柴油電力驅動系統的製作方法
2023-06-29 04:00:26 2
專利名稱：柴油電力驅動系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求1前序部分所述的柴油電力驅動系統。
背景技術：
這種類型的驅動系統在01afKoemer (奧拉夫'科爾納)、Jens Brand (延 斯'布朗特)和KarstenRechenberg(卡斯滕端興博格)合著的標題為"Energy Efficient Drive System for a Diesel Electric Shunting Locomotive (用於柴油電
力調車機車的節能驅動系統)"的論文(刊登於2005年9月11日至14日德 累斯頓EPE會議"EPE'2005"會議論文集)中有所涉及。該論文對兩種具有 永磁同步發電機的柴油電力驅動系統進行了比較。這兩種驅動系統的區別僅 在於，其中一個驅動系統中的電壓型變換器的發電機側變流器為二極體整流 器，而另一個驅動系統中的電壓型變換器的發電機側變流器為自換相脈衝變 流器。該論文將自換相脈衝變流器稱為"IGBT整流器"。這兩種驅動系統的 電壓型變換器的中間電路均可與制動電阻相連。為此設置有也可稱為"GTO 晶閘管"的門極可關斷晶閘管。藉助於這個脈衝電阻可使電壓型變換器的中 間電路中的直流電壓在制動模式下——即當中間電路由負載(特定而言為感 應電機)提供能量時一一避免超過最大允許的中間電路電壓。 一部分制動功 率還可用於補償空轉柴油機的阻力矩。其不利之處在於，須為制動調節器使 用附加的變流器橋接旁路，並且這個制動調節器的附加性母線須與中間電路 的母線一起提供。根據具體的制動功率，有可能需要為制動調節器使用其它 的變流器橋接旁路。此外還須為制動調節器使用控制裝置。
DE 102 10 164 Al中公開了一種用於在發電站中為永磁同步電動機進行 多整流器供電的裝置。這種永磁同步發電機具有兩個線圈匝數不同的多相定
4子繞組系統。其中一個繞組系統連接在可控整流器(例如IGBT整流器)上。 這個可控整流器的任務是對永磁同步發電機的功率輸出進行調節，進而對其 進行轉速調節。為此，在低轉速範圍內通電，從而使電功率只經過這個繞組 系統從而經過連接在直流電壓中間電路上的可控整流器。第二繞組系統連接 在不可控整流器(例如多脈衝二極體電橋)上，這個不可控整流器與可控整 流器連接在同一個直流電壓中間電路上。如果相間旋轉電壓(又稱"同步電 動勢")大於直流電壓中間電路的中間電路電壓，電流可流過第二繞組系統 並由直流電壓中間電路上的不可控整流器對其進行整流。其中，由於第一和 第二繞組系統之間存在磁耦合，因而第二繞組系統中的電流幅值和相角可受 到第一繞組系統中的電流的影響，第一繞組系統中的電流由有源整流器(可 控整流器)調節。也就是說，藉助可控整流器也可在一定程度上對不可控整 流器的繞組系統中的電流進行調節。這種裝置的有功功率傳輸主要由不可控 整流器承擔，因此，可控整流器可採取小功率設計，以此達到降低成本的目 的。藉助於這個通常也被稱為"自換相脈衝變流器"的可控整流器可避免永 磁同步發電機在嚴重的過激勵狀態下工作。此外還可對發電機轉矩中由不可 控整流器引起的諧波進行補償。
在柴油電力驅動裝置(例如柴油機車或礦用汽車)中，安裝在這個電動 機上的發電機用於為驅動裝置提供能量。發電機的電壓由二極體整流器或
IGBT整流器調節至恆定的中間電路電壓，這個中間電路電壓被提供給驅動 電動機的負載側自換相脈衝變流器。進行電氣制動時，電壓型變換器中的能 流正好為反向。能量由負載側自換相脈衝變流器傳輸到電壓型變換器的電壓 中間電路內。由於柴油機無法吸收制動功率，因而需要藉助制動電阻將制動 能量轉化為熱。為能進行持續的功率調節，將由制動調節器進行脈衝寬度調 制的電壓施加在制動電阻上。
這種處理方式的缺點在於，制動模式下整流器(二極體整流器或IGBT 整流器)閒置，牽引模式下則是無法對制動調節器加以利用。在此情況下，
5變換器中所安裝的功率半導體就會多過所需要的功率半導體。
此時的問題在於找到一種在不需要藉助斷路器重構拓撲結構的情況下 既能在牽引模式下又能在制動模式下對這些功率半導體進行利用的解決方 案或電路。
本發明以這樣一種認識為出發點，即正是在功率較大的情況下，起決 定性作用的是功率半導體的裝機功率或晶片面積，而非其數量。正是在功率 較大的情況下，才將功率半導體並聯連接。
發明內容
因此，本發明的目的是對普通柴油電力驅動系統進行改進，使其無需再 使用附加的制動調節器。
根據本發明，這個目的通過權利要求1的區別特徵並結合權利要求1前 序部分的特徵而達成。
如果設置發電機側第二自換相脈衝變流器，普通柴油電力驅動系統的發 電機側自換相脈衝變流器的功率就會被分割到這兩個發電機側自換相脈衝 變流器上。這表明發電機具有兩個定子多相繞組系統，而不是一個繞組系統。 藉此獲得可用於連接制動電阻的其它自由度。根據本發明，制動電阻將電壓 型變換器其中一個發電機側自換相脈衝變流器的至少一個輸入相與另一個 發電機側自換相脈衝變流器的對應輸入相相連。
通過以本發明的這種方式對普通柴油電力驅動系統進行進一步處理，可 完全在電壓型變換器的中間電路中省去制動調節器。也就是說，本發明的電 壓型變換器的裝機功率或晶片面積相對於普通中間電路變換器而言有所減 小，但功率輸出保持不變。
根據本發明柴油電力驅動系統的另一實施方式，發電機的兩個多相繞組 系統的引出中性點通過制動電阻彼此導電相連。這個實施方式具有與第一實 施方式相同的優點。
若想獲得更大的制動效率，就使發電機側第一自換相脈衝變流器的每個輸入相都通過制動電阻與發電機側第二自換相脈衝變流器的對應輸入相導電相連。
本發明柴油電力驅動系統的其它有利實施方式可從從屬權利要求3至6
中獲得。
在牽引模式下，本發明柴油電力驅動系統的兩個發電機側自換相脈衝變
流器進行同相同步(gleichphasiggetaktet)。此時，通過制動電阻的差分電壓為零，在此情況下制動電阻內沒有功率可迸行轉化。這個電路此時的作用就相當於具有一個繞組和一個三相脈衝變流器的傳統發電機系統。
在制動模式下，以產生零序電壓系統的方式對本發明柴油電力驅動系統的兩個發電機側自換相脈衝變流器進行控制。產生這種零序電壓系統的方式是偏移時鐘信號的相位或佔空比(Taktverhaitnis)。由此產生的結果是，本發明柴油電力驅動系統的變換器的其中一個發電機側自換相脈衝變流器的輸入相的電位會發生相對於另一個發電機側自換相脈衝變流器的對應輸入相的時間偏移。在此情況下，對應的制動電阻上的電壓會下降。所述偏移的時間值確定了制動電阻內被轉化的功率。也就是說，若要達到預定製動功率，這種相移或佔空比的偏移須達到一個預定值。
通過時鐘信號的相移或佔空比的偏移，柴油電力驅動系統的變換器的兩個發電機側自換相脈衝變流器的對應輸入電壓的電壓平均值在一個脈衝周期內保持相等。這樣就可對發電機電流或其轉矩繼續獨立進行調節，與此同時，通過相移或佔空比的偏移可藉助制動電阻將過剩能量(制動能量)轉化為熱。
下面藉助附圖所示的本發明柴油電力驅動系統的實施方式對本發明作
進一步說明，其中
圖1為普通柴油電力驅動系統的等效電路圖2為其它己知柴油電力驅動系統的等效電路圖；圖3為本發明柴油電力驅動系統的電壓型變換器的第一實施方式的有利實施方式的等效電路圖4為圖3所示的變換器的兩個發電機側自換相脈衝變流器的兩個對應
相的時鐘信號和輸入相電壓(Eingangsphasenspannung)的時間圖5為本發明柴油電力驅動系統的第一實施方式的簡化實施方式的等效電路圖；以及
圖6為本發明柴油電力驅動系統的第二實施方式的等效電路圖。
具體實施例方式
在圖l所示的普通柴油電力驅動系統的等效電路圖中，2表示一個柴油機，4表示一個發電機，尤其是永磁同步發電機，6表示一個電壓型變換器，8表示多個感應電機，特定而言為三相異步電動機，10表示一個制動斬波器。電壓型變換器具有發電機側自換相脈衝變流器12和負載側自換相脈衝變流器14，這兩個自換相脈衝變流器通過具有一個中間電路電容器組16的中間電路18在直流電壓側彼此導電相連。制動斬波器10與這個中間電路18相併連，並具有相串聯的制動電阻20和制動調節器22 (例如門極可關斷晶閘管)。除此之外，這個等效電路圖中還顯示了一個輔助逆變器28。輔助逆變器28的交流電壓側接點上連接有輔助驅動裝置，附圖並未對這些輔助驅動裝置進行明確圖示。柴油機2和永磁同步發電機4在轉子側彼此機械耦合，其中，永磁同步發電機4在定子側與電壓型變換器6的發電機側自換相脈衝變流器12的交流電壓側接點相連。
由於這個等效電路圖是柴油電力機車的等效電路圖，因此，30表示用於容納電子變流設備的牽引模塊。所述制動電阻和柴油驅動永磁同步發電機4布置在這個牽引模塊30的外部。四個三相異步電動機8是柴油電力機車的兩個轉向架的發動機。
在這個等效電路圖中實施為單個電阻的制動電阻20也可由多個彼此串聯或並聯的電阻構成。門極可關斷晶閘管22實施為變流器橋接旁路模塊，其中，僅使用關聯的續流二極體來代替另一門極可關斷晶閘管。
圖2同樣顯示了公開自開篇所提及的"德勒斯登EPE'2005"論文的柴油電力驅動系統的等效電路圖。這個等效電路圖與圖1所示的等效電路圖之間的區別在於，此處設置了用以代替發電機側自換相脈衝變流器12 (在該論文中又被稱為IGBT整流器)的二極體整流器32。柴油電力驅動系統的這個電路比圖l所示的柴油電力驅動系統簡單，因為只需使用二極體即可實現發電機側變流器。二極體不像可斷開功率半導體開關、尤其是圖1中的IGBT整流器的絕緣柵雙極電晶體(IGBT)那樣需要控制裝置。也可用一它勵同步發電機或一異步發電機來代替圖1和圖2所示的等效電路圖中的永磁同步發電機4。在使用它勵同步發電機的情況下'，還需設置用於實現場激勵的電路布置。使用異步發電機時，也需要通過設置附加電路布置來在異步發電機中產生一個場。
在柴油電力發電機採取上述這些不同實施方式的情況下，電壓型變換器6保持不變。也就是說，總是需要設置制動斬波器10，以便可以對感應電機8進行電氣制動。因此，只有在這個柴油電力驅動裝置的制動模式下才需要制動斬波器10的橋接旁路(所示制動調節器22的一種實現方式)。在牽引模式下，這個制動調節器不起作用。
圖3顯示的是本發明柴油電力驅動系統的電壓型變換器34的第一實施方式的有利實施方式的等效電路圖。這個等效電路圖中，同樣以等效電路圖的形式對柴油電力驅動系統的發電機36進行了圖示。這個電壓型變換器34與圖l和圖2所示的已知電壓型變換器6之間的區別在於，發電機側設置有兩個自換相脈衝變流器38和40，這兩個自換相脈衝變流器在直流電壓側與直流電壓中間電路18的中間電路電容器組16並聯。在功率方面，這兩個自換相脈衝變流器38和40與圖1所示的電壓型變換器6的自換相脈衝變流器12的功率相符。也就是說，發電機側變流器的功率半導體開關的裝機功率保持不變，因而其所用晶片面積也保持不變。發電機側自換相脈衝變流器38和40在輸入端上分別與發電機36的三 相繞組系統42和44導電相連。在等效電路圖中，這個具有兩個三相繞組系 統42和44的發電機36每相僅顯示了一個電源46或48和一個電感50或52。 發電機36的第一三相繞組系統42的輸出相R1、 Sl、 Tl分別藉助一個電阻 54 (尤其是制動電阻54)與發電機36的第二三相繞組系統44的對應輸出相 R2、 S2、 T2導電相連。
藉助電壓型變換器34的這個電路可以實現各種工作模式
a) 牽引模式
由於發電機36的兩個三相繞組系統42和44提供相同電壓1L、 U2，因 而可對發電機側自換相脈衝變流器38和40進行相位同步。這些發電機側自 換相脈衝變流器38和40具有用於實現持續功率控制的脈寬調製器，本圖並 未對其進行明確顯示。藉助這種脈寬調製器進行正弦-三角調製或超正弦調 制(Supersinus-Modulation)或空間矢量調製。進行正弦-三角調製時，將又
稱為基準正弦電壓的額定電壓l^與高頻三角電壓UD作比較。隨後，這種調
制器的輸出端上會存在例如三個脈寬調製相電壓UR,s，T。在牽引模式下對這 兩個發電機側自換相脈衝變流器38和40進行相位同步，就相當於這兩個三 角電壓UD1和Ud2全等。在兩個發電機側自換相脈衝變流器38和40的輸入
端上存在有隨時都相同的電壓Uk^,t,和Ur2,S2，T2的情況下，每個制動電阻
54上分別保持有一個等於零的差分電壓UBr。在此情況下，這些制動電阻54 中不會損失功率。柴油電力發電機36所產生的全部功率會毫無損失地被饋 入本發明電壓型變換器34的直流電壓中間電路18的中間電路電容器組16內。
b) 制動模式I :
在需要消耗來自於電壓型變換器34的直流電壓中間電路18的中間電路 電容器組16的功率的情況下，可藉助發電機側自換相脈衝變流器38和40 在具有兩個三相繞組系統42和44的發電機36中產生轉矩。藉此使發電機
1036加速。這部分功率可進行傳輸，其原因在於拖曳模式下的柴油機可將其吸 收。因此，這種制動模式I的特徵在於，由負載側自換相脈衝變流器14饋
回到中間電路電容器組16內的能量被暫存起來，並通過柴油機制動被消耗。
c)制動模式II:
如果在制動功率變大的情況下無法繼續在柴油機中消耗，現有的制動電
阻54就用於消除能量。為能在電阻54上將能量轉化為熱，須使相應的差分 電壓U&在每個制動電阻54上發生下降。為能產生這樣一個差分電壓UW， 需要以產生零序電壓系統的方式對兩個發電機側自換相脈衝變流器38和40 進行控制。由於兩個發電機側自換相脈衝變流器38和40的輸入端上的電壓 UR1、 US1、 UT1、 Ur2、 Us2禾n Un可在零與最大中間電路電壓Uzw之間任意 調節，則也可分別在自換相脈衝變流器38的一個輸入端與自換相脈衝變流 器40的一個對應輸入端之間產生差分電壓UBr。在以此種方式產生的差分電 壓UBr的作用下，每個制動電阻54中均會有電流通過。
對在制動電阻上發生轉換的功率進行持續控制，這方面存在多種不同的 方法。
如果藉助脈衝寬度調製(尤其是正弦-三角調製)對每個相R1、 Sl、 Tl、 R2、 S2和T2進行控制，就可在產生零序電壓系統方面獲得一種特別簡單的 實現方案。通過使發電機側自換相脈衝變流器38或40的三角電壓1101或 Um發生相對於發電機側自換相脈衝變流器40或38的三角電壓1102或UD1
的偏移，相電壓U!U和UR2、 Uy和Us2以及UT,和UT2就會發生相對偏移，
藉此可在相應的制動電阻54上產生差分電壓UBr。
圖4在一個以時間t為橫坐標的圖內分別對相電壓Ur,禾B Ur2、三角電 壓Ud,和UD2以及額定電壓11*進行了圖示。從這個圖中可以看出，三角電
壓UD2相對於三角電壓U!m進行了 180。的電相移。通過使其中一個三角電壓
UD1或Uo2相對於另一個三角電壓UD2或UD1在0°與180。之間進行持續相移，
就可對制動功率進行持續調節。
ii從圖4所示的圖中還可看出，在每個時間點上，相電壓L^和UR2在一 個脈衝周期內的平均值相等。也就是說，脈寬調製相電壓Uju和UR2的基波 繼續遵循額定電壓U*。這樣就可對發電機電流和其轉矩繼續進行調節，與
此同時，通過產生零序電壓系統可藉助制動電阻54將過剩能量轉化為熱。
除了使其中一個三角電壓Ud,或Uo2進行相對於另一個三角電壓Ud2或
UD1的相移這一方法外，也可通過發電機側自換相脈衝變流器38的脈寬調製 相電壓UR1、 Us,和Un與發電機側自換相脈衝變流器40的脈寬調製輸入電
壓1^2、 Us2和UT2的佔空比相對偏移來產生零序電壓系統。為此，在其中一
個子系統內為額定電壓uln上與制動功率成比例的直流電壓AU，為另一個
子系統減去這個直流電壓AU。上述方案的共同之處在於產生零序電壓系統， 其中，發電機的不接地中性點的對稱條件使得這個零序電壓系統並不在發電 機中激發電流。
圖5顯示的是本發明柴油電力驅動系統的第一實施方式的簡化實施方式 的等效電路圖。這種簡化實施方式與圖3所示的有利實施方式之間的區別在 於，僅使用兩個或一個制動電阻54來代替三個制動電阻54。第一發電機側 自換相脈衝變流器38的哪個輸入相Rl或Sl或Tl與第二發電機側自換相 脈衝變流器40的哪個對應輸入相R2或S2或T2導電相連，這一點並不重 要。在圖5所示的等效電路圖中，輸入相Tl和輸入相Sl分別通過一個制動 電阻54與對應輸入相T2和對應輸入相S2導電相連。由於柴油電力驅動系 統的第一實施方式的這種簡化實施方式僅使用了兩個制動電阻54，因而也可 以只將圖3所示的實施方式中所產生的制動功率的2/3轉化成熱。在僅使用 一個制動電阻54的情況下，可以只將圖3所示的實施方式中所產生的制動 功率的1/3轉化成熱。
在發電機36的兩個多相繞組系統42和44分別具有一個引出中性點54 和56的情況下(圖6)，作為將制動電阻54連接在輸入相Rl或Sl或Tl和 對應輸入相R2或S2或T2上這一方案的替代方案，可將制動電阻54連接在這兩個中性點54和56上。採用如圖5所示的實施方式的本發明柴油電力 驅動系統的工作方式並不會因此而改變。
本發明柴油電力驅動系統的主要特徵是兩個三相電壓系統之間通過制 動電阻54而實現的連接。相對於圖1所示的普通柴油電力驅動系統而言， IGBT整流器和制動調節器在本發明的柴油電力驅動系統中實現了功能整 合。傳統技術在牽引模式和制動模式下只能分別對其中一個變流器加以利 用，而本發明的柴油電力驅動系統則可以在牽引模式和制動模式下同時對這 兩個變流器進行使用。通過在功能上將兩個變流器整合到兩個發電機側自換 相脈衝變流器38和40中，不僅可使功率半導體的數量減半，還能使成本減半。
權利要求
1. 一種柴油電力驅動系統，其具有發電機(4)和制動電阻(20)，所述發電機(4)在轉子側與柴油機(2)機械耦合，在定子側與電壓型變換器(6)相連，所述電壓型變換器(6)具有發電機側和負載側自換相脈衝變流器(12，14)，其特徵在於，所述發電機(4)為具有兩個多相繞組系統(42，44)的發電機(36)，所述兩個多相繞組系統(42，44)分別與一個發電機側自換相脈衝變流器(38，40)導電相連，其中，發電機側第二自換相脈衝變流器(40)在直流電壓側與所述電壓型變換器(34)的電壓中間電路(18)並聯，發電機側第一自換相脈衝變流器(38)的至少一個輸入相(R1，S1，T1)通過一個制動電阻(54)與所述發電機側第二自換相脈衝變流器(40)的一個對應輸入相(R2，S2，T2)導電相連。
2. —種柴油電力驅動系統，其具有發電機(4)和制動電阻(20)，所 述發電機(4)在轉子側與柴油機(2)機械耦合，在定子側與電壓型變換器 (6)相連，所述電壓型變換器(6)具有發電機側和負載側自換相脈衝變流 器(12， 14)，其特徵在於，所述發電機(4)為具有兩個多相繞組系統(42， 44)的發電機(36)， 所述兩個多相繞組系統(42， 44)分別與一個發電機側自換相脈衝變流器(38， 40)導電相連，其中，發電機側第二自換相脈衝變流器(40)在直流電壓側 與所述電壓型變換器(34)的電壓中間電路(18)並聯， 一個制動電阻(54) 與所述兩個多相繞組系統(42， 44)的引出中性點(54， 56)相連。
3. 根據權利要求l所述的柴油電力驅動系統，其特徵在於， 所述發電機側第一自換相脈衝變流器(38)的每個輸入相(Rl， Sl，Tl)均通過一個制動電阻(54)與所述發電機側第二自換相脈衝變流器(40)的一個對應輸入相(R2， S2， T2)導電相連。
4. 根據權利要求1或2所述的柴油電力驅動系統，其特徵在於， 設置有用作所述發電機(36)的永磁同步發電機(4)。
5. 根據權利要求1或2所述的柴油電力驅動系統，其特徵在於， 設置有用作所述發電機(36)的它勵同步發電機。
6. 根據權利要求1或2所述的柴油電力驅動系統，其特徵在於， 設置有用作所述發電機(36)的異步發電機。
7. —種對根據權利要求1或2所述的柴油電力驅動系統進行牽引操作 的方法，其特徵在於，對所述電壓型變換器(34)的兩個發電機側自換相脈衝變流器(38， 40) 進行相位同步。
8. —種對根據權利要求1或2所述的柴油電力驅動系統進行制動操作 的方法，其特徵在於，以產生零序電壓系統的方式對所述電壓型變換器(34)的兩個發電機側 自換相脈衝變流器(38， 40)進行控制。
9. 根據權利要求8所述的進行制動操作的方法，其特徵在於， 使所述兩個發電機側自換相脈衝變流器(38， 40)的脈衝寬度調製的時鐘信號(UD1， UD2)在時間上相對偏移一個預定值。
10. 根據權利要求8所述的進行制動操作的方法，其特徵在於， 使所述兩個發電機側自換相脈衝變流器(38， 40)的佔空比相對偏移一個預定值。
全文摘要
本發明涉及一種柴油電力驅動系統，其具有發電機(4)和制動電阻，所述發電機在轉子側與柴油機(2)機械耦合，在定子側與電壓型變換器(34)耦合，所述電壓型變換器具有發電機側和負載側自換相脈衝變流器。根據本發明，所述發電機(4)為具有兩個多相繞組系統(42，44)的發電機(36)，所述兩個多相繞組系統(42，44)分別與一個發電機側自換相脈衝變流器(38，40)導電相連，其中，發電機側第二自換相脈衝變流器(40)在直流電壓側與所述電壓型變換器(34)的電壓中間電路(18)並聯，發電機側第一自換相脈衝變流器(38)的至少一個輸入相(R1，S1，T1)通過制動電阻(54)與所述發電機側第二自換相脈衝變流器(40)的對應輸入相(R2，S2，T2)導電相連。藉此獲得一種具有電壓型變換器(34)的柴油電力驅動系統，這種柴油電力驅動系統的功率半導體數量減半，進而成本也減半。
文檔編號H02P3/22GK101500842SQ200780029625
公開日2009年8月5日 申請日期2007年8月1日 優先權日2006年8月8日
發明者格拉爾德·阿姆勒 申請人:西門子公司