基于逆變器的頭端電力系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開一般地涉及機(jī)車，更具體地說(shuō)，涉及用于機(jī)車的頭端電力系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]貨運(yùn)火車和客運(yùn)火車通常包括向火車提供動(dòng)力的機(jī)車。沒有它自己的額定載重量，機(jī)車的唯一目的是使火車沿著軌道移動(dòng)。通常，機(jī)車可以使用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主電源，例如主發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)。將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，主電源向牽引電動(dòng)機(jī)提供電力以便驅(qū)動(dòng)機(jī)車的車輪。牽引電動(dòng)機(jī)沿著軌道推動(dòng)火車。
[0003]與貨運(yùn)車廂不同，火車的客運(yùn)車廂需要電力以便用于與驅(qū)動(dòng)或移動(dòng)無(wú)關(guān)的各種應(yīng)用。例如，客運(yùn)車廂可能需要電力以便供熱、制冷、環(huán)境照明以及使電源插座通電。為了向客運(yùn)車廂提供電力，客運(yùn)火車的機(jī)車還包括頭端電力(HEP)系統(tǒng)。
[0004]頭端電力(HEP)系統(tǒng)是客運(yùn)火車上的配電系統(tǒng)。通常，HEP系統(tǒng)包括HEP發(fā)電機(jī)，其是除了機(jī)車的主電源之外的單獨(dú)發(fā)電機(jī)。HEP發(fā)電機(jī)可以是由機(jī)車發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的寄生發(fā)電機(jī)，或者是獨(dú)立于主機(jī)車發(fā)動(dòng)機(jī)操作的較小發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)。
[0005]如果HEP發(fā)電機(jī)是寄生發(fā)電機(jī)，則機(jī)車的主發(fā)動(dòng)機(jī)可能必須保持較高的電力輸出和燃料消耗。如果HEP發(fā)電機(jī)獨(dú)立于主發(fā)動(dòng)機(jī)操作，則單獨(dú)系統(tǒng)的使用可以轉(zhuǎn)化為較高的維護(hù)成本。此外，兩種類型的HEP發(fā)電機(jī)都產(chǎn)生不希望的噪聲級(jí)別并且需要額外的燃料消耗，這導(dǎo)致排放物增加。
[0006]在標(biāo)題為“Systemfor Multiple Inverter-Driven Loads (用于多逆變器驅(qū)動(dòng)的負(fù)載的系統(tǒng))”的第2014/0139016 Al號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)公開中披露一種用于控制多逆變器驅(qū)動(dòng)的負(fù)載的系統(tǒng)和方法。2014/0139016公開描述一種車輛，其具有為牽引總線供電的第一交流發(fā)電機(jī)以及為HEP電路供電的第二交流發(fā)電機(jī)。所述車輛還包括耦合到第二交流發(fā)電機(jī)的逆變器，以及耦合到逆變器的多個(gè)負(fù)載。盡管有效，但2014/0139016車輛仍然需要第二交流發(fā)電機(jī)以便為HEP供電。需要改進(jìn)HEP系統(tǒng)以便降低噪聲級(jí)別、燃料消耗和排放水平。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，公開一種用于機(jī)車的頭端電力(HEP)系統(tǒng)。所述HEP系統(tǒng)可以包括第一 HEP逆變器模塊和第二 HEP逆變器模塊，所述第一 HEP逆變器模塊在操作上連接在直流(DC)鏈路與變壓器之間，所述第二 HEP逆變器模塊在操作上連接在所述DC鏈路與所述變壓器之間并且與所述第一 HEP逆變器模塊并聯(lián)。所述第一 HEP逆變器模塊和所述第二 HEP逆變器模塊可以被配置為將來(lái)自所述DC鏈路的電力轉(zhuǎn)換為交流電(AC)。所述變壓器可以被配置為將來(lái)自所述第一 HEP逆變器模塊和所述第二 HEP逆變器模塊的電力傳輸?shù)紿EP總線。
[0008]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，公開一種機(jī)車。所述機(jī)車可以包括:電源；牽引系統(tǒng)，其在操作上連接到所述電源并且被配置移動(dòng)所述機(jī)車；輔助電力機(jī)車(APL)系統(tǒng)，其在操作上連接到所述電源并且被配置為向所述機(jī)車的輔助負(fù)載提供電力；以及頭端電力(HEP)系統(tǒng)，其在操作上連接到所述電源并且被配置為通過(guò)HEP總線向所述機(jī)車的客運(yùn)車廂提供電力。所述HEP系統(tǒng)可以包括:變壓器，其包括第一初級(jí)繞組和第二初級(jí)繞組，所述變壓器被配置為將電力傳輸?shù)剿鯤EP總線；第一 HEP逆變器模塊，其在操作上連接在直流(DC)鏈路與所述變壓器的所述第一初級(jí)繞組之間；以及第二 HEP逆變器模塊，其在操作上連接在所述DC鏈路與所述變壓器的所述第二初級(jí)繞組之間，所述第二 HEP逆變器模塊與所述第一 HEP逆變器模塊并聯(lián)，所述第一 HEP逆變器模塊和所述第二 HEP逆變器模塊被配置為將來(lái)自所述DC鏈路的電力轉(zhuǎn)換為用于所述HEP總線的交流電(AC)。
[0009]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，公開一種用于提供機(jī)車中的頭端電力(HEP)的方法。所述方法可以包括在直流(DC)鏈路與變壓器之間并聯(lián)的第一 HEP逆變器模塊和第二 HEP逆變器模塊上分配HEP負(fù)載。
[0010]當(dāng)結(jié)合附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，這些和其它方面和特性將變得更顯而易見。此夕卜，盡管針對(duì)特定示例性實(shí)施例公開了各種特性，但應(yīng)理解，各種特性可以彼此組合，或單獨(dú)使用，與任何各種示例性實(shí)施例組合而不偏離本公開的范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0011 ] 圖1是根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的車輛的簡(jiǎn)圖；
[0012]圖2.1-2.3是用于圖1的車輛的電力系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖；
[0013]圖3是用于圖1的車輛的頭端電力(HEP)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖；
[0014]圖4是圖3的HEP系統(tǒng)的示意性表示；
[0015]圖5是用于圖3的HEP系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖；
[0016]圖6是圖5的控制系統(tǒng)的不意性表不；
[0017]圖7是圖3中的HEP系統(tǒng)的HEP變壓器的輸出電壓和電流波形的圖；
[0018]圖8是用于圖5的控制系統(tǒng)的所生成的控制波形的圖；
[0019]圖9是根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的在九脈沖模式下的正弦-三角形脈沖寬度調(diào)制(PWM)的操作區(qū)域的圖；
[0020]圖10是根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的用于圖5的控制系統(tǒng)的在九脈沖模式下使用三階諧波注入的正弦-三角形PWM的操作區(qū)域的圖；
[0021]圖11是示出圖5的控制系統(tǒng)的電壓總諧波失真與載波波形相移之間的關(guān)系的仿真結(jié)果的圖；
[0022]圖12是圖3的HEP系統(tǒng)的主模式的示意性表示；
[0023]圖13是圖3的HEP系統(tǒng)的后備t旲式的不意性表不；以及
[0024]圖14是示出根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的用于提供機(jī)車中的頭端電力(HEP)的過(guò)程的流程圖。
[0025]盡管本公開容許包括各種修改和備選結(jié)構(gòu)，但將在下面詳細(xì)示出和描述本公開的某些示例性實(shí)施例。本公開并不限于披露的特定實(shí)施例，而是包括這些實(shí)施例的所有修改、備選結(jié)構(gòu)和等效物。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本公開提供一種用于提供機(jī)車中的頭端電力(HEP)的基于逆變器的系統(tǒng)和方法。所述HEP系統(tǒng)和方法提供至少兩個(gè)逆變器模塊，它們?cè)谥绷?DC)鏈路與變壓器之間并聯(lián)。所述HEP系統(tǒng)和方法的變壓器允許逆變器模塊并聯(lián)，同時(shí)在HEP總線上生成單個(gè)輸出。所述HEP總線然后向HEP系統(tǒng)的各種負(fù)載輸送必需的電力。此外，主電源或主交流發(fā)電機(jī)/發(fā)電機(jī)提供到并聯(lián)逆變器模塊的DC鏈路輸入。這樣，所公開的系統(tǒng)和方法不需要單獨(dú)的HEP發(fā)電機(jī)。通過(guò)消除第二發(fā)電機(jī)，基于逆變器的HEP系統(tǒng)和方法顯著降低機(jī)車中的噪聲級(jí)別、燃料消耗和排放水平，同時(shí)仍然向客運(yùn)火車車廂提供必需的HEP。
[0027]現(xiàn)在將詳細(xì)參考特定實(shí)施例或特性，它們的實(shí)例在附圖中示出。通常，將在所有附圖中使用對(duì)應(yīng)的參考標(biāo)號(hào)以指相同或?qū)?yīng)的部分。
[0028]圖1示出符合本公開的某些實(shí)施例的車輛20。盡管車輛20被示為鐵路運(yùn)輸車輛，但車輛20可以是用于執(zhí)行與特定產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)的涉及物理移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)操作的任何類型車輛或機(jī)器，特定產(chǎn)業(yè)例如包括但不限于運(yùn)輸、采礦、建筑、環(huán)境美化、林業(yè)、農(nóng)業(yè)等。
[0029]用于商業(yè)和工業(yè)目的的車輛和機(jī)器的非限制性實(shí)例包括火車、柴油電力機(jī)車、柴油機(jī)械機(jī)車、采礦車輛、公路用車輛、運(yùn)土車輛、裝載機(jī)、挖掘機(jī)、推土機(jī)、自動(dòng)平地機(jī)、拖拉機(jī)、卡車、挖溝機(jī)、農(nóng)業(yè)設(shè)備、材料裝卸設(shè)備、船舶，以及在工作環(huán)境中操作的其它類型。將理解，示出車輛20主要用于示例性目的以便有助于公開各種實(shí)施例的特性，并且圖1未示出車輛的所有組件。
[0030]車輛20可以包括機(jī)車22，其耦合到至少一個(gè)有軌車24。車輛20可以沿著路線26行駛，例如沿著軌道的一個(gè)或多個(gè)鐵軌行駛。有軌車24可以是用于承載旅客、貨物或其它負(fù)載的客運(yùn)車廂或貨運(yùn)車廂。機(jī)車22可以包括發(fā)動(dòng)機(jī)28或其它動(dòng)力源和電力系統(tǒng)30。發(fā)動(dòng)機(jī)28可以是電力、柴油、蒸汽、氫氣、燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)、混合動(dòng)力或其它類型，用于產(chǎn)生能量以便驅(qū)動(dòng)車輛20。電力系統(tǒng)30可以被配置為將電力分配給驅(qū)動(dòng)和非驅(qū)動(dòng)電力負(fù)載。
[0031]現(xiàn)在參考圖2.1-2.3，并且繼續(xù)參考圖1，示出根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的電力系統(tǒng)30的簡(jiǎn)圖。電力系統(tǒng)30可以包括交流發(fā)電機(jī)32，其在操作上耦合到發(fā)動(dòng)機(jī)28。交流發(fā)電機(jī)32可以將由發(fā)動(dòng)機(jī)28產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為交流電(AC)形式的電能。但是，可以使用交流發(fā)電機(jī)32之外的其它類型的發(fā)電機(jī)。在交流發(fā)電機(jī)32的輸出端處，第一整流器34和第二整流器36可以將AC轉(zhuǎn)換為分別在第一 DC鏈路38和第二 DC鏈路40上傳送的直流電(DC)。在一個(gè)實(shí)例中，交流發(fā)電機(jī)32可以被配置為基于發(fā)動(dòng)機(jī)28的為100rpm的旋轉(zhuǎn)速度，在第一 DC鏈路38和第二 DC鏈路40中的每一個(gè)上提供為2000V的最小電壓。但是，當(dāng)然可以使用其它配置。
[0032]電力系統(tǒng)30可以還包括牽引系統(tǒng)42、輔助電力機(jī)車(APL)系統(tǒng)44、動(dòng)態(tài)制動(dòng)(DB)柵極(grid)斬波器系統(tǒng)46以及頭端電力(HEP)系統(tǒng)48。牽引系統(tǒng)42可以被配置為沿著路線26移動(dòng)機(jī)車22并且驅(qū)動(dòng)車輛20。例如，第一 DC鏈路38可以將DC傳送到牽引系統(tǒng)42。牽引系統(tǒng)42可以包括牽引逆變器模塊50以便將DC轉(zhuǎn)換為用于牽引電動(dòng)機(jī)52的AC，牽引電動(dòng)機(jī)52被配置為驅(qū)動(dòng)機(jī)車22的車輪54(圖1)。盡管在圖2.1中牽引系統(tǒng)42包括四個(gè)牽引逆變器模塊50和四個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)52，每個(gè)個(gè)體牽引電動(dòng)機(jī)52具有一個(gè)牽引逆變器模塊50，但將理解，其它配置當(dāng)然是可能的。
[0033]APL系統(tǒng)44可以被配置為向機(jī)車22上的輔助負(fù)載56提供電力。機(jī)車上輔助負(fù)載56的非限制