向有軌車輛中的輔助運行設備供給電能的製作方法

2023-05-02 17:25:36 2

專利名稱：向有軌車輛中的輔助運行設備供給電能的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於向有軌車輛中的輔助運行設備供給電能的系統。此外，本發 明還涉及一種用於在意外地與基準電位、尤其是與車輛接地(Fahrzeugmasse)接觸時保護 此類系統的方法。
背景技術：
除對於牽引而言直接必需的裝置(例如，高壓機組、牽引逆變器以及牽引電動機) 外，機車或者其他有軌車輛或者服務於有軌車輛或列車組的運行的列車組部分還具有能夠 實現運行的附加裝置。這些輔助裝置或者輔助運行設備同樣需要電能並且在特殊情形中通 過輔助運行設備逆變器與牽引中間電路連接，也從所述牽引中間電路中獲得牽引所需的能 量。示例是牽引電動機的通風設備、變流器的冷卻設備、用於壓縮氣體的壓縮機(例如用於 產生用於制動設備的壓縮空氣)、機車的滅火設備、用於控制機車運行的電子設備、電池充 電設備、暖氣設備——例如擋風玻璃加熱器、空調、插座、照明設備。設置在可能與機車聯接 的有軌車輛單元中的另一組電設備可以通過自己的、附加的逆變器與牽引中間電路連接。然而，本發明並不限於機車中的應用並且也不限於具有牽引中間電路的電系統。 更確切地說，也可以通過其他方式來提供輔助運行設備系統的運行所需的電能。在本說明 書中一般使用概念「能量源」，即使其實際上不涉及電系統的生成電能的部分。更確切地說， 電能例如由柴油發動機生成或者例如通過(例如具有架空線-滑接饋電線或者母線的)高 壓電網傳輸到有軌車輛。但是在本說明書的術語中，例如可能存在的、通過變流器也與牽引 電動機相連接的牽引中間電路或者直流電壓中間電路是用於輔助運行設備系統的能量源。通常，如此設計有軌車輛中的所有輔助運行設備系統，使得它們在沒有基準電位 的情況下也能夠工作。這意味著，它們可以相對於車輛接地或者「大地」在波動的電位上工 作。如果出現與車輛接地的接觸，尤其是與車輛接地的短路，則自由波動的狀態被消除並且 接觸點位於車輛接地上。僅僅這樣不會導致諸如大短路電流之類的問題。然而，如果出現 與車輛接地的其他接觸，則可能產生大短路電流，所述短路電流可能毀壞系統組件並且還 可能對總電系統的其他部分具有反作用，例如對牽弓I中間電路和與其連接的變流器具有反 作用。因此已經提出，通過由電阻和保護開關組成的串聯電路使輔助運行設備系統與基 準電位連接。如果在其他位置處出現與基準電位的接觸，則通過所述電阻來限制流過的短 路電流並且保護開關根據其時間響應特性斷開。然而，這種解決方案的成本相對較高。此外，在機車和動車組(Triebzug)中通常 存在多個輔助運行設備系統，從而成本進一步增加。

發明內容
本發明的任務在於，提供開始部分所述類型的系統和方法，藉助所述系統和方法 能夠在低成本下可靠地確保對輔助運行設備系統的有效保護。
本發明的基本考慮在於，不需要與保護開關串聯設置的限流電阻。雖然在理論上 在出現與車輛接地的第二短路時，可能會有非常大的短路電流流過仍然閉合的保護開關。 但是可以通過其他方式限制所述短路電流。因此，提出一種用於向有軌車輛中的輔助運行設備供給電能的系統，其中-所述系統通過分離變壓器與能量源連接，例如與直流電壓中間電路連接，-所述系統在不接入限制電流的電阻的情況下通過保護開關與基準電位連接，尤 其是與車輛接地連接，-保護開關被設計成在出現由所述系統與基準電位的額外接觸導致的、流過閉合 的保護開關的電流時斷開。概念「用於向輔助運行設備供電的系統」理解為具有電導線的用於向輔助運行設 備供電的裝置。特別地，所述系統可以是三相系統，從而輔助運行設備可以與交流供電的一 個或多個相連接。特別地，保護開關可以使三個相的中性點與基準電位連接。「不接入電阻」意味著保護開關使輔助運行設備系統的電導線直接與基準電位連 接。「直接」意味著在所述連接中不設置任何增大直流電阻的分立部件。當然，連接導線具有 小的歐姆電阻。然而，所述電阻如此之小，以至於它在限制大的短路電流方面不值得一提。作為保護開關可以考慮本身已知的開關，其以安全自動裝置的方式檢測大電流 並且在超過極限值時或者在響應開關的電流監測時根據保護開關的觸發特性斷開開關 觸點。通常，在重新清除了導致大電流的原因之後必須手動地接通這種安全自動裝置 (Sicherungsautomat)0在一個優選的實施方式中，變壓器在其初級側通過變流器與能量源相連接。通過 接通和關斷電流閥來操作變流器，其中，設有用於控制接通和關斷的控制裝置，所述控制裝 置被如此設計，使得在一個相中超過預先給定的相電流極限值時和/或在多個相中電流總 和超過總電流極限值時，將所述相中或者所有相中的電流限制到相應的極限值上，其方式 是，相應地控制閥的接通和關斷。例如，減少在交變電流的半波期間接通一個相的時間和/ 或產生相電流相對於無故障情形的時間偏差。通過所述對在直流電壓中間電路的情形中涉及DC/AC轉換器的變流器的控制，也 可以有效地限制次級側上的電流，因為初級側和次級側上的電流通過分離變壓器的電感彼 此耦合。變流器控制裝置的一個示例是由德國柏林的龐巴迪運輸有限責任公司提供的型 號為MITRAC D⑶2的控制裝置。在德國專利申請DE 199 62 615 Al和歐洲專利申請EP 1 110 797 A2中描述了與此有關的保護機構。在一個優選的構型中，電容可以與保護開關並 聯，從而系統與保護開關並聯地通過電容與基準電位相連接。由此可以導出所謂的「共模」 電流。共模電流理解為與多相系統所常見的情況不同的、在所有相中同時朝相同的方向流 動的電流。此外優選地，系統通過與保護開關並聯設置的高歐姆電阻(例如，大於20k歐姆) 與基準電位相連接。因此，流過所述電阻的始終是小電流。此外，屬於本發明範圍的還有一種用於保護用於向有軌車輛中的輔助運行設備供 給電能的系統的方法。從對系統的描述得到所述方法的構型和優選實施方式。尤其提出以 下內容一種用於在意外地與基準電位、尤其是與車輛接地接觸時保護用於向有軌車輛中 的輔助運行設備供給電能的系統的方法，其中
-使所述系統通過分離變壓器與能量源連接，例如與直流電壓中間電路連接，-使所述系統在不接入限制電流的電阻的情況下通過保護開關與基準電位連接， 尤其是與車輛接地連接，_在出現由所述系統與基準電位的額外接觸導致的、流過閉合的保護開關的電流 時斷開保護開關。


現在參照附圖對本發明的實施例進行描述。各個附圖示出圖1示出具有與其連接的輔助運行設備的直流電壓中間電路，以及圖2以具有進一步細節的放大示圖中示出根據圖1的輔助運行設備逆變器、分離 變壓器以及保護裝置。
具體實施例方式圖1中示出驅動發電機3的柴油發動機1。在此情形中，柴油發動機1是驅動電 動機，藉助所述驅動電動機來驅動機車，也就是說，使機車在軌道上運動。發電機3產生三 相交變電流，所述三相交變電流通過整流器5整流。整流器5與直流電壓中間電路7連接。 藉助P_UD+(中間電路7的圖1所示的上側)和P-UD-(中間電路7的圖1所示的下側)表 示直流電壓中間電路7的電位。電位P-UD-例如可以在以附圖標記19表示的位置處與車 輛接地連接。與中間電路7相連接的有通過三相連接向有軌車輛的四個驅動電動機17供電的 牽引逆變器9、與制動電阻12相連接的制動斷路器11、通過三相交流導線向輔助運行設備 18供電的輔助運行設備逆變器13以及通過單相的列車母線向例如所聯接的列車組中的負 載供給電能的負載逆變器15。圖1中所示的輔助運行設備逆變器13通過實現電流分離的分離變壓器14與輔助 運行設備18連接。在所示的實施方式中，用於向輔助運行設備18供給電能的系統具有變 壓器14、三相導線和保護裝置21。輔助運行設備逆變器13由控制裝置22操作，所述控制 裝置控制閥(例如，雙極性電晶體，優選IGBT或GTO——門極可關斷晶閘管)的接通和關 斷。與圖1中所示的裝置相比，可以進行很多修改。例如，可以取代柴油發動機、發電 機以及三相整流器5(在交流電網中通過整流器)設置與單相高壓電網的連接。除直流電 壓中間電路7外，還可以設置一個或多個其他的中間電路，通過所述一個或多個其他的中 間電路向牽引電動機的一部分或者附加的牽引電動機供給能量。其他設備、尤其是保險裝 置和/或陷波電路可以與直流電壓中間電路連接和/或集成到所述直流電壓中間電路中。 多個輔助運行設備逆變器可以與同一直流電壓中間電路連接。輔助運行設備的供電可以被設計成僅僅是單相的。輔助運行設備18尤其可以涉及說明書中開始部分所提及的輔助運行設備中的一 個或多個。例如，用於冷卻變流器13、變壓器14和/或用於冷卻其他變流器9、11、15中的 一個或多個和/或牽引電動機17的冷卻設備也屬於輔助運行設備18。用於控制變流器9、 11、13、15的運行的控制設備也可以屬於輔助運行設備18。然而，在特殊運行中，可以不考慮用於向所聯接的有軌車輛單元供電的變流器15的運行。圖2示出輔助運行設備系統20的三相實施方式。與直流電壓中間電路7(在圖2 中未示出)連接的逆變器13在其交流電壓側與三相連接導線的三個相X、Y、Z連接，所述三 相連接導線在端子Ul、VI、Wl處與分離變壓器14的初級側連接。分離變壓器14的次級側 在端子U2、V2、W2處與輔助運行設備系統20的三個相U、V、W連接。為了衰減並且濾除幹擾性的諧波，具有例如多個濾波電容器的濾波裝置30與所 述三個相U、V、W連接。保護裝置21與變壓器14的次級側上的中性點26連接。保護裝置21的各部分是 保護開關25、與保護開關25並聯的電容器27 (也可以設置多個彼此串聯和/或並聯的電容 器)以及與開關25和電容器27並聯的高歐姆電阻28，所述高歐姆電阻28具有例如至少 20k歐姆的電阻值，優選至少50k歐姆的電阻值。電容器27降低系統20中由於共模電流 而引起的高電流峰值或者電壓峰值。高歐姆電阻28用於輔助運行設備系統20的電位固定 (Potentialf ixierung)，並且在保護開關25已斷開的情況下作為電容器27的放電電阻。在正常的、無故障的狀態中，變壓器14的次級側僅僅通過閉合的保護開關25與車 輛接地連接，如在保護裝置21下方通過在那裡終止的導線上的橫線所表明的那樣。如果在 其他位置處出現與車輛接地的短路，則保護開關25的集成的傳感器31在故障情況中檢測 到大短路電流的出現並且控制裝置斷開開關25。所述控制裝置可以集成到開關部件中或者 被設計成是分開的。因為在保護開關25閉合時理論上只要保護開關25尚未斷開就可能在中性點26 與車輛接地之間流動非常大的電流，所以優選如此設計輔助運行設備逆變器13的控制裝 置22，使得通過對逆變器13的適當控制來避免這種極大的電流。為此，例如測量流過相X、 Y、Z的電流並且向控制裝置22傳送測量結果。控制裝置22分析是否超過了單個相中的極 限值和/或所有相位的總極限值。如果情況如此，則如此操作單個相或者所有三個相Χ、Υ、 Ζ，使得電流被重新限制到相應的極限值上。這種用於相應地控制逆變器13的閥的方案本 身是已知的。本發明現在將所述原理應用於輔助運行設備系統20的情形中。以此方式，通 過變壓器14的初級側和次級側的感應耦合同樣限制了次級側上的電流並且在保護開關25 斷開之前不可能出現流過閉合的保護開關25的極大的電流。作為保護開關可以使用本身已知的元件，這些元件(如已提及的那樣)具有相應 的傳感機構，以便在大電流的情況下根據時間觸發特性斷開保護開關。因此，保護開關的另 一種概念是安全自動裝置。
權利要求
用於向一有軌車輛中的輔助運行設備(18)供給電能的系統(20)，其中所述系統(20)通過一分離變壓器(14)與一能量源、例如一直流電壓中間電路(7)連接，所述系統(20)在不接入限制電流的電阻的情況下通過一保護開關(25)與一基準電位連接，尤其是與車輛接地連接，所述保護開關(25)被設計成在出現由所述系統(20)與所述基準電位的額外接觸導致的、流過閉合的保護開關(25)的電流時斷開。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述系統(20)是三相系統並且所述保護開關 (25)在閉合狀態中將三個相(U、V、W)的中性點(26)與所述基準電位連接。
3.根據權利要求1或2所述的系統，其中，所述系統(20)通過一與所述保護開關(25) 並聯設置的電容(27)與所述基準電位連接。
4.根據權利要求1到3中任一項所述的系統，其中，所述系統(20)通過一與所述保護 開關(25)並聯設置的高歐姆電阻(28)與所述基準電位連接。
5.根據權利要求1到4中任一項所述的系統，其中，所述變壓器(14)在其初級側上通 過一變流器(13)與所述能量源(7)連接，其中，通過電流閥的接通和關斷來操作所述變流 器(13)，其中，設有用於控制所述接通和關斷的控制裝置(22)，所述控制裝置(22)被如此 設計，使得在一個相(X、Y、Z)中超過一預先給定的相電流極限值時和/或在多個相(Χ、Υ、 Ζ)中電流的總和超過一總電流極限值時，所述相(Χ、Υ、Ζ)中或者所有相(Χ、Υ、Ζ)中的電流 被限制到相應的極限值上，其方式是，所述閥的接通和關斷被相應地控制。
6.用於在意外地與一基準電位、尤其是與車輛接地接觸時保護用於向一有軌車輛中的 輔助運行設備(18)供給電能的系統(20)的方法，其中使所述系統(20)通過一分離變壓器(14)與一能量源(7)、例如一直流電壓中間電路連接，使所述系統(20)在不接入限制電流的電阻的情況下通過一保護開關(25)與一基準電 位連接、尤其是與車輛接地連接，在出現由所述系統(20)與所述基準電位的額外接觸導致的、流過閉合的保護開關 (25)的電流時斷開所述保護開關(25)。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述系統(20)是三相系統(U、V、W)並且所述保 護開關(25)在閉合狀態中將三個相的中性點(26)與所述基準電位連接。
8.根據權利要求6或7所述的方法，其中，所述系統通過一與所述保護開關(25)並聯 設置的電容(27)與所述基準電位連接。
9.根據權利要求6到8中任一項所述的方法，其中，所述系統(20)通過一與所述保護 開關並聯設置的高歐姆電阻(28)與所述基準電位連接。
10.根據權利要求6到9中任一項所述的方法，其中，所述變壓器(14)在其初級側上 通過一變流器(13)與所述能量源(7)連接，其中，通過電流閥的接通和關斷來操作所述變 流器(13)，其中，在一個相(X、Y、Z)中超過一預先給定的相電流極限值時和/或在多個相 (X、Y、Z)中電流的總和超過一總電流極限值時，將所述相(Χ、Υ、Ζ)中或者所有相(Χ、Υ、Ζ) 中的電流限制到相應的極限值上，其方式是，相應地控制所述閥的接通和關斷。
全文摘要
本發明涉及一種用於向有軌車輛中的輔助運行設備(18)供給電能的系統(20)，其中，所述系統(20)通過分離變壓器(14)與能量源、例如直流電壓中間電路(7)連接，其中，所述系統(20)在不接入限制電流的電阻的情況下通過保護開關(25)與基準電位連接，尤其是與車輛接地連接，其中，所述保護開關(25)被設計成在出現由所述系統(20)與所述基準電位的額外接觸導致的、流過閉合的保護開關(25)的電流時斷開。
文檔編號B60L3/00GK101980886SQ200980105206
公開日2011年2月23日 申請日期2009年2月13日 優先權日2008年2月15日
發明者M·約爾格 申請人:邦巴爾迪爾運輸有限公司