專利名稱：具有永磁同步發(fā)電機的柴油電力驅動系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種根據權利要求1前序部分所述的柴油電力驅動系統。
背景技術：
這種類型的驅動系統在Olaf Koerner (奧4i夫 科爾納)、Jens Brand (延斯.布朗特)和Karsten Rechenberg (卡斯滕 瑞興博格)合著的標題 為 "Energy Efficient Drive System for a Diesel Electric Shunting Locomot ive (用于柴油電力調車機車的節(jié)能驅動系統)"的論文(刊登于2005 年9月11日至14日德累斯頓EPE會議"EPE， 2005"會議論文集)中有所 涉及。該論文對兩種具有7la茲同步發(fā)電機的柴油電力驅動系統進行了比較。 這兩種驅動系統的區(qū)別僅在于，其中一個驅動系統中的電壓型變換器的發(fā)電 機側變流器為二極管整流器，而另 一個驅動系統中的電壓型變換器的發(fā)電機 側變流器為自換相脈沖變流器。該論文將自換相脈沖變流器稱為"IGBT整流 器"。這兩種驅動系統的電壓型變換器的中間電路均可與制動電阻相連。為 此設置有也可稱為"GT0晶閘管"的門極可關斷晶閘管。借助于這個脈沖電 阻可使電壓型變換器的中間電路中的直流電壓在制動模式下一一即當中間 電路由負載(特定而言為感應電機)提供能量時一一承擔起避免最大允許中 間電路電壓被超過的任務。 一部分制動功率用于補償空轉柴油機的阻力矩。 其不利之處在于，須為制動調節(jié)器使用附加的變流器橋接旁路，并且這個制 動調節(jié)器的附加性母線敷設須與中間電路的母線敷設一起進行。其中需要注
意的是，制動調節(jié)器應以低電感方式進行連接。根據具體的制動力矩，有可 能需要為制動調節(jié)器使用其他的彼此并聯的變流器橋接旁路。此外還須為門 極可關斷晶閘管使用控制裝置。除此之外，用作制動調節(jié)器的門極可關斷晶 閘管還具有復雜的電路網絡，這個電路網絡相應需要占用 一定的空間。
DE 102 10 164 Al中公開了 一種用于在發(fā)電站中為永^f茲同步電動機進行 多整流器供電的裝置。這種永磁同步發(fā)電機具有兩個在線圏匝數上采取不同 實施方式的多相定子繞組系統。其中一個繞組系統連接在可控整流器(例如 IGBT整流器)上。這個可控整流器的任務是對永磁同步發(fā)電機的功率輸出進 行調節(jié)，進而對其進行轉速調節(jié)。為此，在低轉速范圍內通電，從而使電功 率只經過這個繞組系統和連接在直流電壓中間電路上的可控整流器。第二繞 組系統連接在不可控整流器(例如多脈沖二極管電橋)上，這個不可控整流 器與可控整流器連接在同一個直流電壓中間電路上。如果線間(即相間)旋 轉電壓(又稱"同步電動勢")大于直流電壓中間電路的中間電路電壓，不 可控整流器就會將第二繞組系統中的電流調整至直流電壓中間電路的電流。 其中，由于第一和第二繞組系統之間存在磁耦合，因而第二繞組系統中的電 流會在幅值和相位方面受到第 一繞組系統中的電流的影響，第 一繞組系統中 的電流由有源整流器(可控整流器)調節(jié)。也就是說，借助可控整流器也可 在一定程度上對不可控整流器的繞組系統中的電流進行調節(jié)。這種裝置的有 功功率傳輸主要由不可控整流器承擔，因此，可控整流器采取小功率設計， 以此達到降低成本的目的。借助于這個通常也被稱為"自換相脈沖變流器" 的可控整流器可避免永磁同步發(fā)電機在過勵磁狀態(tài)下進行工作。此外還可對 發(fā)電機轉矩中由不可控整流器引起的諧波進行補償。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是對普通的柴油電力驅動系統進行改進，使其無需
再使用附加的制動調節(jié)器。
根據本發(fā)明，這個目的通過權利要求1的區(qū)別特征并結合權利要求1前 序部分的特征而達成。
如果電壓型中間電路變換器的發(fā)電機側的自換相脈沖變流器的每個發(fā) 電機側接點均借助一開關裝置與 一個制動電阻導電相連，這個自換相脈沖變 流器就可額外承擔制動電流調節(jié)這一任務。借此可省去電壓型中間電路變換 器的中間電路上的制動調節(jié)器。
根據這種電力驅動系統的一種有利實施方式，電壓型中間電路變換器在 發(fā)電機側還具有另 一個自換相脈沖變流器，所述另 一 自換相脈沖變流器在直 流電壓側與電壓型變換器的直流電壓中間電路連接，其中，這兩個發(fā)電機側 自換相脈沖變流器在交流電壓側分別與第一和第二扼流器的一個接點相連， 每個第一扼流器的第二接點通過所述開關裝置與所述制動電阻相連，并通過 另一開關裝置與永磁同步發(fā)電機的一個定子側接點相連，每個第二扼流器的 第二接點與永磁同步發(fā)電機的一個定子側接點相連。通過在柴油電力驅動系
統中使用另一發(fā)電機側脈沖變流器和第一及第二扼流器，可在制動模式下在 使用柴油機的情況下實現像商用車那樣的發(fā)動機制動，在此情況下，電氣制 動模式下的 一部分功率由柴油機耗散。借此可在功率保持不變的情況下相應 縮小所述制動電阻的尺寸。在發(fā)電積4莫式下，這兩個在發(fā)電機側并聯連接的 多相自換相脈沖變流器通過所述第 一和第二扼流器實現輸入端退耦。
根據所述柴油電力驅動系統的另 一有利實施方式，永磁同步發(fā)電機具有 兩個彼此分離的定子繞組系統，電壓型中間電路變換器在發(fā)電機側具有兩個 自換相脈沖變流器，這兩個自換相脈沖變流器的交流電壓側各個接點分別與 所述兩個定子繞組系統中的一個定子繞組系統的一個定子側接點相連。在此 情況下，永磁同步發(fā)電機的兩個繞組系統的定子繞組分別與電壓型變換器的 一個發(fā)電機側自換相脈沖變流器相連，所述各發(fā)電機側自換相脈沖變流器在 直流電壓側與電壓型變換器的同 一個中間電路相連。電壓型中間電路變換器
的這兩個發(fā)電機側自換相脈沖變流器中的一個發(fā)電機側自換相脈沖變流器 在交流電壓側通過開關裝置與制動電阻相連。通過本發(fā)明柴油電力驅動系統 的這種實施方式也可在使用柴油機的情況下實現像商用車那樣的發(fā)動機制 動，在此情況下，電氣制動模式下的一部分功率可由柴油機耗散。借此可相 應縮小所述制動電阻的體積。
所述柴油電力驅動系統的其他有利實施方案可從從屬權利要求4至8中 獲得。


下面借助附圖所示的本發(fā)明的柴油電力驅動系統的多個實施例對本發(fā)
明作進一步說明，其中
圖1為普通柴油電力驅動系統的等效電路圖2為本發(fā)明柴油電力驅動系統的第一實施方式的等效電路圖3為圖2所示的電壓型中間電路變換器的發(fā)電機側的自換相脈沖變流
器的變流器橋接旁路模塊的等效電路圖4為本發(fā)明柴油電力驅動系統的第二實施方式的等效電路圖5為圖4所示的電壓型變換器的自換相脈沖變流器的雙變流器橋接旁
路模塊的等效電路圖；以及
圖6為本發(fā)明柴油電力驅動系統的第三實施方式的等效電路圖。
具體實施例方式
在圖1所示的普通柴油電力驅動系統的等效電路圖中，2表示柴油機，4 表示永磁同步發(fā)電機，6表示電壓型變換器，8表示多個感應電機，特定而 言為三相異步電動機，IO表示制動斬波器。電壓型變換器具有發(fā)電機側自換 相脈沖變流器12和負載側自換相脈沖變流器14,這些自換相脈沖變流器通
過具有中間電路電容器組16的中間電路18在直流電壓側彼此導電相連。制 動斬波器10與這個中間電路18相連，制動斬波器10具有彼此串聯的制動 電阻20和制動調節(jié)器22 (例如門極可關斷晶閘管)。除此之外，這個等效電 路圖中還顯示了特定而言由法拉電容構成的電容器組24、 DC/DC轉換器26 和輔助逆變器28。 DC/DC轉換器26的輸入端與電容器組24相連，輸出端與 輔助逆變器28的直流電壓側接點相連。此外，DC/DC轉換器26的輸出端與 電壓型變換器6的中間電路18電氣相連。輔助逆變器28的交流電壓側接點 上連接有輔助驅動裝置，附圖并未對這些輔助驅動裝置進行明確圖示。柴油 機2和永磁同步發(fā)電機4在轉子側彼此機械耦合，其中，永磁同步發(fā)電機4 在定子側與電壓型變換器6的發(fā)電機側自換相脈沖變流器12的交流電壓側 接點相連。
由于這個等效電路圖是柴油電力調車機車的等效電路圖，因此，30表示 用于容納電子變流設備的牽？ 1模塊。所述制動電阻和柴油驅動的永》茲同步發(fā) 電機4布置在這個牽引模塊30的外部。四個三相異步電動機8是柴油電力 調車機車的兩個轉向架的發(fā)動機。
在這個等效電路圖中實施為單個電阻的制動電阻20也可由多個^皮此串 聯的電阻構成。門極可關斷的晶閘管22實現為變流器橋接旁路模塊，其中， 僅使用對應的續(xù)流二極管來代替門極可關斷的第二晶閘管。這個變流器橋接 旁路模塊此外還包括一個用于門極可關斷晶閘管的電路網絡和一個門控單 元。
圖2顯示的是本發(fā)明柴油電力驅動系統的第一實施方式的等效電路圖。 出于清楚起見，此處并未對圖1所示的電壓型變換器6的負載側自換相脈沖 變流器14和三相異步電動機8進行圖示。電壓型變換器6的發(fā)電機側自換 相脈沖變流器12的交流電壓側接點R、 S、 T 一方面可通過開關裝置32分別 與一個制動電阻34、 36和38相連，另一方面可通過斷路器40分別與永磁 同步發(fā)電機4的一個定子側接點42、 44和46相連。除此之外，這個附圖還對永磁同步發(fā)電機4的定子繞組系統進行了圖示。驅動系統每個相上的開關 裝置在此均用開關裝置32表示。斷路器40也同樣如此。此處所示的制動電 阻34、 36和38采用的是星形接線法，在值上相當于圖1所示的實施方式中 的制動電阻20。這些制動電阻34、 36和38也可采用三角形接線法。設置有 用作開關裝置32的三相隔離開關。這種隔離開關以無電流方式斷開。斷路 器40用于保護自換相脈沖變流器12。也可用純粹的電開關裝置32代替機電 開關裝置32。為此須使用復數個以三角形接線法進行連接的晶閘管，其中， 制動電阻34、 36和38分別與兩個串聯連接的晶閘管導電相連。
在所述柴油電力驅動系統的這種實施方式中，電壓型中間電路變換器6 的發(fā)電機側自換相脈沖變流器12，通過變流器橋接旁路模塊48而實現。這 種變流器橋接旁路模塊48的等效電路圖由圖3進行詳細圖示。發(fā)電機側自 換相脈沖變流器12的每個變流器橋接旁路模塊48的直流電壓側接點50和 52分別與電壓型變換器6的中間電路18的一個電位導電相連。其中，自換 相脈沖變流器12的三個變流器橋接旁路模塊48的直流電壓側接點50分別 與中間電路18的一個正電位P相連，而這三個變流器橋接旁路模塊48的直 流電壓側接點52則分別與中間電路18的一個負電位N相連。
根據圖3所示的等效電路圖，變流器橋接旁路模塊48具有兩個彼此并 聯的橋接旁路模塊54。每個橋接旁路模塊54均具有兩個串聯連接的可斷開 半導體開關56和58，特定而言為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，這兩個可斷開 半導體開關分別配有一個對應的續(xù)流二極管60或62。在牽引技術中，牽引 變流器盡可能采用模塊化結構，其中，將橋接旁路模塊54用作最小單元。 如圖3所示，通過兩個橋接旁路模塊54的并聯連接可獲得適用于大功率的 變流器橋接旁路模塊48。
圖4顯示的是本發(fā)明柴油電力驅動系統的第二實施方式的等效電路圖。 與圖2所示的實施方式相比，這種實施方式具有由兩個自換相脈沖變流器構 成的發(fā)電機側自換相脈沖變流器12。此處所示的這個自換相脈沖變流器12
通過其各個雙變流器橋接旁路模塊64而實現。這種雙變流器橋接旁路模塊 64的等效電路圖由圖5進行詳細圖示。采用自換相脈沖變流器12的這種建 構方案時，三個雙變流器橋接旁路模塊64的直流電壓側接點50同樣分別與 電壓型變換器6的中間電路18的正電位P導電相連，而這些雙變流器橋接 旁路模塊64的直流電壓側接點52則仍分別與電壓型變換器6的中間電路18 的負電位N相連。
兩個發(fā)電機側自換相脈沖變流器的交流電壓側接點R、 S、 T和R' 、 S '、T'分別與扼流器66、 68相連。其中一個自換相脈沖變流器的交流電壓 側接點R' 、 S' 、 T'通過扼流器68和斷路器40與永磁同步發(fā)電機4的定 子繞組系統的定子側接點42、 44和46相連。另一個自換相脈沖變流器的交 流電壓側接點R、 S、 T借助于扼流器66 —方面通過開關裝置32與制動電阻 34、 36和38相連，另一方面通過其他開關裝置70與永磁同步發(fā)電機4的定 子繞組系統的定子側接點42、 44和46相連。上述兩個自換相脈沖變流器在 直流電壓側與同一個中間電路18相連，利用這兩個自換相脈沖變流器作為 電壓型變換器6的發(fā)電機側的自換相脈沖變流器12，以及通過使用相應的扼 流器66和68,可在使用柴油機2的情況下實現像商用車那樣的發(fā)動機制動。 在此情況下，電氣制動的一部分功率由柴油機2耗散。借此可相應縮小制動 電阻34、 36和38的尺寸。
圖5所示的雙變流器橋接旁路模塊64與圖3所示的變流器橋接旁路模 塊48—樣，都具有兩個在直流電壓側彼此并聯的橋接旁路模塊54。所述接 點(例如R和R')在交流電壓側彼此分離。在此情況下，三個如圖5所示 的雙變流器橋接旁路模塊64構成兩個帶有交流電壓側接點R、 S、 T和R'、 S' 、 T'的三相自換相脈沖變流器。這兩個自換相脈沖變流器在直流電壓側 為電壓型變換器6的中間電路18供電。
圖6顯示的是本發(fā)明柴油電力驅動系統的第三實施方式的等效電路圖。 這個第三實施方式與圖4所示的柴油電力驅動系統第二實施方式之間的區(qū)別
在于，此處的永磁激勵同步發(fā)電機4為一個具有兩個繞組系統74和76的永 石茲激勵同步發(fā)電機72。繞組系統74的定子側接點78、 80、 82通過斷路器 40可與其中一個自換相脈沖變流器的交流電壓側接點R、 S、 T相連，而第二 定子繞組系統76的定子側接點84、 86和88則可通過其他斷路器90與自換 相脈沖變流器12的另一個自換相脈沖變流器的交流電壓側接點R' 、 S'和 T'相連，所述變流器12是柴油電力驅動系統的電壓型中間電路變換器6的 發(fā)電機側的自換相脈沖變流器。所述電壓型變換器6的發(fā)電機側自換相脈沖 變流器12的其中一個自換相脈沖變流器的交流電壓側接點R、 S和T此外還 可通過開關裝置32與制動電阻34、 36和38導電相連。通過用具有兩個定 子繞組系統74和76的永磁激勵同步發(fā)電機72代替具有一個定子繞組系統 的永》茲同步發(fā)電機4，可省去圖4所示的柴油電力驅動系統實施方式所使用 的六個扼流器66、 68及其布線。但這兩種實施方式在操作上并無區(qū)別。也 就是說，通過這種第三實施方式也可在使用柴油機2的情況下實現像商用車 那樣的發(fā)動機制動。在此情況下， 一部分制動功率由柴油機2耗散，當柴油 電力驅動系統的制動功率保持不變時，借此可相應縮小制動電阻34、 36和 38的尺寸。通過這種方式可相應減小這些制動電阻34、 36和38所需占用的 安裝空間。
權利要求
1. 一種柴油電力驅動系統，包括一個永磁同步發(fā)電機(4)和一個制動電阻(20)；所述永磁同步發(fā)電機在轉子側與一柴油機(2)機械耦合，在定子側與一個電壓型中間電路變換器(6)導電相連，所述電壓型中間電路變換器在發(fā)電機側和負載側分別具有一個自換相脈沖變流器(12，14)，所述自換相脈沖變流器在直流電壓側通過一個直流電壓中間電路(18)彼此相連；所述制動電阻(20)與所述直流電壓中間電路(18)導電相連；其特征在于，所述電壓型中間電路變換器(6)的發(fā)電機側自換相脈沖變流器(12)的每個發(fā)電機側接點(R，S，T)均可通過一開關裝置(32)與一制動電阻(34，36，38)導電相連，所述制動電阻(34，36，38)彼此導電相連。
2. 根據權利要求1所述的柴油電力驅動系統，其特征在于， 所述電壓型中間電路變換器(6)的發(fā)電機側自換相脈沖變流器(12)還具有另 一個自換相脈沖變流器，所述另 一個自換相脈沖變流器在直流電壓 側與所述電壓型中間電路變換器(6)的直流電壓中間電路(18)連接，其 中，所述電壓型中間電路變換器(6)的發(fā)電機側自換相脈沖變流器(12) 的這兩個自換相脈沖變流器在交流電壓側分別與第一和第二扼流器(66,68 ) 的一個接點導電相連；其中，每個第一扼流器(66)的第二接點通過所述開 關裝置(32)與一個制動電阻(34， 36， 38)相連，并通過另一開關裝置(70 ) 與所述永^磁同步發(fā)電機(4)的定子側接點(42， 44, 46 )相連；其中，每 個第二扼流器(68)的第二接點均與所述永磁同步發(fā)電機(4)的一個定子 側才妄點(42， 44, 46 )相連。
3. 根據權利要求1所述的柴油電力驅動系統，包括一個永;茲同步發(fā)電 機(72)，所述永磁同步發(fā)電機具有兩個彼此分離的定子繞組系統(74， 76)， 其特征在于，所述電壓型中間電路變換器(6)的發(fā)電機側自換相脈沖變流器(12) 具有兩個自換相脈沖變流器，所述兩個自換相脈沖變流器在直流電壓側分別與所述電壓型變換器(6)的中間電路(18)導電相連；其中，每一個上述 自換相脈沖變流器的一個交流電壓側接點(R， S， T)分別通過所述開關裝 置(32)與一個制動電阻(34， 36， 38)相連，并且還與所述永^磁同步發(fā)電 機(72)的第一定子繞組系統(74)的定子側接點(78， 80， 82)相連；其 中，所述電壓型中間電路變換器(6)的發(fā)電機側自換相脈沖變流器(12) 的另一個自換相脈沖變流器的每一個交流電壓側接點(R' , S' ， T')，與 所述永磁同步發(fā)電機(72)的第二定子繞組系統(76)的定子側接點(84, 86， 88 )相連。
4. 根據上述權利要求中任一項所述的柴油電力驅動系統，其特征在于， 所述永》茲同步發(fā)電機(4, 72)的每個定子側接點(42， 44， 46; 78，80, 82; 84， 86， 88)后面分別連接有一個斷路器(40, 90 )。
5. 根據權利要求1至3中任一項所述的柴油電力驅動系統，其特征在于，分別設置有一個用作開關裝置(32, 70 )的隔離開關。
6. 根據權利要求1至3中任一項所述的柴油電力驅動系統，其特征在于，分別設置有一個用作開關裝置(32， 70)的晶閘管，所述晶閘管彼此串 聯連接。
7. 根據上述權利要求中任一項所述的柴油電力驅動系統，其特征在于， 所述制動電阻(32， 34， 36)以星形接線法進行電連接。
8. 根據權利要求1至6中任一項所述的柴油電力驅動系統，其特征在于，所述制動電阻(32， 34， 36)彼此串聯電連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種柴油電力驅動系統，其具有永磁同步發(fā)電機(4)和制動電阻(20)，所述永磁同步發(fā)電機在轉子側與柴油機(2)機械耦合，在定子側與電壓型變換器(6)導電相連，所述電壓型變換器在發(fā)電機側和負載側分別具有一個自換相脈沖變流器(12，14)，所述自換相脈沖變流器在直流電壓側通過直流電壓中間電路(18)彼此相連，所述制動電阻(20)可與所述直流電壓中間電路(18)導電相連。根據本發(fā)明，所述電壓型變換器(6)的發(fā)電機側自換相變流器(12)的每個發(fā)電機側接點(R，S，T)均可通過開關裝置(32)與一個制動電阻(34，36，38)導電相連，所述制動電阻彼此導電相連。借此獲得一種無需再使用附加制動調節(jié)器的柴油電力驅動系統。
文檔編號B60L7/06GK101395029SQ200780008111
公開日2009年3月25日 申請日期2007年1月17日 優(yōu)先權日2006年3月7日
發(fā)明者奧拉夫·柯納, 安德烈亞斯·富克斯 申請人:西門子公司