǎn)換器 拓樸做出改變，以便避免超過30 kV的峰值線路電壓時的絕緣問題。 類似地，可以實現(xiàn)例如3 kV的DC電源電壓。上述說明是基于從AC電源線到DC鏈路的功率流的。但是，AC/DC轉(zhuǎn)換器能夠處理兩個方向的功率流，因此，初^l/次級轉(zhuǎn)換器 或繞組的概念不應(yīng)浮見為是絕對的。最后，不同轉(zhuǎn)換器級的變壓器繞組 210、 211; 210，、 211，; 210"、 211"可以布置在共用磁芯上、不同但 磁耦合的磁芯區(qū)段上、或單獨的石茲去耦合的磁芯.上。名稱列表IO集電器11電源線12線路濾波器 13巻輪20、 20，、 20"初級轉(zhuǎn)換器 21牽引變壓器210、 210，、 210，'初級繞組211、 211，、 211"次級繞組 22、 22，、 22'，次級轉(zhuǎn)換器 23 DC鏈路200、 雙向閥201、 201，IGBT202、 202，二極管 203變阻器 204保護性緩沖電路 220單向閥
權(quán)利要求
1.一種用于在鐵路牽引應(yīng)用中將AC電源線(11)的單相、線路頻率AC電源電壓轉(zhuǎn)換為DC鏈路(23)的DC鏈路電壓(UDC)的多級AC/DC轉(zhuǎn)換器，包括用于在所述AC電源線(11)和所述DC鏈路(23)之間建立電隔離的牽引變壓器(21)，其中所述牽引變壓器(21)以大于所述AC線路頻率的變壓器標稱頻率(fTR)工作；可以連接到所述AC電源線(11)的多個初級轉(zhuǎn)換器(20，20’，20”)，其中所述初級轉(zhuǎn)換器(20，20’，20”)的輸入端串聯(lián)連接，并且每個初級轉(zhuǎn)換器(20，20’，20”)的輸出端連接到所述牽引變壓器(21)的初級繞組(210，210’，210”)；以及可以連接到所述DC鏈路(23)的次級轉(zhuǎn)換器(22，22’，22”)，其中所述次級轉(zhuǎn)換器(22，22’，22”)的輸入端連接到所述牽引變壓器(21)的次級繞組(211，211’，211”)，所述多級AC/DC轉(zhuǎn)換器的特征在于所述多級AC/DC轉(zhuǎn)換器包括至少兩個次級轉(zhuǎn)換器(22，22’，22”)，其中所述至少兩個次級轉(zhuǎn)換器(22，22’，22”)的輸出端并聯(lián)連接；并且所述初級轉(zhuǎn)換器(20，20’，20”)是循環(huán)轉(zhuǎn)換器。
2. 如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述牽引變壓器 (21)是低頻變壓器，
3. 如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述牽引變壓器的 標稱頻率(fm)小于3kHz，優(yōu)選小于lkHz。
4. 如權(quán)利要求l所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，沒有緩沖電容器與 所述至少兩個次級轉(zhuǎn)換器(22， 22，， 22")的半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)連接。
5. 如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述牽引變壓器 (2U的次級繞組(211, 211，， 211")與所述牽引變壓器(21 )的每個初級繞組(210， 210，， 210")同軸布置，并且連接到所述至少兩個次級轉(zhuǎn)換器(22， 22，， 22")中的專用次級轉(zhuǎn)換器的輸入端。
6. 如權(quán)利要求5所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述牽引變莊器 (21)的每個初級繞組(210， 210，， 210")和同軸布置的次級繞組 (211， 211，， 211")具有至少近似相同的匝數(shù)。
7. 如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，每個初級轉(zhuǎn)換器 (20， 20，， 20")的過電壓保護部件203和/或升壓保護部件204布置在所述初級轉(zhuǎn)換器的輸入端之間。
8. —種用于在鐵路牽引應(yīng)用中通過多級AC/DC轉(zhuǎn)換器將AC電 源線(11)的單相、線路頻率AC電源電壓轉(zhuǎn)換為DC鏈路(23)的. DC鏈路電壓(UDC)的方法，包括通過以大于所述AC線路頻率的變壓器標稱頻率(fTO)工作的牽 引變壓器(21)在所述AC電源線(11)和所逸DC鏈路(23)之間 建立電隔離；將多個初級轉(zhuǎn)換器(20， 20， ， 20;，)連接到所述AC電源線(11), 其中所述初級轉(zhuǎn)換器(20, 20，， 20")的輸入端串聯(lián)連接，并且每個 初級轉(zhuǎn)^L器(20, 20，,. 20")的輸出端連接到所迷牽引變壓器(21) 的初級繞組(210， 210，， 210");以及將次級轉(zhuǎn)換器(22, 22，， 22")連接到所述DC鏈路(23)，其 中所述次級轉(zhuǎn)^:器(22， 22，， 22")的輸入端連接到所述牽引變壓器 (21)恃次政繞組(211, 211，, 211"),所述方法的特征在于，所逸方法包括并聯(lián)連接至少兩個次級轉(zhuǎn)換 器(22, 22'， 22")的輸出端，并具所述初級轉(zhuǎn)換器(20， 20，， 20") 是循環(huán)轉(zhuǎn)換器。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述牽引變壓器以小 于3kHz、且優(yōu)選小于lkHz的頻率工作。
10. 如權(quán)利要求S所述的方法，其特征在于，所述至少兩個次級 轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體開關(guān)以硬切斷和自然接通工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于鐵路牽引應(yīng)用的電源系統(tǒng)，它包括多級AC/DC轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器包括連接在AC電源線(11)和牽引變壓器(21)之間的多個串聯(lián)連接的單級循環(huán)轉(zhuǎn)換器或直接AC頻率轉(zhuǎn)換器(20，20’，20”)。該變壓器可以以小于3kHz且大于AC線路頻率的變壓器標稱頻率工作。在變壓器的次級線圈側(cè)，提供多于一個并聯(lián)連接的次級轉(zhuǎn)換器(22，22’，22”)，它們連接到DC鏈路(23)。在次級轉(zhuǎn)換器之一發(fā)生故障的情況下，多級AC/DC轉(zhuǎn)換器可以以通過剩余操作級遞送的減小的功率繼續(xù)工作。
文檔編號H02M7/219GK101238635SQ200680028443
公開日2008年8月6日 申請日期2006年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月3日
發(fā)明者A·阿克達, L·梅森克, N·雨果, P·努瓦塞特, P·斯蒂芬努蒂 申請人:Abb研究有限公司