[发明专利]对电源电压进行变换的多电平变换器及方法

说明书

技术领域

本发明涉及电功率变换器领域，特别涉及用于铁路牵引应用的多电平变换器。它与权利要求1前序部分所述的多电平变换器不同。

背景技术

电气铁路车辆，例如由交流(AC)电源线供电的机车或轨道客车，使用牵引变压器和AC/DC变换器来将电源线的高电压(15千伏或25千伏)转换成几千伏的直流(DC)传输线(link)电压，并确保高电压和牵引电路之间的电隔离。处于DC传输线电压的DC传输线或总线为驱动或电动变换器供电，以用于车辆的牵引或推动，而且给辅助变换器供电以用于辅助能量供给。在欧洲专利EP597409B1中，若干四象限致动器中的每个致动器都连接到牵引变压器的相应次级绕组上，牵引变压器的初级绕组并联连接，并可以连接到电源线和轨道上。在一个实施例中，两对初级绕组和次级绕组中的每一对都分别同轴地围绕第一和第二变压器铁心柱(limb)而设置。两个柱依次在几何结构上并联布置，它们的相应端部通过两个磁轭(yoke)磁性地耦合，两个磁轭构成矩形形状的变压器铁心。在两个磁轭之间提供了返回柱(return limb)，其可以吸收在两个次级绕组中由DC电流产生的磁通量之和。

在现代铁路车辆的理念中，牵引变压器通常位于车辆主壳的外部，即在地板下或在车顶。但是在这些地方，标称频率为16.7Hz或50Hz的常规变压器由于本身重量高和体积大会引起集成问题。因此，可替代的交流供电系统的目标在于，采用基于半导体技术的附加电力变换器结合在更高频率下工作的更小更轻的变压器，来替代上述常规变压器的供电系统。以半导体器件中发生开关损耗为代价，可以减少变压器的质量和体积以及在变压器中的总(即铜和磁)损耗，由此就可以更有效地利用来自电源线的电功率。

在专利申请EP-A 1226994中，提出了一种用于铁路车辆的中频供电系统，其包括用于高输入交流电压和直流输出电压的双向变换的传统变换器拓扑。这种系统包括初级变换器、一个单独的公共变压器以及单个次级变换器，初级变换器由串联电连接的至少三个级联变换器模块或部件组成。每个级联模块依次由四象限变换器、3.6kV直流中间级和谐振变换器构成。次级或输出变换器为谐振开关四象限变换器，用于为车辆的1.65kV DC传输线供电。全部开关元件均为带有自适应栅极驱动器技术的高级6.5kV绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

不经过直流中间能量存储级，从电源线频率变换到变压器频率可以由直流AC频率变换器(也可称为循环换流器)直接完成。例如，DE2614445公开一种整流器，通过在中频/高频工作的变压器将低频交流电压转换为直流电压，所述整流器在变压器的AC侧包括受外部控制、单相的桥循环换流器。后者包括在电源线低频和变压器中频/高频之间的单个变换级。

在US5182535中，公开了一种用于星形-三角形变换器的求和变压器，其在次级支腿具有共用磁通路线。EP1113570描述了一种由模块化变压器单元构成的变压器配置，用于给多电平功率变换器提供可伸缩的变压器输出。

发明内容

本发明的目的是减少包括有变压器配置的多电平变换器的重量。这个目的是通过根据权利要求1和7的多电平变换器和电源电压转换方法达到的。其它优选实施例可以从从属权利要求中明显得到。

在根据本发明的多电平变换器中，与至少两个变换器级相关联的至少两个单个变压器单元共用通用或联合变压器铁心，该变压器铁心包括至少一个返回柱。该变压器铁心是至少两个封闭磁路(magnetic flux path)或回路的一部分，磁路或回路仅仅横穿或穿过相应变压器单元的初级和次级绕组，即，所述至少两个封闭磁路在至少一个返回柱上重叠。由于重量轻体积小，这种多级功率变换器优选用作多级AC-DC变换器，将AC电源线的单相、行频AC电源电压转换成铁路牵引用DC传输线的DC传输线电压。

在根据本发明的多级变换器的优选变压器配置中，四个单相电力变压器单元的单个变压器铁心结构或拓扑配置合成包括至少一个返回柱的一个共用变压器铁心。该共用变压器铁心是至少两个单个变压器单元的至少两个封闭磁路或回路的一部分，即，所述至少两个封闭磁路在返回柱上重叠。在单个变压器单元之间的共用返回柱与每个变压器单元的单个变压器铁心结构相比，显然有助于减少体积和重量。