CN1816462A - 牵引整流器的过电压限幅器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于限制牵引整流器中间电路(18)中的过电压的装置(2)。根据本发明该装置包括两个电串联连接的可关断半导体开关(T7，T8)、电感(48)、双层电容器(50)和可借助开关(S1)连接的电阻(54)，其中该电感(48)和双层电容器(50)电串联，并且该串联电路连接在两个可关断半导体开关(T7，T8)的连接点(46)与中间电路(18)的负汇流排(20)之间，以及其中，该可连接电阻(54)与双层电容器(50)电并联。由此获得用于消除牵引整流器的中间电路(18)中出现的过电压的简单构造的装置。

Description

牵引整流器的过电压限幅器
技术领域
本发明涉及一种用于限制牵引整流器(Traktionsstromrichter)中间电路的过电压的装置。
背景技术
牵引整流器、尤其是用于燃料机车(Triebzug)的牵引整流器通常具有脉冲反相器，后者向至少一个感应电机、尤其是异步电机馈电。在行驶驱动时从能量供应网络、尤其是铁路网络中提取功率，并利用脉冲反相器传送给感应电机。在电制动运行时功率流向颠倒过来。由于铁路网络不能在每个时刻都接收制动能，因此必须额外在中间电路中安装一台用于消除制动能的装置。
此外，在牵引整流器的中间电路中设置用于限制过电流的装置，该装置首先被需要用于保护脉冲反相器。利用这种装置限制了快速的过电压，该过电压例如由于网络电压中的跳跃或牵引功率中的功率波动而产生。
这种牵引整流器的例子是德国杂志“eb-Elektrische Bahnen”Band 97(1999)，Heft 6，195-196页的公开文献“Triebzuege fuer das Bangkok Mass TransitSystem”，德国杂志“eb-Elektrische Bahnen”Band 97(1999)，Heft 6，197-198页的公开文献“Triebzuege Baureihe 2100 fuer Flughaefenbahn Tokyo”，或者德国杂志“eb-Elektrische Bahnen”Band 97(1999)，Heft 6，211-213页的公开文献“Stadtbahnzug TW 2000 fuer Hannover”。
“制动”和“过电压限制”功能例如在第一个提到的公开文献“Triebzuegefuer das Bangkok Mass Transit System”中相互组合到制动调节器中。利用该制动调节器消除中间电路中由于网络电压的跳跃、牵引功率的功率波动或无法导出到网络中的制动功率而形成的过电压。
在市场上可以买到电容器，由于其存储原理也称为双层电容器。该双层电容器就其电可用性来说介于具有大功率容量但包含相对低能量的传统电容器和包含高能量的传统电池之间。但双层电容器在很大功率并具有高效率的条件下也能存储和提供能量。对于双层电容器，概念“超电容器”或“超盖(supercap)”得到了普遍认同。
双层电容器与传统电池相比极其不易放电而容易充电。但是存在两个无论如何都得在该电容器运行时必须注意的边界条件：
1.在超过特殊的“最大运行电压”时发生损坏性的、分解电解液的过程。
2.由于制造容差，相同类型的双层电容器可能具有不同的自放电和不同的内电阻。由此在双层电容器串联时，在很少几个充电周期之后就已经发生了双层电容器运行电压的相互漂移，这在充电时会导致超过单个双层电容器的特殊“最大运行电压”，并由此对双层电容器造成损害。为了防止这一点，需要对电容器进行额外布线以监控或者平衡电荷。
市场上的双层电容器具有圆柱形卷绕或层状的棱柱形单元结构。对于有轨电车或电网的应用情况，电容器连接成例如具有40个电容器单元的电容器模块。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种装置，其利用双层电容器来限制牵引换流器中间电路中的过电压。
该技术问题是通过权利要求1的特征来解决的。
通过连接两个可关断半导体开关、电感和双层电容器获得一个组合的推进式变流器(buck-boost convertor)，可用于快速消除中间电路中的过电压。利用可通过与双层电容器并联而连接的电阻，将双层电容器上的电压限制为预定的边界值。如果电容器电压在下限值之下，则将该电阻重新分离开。通过这种方式可以防止双层电阻长时间超过其额定电压。所存储的能量在行驶运行时反馈到牵引整流器中，使得双层电容器保持在总是足以从中间电路接收过电压的充电状态。由此，只在由于制动而在中间电路中引起更长时间的过电压时才需要该电阻来消除该过电压，而无需自身的调节器。
在用于限制牵引整流器的中间电路中的过电压的装置的优选结构中，利用开关将双层电容器与电感分离开来。由此使得两个功能“制动”和“过电压限制”又重新相互分离。只要电化学电容器的开关是断开的，则可连接上的电阻通过电感与两个串联连接的半导体开关连接。在该运行状态中，只要能量从感应电机移动到中间电路中，则调节器就作为制动调节器工作。如果制动运行结束，则可连接上的电阻的开关被无电流地断开。
优选实施方式在从属权利要求3至7中给出。
附图说明
为了进一步解释本发明而参考附图，其中示意性显示了本发明装置的多个
实施例。
图1示出根据本发明的用于限制牵引整流器中间电路过电压的装置的第一
实施方式，
图2示出根据图1的装置的优选实施方式。
具体实施方式
在图1中详细示出具有本发明装置2的燃料机车的牵引整流器的主电流连接图。在输入端，耗电器4借助断路器6和网络继电器8与网络扼流圈10连接。与网络继电器8并联连接着充电继电器12和预充电电阻14的串联电路。网络扼流圈10的第二接头与牵引整流器的中间电路18的正汇流排16连接。负汇流排20借助轮22与汇流排24导电连接。中间电路18包括中间电路电容器26、放电电阻28、中间电路变压器30、网络变压器32、两个变流器34和36、以及根据本发明的装置2。中间电路电容器26、放电电阻28、中间电路变压器30和用于限制过电压的装置2相互电并联，并连接在中间电路18的两个汇流排16和20之间。在中间电路电容器26上存在直流电压，该直流电压形成针对负载端的整流器38、尤其是脉冲反相器的输入电压。脉冲反相器38具有3个桥路，其分别包括两个串联连接的可关断半导体开关T1、T2；T3、T4和T5、T6。对这些半导体开关T1至T6的所属的控制组合在控制装置40中。该脉冲反相器38的输出U，V，W分别与牵引电动机42连接，其中在两个输出导线中分别设置了一个电动机变流器44。
用于限制牵引整流器的中间电路18中的过电压的装置包括两个串联连接的可关断半导体开关T7和T8。在这两个可关断半导体开关T7和T8的连接点46处，与电感48的一个接头连接，而第二接头借助双层电容器50与中间电路18的负汇流排20导电连接。电化学电容器50与可连接的电阻52电并联，其中该可连接电阻52具有串联连接的开关S 1(尤其是继电器)和电阻54。两个可关断半导体开关T7和T8与电感一起形成推进式变流器(Hoch-undTiefsetxsteller)，由此将来自中间电路18的能量转移到双层电容器50中以及反过来。
作为可关断半导体开关T7和T8可以是绝缘栅双极型晶体管。由此，该串联电路相当于脉冲反相器38的桥路分支。由此也可以将脉冲反相器38的桥模块用于限制过电压的装置，从而可以取消分开的模块结构。
双层电容器50不仅是指一个电容器，还指多个连接为一个电容器模块的电容器。尽管有这种结构，还是像中间电路电容器26那样表示一个电容器。该双层电容器50可以在电容器电压为600V时具有例如10F的电容。
如果在中间电路中出现由于网络电压中的跳跃或牵引功率中的功率波动引起的过电压，则用中间电路变压器30采集该过电压，并输入两个可关断半导体开关T7和T8的控制装置中。未详细示出的控制装置这样来控制可关断半导体开关T7和T8，使得能量移到双层电容器50中。通过该能量迁移消除了出现的过电压。所述过电压是短暂的过电压，其通过中间电路18中的两个可关断半导体开关T7和T8的推式变流器运行来消除。
在消除中间电路18中的过电压时，双层电容器50上的电压升高。如果该电压达到预定的最大值，则通过接通继电器S1将可连接电阻52与双层电容器50电并联。由此该双层电容器50保持在其额定电压。现在通过可连接电阻54来进一步消除中间电路18中出现的过电压。在消除了过电压之后可以利用并联的电阻54来使双层电容器50放电。如果电容器50上的电压低于预定的下限，则继电器S1断开。通过这种方式将双层电容器50保持为充电状态，并且该充电状态总是足以消除来自中间电路18的过电压。电阻54这样构造，使得该电阻在最大电容器电压下可以接收最大的制动功率。
在此该构造是这样的，使得总是可以利用推式变流器T7/T8和双层电容器50来消除短暂的过电压。为此，推式变流器具有可以省略的开关状态。相反，电阻54与开关S1一起用于消除通过制动过程引起的“慢速”过电压。即使在双层电容器50充电很高的情况下，双层电容器50的备用电压也足以在过电压下支持一段时间，直到连接上开关S1(尤其是继电器)为止。
在图2中示出图1的用于限制中间电路18中的过电压的装置的优选实施方式。该优选实施方式与图1的实施方式的不同之处在于，利用另一个开关S2(尤其是继电器)将双层电容器50与电感48分开，并由此与包括两个可关断半导体开关T7、T8和电感的调节器分开。如果双层电容器50不再能接收其它制动能量，则接通开关S1，由此使可连接的电阻52与双层电容器50电并联。此外双层电容器50的开关S2断开。通过该开关操作一方面保护双层电容器50，使得不至于长时间超过其额定电压，另一方面继续消除中间电路18中进一步出现的过电压。在该开关状态中，推进式变流器作为制动调节器工作，而双层电容器50停留在开关操作之前的状态。只要中间电路18中不再存在过电压，就不会再有电流流过可连接电阻52，从而可以无电流地断开开关S1。此后又连接上双层电容器50，从而在加速运行时可以使用双层电容器50存储的能量。
通过本发明的装置将双层电容器50用作过电压限制器，其中为了保护电化学的电容器50采用可连接电阻52，其电阻54这样构造，使得该电阻54在最大电容器电压下可以接收最大制动能量。由此获得能实施两个功能、即“制动”和“过电压限制”的简单装置。

Claims (7)

1.一种用于限制牵引整流器的中间电路(18)中的过电压的装置(2)，其包括两个电串联连接的可关断半导体开关(T7，T8)、电感(48)、双层电容器(50)和可借助开关(S1)连接的电阻(54)，其中，该串联电路与牵引整流器的中间电路(18)电并联，该电感(48)和双层电容器(50)电串联，并且该串联电路连接在该两个可关断半导体开关(T7，T8)的连接点(46)与中间电路(18)的负汇流排(20)之间，以及其中该可连接电阻(54)与双层电容器(50)电并联。
2.根据权利要求1所述的装置(2)，其特征在于，可利用一个开关(S2)将所述双层电容器(50)与所述电感(48)分开。
3.根据权利要求1或2所述的装置(2)，其特征在于，作为所述开关(S1，S2)分别采用机械开关。
4.根据权利要求3所述的装置(2)，其特征在于，作为机械开关采用继电器。
5.根据上述权利要求中任一项所述的装置(2)，其特征在于，作为可关断半导体开关(T7，T8)分别采用绝缘栅双极型晶体管。
6.根据上述权利要求中任一项所述的装置(2)，其特征在于，作为电阻设置制动电阻。
7.根据权利要求5所述的装置(2)，其特征在于，这样设置所述制动电阻，使得该制动电阻在最大电容器电压下可以接受最大制动功率。
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