柴油电力驱动系统.pdf

本发明涉及一种柴油电力驱动系统，其具有发电机(4)和制动电阻，所述发电机在转子侧与柴油机(2)机械耦合，在定子侧与电压型变换器(34)耦合，所述电压型变换器具有发电机侧和负载侧自换相脉冲变流器。根据本发明，所述发电机(4)为具有两个多相绕组系统(42，44)的发电机(36)，所述两个多相绕组系统(42，44)分别与一个发电机侧自换相脉冲变流器(38，40)导电相连，其中，发电机侧第二自换相脉冲变流器(40)在直流电压侧与所述电压型变换器(34)的电压中间电路(18)并联，发电机侧第一自换相脉冲变流器(38)的至少一个输入相(R1，S1，T1)通过制动电阻(54)与所述发电机侧第二自换相脉冲变流器(40)的对应输入相(R2，S2，T2)导电相连。借此获得一种具有电压型变换器(34)的柴油电力驱动系统，这种柴油电力驱动系统的功率半导体数量减半，进而成本也减半。

1.  一种柴油电力驱动系统，其具有发电机(4)和制动电阻(20)，所述发电机(4)在转子侧与柴油机(2)机械耦合，在定子侧与电压型变换器(6)相连，所述电压型变换器(6)具有发电机侧和负载侧自换相脉冲变流器(12，14)，
其特征在于，
所述发电机(4)为具有两个多相绕组系统(42，44)的发电机(36)，所述两个多相绕组系统(42，44)分别与一个发电机侧自换相脉冲变流器(38，40)导电相连，其中，发电机侧第二自换相脉冲变流器(40)在直流电压侧与所述电压型变换器(34)的电压中间电路(18)并联，发电机侧第一自换相脉冲变流器(38)的至少一个输入相(R1，S1，T1)通过一个制动电阻(54)与所述发电机侧第二自换相脉冲变流器(40)的一个对应输入相(R2，S2，T2)导电相连。

2.  一种柴油电力驱动系统，其具有发电机(4)和制动电阻(20)，所述发电机(4)在转子侧与柴油机(2)机械耦合，在定子侧与电压型变换器(6)相连，所述电压型变换器(6)具有发电机侧和负载侧自换相脉冲变流器(12，14)，
其特征在于，
所述发电机(4)为具有两个多相绕组系统(42，44)的发电机(36)，所述两个多相绕组系统(42，44)分别与一个发电机侧自换相脉冲变流器(38，40)导电相连，其中，发电机侧第二自换相脉冲变流器(40)在直流电压侧与所述电压型变换器(34)的电压中间电路(18)并联，一个制动电阻(54)与所述两个多相绕组系统(42，44)的引出中性点(54，56)相连。

3.  根据权利要求1所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，
所述发电机侧第一自换相脉冲变流器(38)的每个输入相(R1，S1，T1)均通过一个制动电阻(54)与所述发电机侧第二自换相脉冲变流器(40)的一个对应输入相(R2，S2，T2)导电相连。

4.  根据权利要求1或2所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，
设置有用作所述发电机(36)的永磁同步发电机(4)。

5.  根据权利要求1或2所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，
设置有用作所述发电机(36)的它励同步发电机。

6.  根据权利要求1或2所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，
设置有用作所述发电机(36)的异步发电机。

7.  一种对根据权利要求1或2所述的柴油电力驱动系统进行牵引操作的方法，
其特征在于，
对所述电压型变换器(34)的两个发电机侧自换相脉冲变流器(38，40)进行相位同步。

8.  一种对根据权利要求1或2所述的柴油电力驱动系统进行制动操作的方法，
其特征在于，
以产生零序电压系统的方式对所述电压型变换器(34)的两个发电机侧自换相脉冲变流器(38，40)进行控制。

9.  根据权利要求8所述的进行制动操作的方法，其特征在于，
使所述两个发电机侧自换相脉冲变流器(38，40)的脉冲宽度调制的时钟信号(U_D1，U_D2)在时间上相对偏移一个预定值。

10.  根据权利要求8所述的进行制动操作的方法，其特征在于，
使所述两个发电机侧自换相脉冲变流器(38，40)的占空比相对偏移一个预定值。

柴油电力驱动系统
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的柴油电力驱动系统。
背景技术
这种类型的驱动系统在Olaf Koerner(奥拉夫·科尔纳)、Jens Brand(延斯·布朗特)和Karsten Rechenberg(卡斯滕·瑞兴博格)合著的标题为“EnergyEfficient Drive System for a Diesel Electric Shunting Locomotive(用于柴油电力调车机车的节能驱动系统)”的论文(刊登于2005年9月11日至14日德累斯顿EPE会议“EPE′2005”会议论文集)中有所涉及。该论文对两种具有永磁同步发电机的柴油电力驱动系统进行了比较。这两种驱动系统的区别仅在于，其中一个驱动系统中的电压型变换器的发电机侧变流器为二极管整流器，而另一个驱动系统中的电压型变换器的发电机侧变流器为自换相脉冲变流器。该论文将自换相脉冲变流器称为“IGBT整流器”。这两种驱动系统的电压型变换器的中间电路均可与制动电阻相连。为此设置有也可称为“GTO晶闸管”的门极可关断晶闸管。借助于这个脉冲电阻可使电压型变换器的中间电路中的直流电压在制动模式下——即当中间电路由负载(特定而言为感应电机)提供能量时——避免超过最大允许的中间电路电压。一部分制动功率还可用于补偿空转柴油机的阻力矩。其不利之处在于，须为制动调节器使用附加的变流器桥接旁路，并且这个制动调节器的附加性母线须与中间电路的母线一起提供。根据具体的制动功率，有可能需要为制动调节器使用其它的变流器桥接旁路。此外还须为制动调节器使用控制装置。
DE 102 10 164 A1中公开了一种用于在发电站中为永磁同步电动机进行多整流器供电的装置。这种永磁同步发电机具有两个线圈匝数不同的多相定子绕组系统。其中一个绕组系统连接在可控整流器(例如IGBT整流器)上。这个可控整流器的任务是对永磁同步发电机的功率输出进行调节，进而对其进行转速调节。为此，在低转速范围内通电，从而使电功率只经过这个绕组系统从而经过连接在直流电压中间电路上的可控整流器。第二绕组系统连接在不可控整流器(例如多脉冲二极管电桥)上，这个不可控整流器与可控整流器连接在同一个直流电压中间电路上。如果相间旋转电压(又称“同步电动势”)大于直流电压中间电路的中间电路电压，电流可流过第二绕组系统并由直流电压中间电路上的不可控整流器对其进行整流。其中，由于第一和第二绕组系统之间存在磁耦合，因而第二绕组系统中的电流幅值和相角可受到第一绕组系统中的电流的影响，第一绕组系统中的电流由有源整流器(可控整流器)调节。也就是说，借助可控整流器也可在一定程度上对不可控整流器的绕组系统中的电流进行调节。这种装置的有功功率传输主要由不可控整流器承担，因此，可控整流器可采取小功率设计，以此达到降低成本的目的。借助于这个通常也被称为“自换相脉冲变流器”的可控整流器可避免永磁同步发电机在严重的过激励状态下工作。此外还可对发电机转矩中由不可控整流器引起的谐波进行补偿。
在柴油电力驱动装置(例如柴油机车或矿用汽车)中，安装在这个电动机上的发电机用于为驱动装置提供能量。发电机的电压由二极管整流器或IGBT整流器调节至恒定的中间电路电压，这个中间电路电压被提供给驱动电动机的负载侧自换相脉冲变流器。进行电气制动时，电压型变换器中的能流正好为反向。能量由负载侧自换相脉冲变流器传输到电压型变换器的电压中间电路内。由于柴油机无法吸收制动功率，因而需要借助制动电阻将制动能量转化为热。为能进行持续的功率调节，将由制动调节器进行脉冲宽度调制的电压施加在制动电阻上。
这种处理方式的缺点在于，制动模式下整流器(二极管整流器或IGBT整流器)闲置，牵引模式下则是无法对制动调节器加以利用。在此情况下，变换器中所安装的功率半导体就会多过所需要的功率半导体。
此时的问题在于找到一种在不需要借助断路器重构拓扑结构的情况下既能在牵引模式下又能在制动模式下对这些功率半导体进行利用的解决方案或电路。
本发明以这样一种认识为出发点，即：正是在功率较大的情况下，起决定性作用的是功率半导体的装机功率或芯片面积，而非其数量。正是在功率较大的情况下，才将功率半导体并联连接。
发明内容
因此，本发明的目的是对普通柴油电力驱动系统进行改进，使其无需再使用附加的制动调节器。
根据本发明，这个目的通过权利要求1的区别特征并结合权利要求1前序部分的特征而达成。
如果设置发电机侧第二自换相脉冲变流器，普通柴油电力驱动系统的发电机侧自换相脉冲变流器的功率就会被分割到这两个发电机侧自换相脉冲变流器上。这表明发电机具有两个定子多相绕组系统，而不是一个绕组系统。借此获得可用于连接制动电阻的其它自由度。根据本发明，制动电阻将电压型变换器其中一个发电机侧自换相脉冲变流器的至少一个输入相与另一个发电机侧自换相脉冲变流器的对应输入相相连。
通过以本发明的这种方式对普通柴油电力驱动系统进行进一步处理，可完全在电压型变换器的中间电路中省去制动调节器。也就是说，本发明的电压型变换器的装机功率或芯片面积相对于普通中间电路变换器而言有所减小，但功率输出保持不变。
根据本发明柴油电力驱动系统的另一实施方式，发电机的两个多相绕组系统的引出中性点通过制动电阻彼此导电相连。这个实施方式具有与第一实施方式相同的优点。
若想获得更大的制动效率，就使发电机侧第一自换相脉冲变流器的每个输入相都通过制动电阻与发电机侧第二自换相脉冲变流器的对应输入相导电相连。
本发明柴油电力驱动系统的其它有利实施方式可从从属权利要求3至6中获得。
在牵引模式下，本发明柴油电力驱动系统的两个发电机侧自换相脉冲变流器进行同相同步(gleichphasig getaktet)。此时，通过制动电阻的差分电压为零，在此情况下制动电阻内没有功率可进行转化。这个电路此时的作用就相当于具有一个绕组和一个三相脉冲变流器的传统发电机系统。
在制动模式下，以产生零序电压系统的方式对本发明柴油电力驱动系统的两个发电机侧自换相脉冲变流器进行控制。产生这种零序电压系统的方式是偏移时钟信号的相位或占空比(Taktverhltnis)。由此产生的结果是，本发明柴油电力驱动系统的变换器的其中一个发电机侧自换相脉冲变流器的输入相的电位会发生相对于另一个发电机侧自换相脉冲变流器的对应输入相的时间偏移。在此情况下，对应的制动电阻上的电压会下降。所述偏移的时间值确定了制动电阻内被转化的功率。也就是说，若要达到预定制动功率，这种相移或占空比的偏移须达到一个预定值。
通过时钟信号的相移或占空比的偏移，柴油电力驱动系统的变换器的两个发电机侧自换相脉冲变流器的对应输入电压的电压平均值在一个脉冲周期内保持相等。这样就可对发电机电流或其转矩继续独立进行调节，与此同时，通过相移或占空比的偏移可借助制动电阻将过剩能量(制动能量)转化为热。
附图说明
下面借助附图所示的本发明柴油电力驱动系统的实施方式对本发明作进一步说明，其中：
图1为普通柴油电力驱动系统的等效电路图；
图2为其它已知柴油电力驱动系统的等效电路图；
图3为本发明柴油电力驱动系统的电压型变换器的第一实施方式的有利实施方式的等效电路图；
图4为图3所示的变换器的两个发电机侧自换相脉冲变流器的两个对应相的时钟信号和输入相电压(Eingangsphasenspannung)的时间图；
图5为本发明柴油电力驱动系统的第一实施方式的简化实施方式的等效电路图；以及
图6为本发明柴油电力驱动系统的第二实施方式的等效电路图。
具体实施方式
在图1所示的普通柴油电力驱动系统的等效电路图中，2表示一个柴油机，4表示一个发电机，尤其是永磁同步发电机，6表示一个电压型变换器，8表示多个感应电机，特定而言为三相异步电动机，10表示一个制动斩波器。电压型变换器具有发电机侧自换相脉冲变流器12和负载侧自换相脉冲变流器14，这两个自换相脉冲变流器通过具有一个中间电路电容器组16的中间电路18在直流电压侧彼此导电相连。制动斩波器10与这个中间电路18相并连，并具有相串联的制动电阻20和制动调节器22(例如门极可关断晶闸管)。除此之外，这个等效电路图中还显示了一个辅助逆变器28。辅助逆变器28的交流电压侧接点上连接有辅助驱动装置，附图并未对这些辅助驱动装置进行明确图示。柴油机2和永磁同步发电机4在转子侧彼此机械耦合，其中，永磁同步发电机4在定子侧与电压型变换器6的发电机侧自换相脉冲变流器12的交流电压侧接点相连。
由于这个等效电路图是柴油电力机车的等效电路图，因此，30表示用于容纳电子变流设备的牵引模块。所述制动电阻和柴油驱动永磁同步发电机4布置在这个牵引模块30的外部。四个三相异步电动机8是柴油电力机车的两个转向架的发动机。
在这个等效电路图中实施为单个电阻的制动电阻20也可由多个彼此串联或并联的电阻构成。门极可关断晶闸管22实施为变流器桥接旁路模块，其中，仅使用关联的续流二极管来代替另一门极可关断晶闸管。
图2同样显示了公开自开篇所提及的“德累斯顿EPE′2005”论文的柴油电力驱动系统的等效电路图。这个等效电路图与图1所示的等效电路图之间的区别在于，此处设置了用以代替发电机侧自换相脉冲变流器12(在该论文中又被称为IGBT整流器)的二极管整流器32。柴油电力驱动系统的这个电路比图1所示的柴油电力驱动系统简单，因为只需使用二极管即可实现发电机侧变流器。二极管不像可断开功率半导体开关、尤其是图1中的IGBT整流器的绝缘栅双极晶体管(IGBT)那样需要控制装置。也可用一它励同步发电机或一异步发电机来代替图1和图2所示的等效电路图中的永磁同步发电机4。在使用它励同步发电机的情况下，还需设置用于实现场激励的电路布置。使用异步发电机时，也需要通过设置附加电路布置来在异步发电机中产生一个场。
在柴油电力发电机采取上述这些不同实施方式的情况下，电压型变换器6保持不变。也就是说，总是需要设置制动斩波器10，以便可以对感应电机8进行电气制动。因此，只有在这个柴油电力驱动装置的制动模式下才需要制动斩波器10的桥接旁路(所示制动调节器22的一种实现方式)。在牵引模式下，这个制动调节器不起作用。
图3显示的是本发明柴油电力驱动系统的电压型变换器34的第一实施方式的有利实施方式的等效电路图。这个等效电路图中，同样以等效电路图的形式对柴油电力驱动系统的发电机36进行了图示。这个电压型变换器34与图1和图2所示的已知电压型变换器6之间的区别在于，发电机侧设置有两个自换相脉冲变流器38和40，这两个自换相脉冲变流器在直流电压侧与直流电压中间电路18的中间电路电容器组16并联。在功率方面，这两个自换相脉冲变流器38和40与图1所示的电压型变换器6的自换相脉冲变流器12的功率相符。也就是说，发电机侧变流器的功率半导体开关的装机功率保持不变，因而其所用芯片面积也保持不变。
发电机侧自换相脉冲变流器38和40在输入端上分别与发电机36的三相绕组系统42和44导电相连。在等效电路图中，这个具有两个三相绕组系统42和44的发电机36每相仅显示了一个电源46或48和一个电感50或52。发电机36的第一三相绕组系统42的输出相R1、S1、T1分别借助一个电阻54(尤其是制动电阻54)与发电机36的第二三相绕组系统44的对应输出相R2、S2、T2导电相连。
借助电压型变换器34的这个电路可以实现各种工作模式：
a)牵引模式：
由于发电机36的两个三相绕组系统42和44提供相同电压U₁、U₂，因而可对发电机侧自换相脉冲变流器38和40进行相位同步。这些发电机侧自换相脉冲变流器38和40具有用于实现持续功率控制的脉宽调制器，本图并未对其进行明确显示。借助这种脉宽调制器进行正弦-三角调制或超正弦调制(Supersinus-Modulation)或空间矢量调制。进行正弦-三角调制时，将又称为基准正弦电压的额定电压U^*与高频三角电压U_D作比较。随后，这种调制器的输出端上会存在例如三个脉宽调制相电压U_R，S，T。在牵引模式下对这两个发电机侧自换相脉冲变流器38和40进行相位同步，就相当于这两个三角电压U_D1和U_D2全等。在两个发电机侧自换相脉冲变流器38和40的输入端上存在有随时都相同的电压U_R1，S1，T1和U_R2，S2，T2的情况下，每个制动电阻54上分别保持有一个等于零的差分电压U_Br。在此情况下，这些制动电阻54中不会损失功率。柴油电力发电机36所产生的全部功率会毫无损失地被馈入本发明电压型变换器34的直流电压中间电路18的中间电路电容器组16内。
b)制动模式I：
在需要消耗来自于电压型变换器34的直流电压中间电路18的中间电路电容器组16的功率的情况下，可借助发电机侧自换相脉冲变流器38和40在具有两个三相绕组系统42和44的发电机36中产生转矩。借此使发电机36加速。这部分功率可进行传输，其原因在于拖曳模式下的柴油机可将其吸收。因此，这种制动模式I的特征在于，由负载侧自换相脉冲变流器14馈回到中间电路电容器组16内的能量被暂存起来，并通过柴油机制动被消耗。
c)制动模式II：
如果在制动功率变大的情况下无法继续在柴油机中消耗，现有的制动电阻54就用于消除能量。为能在电阻54上将能量转化为热，须使相应的差分电压U_Br在每个制动电阻54上发生下降。为能产生这样一个差分电压U_Br，需要以产生零序电压系统的方式对两个发电机侧自换相脉冲变流器38和40进行控制。由于两个发电机侧自换相脉冲变流器38和40的输入端上的电压U_R1、U_S1、U_T1、U_R2、U_S2和U_T2可在零与最大中间电路电压U_ZW之间任意调节，则也可分别在自换相脉冲变流器38的一个输入端与自换相脉冲变流器40的一个对应输入端之间产生差分电压U_Br。在以此种方式产生的差分电压U_Br的作用下，每个制动电阻54中均会有电流通过。
对在制动电阻上发生转换的功率进行持续控制，这方面存在多种不同的方法。
如果借助脉冲宽度调制(尤其是正弦-三角调制)对每个相R1、S1、T1、R2、S2和T2进行控制，就可在产生零序电压系统方面获得一种特别简单的实现方案。通过使发电机侧自换相脉冲变流器38或40的三角电压U_D1或U_D2发生相对于发电机侧自换相脉冲变流器40或38的三角电压U_D2或U_D1的偏移，相电压U_R1和U_R2、U_S1和U_S2以及U_T1和U_T2就会发生相对偏移，借此可在相应的制动电阻54上产生差分电压U_Br。
图4在一个以时间t为横坐标的图内分别对相电压U_R1和U_R2、三角电压U_D1和U_D2以及额定电压U^*进行了图示。从这个图中可以看出，三角电压U_D2相对于三角电压U_D1进行了180°的电相移。通过使其中一个三角电压U_D1或U_D2相对于另一个三角电压U_Ｄ2或U_D1在0°与180°之间进行持续相移，就可对制动功率进行持续调节。
从图4所示的图中还可看出，在每个时间点上，相电压U_R1和U_R2在一个脉冲周期内的平均值相等。也就是说，脉宽调制相电压U_R1和U_R2的基波继续遵循额定电压U^*。这样就可对发电机电流和其转矩继续进行调节，与此同时，通过产生零序电压系统可借助制动电阻54将过剩能量转化为热。
除了使其中一个三角电压U_D1或U_D2进行相对于另一个三角电压U_D2或U_D1的相移这一方法外，也可通过发电机侧自换相脉冲变流器38的脉宽调制相电压U_R1、U_S1和U_T1与发电机侧自换相脉冲变流器40的脉宽调制输入电压U_R2、U_S2和U_T2的占空比相对偏移来产生零序电压系统。为此，在其中一个子系统内为额定电压U^*加上与制动功率成比例的直流电压ΔU，为另一个子系统减去这个直流电压ΔU。上述方案的共同之处在于产生零序电压系统，其中，发电机的不接地中性点的对称条件使得这个零序电压系统并不在发电机中激发电流。
图5显示的是本发明柴油电力驱动系统的第一实施方式的简化实施方式的等效电路图。这种简化实施方式与图3所示的有利实施方式之间的区别在于，仅使用两个或一个制动电阻54来代替三个制动电阻54。第一发电机侧自换相脉冲变流器38的哪个输入相R1或S1或T1与第二发电机侧自换相脉冲变流器40的哪个对应输入相R2或S2或T2导电相连，这一点并不重要。在图5所示的等效电路图中，输入相T1和输入相S1分别通过一个制动电阻54与对应输入相T2和对应输入相S2导电相连。由于柴油电力驱动系统的第一实施方式的这种简化实施方式仅使用了两个制动电阻54，因而也可以只将图3所示的实施方式中所产生的制动功率的2/3转化成热。在仅使用一个制动电阻54的情况下，可以只将图3所示的实施方式中所产生的制动功率的1/3转化成热。
在发电机36的两个多相绕组系统42和44分别具有一个引出中性点54和56的情况下(图6)，作为将制动电阻54连接在输入相R1或S1或T1和对应输入相R2或S2或T2上这一方案的替代方案，可将制动电阻54连接在这两个中性点54和56上。采用如图5所示的实施方式的本发明柴油电力驱动系统的工作方式并不会因此而改变。
本发明柴油电力驱动系统的主要特征是两个三相电压系统之间通过制动电阻54而实现的连接。相对于图1所示的普通柴油电力驱动系统而言，IGBT整流器和制动调节器在本发明的柴油电力驱动系统中实现了功能整合。传统技术在牵引模式和制动模式下只能分别对其中一个变流器加以利用，而本发明的柴油电力驱动系统则可以在牵引模式和制动模式下同时对这两个变流器进行使用。通过在功能上将两个变流器整合到两个发电机侧自换相脉冲变流器38和40中，不仅可使功率半导体的数量减半，还能使成本减半。