專利名稱：牽引變壓器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種牽引變壓器，并尤其涉及用于自耦變壓器結構中的這種牽引變壓器的濾波器繞組的結構。
背景技術：
運行在交變電流(AC)供電的現代鐵路牽引車輛經常使用脈沖的四象限變換器(4QC)作為線路側牽引變換器，以在車輛的中間電路中將輸入的AC供電變換成DC電壓。然而4QC的使用可能產生從車輛到電源不想要的干擾的傳播。該干擾是由4QC內部元件的切換產生的，并存在作為在4QC的切換頻率及其倍數上的諧振信號。在挪威，特隆赫姆市，1997年9月8-10日的第7期Europence Conference on Power Electronics and Applications上發表的Runge的題目為“Control of Line Harnons Due to Four-Quadrant-Converter in AC Tractive Stockby means of Filter and Transformer”的文章中詳細地描述了這種諧波的影響和控制，其內容在這里全部引作參考。
過去以不同的方式已經獲得了將供電網和鋼軌中切換產生的AC分量限制到可接受的水平或者是線路和4QC之間的變壓器必須具有相當大的短路電感；或者必須將濾波器安裝到變壓器的初級側，以保護它免受干擾(參見，例如德國Bahn機車BR120和ICE驅動單元BR401，402)；或者可替換地，干擾濾波器可以連接到變壓器的特殊濾波器繞組(參見，例如德國Bahn機車BR101、145、185)。為了濾除干擾，濾波器繞組方案允許使用部分變壓器的短路電感。然后可以將濾波器繞組放置在初級和次級(牽引)繞組之間。最廣泛使用的結構是作為分層繞組的初級、濾波器和牽引繞組的同軸布置。
經常地，變壓器通過相應數量的牽引繞組饋送幾個4QC，例如兩個但是大多數情況下是四個。4QC的切換是交錯的，使得在供電網內它們的低頻諧波在很大程度上彼此抵消。為了確保在多個電路中短路電感的適當去耦，每個牽引繞組具有分配給它的一分開的初級繞組。所有的初級繞組和相關的串聯的濾波器繞組并聯布置。應當注意的是，并聯的濾波器繞組的布置將不是一任選方案的，因為用于限制4QC電路中的諧波含量所需的變壓器的大部分去耦短路電路電感將被旁路。
濾波器繞組可替換地需要使用更復雜和昂貴的變壓器。根據歐洲專利申請EP0763833A(Runge)，其內容在這里全部引作參考，通過使用和牽引繞組相對的初級繞組的最低層或者最低若干層(根據電壓)作為自耦變壓器結構中的濾波器繞組，可以部分地避免增加的復雜性和費用。這里，復雜性和費用唯一增加的是提供用于每個初級繞組的濾波器抽出點。將存在與牽引和初級繞組一樣多的濾波器抽出點的需要。再一次，與上述分開的濾波器繞組并聯布置相同的理由，并聯布置濾波器繞組并通過單個濾波器連接它們將是不可能。
為了實現濾波器繞組的有效連接，對于濾波器一種可能是連接到每個抽出點，由此濾波器影響包括低頻諧波的4QC的所有諧波，它們基本上在供電網內部彼此抵消。高性能的濾波器降低了4QC電路內部的阻抗，并增加了要在4QC內部處理的電流，由此導致了濾波器內部不必要的高消耗。因此，具有在每個濾波器抽出點放置的濾波器的方案更適用于低性能濾波器，一種應用為在德國Bahn機車電機單元BR423中的自動頻率濾波器，用于降低9kHz或以上的干擾電流。在該說明書中，應當注意的是，高性能濾波器是主要影響1Khz左右的噪聲(psophometric)范圍的濾波器，并具有較高的功耗。設計低性能濾波器以減弱例如高于5Khz的音頻范圍信號，在該音頻范圍，噪聲的加權系數非常低。
一種替換的可能是借助于分流扼流圈聚集這些濾波器抽出點來形成用于濾波器的單個連接點。對于具有兩個牽引和初級繞組的變壓器，一個扼流圈足夠了，其可以和濾波器內部的電感組合在一起。如果存在四個繞組和抽出點，那么將需要三個扼流圈來產生一個濾波器連接點。產生的復雜性和附加的費用吸收了不使用一分開的濾波器繞組構成的任何節約。
發明內容
如果舍棄掉在很多不同牽引繞組之間短路電感的完全去耦的目的，可以串聯布置將被用作濾波器節約器繞組(filter saver winding)的初級繞組的那些部分。為實現此，根據本發明，提供了一種牽引變壓器，包括第一和第二初級繞組，每個初級繞組包括濾波器部分和主部分，每個初級繞組的主部分并聯連接在中間點和高電壓輸入端之間，每個初級繞組的濾波器部分串聯連接在中間點和低電壓輸入端之間。
根據變壓器結構的一優選實施例，牽引變壓器還包括第一和第二牽引繞組，以及第一和第二鐵芯柱，一初級繞組和相應的牽引繞組被布置在各個鐵芯柱上。在這種結構中理想的是，在每個鐵芯上的濾波器部分位于主部分和牽引繞組之間，由此增加了牽引繞組之間的泄漏通道和短路電感。
根據一替換實施例，第一和第二初級繞組可以安裝在單個鐵芯柱上，以及牽引變壓器還可以包括安裝在該鐵芯柱上的第一和第二牽引繞組，每個初級繞組相對于相應的牽引繞組被布置。可以在M芯型變壓器中設置這種結構，并還可以另外包括布置在鐵芯的中心柱上的初級和對應次級繞組。
優選地，以一系列層纏繞初級繞組，以及濾波器部分占用全部數量的層并可以有效地夾在主部分和牽引繞組之間。由于濾波器部分是串聯布置的，所以它們必須設計成接收在部分電壓上的全部的初級電流。被并聯布置的這些主部分只需對總初級電流的一半被定級(rated)。這可以通過為濾波器部分提供較厚的規格(gauge)繞組來實現。可替換地，在濾波器部分中的導線或者導體可以是成對的，以提供具有半匝數的規格的兩倍。
根據本發明的優選實施例，濾波器可以連接在中間點和較低電壓電平之間。優選地，該濾波器是高性能的濾波器，使得其中連接牽引變壓器，以給AC-DC變換器供電，該濾波器可有效去除變換器的共模的較高諧振。
本發明還涉及一種在第一變壓器部分和第二變壓器部分之間將牽引變壓器的短路電感增加到差模電流振蕩的方法，第一變壓器部分包括第一初級繞組和向第一變換器供電的第一牽引繞組，第二變壓器部分包括第二初級繞組和向第二變換器供電的第二牽引繞組。根據本發明的方法包括將第一和第二初級繞組劃分成濾波器部分和主部分，在中間點和較低電壓電平之間串聯連接第一和第二初級繞組的第一部分；及在中間點和高電壓電平之間并聯連接第一和第二初級繞組的主部分。
根據該方法的優選實施例，濾波器可以連接在中間位置和較低電壓電平之間。濾波器特性可以與牽引變壓器和變換器的預期操作條件相匹配以減少在高低電壓電平之間的初級電流中由變換器產生的共模諧振。
現在將參考附圖，借助于實例，描述本發明的實施例，其中
圖1是具有分開的濾波器繞組的常規變壓器的繞組布局的示意圖；圖2是用于圖1的變壓器的等效電路圖；圖3是在自耦變壓器結構和兩個濾波器分支中具有濾波器繞組的變壓器的繞組布局的示意圖；圖4是用于圖3的變壓器的等效電路；圖5是在根據本發明的自耦變壓器結構中具有串聯連接的濾波器繞組的變壓器的繞組布局的示意圖；圖6是用于圖5的變壓器的等效電路；以及圖7是在根據本發明的自耦變壓器結構中具有三個牽引繞組和三個串聯連接的濾波器繞組的繞組布局的示意圖。
具體實施例方式
圖1描述了用于傳統牽引變壓器的繞組布局，該變壓器包括一對鐵芯柱1，2，各鐵芯柱分別用一對初級繞組11、12，一對牽引繞組21、22和一對設置在初級繞組11、12和牽引繞組21、22之間的濾波器繞組31、32纏繞。初級繞組11、12并聯設置在初級電壓兩端，然而濾波器繞組31、32串聯連接。高性能的濾波器40連接在濾波器繞組的輸出端。
圖2描述了如圖1所述的具有常規分開的濾波器繞組的變壓器的等效電路(EC)。為了直觀的目的，這里只描述變壓器的電感。例如，用電源U0和線阻抗Z0表示15kV，16.7Hz的供電網。EC的所有元件涉及公共電壓電平，最有利地涉及電源電壓。用它們的切換的變換器電壓US1和US2表示兩個4QC，使用它們的繞組比將變換器電壓外推到電源電壓電平。在差模中進行切換(也就是在反相中的切換)，以確保在切換頻率時線路側的諧振不能擴大。這些諧波在兩個4QC和替代的變壓器電感2*2*LT之間循環并且從線路不能看到這些諧波。在這種情況中，作為一個整體來看，從初級電壓側測量，當兩個牽引繞組短路時，LT是變壓器的短路電感。在變壓器的EC內但是在濾波器分支出現的點之前的輸入電感L1在L1＝0.4…0.6*LT的范圍內，然而濾波側電感LFi位于0.01到0.02*LT。事實是，在根據圖2的變壓器的EC內，電感2*LT出現，在兩個輸出分支中，意味著在兩個柱上的繞組系統的短路電感被完全去耦，以及在兩個變換器電壓US1和US2時連接到它的濾波器繞組或者干擾濾波器40不影響差模或者反相諧波。最重要的是，這意味著在切換頻率時的最高振幅電流脈動由變壓器的總電感2*LT確定。在US1和US2內只有切換頻率的較高諧波是共模的。它們引起了供電網中的電流脈動，通過使用高性能的濾波器40可以有效地整平該波動。由于共模中的較高諧波在US1和US2中具有比低諧波更小的振幅，以及歸因于它們的較高頻率，電抗阻抗更大，所以即使采用通過濾波器40的旁路，通過4QC導致的電流脈動很大程度上不能算入由第一諧波加上其它的諧波確定的4QC的總負載，意味著使用根據圖1和圖2的高性能干擾濾波器40實際上沒有導致4QC中的附加負載。
圖3描述了根據EP0763833 A對于包括自耦變壓器結構中的濾波器的牽引變壓器的繞組布局。在圖中，對應于圖1中的相同部件的部件將擁有相同的附圖標記，其將被堅持貫穿到其余的描述。變壓器還包括一對鐵芯柱1，2，各鐵芯柱分別用一對初級繞組11、12和一對牽引繞組21、22纏繞。濾波器繞組31、32布置在初級繞組11、12和牽引繞組21、22之間。不像圖1的變壓器，圖3的濾波器繞組布置在自耦變壓器結構中作為初級繞組的一部分。組合的初級繞組和濾波器繞組11、12、31、32并聯布置在初級電壓的兩端。濾波器抽出點33、34允許單獨的濾波器41、42的連接。
根據圖3的結構產生了如圖4所示的EC。描述了沒有連接濾波器的兩個分開的變壓器半，每一半具有2*LT＝2*L1+2*L2。如所述的，如果在兩個濾波器抽出點33、34連接的濾波器41、42是高性能濾波器，那么將旁路對于限制初級電流脈動重要的電感部分，也就是2*L1。鑒于此，該濾波器結構只適用于低性能濾波器(例如音頻濾波器)或者如在EP0763833 A中所述的，需要插在兩個濾波器抽頭之間的分流扼流圈，以為了產生用于單個濾波器的連接點。如上所述，在存在多于兩個牽引和初級線圈的情況中，組合使用分流扼流圈的濾波器抽頭尤其不實用。
所有的這些限制不應用到如圖5所示的根據本發明的布置，圖5又示出了用于具有兩個牽引繞組的的牽引變壓器的繞組布局。圖5的變壓器還包括一對鐵芯柱1、2，各鐵芯柱分別用一對初級繞組11、12，一對牽引繞組21、22和設置在其間的一對濾波器繞組31、32纏繞。然而，根據本發明，在這種情況中，濾波器繞組31、32彼此串聯連接，并還和并聯連接的初級繞組11、12串聯。以這種方式，產生用于連接高性能濾波器40的作為可能的濾波器抽出點35的中間點。這將下面進一步描述，對于在中間點的濾波器還可以沒有抽出點地運行變壓器。作為濾波器節約器繞組的濾波器繞組31、32串聯布置總體上要求將它們設計成用于變壓器的初級電流和用于適合于濾波器40的電壓，例如1000V。濾波器節約器繞組31、32應當包括多個完整的層，優選各在兩個鐵芯柱1，2上一個。由于初級繞組11、12并聯設置在兩個鐵芯柱1、2之間，所以每個只產生總電流的一半。盡管在圖5中沒有示出，但是還應當注意的是，在每個鐵芯柱上的初級繞組和濾波器繞組之間，電壓差非常低，使得只需要通常的層間絕緣距離。在鐵芯柱1上的初級繞組11和濾波器繞組31一起形成繞組塊，使得組合的繞組單元占據和初級繞組單元一樣的空間，初級繞組單元只由并聯布置的部分構成，具有或者不具有濾波器抽出點。當對稱地對牽引繞組21和22充電時，根據圖5的具有串聯布置的濾波器節約器繞組31、32的變壓器和傳統類型的變壓器具有相同的安匝并由此在初級和牽引繞組之間具有相同的漏電場和短路電感。
在圖6中描述了用于圖5的結構的EC并基本上顯示了和用于具有分開的濾波器繞組的變壓器的圖2相同的結構。相對于圖2唯一的區別在于現在對分別安裝在鐵芯柱1、2上的系統的短路電感不再被完全去耦。由于濾波器繞組31、32的串聯連接，濾波器繞組31、32是節約器結構，當然期望有效地形成初級繞組11、12的部分。在它們的公共路徑中兩個系統的耦合顯示為負電感-ΔL。當變壓器的短路電感LT不受并聯或者部分串聯連接的初級繞組的影響時，在連接到US1和US2的各支路中求出電感2*LT+2*ΔL。這有效地意味著確定因為從4QC的反相脈動產生的差模諧波所導致的電流脈動的電感中的增加。考慮到圖5中描述的繞組布置這當然是所期望的，并直接歸因于濾波器繞組31、32的串聯布置。
如果圖5的變壓器的牽引繞組22短路，那么分別安裝在鐵芯柱1和2上的變壓器半只通過初級繞組11、12的并聯連接而被連接。串聯連接的濾波器繞組31、32空載地位于在它們各自的牽引繞組21、22和初級繞組11、12之間。從牽引繞組21內得到的測量值將由此顯示在每對繞組之間的漏磁通道比包括含有初級和濾波器繞組的完整繞組單元時更寬。由總繞組體積和尤其是漏磁通道表示的漏磁通足以確定短路電感。導致4QC中的諧波電流振蕩減少的反相電路內的增加的電感的該方面是這種電路的附加優點。和該優點相比，4QC電路的不完全去耦的缺點是無關緊要的，因為，其中適合的，正線電感和在四或者六繞組變壓器中，正耦合電感添加到相同鐵芯柱上的相鄰繞組系統之間的負耦合電感。
建立牽引變壓器的短路電感是需要在一方面低變壓器損耗和低的基頻無功功率的矛盾目標以及另一方面4QC中的低諧波電流振蕩和線路的矛盾目標之間的折衷的最優化問題。差模電感增加了2*ΔL，LT未變以及基頻無功功率中得到的降低產生了最優化的新的自由度。為了不使用高性能濾波器來調節差模電感，可以使用高達0.6的濾波器電壓和初級電壓的比值，優選在從0.3到0.5的范圍中。為了結合高性能濾波器使用，該比值的較低值在0.1的范圍中是所期望的。
上面提到的BR423的變壓器包括具有總共10層的初級線圈。通過在1500V的第一層之后設置兩個濾波器抽頭和提供在根據圖5的自耦變壓器結構中的濾波器繞組的串聯連接的根據本發明的變化，可以數字地評價上述的效果并且可以和例如根據圖1的使用分開的串聯連接的濾波器繞組的實施例比較。所有的值參考15kV的線電壓作為用于計算的基礎。
兩個實施例的總短路電感LT＝476mH分成 L1＝206mH以及L2＝270mH每個4QC的反相電感，標準電路 2*LT＝952mH每個4QC的反相電感，串聯自耦變壓器 2*ΔL+2*LT＝1040mH(大于9.2％)由于串聯的自耦變壓器的耦合電感-ΔL＝-44mH當考慮這些圖時，人們必須記住用于濾波器抽頭的1500V的相對高電壓。選擇的濾波器電壓越低，或者初級和濾波器電壓之間的比值越高，耦合電感ΔL將越小斷定。
對于包括四個或者六個牽引和初級繞組(分層繞組)的變壓器，具有初級繞組的所有四個或者所有六個濾波器繞組部分的串聯連接和對于初級繞組的所有主部分的并聯連接的濾波自耦變壓器，可以以與對于上述的兩個繞組結構相同的方式被應用。其它的實施例和組合也是可能的，例如將串聯的一對濾波器節約器繞組組合到用于在每個變壓器鐵芯上的一對繞組的一單個濾波器連接點。
還提供了用于列車輔助電路和加熱系統的電源的附加繞組，在具有串聯或者并聯的繞組半的兩個鐵芯柱上同等地伸展。在這種結構中，濾波器節約器繞組的串聯連接不影響它們集成到變壓器EC中。然而，如果使用只布置在一個鐵芯上的單側的輔助繞組，可以是這樣的情況，盡管發生的任何影響是臨界的(marginal)。
圖7示出了其中提供的三組繞組安放在M鐵芯的中心鐵芯柱上的可能。以和圖5描述的變壓器的類似方式，形成外層的初級繞組11、12、13都并聯連接。分接初級繞組11、12、13的最內層以提供濾波器繞組31、32、33，它們串聯連接在中間點35和地之間。高性能的濾波器40可以連接在濾波器繞組兩端。濾波器繞組31、32、33將初級繞組11、12、13和設置的作為變壓器的最內層的牽引繞組21、22、23分開。
盡管上述例子描述了本發明的優選例子，但是應當注意的是落在本發明的精神和范圍內的各種其它布置也是可以考慮的。
權利要求
1.一種牽引變壓器，包括第一和第二初級繞組，每個初級繞組包括濾波器部分和主部分，每個初級繞組的主部分并聯連接在中間點和高電壓輸入端之間，每個初級繞組的濾波器部分串聯連接在該中間點和低電壓輸入端之間。
2.根據權利要求1的牽引變壓器，其中該牽引變壓器還包括第一和第二牽引繞組和第一和第二鐵芯柱，一初級繞組和一相應的牽引繞組被布置在每個鐵芯柱上。
3.根據權利要求2的牽引變壓器，其中在每個鐵芯柱上，該濾波器部分位于主部分和牽引繞組之間。
4.根據權利要求1的牽引變壓器，其中該第一和第二初級繞組安裝在一個鐵芯柱上，以及該牽引變壓器還包括安裝在鐵芯柱上的第一和第二牽引繞組，每個初級繞組與相應的牽引繞組相關聯地布置。
5.根據權利要求4的牽引變壓器，其中對于每個初級繞組，該濾波器部分位于該主部分和該相應的牽引繞組之間。
6.根據權利要求4或者5的牽引變壓器，包括多個鐵芯柱，在每個鐵芯上安裝多個初級繞組和相應的多個牽引繞組。
7.根據上述任一權利要求的牽引變壓器，其中以一系列層纏繞每個初級繞組，該濾波器部分占有全部數量層。
8.根據上述任一權利要求的牽引變壓器，還包括連接在該中間點和該低電壓輸入端之間的濾波器。
9.根據權利要求8的牽引變壓器，其中連接該牽引變壓器以向AC-DC變換器供電，以及該濾波器是運行在噪聲頻率范圍內的高性能濾波器，以去除變換器產生的在該高低電壓輸入端之間的初級電流中的共模諧振。
10.根據權利要求9的牽引變壓器，其中AC-DC變換器包括連接到每個牽引繞組的四象限變換器。
11.根據上述任一權利要求的牽引變壓器，其中第一繞組部分與第二繞組部分的匝比在0.05和0.3之間。
12.根據上述任一權利要求的牽引變壓器，其中這些濾波器部分在該變壓器的內部被串聯連接，以及該中間點被設置為分支。
13.包括根據上述任一權利要求的牽引變壓器的機車車輛。
14.一種將牽引變壓器的短路電感增加到第一變壓器部分和第二變壓器部分之間的差模電流振蕩的方法，其中第一變壓器部分包括第一初級繞組和向第一變換器供電的第一牽引繞組以及第二變壓器部分包括第二初級繞組和向第二變換器供電的第二牽引繞組，該方法包括將第一和第二初級繞組分成濾波器部分和主部分；在中間點和低電壓電平之間串聯連接第一和第二初級繞組的第一部分；和在該中間點和高電壓電平之間并聯連接第一和第二初級繞組的主部分。
15.根據權利要求14的方法，還包括在該中間點和低電壓電平之間連接一濾波器，該濾波器的特征和該牽引變壓器和變換器的預期的操作條件相匹配，以減少變換器在高低電壓電平之間的初級電流中產生的共模諧振。
16.一種降低低頻干擾從變換器傳播到軌道供電網的方法，包含根據權利要求14或者15的方法，還包括將來自軌道供電網的電壓施加在第一和第二變壓器輸入端兩端之間。
全文摘要
一種具有兩個牽引繞組的牽引變壓器包括一對鐵芯柱1、2，每個都纏繞有一對初級繞組11、12，一對牽引繞組21、22和在其間的一對濾波器繞組31、32。濾波器繞組31、32彼此串聯連接并還和并聯連接的初級繞組11、12串聯連接。串聯組合連接在初級電壓源兩端。以這種方式，產生用于連接高性能濾波器40的作為可能的濾波器分支35的中間點。
文檔編號B60L9/00GK1883019SQ200480033892
公開日2006年12月20日 申請日期2004年11月16日 優先權日2003年11月17日
發明者沃爾夫岡·倫格 申請人:邦巴爾迪爾運輸有限公司