CN105691211A - 用于轨道车辆的电牵引系统以及由该系统实现的保护方法 - Google Patents

Abstract

一种用于轨道车辆的电牵引系统以及由该系统实现的保护方法，该系统(10)包括用于对同步电机(14)供电的转换器(22)、隔离装置(26)以及用于将同步电机的相线短路的模块(27)，转换器(22)通过电缆(23，24，25)被连接至同步电机(14)，该系统包括用于检测转换器中的过电流的主检测模块(32，30)以及保护模块(64)，该保护模块(64)在接收到主检测模块发射的主检测信号时能够断开隔离装置(26)。该系统包括次检测模块(62，60)，该次检测模块(62，60)能够检测隔离装置下游的短路并且向模块(64)发射次检测信号，只要模块(64)已经接收到使得隔离装置断开的主检测信号，该模块(64)就会致使装置(27)闭合。

Description

用于轨道车辆的电牵引系统以及由该系统实现的保护方法

技术领域

本发明涉及一种用于轨道车辆的电牵引系统，该电牵引系统包括同步电机和电源电路、隔离装置以及位于隔离装置下游用于将同步电机的相线短路的模块，电源电路包括转换器，该转换器被连接至DC电压源并且能够递送适用于对同步电机供电的多相电压，转换器通过多条电缆连接至同步电机。系统还包括用于控制转换器的模块、用于检测转换器的输出分支中的过电流的主检测模块以及保护模块，该保护模块能够在接收到主检测模块所发射的主检测信号后致使隔离装置断开。

文献EP2,634,884公开了这样的系统，该系统包括：作为主检测模块用于检测转换器的输出过电流的电流传感器。

在文献EP2,634,884中，所实现的监测方法提供了电流传感器所递送的监测测量值以便于检测短路类型故障的发生，然后在发生短路类型故障的情况下，驱动隔离电路断路器以便于将转换器与电机隔离，该电机通过移动的轨道车辆的车轮进行旋转，然后操作为电流发生器。

保护方法然后提供了对短路相对于电机而言是内部类型还是外部类型的识别。如果短路是内部的，则该方法通过使短路模块闭合来致动用于将电机的相线短路的模块(所谓的均衡操作)。

然而，现有技术的该文献没有描述如何检测导致隔离电路断路器致动的故障是否是位于电机内部的故障。

如果转换器的分支中的过电流的源头处的短路位于隔离电路断路器的下游，即，其要么为电机外部的短路，例如介于将转换器的每个分支连接至电机的每个相线的电缆之间，要么为电机内部的短路，则就当前牵引电动机而言，只要电机还在旋转，电路断路器的断开就不足以将短路与电源隔离。

应当注意的是，电机的相线与地之间的下游短路可以通过断开隔离电路断路器来进行隔离。然而，这样的电气故障变成相线间短路，其不能通过断开隔离电路断路器进行隔离。在此，这样的故障被认为是不可隔离的下游短路。

当两个导体彼此直接接触时，短路是“完全的”，或者，当两个导体彼此并非直接接触，而是借助于具有一定阻抗的介质连接时，短路是“非完全”的。在后面的情况下，短路会导致形成永久性或间歇性电弧。这种类型的故障产生导致部件和电弧周围的材料燃烧的能量：材料被蒸发、材料的属性被更改等等。

应当注意的是，完全故障可以由于最初接触的导体的过热和磨损而变成非完全故障。

电机内部的非完全短路会导致电机被破坏同时具有火灾的风险(出现火焰：一直存在电弧直到相线环被消耗完为止)和/或转子被堵塞(相线环的材料被容纳在气隙中，从而损坏了货物并且释放了安装在表面上的磁铁)。

发明内容

本发明的目的在于解决这个问题，具体地能够将电机内部的下游故障与电机外部的下游故障区分开，以便于选择合适的动作：简单地断开隔离电路断路器或者还需要执行相线之间的均衡。

因此，本发明涉及上述类型的牵引系统，其特征在于，所述牵引系统包括次检测模块，该次检测模块能够检测隔离装置的下游的短路类型的故障并且向保护装置发送次检测信号，并且在于，在已经接收到主检测模块所发射的主检测信号并且已经致使隔离装置断开的情况下，保护模块能够在接收到次检测信号后致使用于将同步电机的相线短路的模块闭合。

根据特定实施例，单独考虑这些特定实施例或根据这些实施例的任何技术上可能的组合，系统包括一个或更多个下列特点：

次检测模块包括至少一个温度传感器，该温度传感器能够对与同步电机的内部温度相对应的温度。

次检测模块包括次检测装置，该次检测装置能够计算温度传感器或每个温度传感器所测量的温度的时间变化。

次检测装置将温度的时间变化与预定阈值进行比较，并且当温度的时间变化超过该预定阈值时发射表示检测到短路的信号。

预定阈值大于+1.0℃/s，特别是等于+1.7℃/s。

次检测模块还能够通过将温度的变化时间与大约等于+0.5℃/min的第二预定阈值进行比较来辨别主检测模块所检测到的故障是否为位于同步电机外部介于电缆之间的引发型非完全短路。

次检测模块包括至少两个电压传感器，该电压传感器能够检测同步电机的相线间的失衡，电压传感器被放置成尽可能接近同步电机的电源端子。

次检测模块包括检测装置，该检测装置能够根据电压传感器所递送的测量值来计算电压偏差并且当所计算的偏差超过预定阈值时生成针对位于同步电机内部的非完全短路的检测信号。

电压传感器被连接在两个不同相线的电源端子之间；或者被连接在相线的电源端子与不同电压传感器彼此共享的连接点之间，该共享的点能够被连接至系统的电接地。

可以通过测量同步电机的相线之间的电压或通过测量同步电机内部的温度来检测同步电机内部的非完全短路。

一旦检测到非完全短路，就会采取对同步电机进行均衡，其包括将同步电机的不同相线相互短路以便于熄灭同步电机内部产生的短路电弧灭，使得相线间的短路再次平衡，从而避免因该失衡而造成的转矩脉动。

本发明还涉及上述牵引系统中实现的保护方法，其特征在于，该保护方法包括以下连续步骤：对转换器的至少一个输出分支中的过电压进行检测；致使隔离装置断开；然后对隔离装置下游的短路类型的故障进行检测；以及在检测到短路类型的故障时，致使同步电机的相线的短路装置闭合。

附图说明

在阅读了下面的仅提供为非限制性示例的一个具体实施例的详细描述之后，将更好地理解本发明及其优点，该描述是参考附图而做出的，在附图中：

图1是根据本发明的第一实施例的系统的示意图；

图2是根据本发明的第二实施例的系统的示意图；

图3是根据本发明的第二实施例的系统的一种替代方案的示意图；以及

图4是根据本发明的第二实施例的系统的另一替代方案的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的电牵引系统的第一实施例，该电牵引系统被安装在轨道车辆诸如地铁、电车、区域火车或高速火车上。

系统10在其端子34A与34B之间被连接至DC电压源(未示出)。DC电压源是例如被连接至电网的悬线。DC电压源递送高于600V的电压，例如等于3kV的电压。

系统10包括至少一个同步电机14。该同步电机14包括转子和定子。转子包括永磁体。定子包括被设计成由合适的多相电压进行供电的N个绕组或相线。

如图所示，同步电机14是具有永磁体的三相同步电机。同步电机14例如具有介于50kW与2MW之间的标称功率。同步电机14的每个相线U、V、W分别被连接至电源端子P1、P2、P3，并且不同的相线共享端子P4。

系统10包括同步电机14的电源电路16。

电源电路16包括转换器22，该转换器22用于将其输入端处由DC电压源递送的DC电压转换成适合于对同步电机14供电的三相输出AC电压。

转换器22包括正输入端子34A和负输入端子34B，正输入端子34A和负输入端子34B被连接至DC电压源。

转换器22包括三个输出端子36。每个输出端子36与多相AC电流的相线相关联并且借助于电缆23、24、25连接至同步电机14的相线U、V、W之一。

转换器22包括用于每个输出端子36的切换分支38。

每个切换分支38被连接在正输入端子34A与负输入端子34B之间并且包括两个电开关40，这两个电开关40串联连接且同向，并且通过中点彼此连接。每个中点是转换器22的输出端子36之一。

每个电开关40是电流的双向开关和电压的单向开关。每个电开关40包括晶体管44以及与晶体管44反向并联的二极管46，因此当晶体管44导通时能够确保双向电流流动路径。

晶体管44例如是绝缘栅双极型晶体管(例如，IGBT)。每个晶体管44的栅极被连接至控制模块28用于接收恰当的控制信号。

电源电路16还包括位于DC电压源与转换器22的输入端之间的储存库(storagebank)。存储库例如包括被连接在转换器22的两个输入端子34A与34B之间的存储电容器47。

电源电路16包括紧邻转换器22的输出端的隔离装置26。

该隔离装置26能够将系统10的下游部分与系统10的上游部分隔离，系统10的下游部分包括缆线23、24和25以及同步电机14，系统10的上游部分由转换器22和存储库47组成。

在示例性实施例中，隔离装置26是根据阿尔斯通运输公司于2006年9月21日提交的专利申请FR2,906,194的教示而制成的真空泡隔离装置。

该隔离装置26包括三个切换分支。每个切换分支包括用于隔断同步电机14的相应相线的电开关52。每个开关52包括两个状态：断开状态和闭合状态。隔离装置受保护模块64控制。不同的开关52受同一控制信号同步控制。

可替代地，每个切换分支包括P个串联的隔断电开关52，P为大于或等于2的整数。

电源电路16还包括用于将同步电机14的相线短路的模块27，该模块27位于隔离装置26与同步电机14的端子P1、P2、P3之间。模块27能够将同步电机14的三个相线彼此连接。有利地，模块27被布置成尽可能接近同步电机14，即，被直接连接至同步电机的相线的电源端子。

模块27受保护模块64控制。

在本实施例中，模块27由具有本领域传统割集(cut-set)的两个状态的接触器组成。可替代地，图2的模块27由文献FR2,906,194所描述的真空泡实现割集的具有两个状态的接触器组成。

这样的接触器包括三个切换端子48：第一切换端子48A，第二切换端子48B以及第三切换端子48C。同步电机14的每个电源端子P1、P2、P3被连接至接触器27的切换端子48A、48B、48C之一。

开关S1A位于端子48A与48B之间，以及开关S1B位于端子48B与48C之间。

每个开关S1A和S1B具有两种状态：断开状态和闭合状态。这两个开关始终处于同一状态：断开或闭合。

开关S1A在其闭合状态下将第一切换端子48A连接至第二切换端子48B，从而将同步电机14的相线U和V短路。开关S1A在其断开状态下将同步电机14的相线U和V彼此隔离。开关S1B在其闭合状态下将第二切换端子48B连接至第三切换端子48C，从而将同步电机14的相线U和W短路。开关S1B在其断开状态下将同步电机14的相线V和W彼此隔离。

每个开关S1A，S1B被连接至保护模块64以接收同一控制信号。

可替代地，接触器由具有两个位置的任意切换装置代替：第一位置能够将同步电机14的相线彼此隔离，以及第二位置能够直接将同步电机14的相线彼此连接(在本实施例中，在同步电机14的输入端子侧，因为相线也彼此连接于共享中性点P4处)。

电源电路16还包括控制模块28。该控制模块28能够向转换器22发送控制信号。控制模块28包括用于实现转换器22的开关40的控制规则的计算机。

系统10包括监测模块，该监测模块包括主检测模块、次检测模块以及保护模块。

主检测模块包括多个电流传感器32。每个传感器32能够对流过转换器22的每个输出端子36的电流进行测量。

每个传感器32所测量的瞬时值被发送至主检测装置30，该主检测装置30能够在过大的电流被检测到时发出主检测信号。

这个主检测信号被施加至保护模块64的输入端。

当接收到主检测信号时，模块64生成断开隔离装置26的命令信号。

在第一实施例中，次检测模块包括温度传感器62。传感器62能够测量同步电机14的瞬时温度。温度传感器被例如安置于同步电机14的外壳内部以测量同步电机14的转子与定子之间的气隙的温度。优选地，传感器被定位在同步电机14的凸缘中在该同步电机14的定子的绕组的线圈头部对面的一个凸缘上，因为该凸缘是空气温度增加最大的地方。同样优选地，为了达到更好的灵敏度，传感器62被安装在与同步电机14的风扇侧相反的控件侧上的凸缘上。

传感器62所测量的瞬时值被发送至次检测装置60，该次检测装置60能够计算温度梯度，即，传感器62所测量的温度随时间的变化。

如果该梯度超过预定阈值，则次检测装置60生成次检测信号。实际上，已经观察到，在出现非完全内部短路之后的数分钟内，同步电机14中空气的温度梯度达到每秒数度，而在标称状态下仅为十分之几度。例如，1.7℃/s的阈值使得能够辨别出非完全内部短路的发生。

所生成的次检测信号被施加至保护模块64的输入端。

当检测到次检测信号64时，模块64生成闭合模块27的控制信号。

现在将对系统10的操作进行说明。

在初始配置中，隔离电路断路器的开关52闭合，并且模块27的开关S1A、S1B断开。转换器22与同步电机14经由隔离装置26和接触器27进行电连接。转换器22将AC电流递送至同步电机14的定子20。

当同步电机14的内部或外部发生电气故障时，次检测模块在转换器22的输出端处检测到流过切换分支38的电流中的过电流。

保护模块64致使开关52断开。开关52断开，但开关S1A、S1B仍然保持断开。然后同步电机14被与电源链路隔离。

如果短路位于同步电机14内部，则传感器62所测到的温度会上升，使得温度梯度超过预定阈值。

检测到这个故障使得次检测模块60向保护模块64发出次检测信号。

然后，保护模块64致使模块27的开关S1A、S1B闭合。开关S1A、S1B闭合，同时开关52保持断开。

然后，同步电机14的三个相线U、V、W会被短路。所形成的电弧快速失去强度并消失。

开关S1A和S1B会保持闭合，直到轨道车辆停止为止和/或直到受到负责安排电牵引系统10的操作员的干预为止。

因此，只有当非完全短路是内部短路类型时均衡动作才会被执行，即，当转换器的每个分支中所测量的电流超过预定值时并且当温度梯度超过预定阈值时均衡动作才会被执行。

为了避免产生错误的检测，连续地对温度传感器62进行测试。检测到超过预定阈值的温度梯度被认为是错误的检测，因为此前没有伴随着检测到过电流。

可替代地，次检测模块还能够辨别出电缆23、24和/或25之间具有电弧的引发型外部非完全短路。实际上，已经证实能够检测这样的故障，该故障的特征在于，在5分钟与15分钟之间特别是10分钟的时间段内传感器62所测量的温度增加大约5℃。

这种类型的次检测相对缓慢。实际上，只有当电弧已经在电机的芯部并且极有可能开始导致不可逆转的损坏时才能检测到故障。

现在将参考图2对第二实施例进行描述，相对于第一实施例，该第二实施例使得同步电机14相当快地被保护。

图2中与图1中的元件相同的元件使用与图1中相同的附图标记进行表示。

除次检测模块以外，图2中的系统110与图1中的系统10完全相同。

在第二实施例中，次检测模块由电压传感器组成。

为了确保检测到短路就是隔离接触器下游的短路，电压传感器被放置成尽可能接近同步电机14的电源端子。

在图2的可替代实施例中，第一传感器161被连接在同步电机14的端子P1与P2之间，第二传感器162被连接在同步电机14的端子P2与P3之间，以及第三传感器163被连接在同步电机14的端子P3与P1之间，

次检测装置160对电压传感器161、162和163中每一个所测量的电压的值进行实时采集，并且确定与同步电机14的相线U、V和W中的相线对之间的电压失衡相对应的偏差。

当这些偏差中的两个偏差超过预定阈值时，次检测装置160认为短路类型的故障被检测到并且向保护模块64发送次检测信号。

应该注意的是，由于偏差之一超过预定阈值，所以两个电压传感器和对两个偏差的计算足以完成短路类型故障的检测。然而，第三传感器的存在使得其能够计算第三偏差从而获得更安全的检测，特别是在传感器之一失效的情况下。

如果已经致使隔离电路断路器断开，则同步电机的相线之间的电压之间的失衡表示非完全短路。

在这些条件下，保护模块64致使模块27的开关S1A、S1B闭合。

在该示例中，对电压的测量使得其能够在隔离电路断路器已经被断开后(数秒)快速地检测到非完全短路。然后，通过使模块27的开关致动来将电机的相线短路，以便于避免或至少大大减少了对同步电机14造成的损坏。

为了完全有效，检测不仅必须根据两个电压之间的失衡来完成,而且必须根据每个电压的有效值的幅值与理论有效值之间的偏差来完成，理论有效值与例如以1000转/分钟进行操作的电机的真空反电压(vacuumcounter-voltage)的幅值相对应。该理论值在整个速度范围内是有效的。因此，将所测量的有效值与理论有效值进行比较。

为了避免错误的检测，当同步电机由转换器22供电时(系统的标称操作状态)对电压传感器进行持续地测试。如果测量到失衡和/或幅值偏差而主检测模块却没有检测到过电流，则认为电压传感器161、162、163之一有故障。使用三个传感器允许冗余从而保证了对故障电压传感器的识别。

图3和图4示出了第二实施例的替代方案。

在图3的系统210中，一方面电压传感器161、162和163被连接至同步电机14的输入端子，并且另一方面被连接至不同电压传感器共享的连接点。

在图4的系统210中，电压传感器161、162和163之间的共享连接点被连接至系统的地线。

当电机内部出现短路时，根据本发明的电源电路能够减小脉动转矩的幅值和电机内出现的短路电流，从而避免出现不希望的现象。

Claims (10)

1.一种用于轨道车辆的电牵引系统(10；110；210)，所述电牵引系统(10；110；210)包括同步电机(14)和电源电路(16)、隔离装置(26)以及布置在所述隔离装置(26)下游用于将所述同步电机的相线短路的模块(27)，所述电源电路包括转换器(22)，所述转换器(22)被连接至DC电源并且能够递送适用于对所述同步电机供电的多相电压，所述转换器(22)通过多个电缆(23，24，25)连接至所述同步电机，

所述系统还包括用于控制所述转换器的模块(28)、用于检测所述转换器的多个输出分支中的过电流的主检测模块(32，30)以及保护模块(64)，所述保护模块(64)能够在接收到所述主检测模块所发射的主检测信号后致使所述隔离装置(26)断开，

其特征在于，所述系统还包括：次检测模块(62，60；161，162，163，160；161，162，163，260)，其能够对所述隔离装置下游的短路类型的故障的存在进行检测并且向所述保护模块(64)发送次检测信号，

以及在于，在所述保护模块(64)已经接收到所述主检测模块所发射的主检测信号并且已经致使所述隔离装置断开的情况下，所述保护模块(64)能够在接收到所述次检测信号时致使所述用于将所述同步电机的相线短路的模块(27)闭合。

2.根据权利要求1所述的系统(10)，其中，所述次检测模块包括至少一个温度传感器(62)，所述至少一个温度传感器(62)能够对与所述同步电机(14)的内部温度相对应的温度进行测量。

3.根据权利要求2所述的系统(10)，其中，所述次检测模块包括次检测装置(60)，所述次检测装置(60)能够计算所述温度传感器(62)或每个温度传感器(62)所测量的温度的时间变化。

4.根据权利要求3所述的系统(10)，其中，所述次检测装置(60)将所述温度的所述时间变化与预定阈值进行比较，并且当所述温度的所述时间变化超过所述预定阈值时发射短路检测信号。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述预定阈值大于+1.0℃/s。

6.根据权利要求1所述的系统(10)，其中，所述次检测模块还能够通过将所述温度的所述时间变化与第二预定阈值进行比较来辨别所述主检测模块所检测到的故障是否为位于所述同步电机(14)外部介于所述电缆(23，24，25)之间的引发型非完全短路。

7.根据权利要求1所述的系统(110；210)，其中，所述次检测模块包括至少两个电压传感器(161；162；163)，所述电压传感器(161；162；163)能够对所述同步电机(14)的所述相线之间的电压失衡进行测量，所述电压传感器被设置成尽可能接近所述同步电机(14)的电源端子(P1，P2，P3)。

8.根据权利要求7所述的系统(110；210)，其中，所述次检测模块包括检测装置(160；260)，所述检测装置(160；260)能够根据所述电压传感器(161；162；163)所递送的测量值来计算电压偏差并且当所计算的偏差超过预定阈值时生成针对位于所述同步电机内部的非完全短路的检测信号。

9.根据权利要求7所述的系统(110；210)，其中，电压传感器被连接在两个不同相线的电源端子之间；或者被连接在相线的电源端子与不同电压传感器彼此共享的连接点之间，所述共享的点能够被连接至所述系统的电接地。

10.一种在根据权利要求1至9中任一项所述的牵引系统(10；110；120)中实现的保护方法，其特征在于，所述保护方法包括以下连续步骤：

对所述转换器(22)的至少一个输出分支中的过电压进行检测；

致使所述隔离装置(26)断开；

然后对所述隔离装置下游的短路类型的故障进行检测；以及

在检测到短路类型的故障时，致使所述同步电机(14)的所述相线的所述短路装置(27)闭合。