多系统驱动车的变压器和馈送电路 【技术领域】
本发明涉及多系统驱动车领域。它涉及一种如在专利权利要求1前序部分所述的变压器、一种制造所述变压器的方法、以及一种如在专利权利要求7前序部分所述的馈送电路。
背景技术
多系统驱动车用于这样一些情况中：其中，在旅行期间，系统电压与/或系统频率是变化的。在欧洲大陆，特别是，25kV/50Hz或15kV/16.7Hz交流电压系统与3kV或1.5kV直流电压馈电网共存。在交流运行期间，通过一个变压器把接触线电压变换到所希望的值，并把其馈送到一个频率转换器或一个四象限调节器。所述四象限调节器反过来提供一个直流电压中间电路，以此为出发点，由一个负载转换器或一个脉冲调制三相交流逆变器控制驱动电机。在直流运行期间，把接触线直流电压直接或经升压转换器或降压转换器馈送到中间电路。上述的转换器和电源控制器包括基于半导体的切换元件，所述切换元件在特定的时钟周期被驱动，并从馈电网中获取脉冲形状的电流。为了防止在接触线电流中和连接导轨的车的导轨返回线电流中这些切换操作导致过高的切换干扰或振荡，通常在直流运行期间提供包括平滑线圈和平滑电容器的平滑滤波器。将所述电网滤波器扼流圈作为集电器和转换器或控制器之间的平滑线圈接入。在这种情况下，根据所产生的干扰振荡与电网侧所允许的干扰电流来确定电网滤波器扼流圈的量值，即它地电感。通常，把所述的电网滤波器扼流圈作为一个具有相应重量和空间要求的独立单元加以提供。
EP 1 052 136 A描述了一种针对具有一个附加扼流圈的多系统驱动车的馈送电路。该附加扼流圈既用作在直流运行期间的电网滤波器扼流圈，也用作交流运行期间与变压器次级绕阻串联的漏电感，在交流运行期间使用附加扼流圈避免了馈电网络的干扰或短路，并使变压器本身具有较低的泄漏损耗，从而使其更为紧凑。
专利DE 38 17 652 C2公开了一种多系统驱动车，其中，在交流运行期间，在输入端，把一个四象限调节器连接于主变压器的一个次级绕组，并在输出端，连接于一个包括共振电路扼流圈和共振电路电容器的串联共振电路。发明人建议，在直流运行期间，把共振电路用作一个输入滤波器，即把共振电路扼流圈用作一个电网滤波器扼流圈。与此同时，通过相关主绕组的短路，把变压器的次级绕组用作针对直流电压控制器的电源控制器扼流圈。在升压充电之后，使用这些电源控制器扼流圈，并且在电网制动期间的反馈操作中，所述电源控制器扼流圈作为纵向电感具有重要意义。
EP 0 993 007 A公开了一种车用移动变压器，其中具有同心地围绕主绕组的次级绕组，并包括各绕组之间的冷却通道。
【发明内容】
本发明的目标在于节省多系统驱动车的空间与重量。可通过具有权利要求1特性的变压器，以及具有权利要求7特性的针对多系统驱动车的馈送电路。
本发明的核心是允许通过牵引变压器的一个或多个次级绕组至少部分地在直流运行期间执行电网滤波器扼流圈的功能。因此，省去一个对提供切换干扰进行有效平滑所需的电网滤波器电感的独立的电网滤波器扼流圈是可行的。以这样的方式配置相关的次级绕组，即：其总体电感基本上贡献于所需的电网滤波器电感，特别是，如果由于一个流动在次级绕组中的馈送直流电流使变压器的芯饱和，因而次级绕组作为空气空气线圈。
根据本发明的变压器的特征在于：径向观察时，相对于主绕组，同心地缠绕了第一相关的次级绕组，并作为一个外部绕组。因此，使得该第一次级绕组所形成的芯的横截面最大，因而也使其电感最大，而且没有交流运行不必要的漏电感产生。
如果提供有第二次级绕组，因为，例如，也配置了第二馈送交流电压的驱动车，那么把该第二次级绕组缠绕到第一次级绕组上，并把第二次级绕组与其串联连接。在直流运行期间，由于第二次级绕组的附加匝数，该串联连接反过来进一步增加了电感。
如果在直流运行期间变压器饱和，那么变压器芯不再能对磁场完全地加以导向，以至于出现较多的漏磁场，特别是沿变压器的轴向。根据相应的最新法规与/或国家标准(例如VDE 0848，第4 A3章；OVE1119；NISV 814.710)，为了保护人和电气设备，这样的漏磁场，在1.5m的距离内，最高仅达300μT(16.7Hz)、100μT(50Hz)、以及1mT(直流)的场强是可接受的。在目前情况中，出于这一原因，所需的并且由高磁导率材料组成的磁屏敝与变压器外壳完全一致是有益的，后者也适合于由钢制造。
在根据本发明的用于制造变压器的一种方法中，除了其它的边界条件外，在次级绕组的尺寸方面，也考虑到所需的电网滤波器电感。将导体匝的排列和顺序以及次级绕组的导体横截面，相对于直流运行期间流经它们的馈送直流进行优化。
根据该方法的一个有益的实施方案，把变压器外壳用作磁屏敝，并对所述外壳进行布置使得：在外壳之外，馈送直流所产生的磁场不超过限制值。
在一个根据本发明的针对直流运行的馈送电路中，把以上所述的次级绕组与一个集电器串联连接，并部分地贡献于电网滤波器电感。较佳的做法是令馈送直流使变压器芯完全饱和，以至于与不饱和的情况相比，虽然减少了电感，但是实现了对应于一个具有相同几何尺度的空气线圈的恒定电感。
如果变压器包括多个绕组对，或如果每绕组对设置有可以被独立地连接于电路中的若干次级绕组，或如果额外有辅助绕组，那么可将所有可用的绕组电感任意组合，以便获得一个特定的、对于上述直流运行所需的电网滤波器电感。如果可以使用两个不同的馈送直流电压，那么可以特别考虑专门基于次级绕组的两个组合的可能性。另外的有益的实施方案由附属权利要求提出。
【附图说明】
以下将结合附图并参照实施方案更详细地解释本发明。在这些附图中：
图1是针对多系统驱动车的三种可能的馈送电路的示意图；
图2描述了根据本发明的一个牵引变压器；
图3描述了取决于线圈电流的一个次级绕组的电感；以及
图4描述了在交流运行期间和直流运行期间变压器绕组的三种可能的连接。
把附图中所使用的参照符号组合于参照符号列表中，在所有的图中将以相同的参照符号指示相同的部件。
【具体实施方式】
图1说明了针对多系统驱动车的馈送电路，以及包括接触线11和导轨12的馈电网1。在单相位交流运行期间(图1a)，把牵引变压器3的主绕组31经集电器2连接于接触线11，并经轮子连接于导轨12。在次级侧，把牵引变压器3连接于提供了具有中间电路电容器5的直流电压中间电路的四象限调节器4，并保持中间电路电压UZ，例如2.8kV。负载转换器6控制驱动车的驱动器7。在直流运行期间(图1b)，经集电器2把电网滤波器扼流圈8连接于接触线11，并经平滑电容器9连接于导轨12。把直流电压控制器10并联地与平滑电容器9相连，上述的直流电压控制器10提升或降低过大偏离中间电路电压UZ的馈送直流电压UDC，(例如1.5kV)，即，作为一个升压或降压控制器进行工作。如果馈送直流电压UDC和中间电路电压UZ大体上是相同的，那么也可以把电网滤波器扼流圈8直接连接于中间电路(图1c)。
图2是根据本发明的一个牵引变压器3的示意图。变压器芯34在变压器外壳33中，围绕变压器芯34的是四对绕组，每一个绕组对包括一个主绕组和一或多个相关联的牵引次级绕组。分别根据馈送交流电压选择主绕组的相互连接。在具体的四象限调节器中，两对绕组总是一起馈送中间电路。把一个绕组对部分地加以显示，从内向外可以看到不同的绕组，每一个由绝缘层加以分隔：针对辅助运行的辅助线圈35、主绕组或高压绕组31和次级绕组或低压绕组32。变压器外壳33用钢制造，以屏蔽漏磁场。出于这一原因，除了在变压器的内部以及附加独立磁屏蔽外，不大适合采用不绣钢或铝制造外壳。考虑相当大的垂直于变压器的轴的漏磁场强度，与所示的同心层绕组相比不太适合采用层状绕组(交替的扁平绕组)。
图3中示意性地显示了一个次级线圈的电感的分布。在线圈电流LDC具有非常小的情况下，这一电感是高的，但从某一饱和线圈电流开始，变压器芯完全饱和，次级线圈的电感LS呈现常数值LDC。这一电感反抗转换器中切换操作所产生的电流波动。
最后，图4示意性地描述了根据本发明变压器的两对绕组。从图4a中可以明显地看出，两对绕组的主绕组31、31′并联地连接在那里。但在其它的情况中，也可以把它们串联地连接，或把它们组合，以形成一个单一的主绕组，即提供于一个主绕组31、31′的交流电压可以，但不必等于馈电网的馈送电压。在次级侧，设置有第一次级绕组321、321′和第二次级绕组322、322′。在交流运行期间(图4a)，在50Hz仅使用第一次级绕组321、321′，即分别在接线端2U1和2V1(50Hz)或2U2和2V2(50Hz)拾取(abgreifen)次级电压。在16.7Hz的电网频率下两个次级绕组321、322把每一个绕组对的321′、322′串联连接，并使用接线端2U1和2V1(16.7Hz)或接线端2U2和2V2(16.7Hz)。在3kV(图4b，不再说明主绕组)馈送电压的直流运行期间，把两对绕组的两个次级绕组串联地连接。因而可以在接线端X11和X12之间获得一个最大电网滤波器电感。在1.5kV的馈送直流电压情况下(图4c，再次仅说明次级侧)，在一个绕组对中串联连接的次级绕组的并联连接321、321′；322、322′形成电感。未示出并配置在变压器之外的切换器允许在两个直流配置之间进行简单切换。
对于3kV的馈送直流电压，电网滤波器电感LF的所需的值是10～30mH，对于1.5kV的馈送直流电压，为3～25mH。通过两个或两个以上的上述的次级绕组的合适的串联和/或并联的连接，也可能同时需要考虑另外的绕组，例如辅助次级线圈，可得到的6～40mH的电感，因此可获得LF的所需的值。如果需要的话，通过添加可以提供一个附加的线圈，而且不在交流运行期间使用，从而仅拥有一个LF的几分之一的电感。在0.8～8MVA的直流电源电平的情况下，整个馈送直流电流为500A或500A以上。即使当存在两个次级绕组(图4c)的并联连接时，线圈电流IDC也基本上位于单个次级绕组的饱和线圈电流之上。
应该加以注意的是，可以针对切换操作的特定时钟频率配置电网滤波器电感LF，因此，也可以抑制进一步的谐振，并可设置具有合适扼流线圈的另外的滤波器。因为这些无一例外地均以上述的时钟频率的倍数运行，对其电感的要求当然是较低的，因此可知它们的体积不象一个独立的电网滤波器扼流圈的体积那样大。
用于制造或配置合适牵引变压器的方法，所述方法首先要预先规定所要求的电网滤波器电感LF，这是在可接受的损耗并且重量最小变压器的边界条件进行的。一个等价的变通边界条件是，对具体的变压器体积的预先规定，确定需要多少和需要哪一个变压器次级绕组，以及根据这一考虑，确定如何排列绕组和如何选择它们的导体横截面。然后，较佳的做法是，通过数值模拟，即利用直流情况下对所预期的馈送直流电流强度和磁场的了解，确定最外绕组和变压器外壳之间的距离。
附图标记清单
1馈电网
11接触线
12导轨
2集电器
3变压器
31、31′主绕组
32、32′次级绕组
33变压器外壳
34变压器芯
35辅助次级绕组
4转换器、四象限调节器
5中间电路电容器
6负载转换器
7驱动器
8电网滤波器扼流圈
9平滑电容器
10直流电压控制器
UZ中间电路电压
LF电网滤波器电感
LS次级线圈电感