CN113453947A - 使三相电流对称的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对称化三相电流(30)的方法，该三相电流经由相位转换器(32)转换成两相电流(34)，该两相电流由流过第一电负载(12)的第一相电流(42)和流过与第一电负载(12、16)电气分离的第二电负载(14、18)的第二相电流(44)组成，其中，电负载(12、16；14、18)中的至少一个包括列车(4、4')中的电能存储设备(12、14)，以用于存储电能以向列车(4、4')中的电动机(8、10)供电，并且其中第一和第二相电流(42、44)中的至少一个被设置(88、90)成第一相电流(42)的绝对值与第二相电流(42)的绝对值之间的差(82)低于预定的可靠性值(84)。

Description

使三相电流对称的方法
本发明涉及一种根据权利要求1的方法、一种根据权利要求5的控制设备、一种根据权利要求6的列车以及一种根据权利要求7的接触网(catenary)***。
从US 3,278,825 A中已知一种将三相电流转换为两相电流的相位转换器。
本发明的目的是要改进相位转换器在接触网***的领域中的应用。
该目的由独立权利要求的特征来解决。有利的实施例是从属权利要求的主题。
根据本发明的一方面，在一种用于对称化或平衡经由相位转换器转换成由流过第一电负载的第一相电流和流过与第一电负载电气分离的第二电负载的第二相电流组成的两相电流的三相电流的方法中，该电负载中的至少一个包括列车中的用于存储电能以为列车中的电动机供电的电能存储装置，其中第一和第二相电流被设置成第一相电流的绝对值与第二相电流的绝对值之间的差低于预定的可靠性值。
本发明基于以下思想：当前可用的电动车厢可以通过蓄电池来延伸以桥接铁路轨道的非电气化段。蓄电池可以在通过铁路轨道的电气化段期间或在例如站在线路的终点站时被充电。当前可用的蓄电池的可桥接距离在40km至80km之间。这样的配备有蓄电池的电动车厢将最有可能用在乡下的铁路轨道上，在那里，铁路运营者将被迫从中压电网获取电能。
然而，静止时单个蓄电池列车组的充电功率在1.2MVA与2.5MVA之间。在双牵引列车的情况下，该电功率将加倍，并且因此，例如，根据EN 50160或IEC 1000-3-x，在不违反中压电网中的不对称或不平衡的可靠性值的情况下，不能作为单相负载从中压电网对称地获取功率。
为了尽可能最好地从中压电网中建立平衡的能量提取，建议利用所提供的方法来将三相电流转换为两相电流，并使两个相位相对于彼此平衡。通过这种手段，确保了列车驾驶员的能量提取符合至少由电网操作员给出的可靠性值。因此，在所提供的方法的一个实施例中，预定的可靠性值应该取决于用于提供三相电流的供电网络中的不对称平衡的阈值。
在所提供的方法的另一个实施例中，设置第一和/或第二相电流的步骤包括基于一个相电流来限制相电流中的另一个相电流的步骤。通过这种手段，确保了从电网提取能量不会导致需要不必要的能量提取。
在所提供的方法的另一个实施例中，设置第一和/或第二相电流的步骤包括：如果一个相电流增加了相电流中的另一个相电流，则引导相电流中的该另一个相电流的至少一部分通过辅助负载。该辅助负载可以优选地是蓄电池。这意味着允许经由一个相电流来提取所需的电能。经由另一个相电流获取的过剩电能可以例如被在中间地存储在蓄电池中，并在以后使用。替换地，辅助负载可以是另外的相位转换器，其将电能馈送到上述相位转换器的初级侧返回到电网中。
根据本发明的另一方面，一种控制设备被适配成执行根据前述权利要求之一的方法。在另外的实施例中，控制设备包括存储器和处理器。其中，所提供的方法作为计算机程序而存储在存储器中，其中，处理器被适配成在将计算机程序从存储器加载到处理器中时执行该方法。
根据本发明的另一方面，一种计算机程序包括：程序代码装置，当在电气设备上或所提供的控制设备之一中执行计算机程序时，该程序代码装置实行所提供的方法的所有步骤。
根据本发明的另一方面，一种计算机程序产品包括存储在计算机可读数据载体上的程序代码，并且当在数据处理***上执行该程序代码时该程序代码执行所提供的方法。
根据本发明的另一个实施例，一种被适配成接收来自将三相电流转换成具有第一相电流和第二相电流的两相电流的相位转换器的第一相电流的列车，该列车包括电动机；电能存储设备，其被适配成接收第一相电流并向电动机提供电能；通信设备，其被适配成接收关于第二相电流的信息；以及所提供的控制设备。
根据本发明的另一方面，一种用于向电动列车提供电能的接触网***，包括第一接触网段、与第一接触网段电气分离或绝缘的第二接触网段，以及被适配成接收来自供电网络的三相电流以将三相电流转换为具有第一相电流和第二相电流的两相电流并且将第一电流提供给第一接触网段，并将第二相电流提供给第二接触网段的相位转换器。
在所提供的接触网***的另外的实施例中，相位转换器是斯科特变压器。
在另一个实施例中，所提供的接触网***包括所提供的控制器。
在附加的实施例中，所提供的接触网***包括耦合到两个接触网段之一的电能存储设备。
本发明的上述特征、特性和优点以及实现它们的方式和方法将基于以下对实施例的描述而变得更加全面，这些描述将结合附图进行更详细的解释。其示出了：
图1以示意图示出了向列车提供电能的接触网***，
图2以示意图示出了图1的列车中的控制设备，
图3以示意图示出了图1的列车中的替换的控制设备；
图4以示意图示出了为列车提供电能的替换的接触网***，
图5以示意图示出了为两列列车提供电能的替换的接触网***，以及
图6是图5的接触网***的简化示意图。
在附图中，相同的技术元件将具有相同的附图标记并且仅被描述一次。这些图仅具有示意性性质，并且特别地没有公开任何实际的几何尺寸。
参照图1，其以示意图示出了向列车4提供电能的接触网***2。
在铁路轨道6上被引导的列车4由第一电动机8和第二电动机10驱动。第一电动机8可以由第一蓄电池12提供的电能供电，而第二电动机10可以由第二蓄电池14提供的电能供电。第一蓄电池12经由第一受电弓16而被加载电能，而第二蓄电池14经由第二受电弓18而被加载电能。
通常，当列车4在轨道6上时，两个受电弓16、18都可以使电能从接触网20充电到蓄电池12、14中。在一些应用场景中，接触网20被划分为两个或更多个接触网段22、24，每个接触网段经由分段绝缘体26电气分离。在这样的应用场景中，如图1所示，如果第一受电弓16位于第一接触网段22的下方，并且第二受电弓18位于第二接触网段24的下方，则第一蓄电池12将经由第一接触网段22充电，而第二蓄电池14将经由第二接触网段24充电。当列车4正在等待其下一个任务时，这样的情境可以保持很长时间，比如在线路的终点站处。
本实施例背后的思想是要使用前述情境来在给第一蓄电池12和第二蓄电池14充电时从三相电网28中对称地获取电能。将在下文中更详细地描述此想法：
三相电网28提供了向相位转换器32馈电的三相电流30。该相位转换器32示例性地被体现为斯科特变压器，并将三相电流30转换成本身供应接触网20的两相电流34。
被输入到相位转换器32中的三相电流30包括：第一相输入电流36、第二相输入电流38和第三相输入电流40，而相位转换器32输出第一相输出电流42和第二相输出电流44。为了将三相电流30转换成两相电流34，相位转换器32包括具有第一输入电感48和第一输出电感50的第一变压器46，以及具有第二输入电感54和第二输出电感56的另外的第二变压器52。所有电感48至56在电气上均相等，并以相等的电感绕组量加以缠绕。
第一相输入电流36在第一中心抽头(tap)58处被输入到第一输入电感48中，该第一中心抽头位于第一输入电感48的完整绕组量的√3/2的绕组量处。第一输入电感48的与第一中心抽头58相反的一侧被连接至第二输入电感54的中间的第二中心抽头60。第一输出电感50被连接在第一接触网22与地62之间，而第二输出电感56以这样的方式被连接在第二接触网24与地62之间，该方式使得两个输出电感50、56以星形方式彼此连接。
为了实现从三相电网28对称地获取能量的上述想法，列车4包括控制设备64，其结构如图2中所示。仅作为示例而提供该结构，并且不应该以任何方式限制本发明背后的基本思想。
控制设备64测量转换后的两相电流34，并确定转换后的两相电流34是否由不对称的三相电流30导致。在转换后的两相电流34是由不对称的三相电流30导致的情况下，控制设备64修改两相电流34以使三相电流30对称。
因此，在本实施例中，控制设备64包括用于测量第一相输出电流42的第一测量装备66和用于测量第二相输出电流44的第二测量装备68。第一测量装备66输出反映第一相输出电流42的测量值的第一电流值70。该第一电流值70可以以任意方式反映第一相输出电流42，比如作为预定时间内的平均值，作为预定时间内的有效值，作为瞬时值等。类似于第一测量装备66，第二测量装备68输出第二电流值72，该电流值反映第二相输出电流44的测量值。
控制设备64还包括比较装备74，该比较装备被适配成比较所测量的电流值70、72，并输出控制上述对称性的第一调节信号76或第二调节信号78。为了输出调节信号76、78，比较装备74包括比较元件80，该比较元件在图2中被体现为减法元件。比较元件的输出是比较值82，该比较值以其符号指示所测量的电流值70、72中的哪个较大，并且基于其绝对值指示所测量的电流值70、72之间的差。比较装备74还包括基于可靠性值84定义的确定元件86。在本实施例中，可靠性值84是处于所测量的电流值70、72之间的比较值82的前述绝对值的极限，三相电流30关于该极限的不对称性例如提高了三相电流30的提供方的安全标准。相比之下，比较值82中的符号指示第一测量电流值70或第二测量电流值72是否过高而无法保持在三相电流30的提供方的安全标准之内。基于该信息，确定元件86输出第一调节信号76或第二调节信号78。
控制设备64还包括：在第一相输出电流42的路径中的第一控制元件88和在第二相输出电流44的路径中的第二控制元件90。这些控制元件88、90可以示例性地被实现为限流器，其基于第一调节信号76或第二调节信号78以保持三相电流30的提供方的安全标准的方式来限制相应的相输出电流42、44。详细地，如果比较值82指示第一相输出电流42过高，则比较装备74利用第一调节信号76来控制第一控制元件88，以将第一相输出电流42限制为三相电流30的提供方的安全标准或技术连接条件之内的电流值70。如果相比之下比较值82指示第二相输出电流44过高，则比较装备74利用第二调节信号78来控制第二控制元件90，以将第二相输出电流44限制为三相电流30的提供方的安全标准之内的电流值72。
通过该手段，列车4中的蓄电池12、14可以用来自三相电网28的对称电流损耗(drain)来充电(如果已整流的话)。
图2的控制设备64的缺点在于，如果第一蓄电池12或第二蓄电池14被完全充电，则通常会发生来自三相电网28的不平衡电流损耗，使得必须限制相应其他蓄电池14、12的充电电流，以便遵守技术连接条件。为了给两个蓄电池12、14完全充电，在图3中提出了替换的控制设备64'。
该替换的控制设备64'包括代替电流限制器开关的控制元件88、90，其将根据前述标准将过高的输出相电流42、44引导至辅助负载92。该辅助负载92可以是第三蓄电池或能够吸收过量电能的任何其他电能消耗器。
通过这种手段，确保了第一蓄电池12以及第二蓄电池14两者都可以被完全充电。
在图2和图3中，假定所描述的控制设备64位于列车4的单个轨道车厢中。然而，本发明也可以在列车4的不同轨道车厢上或者甚至在不同的列车上实践。为了更详细地描述这种可能性，第一测量装备66和第一控制元件88形成第一电流控制装备94，而第二测量装备66和第二控制元件90形成第二电流控制装备96。
图4示出了用以在列车4的不同轨道车厢上实现本发明的实施例。
其中，比较装备74和第一电流控制装备94可以位于具有第一受电弓16的列车4的第一轨道车厢98中。在具有第二受电弓18的列车4的第二轨道车厢100中，可以放置第二电流控制装备96。
为了促进本发明，以上述方式，仅需要在第一轨道车厢98与第二轨道车厢100之间建立信息连接或通信链路，以交换第二测量电流值72和第二调节信号78。
根据图3的辅助负载92可以被提供在轨道车厢98、100之一中，或者被提供为相对于列车4是静止的。轨道车厢98、100与辅助负载92之间的电力线路必须以与应用相关的方式安装。
类似于图4，第一电流控制装备94可以与第一受电弓16一起位于列车4中，其中第二电流控制装备96可以与第二受电弓18一起位于另一个列车4'中，该第二受电弓18位于另一个轨道6'上并从另一个接触网20'获取电能。分段绝缘体26因此将是两个接触网20、20'之间的空气。
实际上，比较装备74可以位于列车4、4'之一中，也有可能使比较装备74位于在公共协调中心处。如结合图4所描述的，辅助负载92也可以位于列车4、4'之一中，或者对于所有列车4、4'是静止的。
使比较装备74位于公共协调中心处还允许甚至对于正在运行的列车4、4'而言通过将过剩电流引导到在同一轨道上运行的其他列车来进一步控制来自三相电网28的对称的电流损耗。这应该通过参考图6来进行更详细的解释。
如果列车4之一沿第一方向102运行，而另一个列车4'沿另一方向102'运行(例如与第一列车4的方向正好相反地运行)，并且第一列车4的电流损耗对于来自三相电网28的电流的对称损耗而言过少，则也有可能让第三列车4”损耗此剩余的电能，并使来自三相电网28的电损耗保持对称。然而，这仍然需要第三列车4”中的自己的电流控制装备94'，其具有到比较装备74的相应的通信链路，以交换自己的测量电流值70'和自己的调节信号76'。

Claims (10)

1.一种用于对称化经由相位转换器(32)转换成两相电流(34)的三相电流(30)的方法，该两相电流(34)由流过第一电负载(12、16)的第一相电流(42)和流过与第一电负载(12、16)电气分离的第二电负载(14、18)的第二相电流(44)组成，其中，电负载(12、16；14、18)中的至少一个包括列车(4、4')中的电能存储设备(12、14)，以用于存储电能来向列车(4、4')中的电动机(8、10)供电，并且其中，第一和第二相电流(42、44)中的至少一个被设置(88、90)成第一相电流(42)的绝对值与第二相电流(44)的绝对值之间的差(82)低于预定的可靠性值(84)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，预定的可靠性值(84)取决于针对提供三相电流(30)的供电网络(28)中的不对称平衡的阈值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，设置(88、90)第一和第二相电流(42、44)中的至少一个包括基于相电流(44、42)中的一个相电流来限制相电流(42、44)中的另一个相电流。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，设置(88、90)第一和第二相电流(42、44)中的至少一个包括：如果一个相电流增加了相电流中的另一个相电流，则引导相电流(42、44)中的所述另一个相电流的至少一部分通过辅助负载(92)。
5.控制设备(64、64')，其被适配成执行根据前述权利要求之一所述的方法。
6.列车(4)，其被适配成从相位转换器(32)接收第一相电流(42)，该相位转换器将三相电流(30)转换成具有第一相电流(42)和第二相电流(44)的两相电流(34)，该列车包括：
-电动机(8)；
-电能存储设备(12)，其被适配成接收第一相电流(42)并向电动机(8)提供电能；
-通信设备，其被适配成接收关于第二相电流(44)的信息；以及
-根据权利要求5所述的控制设备(64、64’)。
7.用于向电动列车(4、4'、4”)提供电能的接触网***，其包括第一接触网段(20)、与第一接触网段(28)电气分离的第二接触网段(28')，以及相位转换器(32)，其被适配成从供电网络(28)接收三相电流(30)，以将三相电流(30)转换为具有第一相电流(42)和第二相电流(44)的两相电流(34)，并将第一相电流(42)提供给第一接触网段(28)，并且将第二相电流(44)提供给第二接触网段(28')。
8.根据权利要求7所述的接触网***，其中，相位转换器(32)是斯科特变压器。
9.根据权利要求7或8所述的接触网***，其包括根据权利要求5所述的控制设备(64、64')。
10.根据权利要求7至9之一所述的接触网***，其包括耦合到两个接触网段(28、28')中的至少一个的电能存储设备(92)。
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