滿負(fù)載下串聯(lián)電源的系統(tǒng),方法和設(shè)備的制作方法

專利名稱：滿負(fù)載下串聯(lián)電源的系統(tǒng),方法和設(shè)備的制作方法
背景在該最佳實(shí)施方案中，本發(fā)明通過將低電流高電壓源PD分解成兩個(gè)串聯(lián)源并將它們重新配置成并行工作使它的電流額定值加倍。在并行模式中的輸出電壓PD只是其串聯(lián)值的一半，但這通過添加串聯(lián)的高電流低電壓源PL得以補(bǔ)償。本發(fā)明的一個(gè)重要特征是它使第二源PL能夠在全功率之下無縫地與第一源PD串聯(lián)，并且在第一和第二源PD，PL的額定值約束內(nèi)工作時(shí)，沒有明顯地降低流到負(fù)載的功率或提升負(fù)載的電壓，使得功率傳送對負(fù)載是透明的。也就是，負(fù)載未感覺到功率異常(電流或電壓中斷，尖鋒信號，振蕩，跌落，擾動，等)。這是通過利用第二源PL將負(fù)載電流轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的。合成電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使負(fù)載電流能夠利用在它們的額定限值上貢獻(xiàn)功率的兩個(gè)源增加到它的極限值。本發(fā)明的又一個(gè)特征是用于控制源PL和實(shí)現(xiàn)模式之間轉(zhuǎn)換的控制策略。
本發(fā)明所解決的問題在一種本發(fā)明的典型應(yīng)用中，電負(fù)載是由驅(qū)動三相，單繞組的，連到二極管整流器的交流發(fā)電機(jī)的柴油機(jī)供給。該交流發(fā)電機(jī)/整流器組合受根據(jù)在每分鐘滿轉(zhuǎn)數(shù)上額定發(fā)動機(jī)功率的電流和電壓額定值約束。在這種情況下，該負(fù)載一般是在恒定DC電壓下操作，與DC輸入電流成比例地改變功率。這種操作模式在此被稱為Diesel操作(

圖1)。
通過將第二高電流功率源與整流器的輸出的串行連接在較高功率上操作負(fù)載是所希望的。被約束在大約額定負(fù)載電壓的一半的第二源，必須在負(fù)載正在滿Diesel功率之下運(yùn)行時(shí)切換，而且必須不提升負(fù)載電壓。
因此，問題是尋找一種經(jīng)濟(jì)可行的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，將低電壓高電流功率源PL與正在運(yùn)行電負(fù)載的高壓低電流功率源PD串聯(lián)。該電路必須加倍PD的電流額定值，而不增加該負(fù)載電壓，并在較高功率操作需要增加負(fù)載電流時(shí)刻供平滑地連接第二源PL之用。對在額定電壓下的負(fù)載供給更多電流的途徑如果外部的DC源與整流器的輸出并聯(lián)，額外的電流可以利用操作在較高功率下的負(fù)載(圖2)。當(dāng)外部源的電壓大于整流器的輸出時(shí)，這些整流器的二極管成為反向偏置，負(fù)載電流從交流發(fā)電機(jī)傳送到該外部源，如果，交流發(fā)電機(jī)/整流器電流減少至零。這種類型的并行線連接允許外部源在額定的負(fù)載電壓下供給額外的電流和功率。當(dāng)該負(fù)載在滿Diesel功率下運(yùn)行時(shí)可以進(jìn)行這種連接，但外部源的電壓必須等于所需的負(fù)載電壓。
如果該外部源的電壓低于該額定的負(fù)載電壓，該源可與整流器串聯(lián)以提供額外功率，同時(shí)保持所需的負(fù)載電壓(圖3)。在這種類型的串行線連接中，該交流發(fā)電機(jī)是在降低的電壓下運(yùn)行，所以合成的負(fù)載電壓仍然在其額定值。該整流器和外部源每個(gè)傳送滿負(fù)載電流，但它們貢獻(xiàn)的功率與它們各自的電壓成比例。這種模式在此也被稱為Diesel升壓操作，因?yàn)橥獠抗β试吹碾妷罕徊裼蜋C(jī)/交流發(fā)電機(jī)/整流器的組合提升，使得在其額定電壓以較高功率供給負(fù)載。這些途徑的缺點(diǎn)使用并行線連接限于外部源的電壓等于所需的負(fù)載工作電壓的情況。
使用串行線連接有兩個(gè)嚴(yán)重的問題。第一是交流發(fā)電機(jī)和整流器必須帶有裕量，以便處理增加的負(fù)載電流，即使在串聯(lián)模式時(shí)它們在低于額定電壓下工作。例如，如果在Diesel升壓操作期間負(fù)載功率被加倍且外部源供給負(fù)載電壓的一半，那么該交流發(fā)電機(jī)和整流器必須在它們的額定電壓的一半上傳送它們的額定值兩倍的電流。雖然該交流發(fā)電機(jī)的輸出功率仍然基本上與在Diesel模式中的相同，但由于高電流引起的損失是過高的，這種操作模式只可能在非常短的時(shí)間內(nèi)使用。
第二個(gè)問題是從Diesel操作切換到串行線操作而不切斷(也就是中斷)對負(fù)載的功率是相當(dāng)困難的。所需負(fù)載的傳遞必須是快速的和賦與功率的。并沒有經(jīng)濟(jì)的方法利用簡單的串行線連接實(shí)現(xiàn)所需析轉(zhuǎn)換過程。
對負(fù)載供給更多電流的一個(gè)途徑可以是將交流發(fā)電機(jī)繞組重新配置成繞組的兩個(gè)并行組(組成雙繞組交流發(fā)電機(jī))并將這些繞組連到兩個(gè)整流器。然而，并沒有已知的裝置利用兩個(gè)并聯(lián)的整流器同時(shí)將負(fù)載保持在它的額定電壓上(沒有跌落，擾動，等)。
概括地說，當(dāng)可用的外部源的電壓低于負(fù)載的額定電壓時(shí)，并行線連接將不工作。串行線連接是不實(shí)際的，因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)和整流器的規(guī)模必須增加，以便處理較高的電流，并且沒有可行的方法在低功率之下進(jìn)行連接。帶有兩個(gè)并聯(lián)整流器的雙繞組交流發(fā)電機(jī)將不工作，因?yàn)閷τ谪?fù)載來說，輸出電壓太低。
至今，沒有用于解決以上問題的裝置。
在一種實(shí)施方案中，本發(fā)明將高電壓低電流源PD的電流額定值加倍，使它能夠?qū)嶋H上無限期地運(yùn)行在通過與低電壓高電流源PL串行連接所需的增加的電流下。
本發(fā)明還提供了第二源PL，當(dāng)負(fù)載在全功率下工作時(shí)，與第一源PD串聯(lián)。
該合成的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略既克服并行線連接的不足又克服串行線連接的缺點(diǎn)，而在以前認(rèn)為它們對于這種應(yīng)用是不適合的。本發(fā)明使其有可能添加與運(yùn)行中的低電流源串聯(lián)的高電流源并將負(fù)載電流增加到它的極限值。
圖8示出用于本發(fā)明的連接順序的流程圖；圖9示出用于本發(fā)明的斷開順序的流程圖；和圖10示出柴油機(jī)供給能量的AC拖車，帶有本發(fā)明的雙模式Diesel升壓吊運(yùn)車配置。
最佳實(shí)施方案詳述本發(fā)明最好通過考慮將用兩個(gè)部分的解決方案進(jìn)行解釋。然而，將認(rèn)識到，解釋的形式將不限于申請專利保護(hù)的本發(fā)明的范圍，本發(fā)明可用其他方式解釋或?qū)嵤?。部?-使用雙繞組交流發(fā)電機(jī)和第二整流器，將電流額定值加倍對于在串聯(lián)工作期間高交流發(fā)電機(jī)/整流器電流的問題的解決方案是使用雙繞組交流發(fā)電機(jī)和兩個(gè)整流器，如圖4中所示。在這種情況下，利用兩個(gè)星形繞組配置交流發(fā)電機(jī)，得到的六個(gè)輸出被連到兩個(gè)分離的二極管整流器。在優(yōu)選實(shí)施方案中，每個(gè)繞組具有與單繞組交流發(fā)電機(jī)相同的額定電流和額定電壓的一半。當(dāng)然，在本發(fā)明中其他的配置是可能的。例如，可以配置三個(gè)星形繞組，帶有九個(gè)輸出，連接到三個(gè)分離的整流器。
兩個(gè)整流器的輸出可被串聯(lián)，對負(fù)載提供額定電流和電壓。添加第二整流器并不明顯，因?yàn)楦郊拥恼髌魃陨越档驼麄€(gè)系統(tǒng)的效率，但這對于本發(fā)明的特定應(yīng)用是尤其可接受的。由本發(fā)明所展現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是隨著每個(gè)附加整流器的使用，每個(gè)整流器的電壓額定值可被降低，因?yàn)榇?lián)降低對每個(gè)整流器的閉鎖電壓要求。
例如，當(dāng)負(fù)載功率可被Diesel發(fā)動機(jī)滿足和滿負(fù)載電壓必須由交流發(fā)電機(jī)/整流器組合供給時(shí)，這種串聯(lián)配置是適合于正常的Diesel操作。在這種模式中，交流發(fā)電機(jī)繞組和整流器是處于與單繞組/單整流器解決方案相同的電流水平上。有利的是，在交流發(fā)電機(jī)中電壓和通量水平未被改變。
在該最佳實(shí)施方案中，兩個(gè)整流器的輸出可被并聯(lián)，在額定電壓的一半上供給兩倍的額定電流，當(dāng)交流發(fā)電機(jī)和整流器必須在大大降低的電壓上處理非常高的電流時(shí)，這種配置是適合于Diesel升高操作。在此，交流發(fā)電機(jī)繞組和整流器在與單繞組情況相同的電流水平上工作，但在這種情況下，并行配置使輸出電流加倍。
帶有可以或者串聯(lián)或者并聯(lián)的兩個(gè)整流器的雙繞組交流發(fā)電機(jī)的使用解決過高的交流發(fā)電機(jī)和整流器電流的問題。串聯(lián)提供在Diesel操作下的額定電壓和并聯(lián)將輸出電流能力加倍。因此，本發(fā)明解決以前的問題，即當(dāng)工作在第一和第二源PD，PL的額定約束內(nèi)時(shí)，無縫地連接并且沒有顯著地降低流到負(fù)載的功率或提升負(fù)載的電壓，使得功率傳送對負(fù)載是透明的，也就是，負(fù)載未感覺到功率異常(電流或電壓中斷，尖鋒信號，振蕩，跌落，擾動，等)。
帶有可被配置成或者串聯(lián)或者并聯(lián)的兩個(gè)整流器的雙繞組交流發(fā)電機(jī)的使用可被應(yīng)用到各種應(yīng)用場合。雖然以下本發(fā)明是參考柴油發(fā)動機(jī)吊運(yùn)車進(jìn)行解釋的，本發(fā)明可應(yīng)用到，例如，機(jī)車，在其中可用的功率是有限的，在低電壓上需要高電流，在低電流上需要高電壓，分別對應(yīng)于低速和高速運(yùn)行。本發(fā)明的一個(gè)顯著的特點(diǎn)是帶有兩個(gè)整流器的雙繞組交流發(fā)電機(jī)被用于促進(jìn)平穩(wěn)地串-并和并-串的轉(zhuǎn)換，尤其在滿負(fù)載和保持滿負(fù)載電壓的情況下。
在該最佳實(shí)施方案中，一種電壓源變換器(VSI)被用作負(fù)載以便于這種平滑的轉(zhuǎn)換。VSI引入電容器組作為其組成所謂的DC鏈路的輸入電路的部分。VSI可被這樣操作，使得在某種限度內(nèi)，它的輸出電壓(被連到負(fù)載)可被獨(dú)立于DC鏈路(輸入)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)控制器通過改變交流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)DC鏈路電壓。部分2-使用外部(低電壓)源轉(zhuǎn)換負(fù)載對轉(zhuǎn)換問題的解決方案是利用一種新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略。在圖5所示的電路中，外部功率源首先與雙整流器之一并聯(lián)。這樣對于負(fù)載電流提供一個(gè)轉(zhuǎn)換通路，使所述的整流器可被斷開，然后與其他的整流器重新并聯(lián)。這樣平滑地重新配置交流發(fā)電機(jī)和整流器，從串聯(lián)到并聯(lián)運(yùn)行，將它們所組合的電流額定值加倍，將它們的電壓額定值減半而沒有中斷負(fù)載電流。最后，負(fù)載電流利用兩個(gè)在其額定限值上貢獻(xiàn)功率的源增加到它的限值。連接順序在負(fù)載下進(jìn)行外部串聯(lián)將外部源串聯(lián)并將整流器輸出從串聯(lián)到并聯(lián)配置的轉(zhuǎn)換過程是一個(gè)包括至少以下在圖8中提出的步驟的過程。在優(yōu)選實(shí)施方案中，控制器控制操作。
概括地說，該最佳實(shí)施方案的連接順序是從串聯(lián)配置的一個(gè)源的雙繞組整流器開始的。外部源被放置在整流器之一并行配置中，然后外部源的電壓逐漸地減小直到這個(gè)整流器被反向偏置，也就是，不再對負(fù)載供給功率為止。然后，被反向偏置的整流器被放置在與另一個(gè)整流器并行之中，以便提供如原來配置的電流的兩倍。
步驟802從Diesel操作的初始狀態(tài)開始，整流器輸出被串聯(lián)和負(fù)載由柴油發(fā)動機(jī)供給(步驟804)。在Diesel操作期間，交流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁和發(fā)動機(jī)速度由控制器(CPU，圖4)控制，以便滿足負(fù)載的功率，電壓，和電流要求。對于Diesel升壓操作，系統(tǒng)控制器(也被稱為TCU(牽引控制單元))根據(jù)輸入信號，例如外部線電壓和車輛速度控制圖4-6中的切換。TCU控制一種自動化的順序，在滿負(fù)載之下連接和斷開外部功率源。
轉(zhuǎn)換是通過測量外部線電壓開始(步驟806)，并調(diào)節(jié)交流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁(步驟808)，使得每個(gè)繞組的整流輸出接近外部線電壓(UL)。然后線接觸器被閉合(步驟810)，將外電源與整流器1的輸出并聯(lián)。在進(jìn)行連接以前不需要預(yù)充電，因?yàn)橄到y(tǒng)控制器保持整流器輸出電壓接近(UL)外部線電壓，并且沒有可察覺的電流通過線接觸器流動。
接著，勵(lì)磁被稍稍降低(步驟812)，以降低整流器的DC輸出和因而降低變換器的DC鏈路的輸入電壓。結(jié)果，外部電源將整流器1反向偏置并使由整流器1所帶的負(fù)載部分轉(zhuǎn)移到外部電源?，F(xiàn)在負(fù)載電流由與整流器2串聯(lián)的外部源供給。沒有電流在整流器1中流動。現(xiàn)在打開開關(guān)S2(步驟814)在零電流下打開在兩個(gè)整流器之間的串聯(lián)。由于這種安排，負(fù)載一直被保持在與Diesel操作(PD)期間它的額定功率對應(yīng)的電壓和電流水平。
應(yīng)該認(rèn)識到，這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠方便地連接線路沒有任何預(yù)充電過程，然后，在零電流下打開開關(guān)S2，因?yàn)樨?fù)載是一個(gè)電壓源變換器。用于這樣一種變換器的控制器能夠在某種限度內(nèi)，補(bǔ)償連到變換器的DC鏈路的輸入電壓變化，并保持負(fù)載在滿功率下。因此，除了它控制負(fù)載變換器的正常功能外，控制器也有效的調(diào)節(jié)勵(lì)磁，以便在連接順序期間改變變換器輸入電壓，并在負(fù)載下提供到串聯(lián)運(yùn)行的平滑轉(zhuǎn)變。這導(dǎo)致對外部源的無縫串聯(lián)。
此時(shí)，在整流器1和整流2之間的串聯(lián)被打開，并不影響操作，因?yàn)樵谡髌?中沒有電流流動。然后整流器1的負(fù)輸出被從DC總線的負(fù)端斷開(步驟818)，并重新連到整流器2的負(fù)輸出。在此，由于線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)再次沒有電流在整流器1或開關(guān)中流動。
步驟822是通過將整流器1的正輸出連到整流器2的正輸出把整流器1與整流器2并聯(lián)。因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)繞組共同使用一個(gè)公共的通量路徑，在繞組1中流動的負(fù)載電流之半快速和平滑地轉(zhuǎn)移到繞組2，直到兩個(gè)繞組和整流器等同地分享負(fù)載為止，從而完成轉(zhuǎn)移。
現(xiàn)在兩個(gè)整流器的輸出相互并聯(lián)，與外部源串聯(lián)。每個(gè)交流發(fā)電機(jī)繞組在其滿額定電壓下工作，但只是其額定電流的一半。柴油機(jī)在其額定輸出之半(005*PD)下工作，外部電源提供其余的功率(0.5*PL)。負(fù)載在其額定電壓下工作，電流和功率等效于在Diesel操作期間柴油發(fā)動機(jī)單獨(dú)提供的值。
下一步驟(824)是通過增加負(fù)載電流將負(fù)載功率增加到它的最大值。電流在兩個(gè)整流器和交流發(fā)電機(jī)之間相等地分開，所以它們未被過載。所增加的功率部分來自柴油機(jī)，部分來自外部源。通過將從線路和從交流發(fā)電機(jī)吸取的電流加倍，從滿柴油機(jī)功率(PD)到滿負(fù)載功率(PF＝PD+PL)的轉(zhuǎn)換在相同的電壓下進(jìn)行。這種功率增加也是一種無縫的轉(zhuǎn)換，其中負(fù)載電壓仍然是恒定的，控制器簡單地調(diào)節(jié)負(fù)載，從組合的功率源吸入更多的電流。
在整流器被并聯(lián)以后，控制器調(diào)節(jié)交流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，以便將負(fù)載保持在最佳電壓上。這個(gè)電壓可被調(diào)節(jié)，例如，考慮車輛的速度，保持負(fù)載在其最希望的工作點(diǎn)。控制器也可通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁補(bǔ)償線電壓的變化，從而保持負(fù)載在其理想的工作點(diǎn)上。斷開順序在負(fù)載下取出外部串聯(lián)將參考圖9描述斷開外部功率源和恢復(fù)用于Diesel操作的兩個(gè)整流器輸出的串聯(lián)的轉(zhuǎn)換過程。
在步驟902中，控制器無縫地將負(fù)載電流降低到柴油發(fā)動機(jī)(PD)可以供給的水平。步驟904是將整流器1的正輸出從整流器2的正輸出斷開。這樣就除去了并聯(lián)的整流器的連接，負(fù)載電流平滑地完全轉(zhuǎn)移到其余的繞組。發(fā)動機(jī)，交流發(fā)電機(jī)和整流器仍然提供一半的負(fù)載功率，但一半的交流發(fā)電機(jī)和一個(gè)整流器是處于滿電流和電壓，另一半沒有電流。在這種情況下，另一半負(fù)載電壓由線路提供。步驟906是將整流器1的負(fù)輸出從整流器2的負(fù)輸出斷開，并將整流器1的負(fù)輸出重新連到DC總線的負(fù)端(步驟908)。
在準(zhǔn)備(步驟910)恢復(fù)兩個(gè)整流器輸出之間的串聯(lián)時(shí)，控制器調(diào)節(jié)勵(lì)磁，保證整流器輸出稍小于線電壓。然后在步驟912中整流器1的正輸出被重新連到整流器2的負(fù)輸出。在這種轉(zhuǎn)換期間或轉(zhuǎn)換以后沒有電流流動，因?yàn)榫€電壓將整流器1反向偏置。然后在步驟917中控制器升高勵(lì)磁，直到整流器1開始導(dǎo)電，柴油機(jī)恢復(fù)負(fù)載的第二個(gè)一半，將線電流減少到零，無縫地將負(fù)載轉(zhuǎn)移到柴油機(jī)為止?，F(xiàn)在線接觸器在零電流下被打開(步驟916)。這將系統(tǒng)返回到Diesel操作，在負(fù)載上是(Diesel)額定電流和電壓。
在該最佳實(shí)施方案中，用于將系統(tǒng)重新配置為Diesel升壓吊運(yùn)車操作的兩個(gè)開關(guān)是單極的(不是三相的)，并不需要接通或斷開大電流和電壓。它們通常在零電流下操作。
在圖5所示的實(shí)施方案中的預(yù)充電電路控制從交流發(fā)電機(jī)和整流器1到外部源功率轉(zhuǎn)移的速率。這樣簡化了控制問題，并使系統(tǒng)控制器能夠在轉(zhuǎn)移期間保持額定負(fù)載電壓。預(yù)充電電路的額定值可以是盡可能的小，因?yàn)樗恍枰谵D(zhuǎn)換開始時(shí)調(diào)整在外部源電壓和整流器1的輸出之間的電壓差。在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中(圖6)，預(yù)充電電路可以藉助于由控制器實(shí)施的正確的控制策略而被刪去。
本發(fā)明的電路的優(yōu)點(diǎn)是允許高電流，高電壓的負(fù)載被從現(xiàn)有的高電流，低電壓源供給輔助功率。而且，該電路允許負(fù)載在超出可用的柴油發(fā)動機(jī)可以提供的功率水平上工作。另外，線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過允許繞組并聯(lián)(通過整流器)使交流發(fā)電機(jī)的尺寸為最小，以便只有當(dāng)需要一半的額定電壓時(shí)，有效地將它的額定電流加倍。本發(fā)明提供一種平滑的無沖擊的轉(zhuǎn)換，允許在整個(gè)無縫轉(zhuǎn)換期間負(fù)載在最大柴油機(jī)功率下工作，沒有顯著地降低流到負(fù)載的功率或在第一和第二源PD，PL的額定值約束內(nèi)工作時(shí)沒有提升負(fù)載的電壓，使得功率轉(zhuǎn)換對負(fù)載是透明的，也就是負(fù)載察覺不到功率異常(電流或電壓中斷，尖鋒信號，振蕩，跌落，擾動，等)。
現(xiàn)在本發(fā)明作為一個(gè)特例進(jìn)行描述。然而，將很清楚，本發(fā)明并不限于這樣的例子，此外，本發(fā)明可以用其他方案實(shí)施。以下的標(biāo)記將被用在以下的例子中
標(biāo)記 角注U＝電壓L＝線路(L＝吊運(yùn)車線路)I＝電流D＝DieselP＝功率D＝負(fù)載值(d＝DC)R＝整流器一種柴油機(jī)供給能量的離開公路行駛的載重拖車(圖10)由兩個(gè)依據(jù)圖4中所示的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的兩個(gè)變換器供電的兩個(gè)AC電力牽引馬達(dá)驅(qū)動。變換器能夠在DC輸入電壓Ud和DC輸入電流Id之下處理被組合的功率Pd。變換器被連到一個(gè)公共的DC總線，并且在額定的變換器輸入電壓Ud上由交流發(fā)電機(jī)和整流器橋饋電。在這個(gè)電壓水平上，交流發(fā)電機(jī)和整流器可以供給電流ID，其中ID只是Id的大約一半。交流發(fā)電機(jī)由能夠發(fā)出最大功率PD的柴油發(fā)動機(jī)驅(qū)動，其中PD是負(fù)載功率Pd的大約一半。當(dāng)上坡運(yùn)行時(shí)，需要以較快的速度爬坡。為此，通過一個(gè)導(dǎo)電弓將該車輛連接到具有UL電壓的低電壓吊運(yùn)車線，從而使供給該變換器的DC電流從ID增加到IL。這必須在保持這些變換器在它們的額定DC輸入電壓Ud的環(huán)境下來進(jìn)行。當(dāng)在坡度上被連接到低電壓吊運(yùn)車線路時(shí)，提供對負(fù)載大約兩倍的功率，從而將車輛速度加倍。
吊運(yùn)車線路與DC總線并行線路連接是不可能的，因?yàn)樽儞Q器Ud所需的電壓幾乎是可用的吊運(yùn)車電壓UL的兩倍。與吊運(yùn)車線路的串行線路連接是不可能的。因?yàn)榭捎玫牡踹\(yùn)車電流IL是交流發(fā)電機(jī)和整流器額定的DC電流ID的兩倍，它們將會迅速過熱。
載重卡車能夠在柴油機(jī)功率PD之下驅(qū)動，從加載的機(jī)鏟到吊運(yùn)車線路，并可在這個(gè)功率水平上爬上坡度。為了利用從吊運(yùn)車可得到的附加功率，載重卡車必須能夠在功率PD上，保持在坡度上連續(xù)工作時(shí)連到吊運(yùn)車線路，如果在轉(zhuǎn)換時(shí)功率水平下落，載重卡車將變慢，低于最低限度允許的吊運(yùn)車速度限度(對于礦山人員的一種安全限度)，并將被強(qiáng)制停止。
在本發(fā)明以前，高電壓變換器使用可用的低電壓吊運(yùn)車功率一直是不可能的。利用本發(fā)明中所描述的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，現(xiàn)在可以在滿額定負(fù)載功率Pd上，在Diesel升壓模式中使載重卡車在低電壓吊運(yùn)車線路上工作。Diesel升壓配置和本發(fā)明的控制策略圖1的單繞組交流發(fā)電機(jī)和二極管整流器被用連到兩個(gè)二極管整流器的一個(gè)雙繞組交流發(fā)電機(jī)代替(圖6)。兩個(gè)繞組是相同的，每個(gè)供給交流發(fā)電機(jī)額定電壓的一半。一個(gè)兩極的線接觸器將吊運(yùn)車電壓引到可以與整流器1并聯(lián)的地方。一個(gè)單極，雙投轉(zhuǎn)換開關(guān)(S3)和兩個(gè)單極，單投開關(guān)(S1和S2)使整流器1的輸出能夠或者與整流器2串聯(lián)或者與整流器2并聯(lián)。一個(gè)附加的單極高速電路斷路器在載重卡車和吊運(yùn)車系統(tǒng)之間提供過流保護(hù)。
當(dāng)所有開關(guān)在位置1中時(shí)，兩個(gè)整流器串聯(lián)，沒有連到吊運(yùn)車線路。負(fù)載在UD＝Ud，max，ID＜Id，max和PD＜Pdmax之下工作。當(dāng)所有開關(guān)在位置2中時(shí)，兩個(gè)整流器相互并聯(lián)，并與吊運(yùn)車線路串聯(lián)。負(fù)載在UD＝Ud，max，IL＝Id，max和PD+PL＝Pdmax之下工作。
當(dāng)開關(guān)在位置1時(shí)，載重卡車在正常的Diesel模式中工作，所有功率由柴油發(fā)動機(jī)提供。依據(jù)以前所描述的連接順序，從Diesel到Diesel升壓操作的轉(zhuǎn)換起作用。在Diesel升壓操作期間，開關(guān)全都在位置2中。依據(jù)以前所描述的斷開順序，從Diesel升壓到Diesel操作的轉(zhuǎn)換起使用。
特別重要的是從一個(gè)模式到另一個(gè)模式實(shí)際轉(zhuǎn)換的持續(xù)時(shí)間并不是臨界的，因?yàn)槭窃跐M柴油機(jī)功率之下工作的車輛發(fā)生轉(zhuǎn)換。當(dāng)沒有預(yù)充電間隔時(shí)，在轉(zhuǎn)換中的限制因素是為提升或降落車頂上導(dǎo)電弓架所需的時(shí)間。在線接觸器被閉合，然后連接順序開始以前，DC鏈路電壓調(diào)節(jié)到達(dá)穩(wěn)定需要大約一秒鐘。利用本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在S1被閉合后的一秒鐘內(nèi)，控制器可以提升負(fù)載功率到它的滿度。
從柴油機(jī)到吊運(yùn)車的轉(zhuǎn)換是無撞擊的，在轉(zhuǎn)換期間車輛根本不慢下來。當(dāng)接在吊運(yùn)車線路上時(shí)，柴油機(jī)功率(PD)被來自路邊的子站的功率(PL)補(bǔ)充，變換器能夠在它們的滿功率上工作。取決于所包含的精確的電壓，電流和功率水平，這樣大約將車輛的上坡度速度加倍。利用本發(fā)明，從吊運(yùn)車到柴油機(jī)的轉(zhuǎn)換也是快速和平滑的。因此，本發(fā)明解決了以前的問題，無縫地和沒有顯著地降低流到負(fù)載的功率或在第一和第二源PD，PL的額定約束內(nèi)工作時(shí)未提升負(fù)載電壓，使得功率轉(zhuǎn)換對負(fù)載是透明的，也就是負(fù)載未察覺到功率異常(電流或電壓中斷，尖鋒信號，振蕩，跌落，擾動，等)。本發(fā)明的另一些可選的例子在吊運(yùn)車電壓相對高(UL＝Ud)的礦山中，載重卡車可在直接吊運(yùn)車(DT)模式中工作。這利用參考圖2所描述的并行線連接，并不需要開關(guān)S1，S2或S3，只需要電路斷路器和線接觸器。
然而，存在某些情況，其中既有高電壓又有低電壓的吊運(yùn)車系統(tǒng)被安裝在，或者可能安裝在相同的礦山中。在這種情況下，利用或者在Diesel升壓吊運(yùn)車(DBT)模式中的低電壓線或者在直接吊運(yùn)車(DT)模式中的高電壓線，將載重卡車工作在任何一種線路上是所希望的。本發(fā)明的一種變型，如圖7中所示，是添加一個(gè)第二單極，雙投開關(guān)(S4)使載重卡車能夠工作在既有高電壓又有低電壓的吊運(yùn)車系統(tǒng)中。
在這種情況下開關(guān)的公共端被連到線接觸器的正極的負(fù)載側(cè)。另一端被連到整流器2的正和負(fù)側(cè)，使得在位置1中，線接觸器被連到整流器2的負(fù)端，在位置2中，線接觸器被連到整流器2的正端。當(dāng)S4在位置1中時(shí)，如以前所述描述的那樣，載重卡車可通過移動其他的開關(guān)到位置1或位置2工作在或者Diesel或者Diesel升壓模式。當(dāng)UL＜Ud時(shí)，這對于在Disel功率下或在低電壓吊運(yùn)車系統(tǒng)上工作是合適的。當(dāng)S4在位置2中，和所有其他開關(guān)在位置1中時(shí)，如以上描述的那樣，載重卡車可在直接吊運(yùn)車模式中工作。當(dāng)UL＝Ud時(shí)，這對于在高電壓吊運(yùn)車系統(tǒng)上工作是合適的。在操作中，操作者在任何一種吊運(yùn)車系統(tǒng)下驅(qū)動車輛，然后升起車頂上的導(dǎo)電弓架。然后系統(tǒng)控制器測量吊運(yùn)車線路電壓和相應(yīng)的位置S4。這提供在任何一種吊運(yùn)車系統(tǒng)上安全，自動和可靠的運(yùn)行，不需要來自駕駛者關(guān)于吊運(yùn)車線路工作電壓的任何考慮。
權(quán)利要求
1.一種用于當(dāng)所述的源供給負(fù)載功率時(shí)，無縫地將一個(gè)附加功率的附加源與一個(gè)源串聯(lián)的設(shè)備，所述的設(shè)備包括第一源，用于以所述的功率供給所述的負(fù)載；第二源，用于以所述的附加功率供給所述的負(fù)載；和耦合器，用于在電氣上將所述的第二源無縫地與所述的第一源串聯(lián)，使得當(dāng)所述的第一源對所述的負(fù)載供給功率時(shí)，所述的第二源被無縫地與所述的第一源串聯(lián)，以便大大地增加對所述的負(fù)載的功率。
2.依據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述的耦合器無縫地將所述的第二源與所述的第一源串聯(lián)，從而防止在所述的第一源和第二源之間的功率分配中負(fù)載察覺到的任何擾動。依據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述的第一源包括至少兩個(gè)串聯(lián)的電路部件，每個(gè)對所述的負(fù)載供給一部分所述的功率；其中所述的耦合器將所述的第二源與至少一個(gè)所述的電路部件關(guān)聯(lián)，然后將所述的電路部件從所述的第二源脫開，從而無縫地將所述的第一源的其余部件與所述的第二源串聯(lián)。
3.依據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中耦合器也將所述的第一源的所述的被脫開的電路部件以并行配置方式與所述的第一源的至少一個(gè)其他電路部件耦合。
4.依據(jù)權(quán)利要求3的設(shè)備，還包括一個(gè)控制器，用于控制第一源，當(dāng)至少一個(gè)所述的電路部件被所述的耦合器耦合到所述的第二源時(shí)，降低第一源的所述部件的輸出電壓，直到所述電路部件之一被反向偏置為止，從而將所述的電路部件之一的電流降低到接近零的電流。
5.依據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述的第一源具有第一額定約束，所述的第二源具有第二額定約束。其中當(dāng)所述的第一源對所述的負(fù)載供給功率時(shí)，所述的第二源大大增加對所述的負(fù)載的功率，當(dāng)?shù)谝缓偷诙捶謩e在所述的第一和第二額定約束內(nèi)工作時(shí)，沒有顯著地降低流到所述的負(fù)載的功率或提升所述負(fù)載的電壓，使得在所述的第一源和所述的第二源之間所述的功率轉(zhuǎn)移對所述的負(fù)載實(shí)際上是透明的。
6.依據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括一個(gè)控制器，用于控制所述的耦合器將所述的第二源電氣上耦合到所述的第一源。
7.依據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所述的控制器控制所述的耦合器，在所述的電路部件的串聯(lián)配置，提供功率從所述的第一源到負(fù)載，和所述的電路部件的并聯(lián)配置，提供功率從所述的第一源連同所述的第二源到負(fù)載之間切換。
8.依據(jù)權(quán)利要求3的設(shè)備，其中所述的串聯(lián)配置配置一種電路部件，與共同使用的電路部件串聯(lián)將功率從所述的第一源引到所述的負(fù)載，該共同使用的電路部件在所述的第一源和所述的第二源之間共享，將功率從所述的第一源引到所述的負(fù)載。和其中所述的并聯(lián)配置配置與所述的共同使用部件并聯(lián)的所述的電路部件，將功率從所述的第一源連同所述的第二源引到所述的負(fù)載。
9.依據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中所述的共同使用的電路部件是第一整流器，和所述的電路部件是第二整流器。
10.依據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中所述的第一源是一個(gè)雙繞組源，和其中所述的第一整流器被耦合到所述的第一源的第一繞組，所述的第二整流器被耦合到所述的第一源的第二繞組。
11.依據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其中所述的耦合器還包括一個(gè)開關(guān)，用于有選擇地將第一整流器的正輸出端從所述的第二整流器的負(fù)輸出端脫開，從而斷開所述的第一源的所述的電路部件的串聯(lián)。
12.依據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其中所述的耦合器還包括另一個(gè)開關(guān)，用于有選擇地將所述的第一整流器的負(fù)輸出端從負(fù)載的負(fù)輸出端脫開。并將所述的負(fù)輸出端耦合到所述的第一源的所述的其余電路部件的負(fù)輸出端，從而準(zhǔn)備將所述的第一整流器配置到所述的并聯(lián)配置中。
13.依據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其中所述的耦合器還包括另一個(gè)開關(guān)，用于有選擇地將所述的第一整流器的所述的正輸入端耦合到所述的第二整流器的正輸入端，從而將所述的第一整流器配置在所述的并聯(lián)配置中。
14.依據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，還包括一個(gè)線接觸器，用于有選擇地將所述的第二源耦合到所述的開關(guān)以供有選擇地將所述的第二源耦合到所述的第二整流器。
15.依據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所述的負(fù)載包括一個(gè)DC鏈路輸入電容部件，其中所述的控制器調(diào)節(jié)第一源的勵(lì)磁，改變出現(xiàn)在所述的DC鏈路部件上的電壓，與所述的第二源無關(guān)，與負(fù)載電壓要求無關(guān)和與負(fù)載功率要求無關(guān)，以便使驅(qū)動系統(tǒng)性能為最佳。
16.依據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所述的負(fù)載包括一個(gè)DC鏈路輸入電容部件，其中所述的控制器調(diào)節(jié)所述的第一源的勵(lì)磁，補(bǔ)償所述的第二源輸出電壓的變化，以保持在所述的DC鏈路部件中的最佳電壓。
17.依據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述的負(fù)載是一個(gè)或多個(gè)AC電壓源變換器。
18.依據(jù)權(quán)利要求17的設(shè)備，其中所述的變換器驅(qū)動柴油機(jī)為動力的公路外索引載重卡車。
19.依據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備，其中所述的第一源是一個(gè)AC電交流發(fā)電機(jī)。
20.依據(jù)權(quán)利要求20的設(shè)備，其中所述的第一源是一輛柴油機(jī)為動力的公路外牽引載重卡車的部分。
21.依據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，其中所述的第二源是所述的柴油機(jī)為動力的公路外牽引載重卡車外的吊運(yùn)車功率線路。
22.依據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，其中所述的第二源是較低電壓的吊動車功率線路。
23.一種用于當(dāng)所述的源供給負(fù)載功率時(shí)，將一種附加功率的附加源與源無縫地串聯(lián)的設(shè)備，所述的設(shè)備包括第一裝置，用于以所述的功率供給所述的負(fù)載；第二裝置，用于以所述的附加功率供給所述的負(fù)載；和耦合裝置，用于在電氣上無縫地將所述的第二裝置與所述的第一裝置串聯(lián)，使得當(dāng)所述的第一裝置對所述的負(fù)載供給功率時(shí)，所述的第二裝置無縫地與所述的第一裝置串聯(lián)，大大地增加對所述的負(fù)載的功率。
24.依據(jù)權(quán)利要求23的設(shè)備，其中所述的耦合器無縫地將所述的第二裝置與所述的第一源串聯(lián)，從而防止在所述的第一和第二裝置之間的功率分配中負(fù)載察覺到的任何擾動。依據(jù)權(quán)利要求23的設(shè)備，其中所述的第一裝置包括至少兩個(gè)串聯(lián)的電路裝置，每個(gè)對所述的負(fù)載供給一部分所述的功率；其中所述的耦合器將所述的第二裝置與至少一個(gè)所述的電路裝置并聯(lián)，然后將所述的電路裝置從所述的第二源脫開，從而無縫地將所述的第一源的其余部件與所述的第二源串聯(lián)。
25.依據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，其中耦合裝置也將所述的第一裝置的所述的被脫開的電路部件以并行配置方式與所述的第一裝置的至少一個(gè)其他電路裝置耦合。
26.依據(jù)權(quán)利要求25的設(shè)備，還包括一個(gè)控制器，當(dāng)至少一個(gè)所述的電路裝置被所述的耦合裝置耦合到所述的第二源時(shí)，用于控制第一源，降低第一裝置所述的部件的輸出電壓，直到所述的電路裝置之一被反向偏置，從而將所述的電路裝置之一的電流降低到接近零電流為止。
27.依據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，其中所述的第一源具有第一額定約束，所述的第二源具有第二額定約束，其中當(dāng)所述的第一源對所述的負(fù)載供給功率時(shí)，所述的第二源對所述的負(fù)載大大地增加功率，當(dāng)分別在第一和第二源的所述的第一和第二額定約束內(nèi)工作時(shí)，沒有顯著降低流到所述的負(fù)載的功率或者提升所述的負(fù)載的電壓，使得在所述的第一源和所述的第二源之間所述的功率轉(zhuǎn)移對所述的負(fù)載實(shí)際上是透明的。
28.依據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，還包括控制裝置，用于控制所述的耦合裝置以便在電氣上將所述的第二裝置耦合到所述的第一裝置。
29.依據(jù)權(quán)利要求25的設(shè)備，其中所述的控制裝置控制所述的耦合裝置，在所述電路裝置的串聯(lián)配置，提供功率從所述的第一裝置到負(fù)載，和所述的電路裝置的并聯(lián)配置，提供功率從所述的第一裝置連同所述的第二裝置到負(fù)載之間切換。
30.依據(jù)權(quán)利要求26的設(shè)備，其中所述的串聯(lián)配置配置一種電路裝置，將功率從所述的第一裝置引到所述的與共同使用的電路裝置串聯(lián)的負(fù)載，該共同使用的電路裝置在所述的第一裝置和所述的第二裝置之間共享，將功率從所述的第一裝置引到所述的負(fù)載，和其中所述的并聯(lián)配置將所述的電路裝置配置成與所述的共享部件并聯(lián)，將功率從所述的第一裝置連同所述的第二裝置引到所述的負(fù)載。
31.依據(jù)權(quán)利要求28的裝置，其中所述的共享的電路裝置是第一整流器，所述的電路裝置是第二整流器。
32.依據(jù)權(quán)利要求29的裝置，其中所述的第一裝置是一個(gè)雙繞組源，和其中所述的第一整流器被耦合到所述的第一裝置的第一繞組和所述的第二整流器被耦合到所述的第一裝置的第二繞組。
33.依據(jù)權(quán)利要求30的設(shè)備，其中所述的耦合裝置還包括一個(gè)開關(guān)，用于有選擇地將所述的第一整流器的正輸出端從所述的第二整流器的負(fù)輸出端脫開，從而斷開所述的電路裝置與所述的第一裝置的串聯(lián)。
34.依據(jù)權(quán)利要求30的設(shè)備，其中所述的耦合裝置還包括另一個(gè)開關(guān)，用于有選擇地將所述的第一整流器的負(fù)輸出端從負(fù)載的負(fù)輸入端脫開，并將所述的負(fù)輸出端耦合到所述的第一裝置的所述的其余的電路裝置的負(fù)輸出端，從而準(zhǔn)備將所述的第一整流器配置成所述的并聯(lián)裝置。
35.依據(jù)權(quán)利要求30的設(shè)備，其中所述的耦合裝置還包括另一個(gè)開關(guān)，用于有選擇地將所述的第一整流器的所述的正輸入端耦合到所述的第二整流器的正輸入端，從而將所述的第一整流器配置成所述的串聯(lián)配置。
36.依據(jù)權(quán)利要求25的設(shè)備，還包括一個(gè)線接觸器，用于有選擇地將所述的第二裝置耦合到所述的開關(guān)，以便有選擇地將所述的第二裝置耦合到所述的第二整流器。
37.依據(jù)權(quán)利要求25的設(shè)備，其中所述的負(fù)載包括一個(gè)DC鏈路輸入電容部件，其中所述的控制裝置調(diào)節(jié)第一裝置的勵(lì)磁，以改變出現(xiàn)在所述的DC鏈路部件上的電壓，與所述的第二裝置無關(guān)并與負(fù)載電壓要求和負(fù)載功率要求無關(guān)，以便使驅(qū)動系統(tǒng)性能為最佳。
38.依據(jù)權(quán)利要求25的設(shè)備，其中所述的負(fù)載包括一個(gè)DC鏈路輸入電容部件，其中所述的控制裝置調(diào)節(jié)所述的第一裝置的勵(lì)磁，以補(bǔ)償所述的第二裝置輸出電壓的變化，保持在所述的DC鏈路部件中的電壓為最佳。
39.依據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，其中所述的負(fù)載是一個(gè)或多個(gè)AC電壓源變換器。
40.依據(jù)權(quán)利要求39的設(shè)備，其中所述的變換器驅(qū)動柴油機(jī)為動力的公路外牽引載重卡車。
41.依據(jù)權(quán)利要求36的設(shè)備，其中所述的第一裝置是一種AC電交流發(fā)電機(jī)。
42.依據(jù)權(quán)利要求41的設(shè)備，其中所述的第一裝置是一輛柴油為動力的公路外牽引載重卡車。
43.依據(jù)權(quán)利要求38的設(shè)備，其中所述的第二裝置是所述的柴油機(jī)為動力的公路外牽引載重卡車外的吊運(yùn)車功率線路。
44.依據(jù)權(quán)利要求38的設(shè)備，其中所述的第二裝置是較低電壓吊運(yùn)車功率線路。
全文摘要
一種電路將低電壓高電流DC功率源(P
文檔編號B60L11/18GK1342118SQ99816297
公開日2002年3月27日 申請日期1999年12月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月21日
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