用于鐵路車輛的輔助電源系統(tǒng)和輔助轉(zhuǎn)換器組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及大功率電子裝置的領(lǐng)域。具體而言，本實(shí)用新型涉及可機(jī)載安裝在鐵路車輛上的輔助電源系統(tǒng)及其組件。
【背景技術(shù)】
[0002]本實(shí)用新型涉及機(jī)載安裝在鐵路車輛或軌道車輛上以用于向安裝在鐵路車輛中的輔助電氣設(shè)備供能的輔助電源系統(tǒng)的領(lǐng)域。
[0003]鐵路車輛通常包含多個(gè)輔助電氣設(shè)備，以用于設(shè)備冷卻、乘客舒適性、餐車、照明、制動(dòng)/安全相關(guān)的功能等。存在借助于使用靜態(tài)功率轉(zhuǎn)換器(下文稱為輔助轉(zhuǎn)換器)來對(duì)那些輔助電氣設(shè)備供能的若干方法。
[0004]由AC電源供能的鐵路車輛通常具有機(jī)載牽引變壓器，其還包含用于輔助電源的繞組。來自變壓器的輔助電源在給送輔助電氣設(shè)備之前由輔助電源系統(tǒng)進(jìn)一步處理。在一些情況中，輔助電源系統(tǒng)包括若干平行的輔助轉(zhuǎn)換器，其連接到相同的輔助繞組上，而沒有用于冗余的電流隔離，且優(yōu)化了安裝設(shè)備的量。
[0005]此類多個(gè)轉(zhuǎn)換器大體上具有非對(duì)稱的負(fù)載分布，且可生成共模電壓，這可不利于整個(gè)系統(tǒng)的絕緣完整性。具體而言，對(duì)于帶有線路整流控制的整流器的轉(zhuǎn)換器，輸入線路電壓可遠(yuǎn)高于中間DC鏈路電壓。由于輸入整流器的發(fā)射角可能由于轉(zhuǎn)換器之間的非對(duì)稱負(fù)載而并未與彼此同步，故可生成共模電壓。該共模電壓可除由電壓源逆變器(其振幅和上升比率可由DC鏈路電壓和使用的功率半導(dǎo)體的切換特征限定)生成的切換頻率調(diào)制共模電壓之外生成。
[0006]克服上面提到的問題的一個(gè)途徑在于根據(jù)預(yù)計(jì)的共模電壓應(yīng)力水平來確定整個(gè)系統(tǒng)的絕緣的大小。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于牽引應(yīng)用的輔助轉(zhuǎn)換器，其僅生成低的共模電壓應(yīng)力。
[0008]本實(shí)用新型的另一個(gè)目的在于提供一種用于牽引應(yīng)用的輔助轉(zhuǎn)換器，其是緊湊的、重量輕的，具有有效的冷卻設(shè)備，且構(gòu)造有穩(wěn)健的柜。
[0009]這些目的通過獨(dú)立權(quán)利要求的主題實(shí)現(xiàn)。其它示例性實(shí)施例從從屬權(quán)利要求和以下詳細(xì)中清楚。
[0010]本實(shí)用新型的第一方面涉及一種用于鐵路車輛的輔助電源系統(tǒng)。輔助電源系統(tǒng)可從變壓器供應(yīng)，例如，變壓器從懸鏈線接收其電力。輔助電源系統(tǒng)的構(gòu)件可布置在鐵路車輛的機(jī)房?jī)?nèi)。
[0011]根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，輔助電源系統(tǒng)包括AC到AC轉(zhuǎn)換器，其適于將單個(gè)AC輸入電壓轉(zhuǎn)換成多相AC輸出電壓。AC到AC轉(zhuǎn)換器包括用于將單相AC電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓的整流器，該整流器可連接到變壓器的公共繞組上，以及用于將來自相應(yīng)整流器的DC電壓轉(zhuǎn)換成多相AC輸出電壓的DC到AC逆變器。DC到AC逆變器包括帶有連接在逆變器的各個(gè)輸出相中的相逆變器的LC輸出濾波器和連接到各個(gè)輸出相上且連接到星形點(diǎn)的相電容器，其中星形點(diǎn)經(jīng)由接地電阻器和接地電容器的串聯(lián)連接接地。
[0012]整流器為受控的整流器(線路整流的整流器)或半受控的整流器，S卩，其可包括帶有可控的半導(dǎo)體開關(guān)(如，晶閘管)的一個(gè)半橋和帶有二極管的另一個(gè)半橋。線路整流可利用單相非對(duì)稱半受控整流器來執(zhí)行。
[0013]整流器和逆變器可與DC鏈路互連。中間DC鏈路可包括LC濾波器，以使整流器輸出電壓平滑且還減小線路電路中的諧波。DC鏈路還可包括電壓限制單元，以在動(dòng)態(tài)振蕩期間限制過壓，且在停機(jī)期間主動(dòng)地使DC鏈路放電。
[0014]逆變器可為電壓源逆變器，其利用將IGBT用作半導(dǎo)體開關(guān)的三相半橋形態(tài)來實(shí)現(xiàn)。逆變器可利用脈寬調(diào)制控制，例如，以生成三相正弦加權(quán)AC輸出電壓。
[0015]AC輸出中的切換頻率漣波利用低通LC濾波器來過濾。LC濾波器輸出處的所得電壓波形可幾乎沒有高頻分量。
[0016]LC濾波器的星形點(diǎn)連接可利用帶有串聯(lián)的電阻器和電容器的鐵路車輛的等電勢(shì)基準(zhǔn)來接地，這限制和分配共模電壓，且/或其減小循環(huán)電流的大小。以此方式，共模電壓最佳地在AC輸出相上分布。此外，共模電壓的上升速率限于低值(如，小于20V/US)。
[0017]特別地，當(dāng)若干AC到AC轉(zhuǎn)換器的若干線路整流受控整流器并聯(lián)連接時(shí)，經(jīng)由接地電阻器和接地電容器的接地可限制共模電壓對(duì)公共繞組的沖擊，而不另外需要電流分離。
[0018]根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，接地電容器與另一個(gè)、第二接地電阻器并聯(lián)連接。另一個(gè)接地電阻器可與第一接地電阻器串聯(lián)連接。
[0019]根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，星形點(diǎn)與在整流器與逆變器之間互連的分流DC鏈路的中性點(diǎn)互連。以此方式，還可限制整流器的輸入處的共模電壓。
[0020]根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，各個(gè)輸出相的逆變器包括并聯(lián)連接的兩個(gè)半橋，各個(gè)半橋均包括在它們之間提供中點(diǎn)的兩個(gè)串聯(lián)連接的半導(dǎo)體開關(guān)。中點(diǎn)經(jīng)由共模扼流圈與相應(yīng)的輸出相連接，共模扼流圈包括各個(gè)半橋的電感器，電感器被電感地耦合。
[0021]逆變器可利用硬并聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)(諸如，IGBT)實(shí)現(xiàn)，S卩，兩個(gè)半橋的并聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)可由一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)控制。共模扼流圈用于平衡兩個(gè)并聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)之間的電流。電流平衡可在不采用獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)或主動(dòng)電流平衡控制的情況下實(shí)現(xiàn)。
[0022]根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，輔助電源系統(tǒng)包括可并聯(lián)連接到其輸入處的公共繞組上的至少兩個(gè)單相AC到三相AC轉(zhuǎn)換器?？赡艿氖禽o助電源系統(tǒng)包括兩個(gè)或更多個(gè)AC到AC轉(zhuǎn)換器，它們所有都可如上文和下文所述那樣設(shè)計(jì)。兩個(gè)或更多個(gè)AC到AC轉(zhuǎn)換器可布置在一個(gè)公共或獨(dú)立的柜或兩者的組合中。
[0023]例如，各個(gè)AC到AC轉(zhuǎn)換器可生成用于輔助電氣設(shè)備的三相正弦濾波的AC輸出。
[0024]兩個(gè)或更多個(gè)AC到AC轉(zhuǎn)換器可連接到其輸入處的變壓器的公共繞組上，其在它的副側(cè)上還包括與適用于供應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)鐵路車輛的電動(dòng)機(jī)的牽引轉(zhuǎn)換器連接的其它繞組。
[0025]此外，輔助電源系統(tǒng)可包括電池充電器，以用于生成DC輸出來對(duì)車輛電池充電，且對(duì)鐵路車輛中的DC輔助負(fù)載供能。電池充電器的輸入可連接到AC到AC轉(zhuǎn)換器的一個(gè)或更多個(gè)AC輸出上，可選在它們中的一個(gè)故障的情況下在轉(zhuǎn)換器之間切換。因此，牽引變壓器的公共繞組可對(duì)所有AC到AC轉(zhuǎn)換器供能，且一個(gè)AC到AC轉(zhuǎn)換器可對(duì)電池充電器供能。
[0026]電池充電器的DC輸出可與AC到DC轉(zhuǎn)換器的AC輸出電流隔離。例如，電池充電器可包括電流隔離的變壓器。
[0027]本實(shí)用新型的另一個(gè)方面涉及用于鐵路車輛的輔助轉(zhuǎn)換器組件。輔助轉(zhuǎn)換器組件可包括如上文和下文所述的輔助電源系統(tǒng)，或布置在柜中的至少其構(gòu)件，其可附接到鐵路車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)房?jī)?nèi)。
[0028]根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，輔助轉(zhuǎn)換器組件還包括承載AC到AC轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體開關(guān)的功率半導(dǎo)體模塊。輔助轉(zhuǎn)換器組件的功率部分可配備有可取回的功率半導(dǎo)體模塊(電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊，PEBB)和/或模塊化子組件。復(fù)雜的功率電子電路可由保養(yǎng)友好的模塊化智能可再配置且可靠的功率處理平臺(tái)替換?？扇』氐墓β拾雽?dǎo)體模塊的使用可導(dǎo)致較低的替換時(shí)間，由此將停機(jī)時(shí)間減到最低。這些功率模塊連同其控制器可提供針對(duì)需要的牽引功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的高速控制要求的優(yōu)化解決方案。
[0029]根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，各個(gè)功率半導(dǎo)體模塊包括用于冷卻半導(dǎo)體開關(guān)的熱沉。將理解的是，熱沉還可看作是用于從相應(yīng)裝置吸收熱的換熱器，其冷卻且將這些熱與諸如空氣的其它介質(zhì)交換。
[0030]輔助轉(zhuǎn)換器組件還包括柜，功率半導(dǎo)體模塊附接到柜上，使得功率半導(dǎo)體在柜內(nèi)，且熱沉從柜突出。輔助轉(zhuǎn)換器組件還包括蓋，其覆蓋熱沉，且其提供用于以空氣冷卻熱沉的第一空氣導(dǎo)管。輔助轉(zhuǎn)換器組件的模塊可通過強(qiáng)制對(duì)流來冷卻，使用了用于設(shè)備冷卻的鐵路車輛中可用的獨(dú)立的新鮮空氣流。
[0031]根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，輔助轉(zhuǎn)換器組件還包括用于生成柜內(nèi)的內(nèi)部空氣流的風(fēng)扇、在柜內(nèi)且在空氣流中的換熱器，該換熱器附接到柜的壁上。用于以空氣冷卻柜的壁的第二空氣導(dǎo)管設(shè)在柜中。輔助轉(zhuǎn)換器組件還可設(shè)有一個(gè)或更多個(gè)內(nèi)部攪拌風(fēng)扇，以經(jīng)由空氣循環(huán)內(nèi)部空氣至其它內(nèi)部空氣換熱器，以與外部環(huán)境交換輔助轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部損失，由此通過降低內(nèi)部環(huán)境溫度和避免形成局部熱點(diǎn)來延長(zhǎng)構(gòu)件的使用壽命。第二空氣導(dǎo)管還可通過利用用于設(shè)備冷卻的鐵路車輛中可用的獨(dú)立新鮮空氣流的強(qiáng)制對(duì)流來冷卻。
[0032]輔助電源系統(tǒng)的主要控制器還可布置在柜內(nèi)。主控制器可利用數(shù)字系統(tǒng)構(gòu)架基于微控制器和/或FPGA實(shí)現(xiàn)，其可提供強(qiáng)大計(jì)算資源和/或允許操作和交互簡(jiǎn)便的通信接口?？刂菩盘?hào)連同狀態(tài)變量測(cè)量結(jié)果和/或各種命令可使用公共通信協(xié)議傳輸，該協(xié)議允許系統(tǒng)的即插即用(PnP)能力，帶來了模塊性、可再配置性和可再使用性。車輛控制單元與主控制器之間的通信可通過設(shè)在轉(zhuǎn)換器柜內(nèi)的網(wǎng)關(guān)執(zhí)行。
[0033]根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，輔助轉(zhuǎn)換器組件還包括另一個(gè)風(fēng)扇，其布置在第一空氣導(dǎo)管內(nèi)。例如，在轉(zhuǎn)