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CN101395792A - 具有永磁同步发电机的柴油电力驱动系统 - Google Patents

具有永磁同步发电机的柴油电力驱动系统 Download PDF

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CN101395792A
CN101395792A CNA2007800079524A CN200780007952A CN101395792A CN 101395792 A CN101395792 A CN 101395792A CN A2007800079524 A CNA2007800079524 A CN A2007800079524A CN 200780007952 A CN200780007952 A CN 200780007952A CN 101395792 A CN101395792 A CN 101395792A
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CN
China
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braking resistor
permanent magnet
magnet synchronous
synchronous generator
braking
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Application number
CNA2007800079524A
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English (en)
Inventor
安德烈亚斯·富克斯
奥拉夫·科纳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
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Abstract

本发明涉及一种柴油电力驱动系统，其具有永磁同步发电机(4)和制动电阻(20)，所述永磁同步发电机在转子侧与柴油机(2)机械耦合，在定子侧与电压中间电路变换器(6)导电相连，所述电压中间电路变换器在发电机侧和负载侧分别具有一个自换相脉冲控制变流器(12，14)，所述自换相脉冲控制变流器在直流电压侧通过直流电压中间电路(18)彼此相连，所述制动电阻可与所述直流电压中间电路(18)导电相连。根据本发明，设置有用作制动电阻的多相制动电阻阵列，所述多相制动电阻阵列通过多相开关装置(32)可与所述永磁同步发电机(4)的多相定子绕组系统(74)串联。借此获得一种无需再使用附加制动调节器的柴油电力驱动系统，可在发电机模式和制动模式之间进行转换，还可对制动模式下的柴油机的转速进行自由调节。

Description

具有永磁同步发电机的柴油电力驱动系统
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 Koemer(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中间电路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中间电路变换器的发电机侧变流器为自换相脉冲控制变流器。该论文将自换相脉冲控制变流器称为“IGBT整流器”。这两种驱动系统的电压中间电路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。借助于这个脉冲控制电阻可使电压中间电路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(特定而言为旋转磁场电机)提供能量时——承担起避免最大允许中间电路电压被超过的任务。一部分制动功率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敷设须与中间电路的母线敷设一起进行。其中需要注意的是，制动调节器应以低电感方式进行连接。根据具体的制动力矩，有可能需要为制动调节器使用其他的彼此并联的变流器桥接旁路。此外还须为门极可关断晶闸管使用控制装置。除此之外，用作制动调节器的门极可关断晶闸管还具有复杂的电路网络，这个电路网络相应需要占用一定的空间。
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在线圈匝数上采取不同实施方式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和连接在一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“转子电压”)大于直流电压中间电路的中间电路电压，一个电流就会流过第二绕组系统，并通过不可控整流器将该电流调整至直流电压中间电路。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会在幅值和相位方面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“自换相脉冲控制变流器”的可控整流器可避免永磁同步发电机在过励磁状态下进行工作。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。
发明内容
因此，本发明的目的是对普通的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。
如果设置有用作制动电阻的多相制动电阻阵列，并且这个多相制动电阻阵列通过多相开关装置可与永磁同步发电机的多相定子绕组系统串联，就无需再使用附加的制动调节器。制动电流由电压中间电路变换器的发电机侧自换相脉冲控制变流器控制。如果进行制动时，通过多相开关装置使多相制动电阻阵列与永磁同步发电机的多相定子绕组系统串联，这个同步发电机在最大制动功率(最大制动电流)情况下就会以近乎短路的方式进行工作。在串联电感足够大的情况下，持续短路电流只稍许超过永磁同步发电机的额定电流。这个持续短路电流从多相制动电阻阵列的串联连接的制动电阻中流过，从而将所需的制动功率耗散。在制动模式下的永磁同步发电机近乎完全短路的情况下，电压中间电路变换器的发电机侧自换相脉冲控制变流器的生成变流器输入电压被施加在多相制动电阻阵列的端子上，以便对制动电流进行驱动。
由于永磁同步发电机的短路电流在柴油机的空载转速和额定转速之间近乎保持恒定，因而在制动模式下可对柴油机转速进行自由选择。由于弱磁短路电流的存在，永磁同步发电机在制动模式下的铁损极小。与柴油机转速相符的阻力损失可由永磁同步发电机通过变流器电动机的较小的正转矩电流分量加以补偿。通过这种方式，柴油机就可在电气制动模式下在不喷射燃油的情况下进行运转。
如何实现多相制动电阻阵列的制动电阻与永磁同步发电机的多相定子绕组系统的绕组之间的串联连接的方法，可从从属权利要求2至5中获得。
根据第一实施方式，实现多相制动电阻阵列的制动电阻与多相定子绕组系统的绕组之间的串联连接的方法是取消永磁同步发电机的星形连接中性点。所述星形连接中性点在发电机模式下由两个隔离开关构成，当电压中间电路变换器处于关断状态时，这两个隔离开关以无电流方式进行操作。当柴油机达到额定转速时也有可能发生这种情况，因为永磁同步发电机处于欠励工作状态，柴油发电机即使在全速情况下也无法通过被关断的电压中间电路变换器的发电机侧自换相脉冲控制变流器的续流二极管为中间电路供电。借此可从额定转速情况下的最大柴油发电机功率过渡到制动模式，而无需使柴油机进行空载运行。如果断开星形连接中性点，当永磁同步发电机短路时，电压中间电路变换器的总变流器输入电压几乎都会被施加在多相制动电阻阵列的制动电阻的电阻端子上。为能借助多相开关装置使多相制动电阻阵列的制动电阻与永磁同步发电机的多相定子绕组系统的绕组串联，多相定子绕组系统的每个绕组的绕组末端均须伸出在永磁同步发电机的外面。借此将永磁同步发电机的星形连接中性点连接在发电机的外部。
根据另一种用于实现多相制动电阻阵列与永磁同步发电机的多相定子绕组系统之间的串联连接的实施方式，所述制动电阻阵列具有至少一个制动电阻，这个制动电阻可用短路器进行跨接。这个制动电阻阵列也可具有两个可分别由一个短路器进行跨接的电阻。如果这个制动电阻阵列具有三个电阻，这三个电阻同样可分别由一个短路器进行跨接。也就是说，在其他实施方式中，所述制动电阻阵列实施为单相、两相或三相。每个制动电阻阵列的每个制动电阻均与永磁同步发电机的多相定子绕组系统的一个绕组串联。在制动模式下，每个短路器均被断开。采用这些其他实施方式时，永磁同步发电机的多相定子绕组系统的每个绕组的两个绕组末端均无需再伸出在永磁同步发电机的外面。借此将多相定子绕组系统的星形连接中性点连接在内部。这样就无需再使用采取特别建构方式的永磁同步发电机。
根据另一有利实施方式，多相制动电阻阵列的与多相定子绕组系统的绕组串联连接的制动电阻可用多相断路器进行短路。在此情况下，这个多相断路器在柴油电力驱动系统整体运行时承担对电压中间电路变换器的发电机侧自换相脉冲控制变流器进行保护的任务。
附图说明
下面借助附图所示的本发明的柴油电力驱动系统的多个实施例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为本发明柴油电力驱动系统的第一实施方式的等效电路图；
图3为图1所示的本发明柴油电力驱动系统的第一实施方式的变体的等效电路图；
图4为图2所示的电压中间电路变换器的自换相脉冲控制变流器的变流器桥接旁路模块的等效电路图；
图5为近乎短路的永磁同步发电机的矢量图，所述永磁同步发电机处于制动模式，具有柴油机空载转速情况下的最大制动功率；
图6为本发明柴油电力驱动系统的包含有多个变体的第二实施方式的等效电路图；以及
图7为本发明柴油电力驱动系统的第三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表示柴油机，4表示永磁同步发电机，6表示电压中间电路变换器，8表示多个旋转磁场电机，特定而言为三相异步电动机，10表示制动斩波器。电压中间电路变换器具有发电机侧自换相脉冲控制变流器12和负载侧自换相脉冲控制变流器14，这些自换相脉冲控制变流器通过具有中间电路电容器组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并联，制动斩波器10具有彼此串联的制动电阻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特定而言由法拉电容构成的电容器组24、DC/DC转换器26和辅助逆变器28。DC/DC转换器26的输入端与电容器组24相连，输出端与辅助逆变器28的直流电压侧的接点相连。此外，DC/DC转换器26的输出端与电压中间电路变换器6的中间电路18电气相连。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在定子侧与电压中间电路变换器6的发电机侧自换相脉冲控制变流器12的交流电压侧的接点相连。
由于这个等效电路图是柴油电力调车机车的等效电路图，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的永磁同步发电机4布置在这个牵引模块30的外部。四个三相异步电动机8是一个柴油电力调车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，仅使用对应的续流二极管来代替第二门极可关断晶闸管。这个变流器桥接旁路模块此外还包括用于所述门极可关断晶闸管和一个门控单元的电路网络。
图2显示的是本发明柴油电力驱动系统的第一实施方式的等效电路图。出于清楚起见，此处并未对图1所示的电压中间电路变换器6的负载侧自换相脉冲控制变流器14和三相异步电动机8进行图示。电压中间电路变换器6的发电机侧自换相脉冲控制变流器12的交流电压侧接点R、S、T分别与永磁同步发电机4的一个定子侧接点42、44和46相连，这样可通过一个断路器40将它们分离。除此之外，这个附图还对永磁同步发电机4的多相定子绕组系统74的绕组78、80和82进行了图示。这些绕组78、80和82一端分别与定子侧接点42、44和46导电相连，另一端与三个制动电阻34、36和38中的一个导电相连。此处所示的多相制动电阻阵列的制动电阻34、36和38采用的是星形接线法，它们的电阻值相当于图1所示的实施方式中的制动电阻20。多相制动电阻阵列中的这些制动电阻34、36和38也可采用三角形接线法(图3)。此外，连接点86和88也可通过开关装置32分别与连接点84导电相连。开关装置32的与连接点84导电相连的连接点构成一个位于永磁同步发电机4外部的星形连接中性点90。在发电机模式下，这个星形连接中性点90由多相开关装置32(例如双极隔离开关)表示，当电压中间电路变换器6的发电机侧自换相变流器12处于关断状态时，多相开关装置32以无电流方式进行操作。当柴油电力发电机达到额定转速时也有可能发生这种情况，因为永磁同步发电机4处于欠励工作状态，永磁同步发电机4即使在全速情况下也无法通过电压中间电路变换器6的发电机侧被关断的自换相脉冲控制变流器12的续流二极管为中间电路18供电。在这种欠励工作状态下，永磁同步发电机4的转子电动势过低而无法实现这一点。借此可极快地从柴油机2达到额定转速时的最大柴油发电机功率过渡到制动模式，而无需使柴油机2进行空载运行。如果断开永磁同步发电机4的外部星形连接中性点90，当永磁同步发电机4短路时，发电机侧自换相脉冲控制变流器12的全输入电压几乎都会被施加在电阻端子(连接点84、86和88)上。为能使多相制动电阻阵列的这些制动电阻34、36和38分别与永磁同步发电机4的多相定子绕组系统74的一个绕组78、80和82串联，这些绕组78、80和82的绕组末端(连接点84、86、88和定子侧接点42、44、46)必须伸出在永磁同步发电机4的外面。在此情况下，借助多相开关装置32就可为正常工作状态连接一个从属于定子绕组系统74的、位于永磁同步发电机4外部的星形连接中性点90。
通过本发明的这种借助电压中间电路变换器6在多相制动电阻阵列的三个制动电阻34、36和38与永磁同步发电机4的多相定子绕组系统74的绕组78、80和82之间建立可通断串联连接的方案，可借助一个以无电流方式进行操作的双极隔离开关32在发电机模式和制动模式之间进行转换，借此可实现较高的制动功率，还可对制动模式下的柴油机的转速进行自由调节。
在所述柴油电力驱动系统的这种实施方式中，电压中间电路变换器6的发电机侧自换相脉冲控制变流器12通过变流器桥接旁路模块48而实现。变流器桥接旁路模块48的等效电路图由图4进行详细图示。发电机侧自换相脉冲控制变流器12的每个变流器桥接旁路模块48的直流电压侧接点50和52分别与电压中间电路变换器6的中间电路18的一个电位导电相连。其中，自换相脉冲控制变流器12的三个变流器桥接旁路模块48的直流电压侧接点50分别与中间电路18的一个正电位P相连，而这三个变流器桥接旁路模块48的直流电压侧接点52则分别与中间电路18的一个负电位N相连。
根据图4所示的等效电路图，变流器桥接旁路模块48具有两个彼此并联的桥接旁路模块54。每个桥接旁路模块54均具有两个串联连接的可断开半导体开关56和58，特定而言为绝缘栅双极晶体管(IGBT)，这两个可断开半导体开关分别配有一个对应的续流二极管60或62。为了牵引的目的，牵引变流器尽可能采用模块化结构，其中，将桥接旁路模块54用作最小单元。如图3所示，通过两个桥接旁路模块54的并联连接可获得适用于大功率的变流器桥接旁路模块48。
图5以正交坐标系d、q的形式显示了适用于全制动功率情况下的制动模式的矢量图。在制动模式下，多相制动电阻阵列的三个制动电阻34、36和38分别与永磁同步发电机4的多相定子绕组系统74的一个绕组78、80和82串联。在此情况下，永磁同步发电机4以近乎短路的方式进行工作，其中，在串联电感Ld足够大的情况下，持续短路电流Isd不超过或只稍许超过额定电流。这个持续短路电流Isd从串联连接的制动电阻34、36和38中流过，从而将所需的制动功率耗散。在永磁同步发电机4近乎完全短路的情况下，电压中间电路变换器6的发电机侧自换相脉冲控制变流器12的交流电压侧接点R、S和T上的电压Us几乎全部被施加在制动电阻34、36和38的端子(连接点84、86、88)上，以便对制动电流Is进行驱动。由于永磁同步发电机4的持续短路电流Isd在柴油电力电动机2的空载运行(例如600-700rpm)和额定转速(1800-1900rpm)之间近乎保持恒定，因而在制动模式下可对柴油机2的转速进行自由选择。由于弱磁短路电流Isd的存在，永磁同步发电机在制动模式下的铁损极小。永磁同步发电机4的与柴油机2的转速相符的阻力损失可通过较小的正q电流分量(转矩电流Isq)加以补偿。通过这种方式，柴油机2就可在柴油电力驱动系统处于制动模式时在不喷射燃油的情况下进行运转。
图6显示的是本发明的柴油电力驱动系统的第二实施方式。这种实施方式与图2所示的实施方式之间的区别在于，永磁同步发电机4的定子侧接点42、44和46上连接的是多相制动电阻阵列的制动电阻34、36和38。因此，制动电阻34、36和38的第二接点分别构成永磁同步发电机4的一个交流电压侧接点92、94和96，电压中间电路变换器6的发电机侧自换相脉冲控制变流器12的交流电压侧接点R、S和T通过多相断路器40连接在这些交流电压侧接点上。采用这种实施方式时，永磁同步发电机4的多相定子绕组系统74的绕组78、80和82通过内部星形连接中性点98以星形接线法进行连接。多相制动电阻阵列的制动电阻34、36和38中的每一个通过多相开关装置32可进行电气跨接。也就是说，当柴油电力驱动系统不处于制动模式时，这些制动电阻34、36和38为短路。
除设置三个制动电阻34、36和38外，也可只设置两个制动电阻34和38或只设置一个制动电阻36，这两个制动电阻或单独一个制动电阻同样可借助开关装置32与多相定子绕组系统74的两个或一个绕组78和82或80串联连接。图6也以局部图的形式对这两种方案进行了图示。根据所使用的多相制动电阻阵列的制动电阻34、36和38的数量，开关装置32相应具有三极、双极或单极隔离开关。制动电阻34和38或制动电阻36须根据所要求的制动功率和制动模式下永磁同步发电机4中所流动的电流Isd进行相应的尺寸设计。图6所示的实施方式的优点在于，不再要求多相定子绕组系统74的绕组78、80和82的所有绕组末端都伸出在永磁同步发电机4的外面。这样就可使用市场上所供应的任何一种永磁同步电机。
图7显示的是本发明的柴油电力驱动系统的第三实施方式。这种实施方式与图6所示的实施方式之间的区别在于，用多相断路器40代替多相开关装置32。在此情况下，断路器40承担两项任务：对正常工作状态和制动模式下的电压中间电路变换器6的发电机侧自换相脉冲控制变流器12进行保护以及对制动电阻34、36和38进行三相短路的功能。但图2、图6和图7所示的本发明柴油电力驱动系统的这三种实施方式在作用方式上并无区别。

Claims (8)

1.一种柴油电力驱动系统，具有一个永磁同步发电机(4)和一个制动电阻，所述永磁同步发电机在转子侧与一个柴油机(2)机械耦合，在定子侧与一个电压中间电路变换器(6)相连，所述电压中间电路变换器在发电机侧和负载侧分别具有一个自换相脉冲控制变流器(12，14)，所述自换相脉冲控制变流器在直流电压侧通过一个直流电压中间电路(18)彼此相连，
其特征在于，
设置有用作制动电阻的一个多相制动电阻阵列，且所述多相制动电阻阵列通过一个多相开关装置(32)与所述永磁同步发电机(4)的多相定子绕组系统(74)串联。
2.根据权利要求1所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，
所述永磁同步发电机(4)的多相定子绕组系统(74)的一个绕组(78，80，82)分别与所述多相制动电阻阵列的一个制动电阻(34，36，38)串联，所述多相开关装置(32)具有两个隔离开关，所述隔离开关的一端分别与一个连接点(86，88)相连，另一端彼此相连，所述连接点(86，88)连接一个制动电阻(34，36)和所述永磁同步发电机(4)的多相定子绕组系统(74)的一个绕组(80，82)，所述两个隔离开关的公共连接点(90)与连接点(84)相连，所述连接点(84)连接一个制动电阻(38)和所述永磁同步发电机(4)的多相定子绕组系统(74)的一个绕组(78)。
3.根据权利要求1所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，
所述永磁同步发电机(4)的多相定子绕组系统(74)的一个绕组(78，80，82)分别与所述多相制动电阻阵列的一个制动电阻(34，36，38)串联，所述多相开关装置(32)具有三个短路器，所述短路器分别与所述三相制动电阻阵列的一个制动电阻(34，36，38)并联。
4.根据权利要求1所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，
所述永磁同步发电机(4)的多相定子绕组系统(74)的两个绕组(78，82)分别与所述多相制动电阻阵列的一个制动电阻(34，38)串联，所述多相开关装置(32)具有两个短路器，所述短路器分别与所述三相制动电阻阵列的一个制动电阻(34，38)并联。
5.根据权利要求1所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，
所述永磁同步发电机(4)的多相定子绕组系统(74)的一个绕组(80)与所述多相制动电阻阵列的一个制动电阻(36)串联，所述开关装置(32)具有一个短路器，所述短路器与所述制动电阻(36)并联。
6.根据权利要求1所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，
所述永磁同步发电机(4)的多相定子绕组系统(74)的一个绕组(78，80，82)分别与所述多相制动电阻阵列的一个制动电阻(34，36，38)串联，一个多相断路器(40)与所述制动电阻(34，36，38)并联。
7.根据权利要求2所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，
所述多相制动电阻阵列的制动电阻(34，36，38)以星形接线法进行连接。
8.根据权利要求2所述的柴油电力驱动系统，其特征在于，
所述多相制动电阻阵列的制动电阻(34，36，38)彼此串联连接。
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