ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ
ELECTRIC POWER CONVERTER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к преобразователям электрической мощности, которые приводят в действие и управляют синхронными двигателями с постоянным магнитом.
Уровень техники
Синхронные электродвигатели с постоянным магнитом (далее упоминаемые просто как "электродвигатели") известны как высокоэффективные электродвигатели, по сравнению с наиболее часто используемыми обычными асинхронными электродвигателями, поскольку магнитное поле устанавливается с помощью постоянного магнита, который приводит к устранению необходимости в токе возбуждения, и ток не протекает через ротор, что приводит к отсутствию вторичных потерь в меди. В то время как асинхронные электродвигатели обычно используются в электромоторных железнодорожных вагонах, применение синхронных электродвигателей с постоянным магнитом в электромоторных железнодорожных вагонах, как выяснилось в последние годы, улучшает их эффективность.
В преобразователях электрической мощности, используемых в контроллерах электромоторных железнодорожных вагонов, которые приводят в действие и управляют синхронными электродвигателями с постоянным магнитом, требуется стабильная работа, при которой возможность приостановки работы из-за отказа или поломки сводится до экстремально малой степени, для обеспечения стабильной работы электромоторных железнодорожных вагонов. Для удовлетворения такого требования, то, как защитить контроллеры силовых цепей, является наиболее важным вопросом при применении синхронных электродвигателей с постоянным магнитом в электромоторных железнодорожных вагонах. Другими словами, необходимо выяснить аномальные явления, которые могли бы, возможно, происходить в преобразователях электрической мощности, и принять соответствующие меры против этих аномалий с тем, чтобы устранить чрезвычайные приостановки работы преобразователей мощности и поддерживать преобразователи мощности без поломок.
Преобразователь электрической мощности изготавливают из большого количества электрических/электронных частей, например электронных частей, таких как датчики и микропроцессор, полупроводниковых частей, таких как переключающие элементы, электропроводящих элементов, таких как кабели и электрические шины, которые соединяют эти детали друг с другом, и изолирующих элементов. По этой причине отказ или неправильное функционирование может в принципе происходить в составляющем элементе, то есть в каждой из частей, составляющих преобразователь электрической мощности, и, в этом случае, в цепях происходят аномальные явления, такие как перегрузка по току и перегрузка по напряжению. В дополнение к этому временная перегрузка по току или перегрузка по напряжению может иногда происходить в цепях из-за колебания питающего напряжения, специфичного для электрических железных дорог, или из-за различных возмущений, связанных с вибрацией железнодорожного вагона и вибрацией рельсов.
Кроме того, синхронные электродвигатели с постоянным магнитом, отличные от асинхронных электродвигателей, которые используются чаще всего, всегда генерируют напряжение во время вращения посредством взаимодействия с магнитным полем встроенных постоянных электромагнитов, даже без подаваемой извне электрической энергии.
Как правило, электромоторные железнодорожные вагоны движутся вместе, с множеством вагонов, соединенных в виде поезда, и множество преобразователей электрической мощности и электродвигателей, каждый, распределенно устанавливаются на множестве вагонов. Таким образом, даже когда, например, один из преобразователей электрической мощности, среди множества преобразователей электрической мощности на поезде, случайно останавливается из-за отказа, железнодорожные вагоны могут продолжать движение с помощью других нормальных электродвигателей. С другой стороны, электродвигатель, соединенный с остановленным преобразователем электрической мощности, по-прежнему принуждается к непрерывному вращению колесами, с генерированием напряжения, пропорционального скорости его вращения.
Соответственно, в зависимости от типов отказов, происходящих в преобразователе электрической мощности во время движения железнодорожных вагонов, ток непрерывно подается к поврежденной части посредством генерируемого электродвигателем напряжения, так что поврежденная часть может дополнительно повреждаться, или это может вызывать накопление тепла.
Для такого случая необходима защитная функция для предотвращения поломки преобразователя электрической мощности таким образом, что контроллер системы отслеживает сигналы от датчика напряжения, датчика тока или чего-либо подобного, предусмотренного в преобразователе электрической мощности, и, когда отслеживаемое значение, например, превосходит заранее заданное значение или что-либо подобное, контроллер системы определяет, что произошло аномальное явление, и отключает внутренние контакторы и переключающие элементы в соответствии с заранее заданными логическими правилами.
Однако неправильно отключать все контакторы и переключающие элементы в преобразователе электрической мощности, когда происходит аномальное явление, поскольку тратится время на перезапуск преобразователя электрической мощности, что замедляет временно работу железнодорожных вагонов, и количество операций контакторов и тому подобное увеличивается без необходимости, что ускоряет износ их движущихся частей. Кроме того, повреждение аномальных участков может увеличиться, если предпринимаются неправильные меры. По этой причине преобразователь электрической мощности должен иметь защитную функцию, которая делает возможным принятие правильных мер против различных типов аномальных явлений и отказов, происходящих в преобразователе электрической мощности, для предотвращения поломки преобразователя, в то же время предотвращая излишние приостановки его работы.
Один из способов описывается как известный из литературы в Патентном документе 1, в котором рассматривают случай, где отказ происходит в инверторе, который приводит в действие и управляет синхронным электродвигателем с постоянным магнитом, в то время как электромоторные железнодорожные вагоны движутся, предусматриваются контакторы для отключения соединения между инвертором и синхронным электродвигателем с постоянным магнитом с тем, чтобы не вызывать дополнительного повреждения инвертора генерируемой электродвигателем электрической энергией, при этом инвертор и синхронный электродвигатель с постоянным магнитом изолируются друг от друга с помощью контакторов, когда детектируется отказ инвертора.
Патентный документ 1: выложенная заявка на патент Японии №H08-182105.
Сущность изобретения
Проблемы, которые должно решать изобретение
В соответствии со способом Патентного документа 1, поскольку инвертор и синхронный электродвигатель с постоянным магнитом могут изолироваться друг от друга с помощью контакторов, когда детектируется отказ инвертора, можно предотвращать дальнейшее повреждение поврежденного участка, как описано выше, от электрической энергии, генерируемой электродвигателем при движении. Патентный документ 1, цитируемый выше, описывает, что контакторы, расположенные между инвертором и электродвигателем, отключаются, когда инвертор ломается, но не описывает никаких конкретных аномальных явлений, которые могли бы, возможно, происходить в каждой части, включая инвертор, преобразователь электрической мощности, ни то, как принимать меры против деталей индивидуальных аномальных явлений.
Как описано выше, для стабильной службы электромоторных железнодорожных вагонов является критически важным предусмотреть наперед защитную функцию принятия правильных мер против конкретных аномальных явлений, которые могли бы, возможно, происходить в преобразователях электрической мощности. Однако с помощью предмета изобретения Патентного документа 1 является невозможным принятие мер против конкретных аномальных явлений, которые могли бы, возможно, происходить в преобразователях электрической мощности.
Настоящее изобретение предназначено для решения проблемы, описанной выше, и целью настоящего изобретения является обеспечение преобразователя электрической мощности, имеющего защитную функцию, которая делает возможным принятие мер против различных аномальных явлений, которые могли бы, возможно, происходить в преобразователе электрической мощности, который приводит в действие и управляет синхронным электродвигателем с постоянным магнитом.
Средства для решения проблем
Предусматривается преобразователь электрической мощности в соответствии с настоящим изобретением с преобразователем, имеющим переключающие элементы, для преобразования энергии переменного тока от источника питания переменного тока в энергию постоянного тока; с конденсатором, присоединенным параллельно на стороне постоянного тока преобразователя; с инвертором, имеющим переключающие элементы, соединенным параллельно с конденсатором, для приведения в действие и управления синхронным электродвигателем с постоянным магнитом; с цепью разряда, соединенной параллельно с указанным конденсатором; с переключателем на стороне источника питания, расположенным между источником питания переменного тока и стороной переменного тока преобразователя; с переключателем на стороне электродвигателя, расположенным между инвертором и синхронным электродвигателем с постоянным магнитом; с датчиком напряжения источника питания для измерения напряжения источника питания переменного тока; с датчиком напряжения на конденсаторе для измерения напряжения на конденсаторе; с датчиком входного тока для измерения переменного тока на преобразователе; с датчиком выходного тока для измерения переменного тока от инвертора; и с контроллером системы для управления переключателем на стороне источника питания, преобразователем, цепью разряда, инвертором и переключателем на стороне электродвигателя посредством приема входных сигналов от датчика напряжения источника питания, датчика напряжения на конденсаторе, датчика входного тока и датчика выходного тока, при этом контроллер системы, когда напряжение, измеряемое датчиком напряжения на конденсаторе, становится равным или меньшим, чем первое заранее заданное значение, отключает все переключающие элементы преобразователя и все переключающие элементы инвертора; и когда напряжение, измеряемое датчиком напряжения на конденсаторе, становится равным или меньшим, чем второе заранее заданное значение, которое является меньшим, чем первое заранее заданное значение, отключает переключатель на стороне источника питания; при этом второе заранее заданное значение устанавливается меньшим, чем первое заранее заданное преобразователем, имеющим переключающие элементы, для преобразования энергии переменного тока от источника питания переменного тока в энергию постоянного тока; с конденсатором, соединенным параллельно со стороной постоянного тока преобразователя; с инвертором, имеющим переключающие элементы и соединенным параллельно с конденсатором, для приведения в действие и управления синхронного электродвигателя с постоянным магнитом; с цепью разряда, соединенной параллельно с конденсатором; с переключателем на стороне источника питания, расположенным между источником питания переменного тока и стороной переменного тока преобразователя; с переключателем на стороне электродвигателя, расположенным между инвертором и синхронным электродвигателем с постоянным магнитом; с датчиком напряжения питания для измерения напряжения источника питания переменного тока; с датчиком напряжения на конденсаторе для измерения напряжения на конденсаторе; с датчиком входного тока для измерения переменного тока в преобразователе; с датчиком выходного тока для измерения переменного тока от инвертора; и с контроллером системы для управления переключателем на стороне источника питания, преобразователем, цепью разряда, указанным и переключателем на стороне электродвигателя посредством приема входных сигналов от датчика напряжения питания, датчика напряжения на конденсаторе, датчика входного тока и датчика выходного тока, где контроллер системы, когда напряжение, измеряемое датчиком напряжения на конденсаторе, становится равным или меньшим, чем первое заранее заданное значение, отключает все переключающие элементы преобразователя и все переключающие элементы инвертора; и когда напряжение, измеряемое датчиком напряжения на конденсаторе, становится равным или большим, чем второе заранее заданное значение, которое меньше, чем первое заранее заданное значение, отключает переключатель на стороне электродвигателя; и при этом второе заранее заданное значение устанавливается меньшим, чем первое заранее заданное значение для уменьшения количества операций переключения контактора на стороне электродвигателя.
Эффект настоящего изобретения
Предусматривается преобразователь электрической мощности в соответствии с настоящим изобретением с преобразователем, имеющим переключающие элементы, для преобразования энергии переменного тока от источника питания переменного тока в энергию постоянного тока; с конденсатором, присоединенным параллельно на стороне постоянного тока преобразователя; с инвертором, имеющим переключающие элементы и соединенным параллельно с конденсатором, для приведения в действие и управления синхронным электродвигателем с постоянным магнитом; с цепью разряда, соединенной параллельно с конденсатором; с переключателем на стороне источника питания, расположенным между источником питания переменного тока и стороной переменного тока преобразователя; с переключателем на стороне электродвигателя, расположенным между инвертором и синхронным электродвигателем с постоянным магнитом; с датчиком напряжения источника питания для измерения напряжения источника питания переменного тока; с датчиком напряжения на конденсаторе для измерения напряжения на конденсаторе; с датчиком входного тока для измерения переменного тока для преобразователя; с датчиком выходного тока для измерения переменного тока от инвертора; и с контроллером системы для управления переключателем на стороне источника питания, преобразователем, цепью разряда, инвертором и переключателем на стороне электродвигателя посредством приема входных сигналов от датчика напряжения источника питания, датчика напряжения на конденсаторе, датчика входного тока и датчика выходного тока, где контроллер системы, когда напряжение, измеряемое датчиком напряжения на конденсаторе, становится равным или меньшим, чем первое заранее заданное значение, отключает все переключающие элементы преобразователя и все переключающие элементы указанного инвертора; когда напряжение, измеряемое датчиком напряжения на конденсаторе, становится равным или меньшим, чем второе заранее заданное значение, которое меньше, чем первое заранее заданное значение, отключает переключатель на стороне источника питания; и при этом второе заранее заданное значение является меньшим, чем первое заранее заданное значение вследствие уменьшения количества операций переключения контактора на стороне источника питания. По этой причине может быть достигнута надежная работа по защите в случае короткого замыкания и в то же время предотвращаются ненужные переключения переключателя на стороне источника питания.
Преобразователь электрической мощности в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предусматривается с преобразователем, имеющим переключающие элементы, для преобразования энергии переменного тока от источника питания переменного тока в энергию постоянного тока; с конденсатором, соединенным параллельно со стороной постоянного тока преобразователя; с инвертором, имеющим переключающие элементы и соединенным параллельно с конденсатором, для приведения в действие и управления синхронным электродвигателем с постоянным магнитом; с цепью разряда, соединенной параллельно с конденсатором; с переключателем на стороне источника питания, расположенным между источником питания переменного тока и стороной переменного тока преобразователя; с переключателем на стороне электродвигателя, расположенным между инвертором и синхронным электродвигателем с постоянным магнитом; с датчиком напряжения питания для измерения напряжения источника питания переменного тока; с датчиком напряжения на конденсаторе для измерения напряжения на конденсаторе; с датчиком входного тока для измерения переменного тока в преобразователе; с датчиком выходного тока для измерения переменного тока от инвертора; и с контроллером системы для управления переключателем на стороне источника питания, преобразователем, цепью разряда, инвертором и переключателем на стороне электродвигателя посредством приема входных сигналов от датчика напряжения питания, датчика напряжения на конденсаторе, датчика входного тока и датчика выходного тока, где контроллер системы, когда напряжение, измеряемое датчиком напряжения на конденсаторе, становится равным или меньшим, чем первое заранее заданное значение, отключает все переключающие элементы преобразователя и все переключающие элементы инвертора; и когда напряжение, измеряемое датчиком напряжения на конденсаторе, становится равным или меньшим, чем второе заранее заданное значение, которое меньше, чем первое заранее заданное значение, отключает переключатель на стороне электродвигателя; и при этом второе заранее заданное значение является меньшим, чем первое заранее заданное значение вследствие уменьшения количества операций переключения контактора на стороне электродвигателя. По этой причине может быть достигнута надежная работа по защите в случае короткого замыкания и в то же время предотвращаются ненужные переключения переключателя на стороне электродвигателя.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схему, иллюстрирующую пример конфигурации преобразователя электрической мощности, применяемую для контроллера электромоторного железнодорожного вагона, в соответствии с одним из вариантов осуществления 1 настоящего изобретения;
фиг.2 представляет собой схему, иллюстрирующую пример конфигурации контактора на стороне источника питания и контактора на стороне электродвигателя в соответствии с одним из вариантов осуществления 1;
фиг.3 представляет собой схему, иллюстрирующую систему заземления преобразователя электрической мощности в соответствии с одним из вариантов осуществления 1 при нормальных условиях; и
фиг.4 представляет собой схему, иллюстрирующую систему заземления преобразователя электрической мощности в соответствии с вариантом осуществления 1 в условиях замыкания на землю его главной цепи.
Ссылочные номера
1: воздушный провод
2: токоприемник
3: колеса
4: рельсы
5: прерыватель
6: трансформатор
10, 10u, 10v: контактор на стороне источника питания
11: главный контакт
12: электромагнитная катушка
13: вспомогательный контакт
20: преобразователь
21-24: переключающие элементы
30: конденсатор
40: цепь заземления
41, 42, 43: элемент импеданса
44: детектор замыкания на землю
50: цепь разряда
51: резистор
52: переключающее устройство
60: инвертор
61-66: переключающие элементы
70, 70u, 70v, 70w: контактор на стороне электродвигателя
80: синхронный электродвигатель с постоянным магнитом (электродвигатель)
90: датчик напряжения
91: датчик тока
92: датчик напряжения
93-95: датчики тока
96: датчик вращения
100: контроллер системы и
200: корпус преобразователя электрической мощности/корпус железнодорожного вагона.
Наилучший способ осуществления изобретения
Вариант осуществления 1
Фиг.1 представляет собой схему, иллюстрирующую пример конфигурации преобразователя электрической мощности, применяемую для контроллера электромоторного железнодорожного вагона, в соответствии с вариантом осуществления 1 настоящего изобретения. Как показано на фиг.1, электрическая энергия подается в главную цепь преобразователя мощности от воздушного провода 1 (его напряжение переменного тока, как правило, равно 20-25 кВ) через токоприемник 2 и подводится на первичную сторону трансформатора 6 через прерыватель 5. Другой конец трансформатора 6 соединен с рельсами 4 с потенциалом земли через колеса 3. Отметим, что прерыватель 5 имеет способность прерывания тока повреждения, генерируемого, когда происходит короткое замыкание; с другой стороны, контактор 10 на стороне источника питания и контактор 70 на стороне электродвигателя, которые будут описываться далее, не имеют способности прерывания такого тока повреждения.
Трансформатор 6 ступенчато понижает напряжение, поступающее в его первичную обмотку, для вывода на его вторичной и третичной обмотках соответствующих ступенчато пониженных напряжений. Напряжение с вторичной обмотки подается на вход преобразователя 20 через контактор 10 на стороне источника питания, который представляет собой переключатель на стороне источника питания, и через датчик 91 тока, который измеряет ток, поступающий на вход преобразователя. С другой стороны, напряжение третичной обмотки измеряется как напряжение источника питания переменного тока VS с помощью датчика 90 напряжения и поступает на вход контроллера 100 системы.
Здесь отмечается, что датчик 90 напряжения предусматривается с целью измерения напряжения воздушного провода 1. Датчик 90 напряжения, хотя он предпочтительно располагается на стороне третичной обмотки трансформатора 6, как показано на фиг.1, из-за ослабления влияния высших гармоник от преобразователя 20, а также для простоты изоляции может располагаться не только на стороне источника питания переменного тока, то есть на стороне вторичной обмотки контактора 10 на стороне источника питания, но также и на стороне первичной обмотки трансформатора 6.
Контактор 10 на стороне источника питания располагается между вторичной обмоткой трансформатора 6 и преобразователем 20. Операция переключения контактора может управляться с помощью контроллера 100 системы по сигналу K, выводимому из него, и его рабочее состояние подводится к контроллеру 100 системы по сигналу FK. Хотя фиг.1 иллюстрирует такую конфигурацию, что две входные линии переменного тока, обе, переключаются с помощью контакторов 10u и 10v на стороне источника питания, контактор может предусматриваться на любой одной из входных линий переменного тока. Подробно конфигурация этих контакторов будет описываться позднее.
Датчик 91 тока измеряет входной ток IS преобразователя 20 для вывода измеренного значения на вход контроллера 100 системы. Преобразователь 20 состоит из мостовой схемы, сформированной с помощью переключающих элементов 21, 22, 23 и 24, и преобразует входное напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока посредством управления с помощью импульсно-широтной модуляции (PWM) каждого переключающего элемента в ответ на сигнал CG от контроллера 100 системы для получения на выходе преобразованного напряжения. Состояние каждого переключающего элемента вводится обратно в контроллер 100 системы по сигналу CGF. Когда происходит перегрузка по току в одном из переключающих элементов, когда управляющее напряжение для переключающих элементов уменьшается, когда детектируется избыточная температура в одном из переключающих элементов и когда работа переключающихся элементов не соответствует сигналу CG, эта информация вводится в контроллер 100 системы по сигналу CGF.
Переключающие элементы 21-24 предпочтительно изготавливают из элементов биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) или элементов модуля интеллектуального управления электропитанием (IPM), в каждый из которых встраивается антипараллельный диод. Поскольку способы управления преобразователем 20 и его конфигурации описаны подробно в различных источниках известного уровня техники, их подробные описания опускаются. Преобразователь 20, хотя на фиг.1 он показан как схема двухуровневого преобразователя, может представлять собой схему преобразователя с тремя уровнями или более.
Выходная сторона преобразователя 20 соединяется параллельно с конденсатором 30 для сглаживания напряжения постоянного тока. Напряжение VDC конденсатора 30 измеряется с помощью датчика 92 напряжения для подачи на контроллер 100 системы.
Выходная сторона преобразователя 20 дополнительно соединяется с цепью 40 заземления. Цепь 40 заземления разделяет напряжение постоянного тока VDC преобразователя 20 с помощью элементов 41 и 42 импеданса, и точка соединения элементов 41 и 42 импеданса заземляется на корпус 200 преобразователя электрической мощности/корпус железнодорожного вагона через элемент 43 импеданса. Напряжение на элементе 43 импеданса или ток через него отслеживают с помощью детектора 44 замыкания на землю, и отслеживаемое значение подается на вход контроллера 100 системы по сигналу IGS. Элементы 41 и 42 импеданса, каждый, состоят из конденсатора и резистора, или из их сочетания. Элемент 43 импеданса предпочтительно состоит из резистора.
Цепь 50 разряда, которая представляет собой средство разряда, состоящее из резистора 51 и переключающего устройства 52, предусматривается для разрядки конденсатора 30. Переключающее устройство 52 включается и отключается с помощью контроллера 100 системы по сигналу OVG на его выходе, и рабочие состояния переключателя подводятся к контроллеру 100 системы по сигналу OVF. Переключающее устройство 52 предпочтительно состоит из переключающего элемента, такого как тиристор, IGBT или IPM.
Инвертор 60 предусматривается для приема напряжения постоянного тока от конденсатора 30 и преобразования его в заданное напряжение переменного тока, имеющее заданную частоту, на выходе. Инвертор 60 состоит из мостовой схемы, сформированной с помощью переключающих элементов 61, 62, 63, 64, 65 и 66, для осуществления управления с помощью PWM (импульсно-широтной модуляции) каждого переключающего элемента на основе сигнала IG от контроллера 100 системы. Состояние каждого переключающего элемента вводится обратно в контроллер 100 системы по сигналу IGF. Когда происходит перегрузка по току в одном из переключающих элементов, когда управляющее напряжение для переключающих элементов уменьшается, когда детектируется избыточная температура в одном из переключающих элементов или когда работа переключающих элементов не соответствует сигналу IG, эта информация подводится к контроллеру 100 системы по сигналу IGF.
Переключающие элементы 61-66 предпочтительно состоят из элементов IGBT или элементов IPM, в каждый из которых встроен антипараллельный диод. Поскольку способы управления инвертором 60 и его конфигурации описаны подробно в различных источниках известного уровня техники, их подробные описания опускаются. Инвертор 60, хотя он показан как схема двухуровневого инвертора на фиг.1, может представлять собой схему инвертора с тремя уровнями или более.
Датчики 93, 94 и 95 тока, которые измеряют выходные токи от инвертора 60, предусматриваются на его выходной стороне. Значения, измеряемые каждым датчиком тока, подводятся к контроллеру 100 системы как ток IU U-фазы, ток IV V-фазы и ток IW W-фазы.
Контактор 70 на стороне электродвигателя, который представляет собой переключатель на стороне электродвигателя, предусматривается на выходной стороне датчиков 93, 94 и 95 тока для переключения электродвигателя. Контактор 70 на стороне электродвигателя состоит из контактора 70u U-фазы, контактора 70v V-фазы и контактора 70w W-фазы, и каждая из их операций переключения управляется контроллером 100 системы по его выходному сигналу MMK, и рабочее состояние каждого контактора поступает на вход контроллера 100 системы по сигналу MMKF. Подробно конфигурация этих контакторов будет описываться позднее.
Выходная сторона контактора 70 на стороне электродвигателя соединяется с синхронным электродвигателем 80 с постоянным магнитом ("электродвигателем"), который приводит в действие электромоторный железнодорожный вагон. Положение ротора электродвигателя измеряется с помощью датчика 96 вращения и поступает на вход контроллера 100 системы как сигнал положения θ. Бездатчиковое управление, которое вычисляет сигнал положения θ по напряжению и току электродвигателя 80, может использоваться без предусмотренного датчика 96 вращения.
Контакторы 10u и 10v на стороне источника питания и контакторы 70u, 70v и 70w на стороне электродвигателя описываются здесь подробно. Фиг.2 представляет собой схему, иллюстрирующую пример конфигурации контакторов 10u и 10v на стороне источников питания и контакторов 70u, 70v и 70w на стороне электродвигателя варианта осуществления 1. Как показано на фиг.2, каждый из этих контакторов состоит из главного контакта 11, который включает и выключает главную цепь, электромагнитной катушки 12, которая приводит в действие главный контакт 11, и вспомогательного контакта 13, который механически соединяет главный контакт так, чтобы он замыкался синхронно с замыканием главного контакта 11 и размыкался синхронно с его высвобождением.
Электромагнитная катушка 12 включается и выключается в ответ на сигнал K или сигнал MMK, подводимый от контроллера 100 системы, так что главный контакт 11 замыкается и размыкается с помощью движущей силы катушки. Посредством обеспечения двух различных электромагнитных катушек операции размыкания и замыкания главного контакта 11 могут осуществляться с помощью индивидуальных катушек, соответственно, или посредством обеспечения одной электромагнитной катушки, главный контакт 11 может замыкаться с помощью силы, производимой посредством запитывания катушки, и размыкаться с помощью устройства для высвобождения главного контакта, такого как пружина, когда нет силы, создаваемой посредством питания катушки.
Относительно контакторов 70u, 70v и 70w на стороне электродвигателя, они предпочтительно конфигурируются таким образом, чтобы главный контакт 11 размыкался не под действием движущей силы электромагнитной катушки 12, но под действием силы пружины или чего-либо подобного, имея в виду ситуацию, когда подача питания на катушку 12 прекращается. Это обеспечивает изоляцию электродвигателя 80 от инвертора 60, даже в случае, когда управление источником питания контроллера 100 системы становится недоступным, как будет описано ниже. Рабочее состояние главного контакта 11, детектируемое через вспомогательный контакт 13, поступает на вход контроллера 100 системы по сигналу FK или сигналу MMFK.
В то время как контакторы 10u и 10v на стороне источника питания и контакторы 70u, 70v и 70w на стороне электродвигателя описываются выше как контакторы механического типа, каждый из контакторов не ограничивается ими, постольку-поскольку он работает при переключении (включении и отключении) цепи и способен проверять работу, и может представлять собой, например, бесконтактный переключатель полупроводникового типа. Кроме того, хотя вспомогательный контакт 13 конфигурируется для синхронного замыкания с замыканием главного контакта 11 и синхронного размыкания с его размыканием, вспомогательный контакт, в противоположность этому, может конфигурироваться для синхронного размыкания с замыканием главного контакта 11 и синхронного замыкания с его размыканием. Таким образом, посредством подведения состояния вспомогательного контакта 13 на вход контроллера 100 системы, операции контакторов 10u и 10v на стороне источника питания и контакторов 70u, 70v и 70w на стороне электродвигателя могут отслеживаться постоянно, как будет описываться ниже, с помощью контроллера 100 системы, что дает возможность для детектирования аномалий контакторов.
Здесь описывается контроллер 100 системы. Контроллер 100 системы принимает извне, например из кабины водителя (не показано) электромоторного железнодорожного вагона или чего-либо подобного, сигналы, включая каждую команду режима работы для движения вперед, движения назад, движения с потреблением энергии и рекуперативного движения, команды прекращения движения и команды тормозного усилия, для управления каждым компонентом преобразователя электрической мощности, описанного выше. Контроллер 100 системы также принимает от каждого компонента сигналы, показывающие их рабочие состояния, как описано выше. С помощью такого конфигурирования контроллера 100 системы каждый компонент преобразователя электрической мощности может оптимально управляться в ответ на сигналы из кабины водителя или чего-либо подобного.
Хотя фиг.1 показывает такую конфигурацию, что одна схема преобразователя 20 соединяется со второй обмоткой трансформатора 6, и другая схема инвертора 60 соединяется с выходной стороной преобразователя 20, может конфигурироваться множеством схем, каждая из которых имеет преобразователь 20, который соединяется с вторичной обмоткой трансформатора 6, и множеством схем, каждая из которых имеет инвертор 60, который соединяется параллельно на выходной стороне преобразователя 20. Такая конфигурация может также применяться, когда вторичная обмотка трансформатора 6 разделяется на множество обмоток, к которым преобразователь 20 и инвертор 60 присоединяются индивидуально.
При такой конфигурации преобразователя электрической мощности детали аномальных явлений, которые могут, вероятно, происходить, и соответствующие меры, которые должны предприниматься, если происходят аномальные явления, будут описываться ниже.
Здесь аномальные явления классифицируются на следующие три категории для принятия различных мер в соответствии с важностью аномалий и с тем, являются ли аномалии кратковременными или нет, после того как работа преобразователя мощности прекращается посредством отключения переключающих элементов, контактора 10 на стороне источника питания, контактора 70 на стороне электродвигателя или чего-либо подобного.
Категория A: аномалия, которая дает возможность для автоматического перезапуска преобразователя мощности при условии, что прошло заранее заданное время (примерно несколько секунд) после исчезновения ситуации, которая определяется как аномалия;
Категория B: аномалия, которая дает возможность для перезапуска преобразователя мощности при условии, что исчезла ситуация, которая определяется как аномалия, а также проделывается манипуляция вручную, такая как манипулирование кнопкой перезагрузки; и
Категория C: аномалия, которая запрещает перезапуск как таковой.
Описываются причины для классификации аномалий по Категории A, Категории B и Категории C. Категория A означает аномалии, которые, как считается, происходят временно, под действием возмущения, такого как колебание напряжения воздушного провода 1, влияние или рабочие условия других электромоторных железнодорожных вагонов и проскальзывание колес. Поскольку такие аномалии не приводят к непосредственной поломке преобразователя мощности, разрешается автоматический перезапуск, который устраняет ухудшение рабочих характеристик движения электромоторного железнодорожного вагона из-за остановки преобразователя мощности.
Категория B означает аномалии, которые, вероятно, не происходят под действием рассмотренного выше возмущения, но происходят, вероятно, под действием аномалии в самом преобразователе мощности и могут дополнительно увеличить его повреждение при автоматическом перезапуске. По этой причине разрешается перезапуск посредством манипуляции вручную, то есть только тогда, когда некое лицо в явном виде выбирает перезапуск.
Категория C означает аномалии, которые очевидно увеличивают повреждение преобразователя мощности при перезапуске, и поэтому запрещает перезапуск сам по себе.
Кроме того, если аномалия, классифицируемая по Категории A, происходит заранее заданное количество раз в течение заранее заданного интервала времени, эта аномалия предпочтительно рассматривается как Категория B. Например, если аномалия Категории A происходит два раза подряд в течение трех минут, считается, что аномалия, вероятно, происходит не из-за возмущения, но в самой схеме. Поскольку повторение автоматического перезапуска может повредить преобразователь мощности, в этом случае аномалия относится к Категории B, то есть преобразователь мощности предпочтительно перезапускается при условии, что проделывается манипуляция вручную, такая как манипуляция кнопкой перезагрузки (не показана), предусмотренной в кабине водителя, или что-либо подобное, после того как преобразователь мощности останавливается при возникновении аномалии посредством отключения переключающих элементов, контактора 10 на стороне источника питания, контактора 70 на стороне электродвигателя и тому подобное.
Классификация каждой из аномалий перечисляется ниже.
Категория A
(1) Перегрузка по напряжению на входе (сокращение: VSOV)
(2) Понижение напряжения на входе (сокращение: VSLV)
(3) Перегрузка по току на входе преобразователя (сокращение: ISOC)
(4) Перегрузка по напряжению конденсатора (сокращение: FCOV)
(5) Понижение напряжения на конденсаторе (сокращение: FCLV)
(6) Перегрузка по току электродвигателя (сокращение: MMOC)
Категория B
(7) Аномалия цепи разряда (сокращение: OVCRFF)
(8) Аномалия зарядки (сокращение: CHGF)
(9) Аномалия микрокомпьютера (сокращение: WDT)
(10) Аномалия управляемого источника питания (сокращение: PSLV)
(11) Дисбаланс тока электродвигателя (сокращение: PUB)
(12) Аномалия датчика вращения (сокращение: RSD)
(13) Замыкание на землю главной цепи (сокращение: GD)
(14) Аномалия контактора (сокращение: KD)
Категория C
(15) Аномалия переключающего элемента преобразователя (сокращение: IPMFDC)
(16) Аномалия переключающего элемента инвертора (сокращение: IPMFDI)
Способы определения каждой аномалии и принятие мер против них будут описываться ниже.
(1) Перегрузка по напряжению на входе (сокращение: VSOV)
Когда значение напряжения VS, измеренное датчиком 90 напряжения, становится равным или более высоким, чем заранее заданное значение, контроллер 100 системы определяет напряжение как перегрузку по напряжению на входе (далее упоминается как "VSOV"). Считается, что это явление происходит из-за временного увеличения напряжения в связи с возмущением на стороне источника питания.
Контроллер 100 системы, когда детектирует "VSOV", отключает переключающие элементы 21-24 преобразователя 20 по сигналу CG для остановки их операций переключения, для предотвращения их повреждения. В то же время, контроллер системы также отключает переключающие элементы 61-66 инвертора 60 по сигналу IG, поскольку отключение переключающих элементов 21-24 не дает конденсатору 30 поддерживать напряжение VDC.
Если преобразователь 20 продолжает оставаться в своем остановленном состоянии, напряжение VDC конденсатора 30 может упасть ниже максимального напряжения, генерируемого электродвигателем 80. В этом случае конденсатор 30 заряжается посредством напряжения, генерируемого электродвигателем 80, через диоды переключающих элементов 61-66, так что напряжение VDC становится равным максимальному генерируемому напряжению. Однако, поскольку максимальное генерируемое напряжение электродвигателя 80 при максимальной скорости электромоторного железнодорожного вагона, как правило, устанавливается как более низкое, чем максимальное приемлемое значение напряжения VDC, определяемое по напряжению, которое могут выдерживать переключающие элементы 21-24 и переключающие элементы 61-66, преобразователь мощности не получает повреждений. Соответственно, контактор 70 на стороне электродвигателя может оставаться в состоянии 'включено'.
В этом случае контактор 70 на стороне электродвигателя может, разумеется, отключаться. Однако это не является предпочтительным, поскольку контактор 70 осуществляет механическое действие, и, следовательно, частое переключение контактора приводит к износу его контактов и приводного механизма, сокращая срок его использования. Отключение контактора 70 также не является предпочтительным, поскольку шаги для его включения, необходимые для перезапуска преобразователя мощности, делают время перезапуска больше.
Если максимальное напряжение, генерируемое электродвигателем 80 при максимальной скорости электромоторного железнодорожного вагона, выше, чем максимальное приемлемое значение напряжения VDC конденсатора 30, определяемое по напряжению, которое могут выдерживать переключающие элементы 21-24 и переключающие элементы 61-66, контактор 70 на стороне электродвигателя отключается.
(2) Понижение напряжения на входе (сокращение: VSLV)
Когда значение напряжения VS, измеряемое датчиком 90 напряжения, становится равным или меньшим, чем заранее заданное значение, контроллер 100 системы определяет, что происходит отказ питания в воздушном проводе 1, и определяет напряжение как понижение напряжения на входе (далее упоминается как "VSLV"). Считается, что это явление происходит из-за повреждения питания или аномального падения напряжения воздушного провода 1.
Контроллер 100 системы, когда детектируется "VSLV", принимает меры, сходные с мерами против "VSOV", для предотвращения обратного приложения воздушного провода 1 с напряжением от преобразователя 20. Контактор 70 на стороне электродвигателя может также оставаться в состоянии 'включено', подобно случаю с "VSOV".
(3) Перегрузка по току на входе преобразователя (сокращение: ISOC)
Когда значение тока IS, измеренное датчиком 91 тока, становится равным или большим, чем заранее заданное значение, контроллер 100 системы определяет входной ток преобразователя 20 как избыточно большой и определяет ток как перегрузку по току на входе преобразователя (далее упоминается как "ISOC"). Считается, что это явление происходит из-за возмущения, такого как внезапное изменение напряжения воздушного провода 1, аномалия в управлении преобразователем 20, аномалия переключающих элементов 21-24 и отказ из-за короткого замыкания в части главной цепи вокруг входного и выходного узлов преобразователя 20.
Контроллер 100 системы, когда детектируется "ISOC", отключает переключающие элементы 21-24 преобразователя 20 по сигналу CG для остановки их операций переключения, так что они не выходят из строя из-за перегрузки по току. Контроллер системы также отключает переключающие элементы 61-66 инвертора 60 по сигналу IG, поскольку отключение переключающих элементов 21-24 не дает конденсатору 30 поддерживать напряжение VDC. Контроллер системы также отключает контактор 10 на стороне источника питания по сигналу K, если перегрузка по току вызывается неправильным функционированием переключающих элементов 21-24 (в состоянии, не позволяющем работу для переключения в соответствии с сигналом CG), из-за короткого замыкания в них или из-за повреждения из-за короткого замыкания в части главной цепи вокруг входного и выходного узлов преобразователя 20, поскольку является сложным надежное предотвращение перегрузки по току только посредством отключения переключающих элементов 21-24.
Считается, что "ISOC" вызывается в основном таким возмущением, как внезапное изменение напряжения воздушного провода 1. Поскольку оба конца конденсатора 30 не замыкаются накоротко, за исключением случая, когда короткое замыкание происходит одновременно в переключающем элементе в верхнем плече и в переключающем элементе в нижнем плече преобразователя 20, или когда отказ из-за короткого замыкания происходит на его выходной стороне, ток не протекает в преобразователь со стороны электродвигателя 80. По этой причине контактор 70 на стороне электродвигателя не отключается.
В случае если короткое замыкание происходит одновременно в переключающем элементе в верхнем плече и в переключающем элементе в нижнем плече преобразователя 20, или отказ из-за короткого замыкания происходит на его выходной стороне, напряжение VDC конденсатора 30 быстро уменьшается, как описывается далее. Поскольку контактор 70 на стороне электродвигателя отключается при детектировании такого резкого уменьшения, преобразователь мощности может быть защищенным даже в такой ситуации.
Хотя напряжение VDC конденсатора 30 может упасть ниже максимального напряжения, генерируемого электродвигателем 80, если преобразователь 20 продолжает оставаться в его остановленном состоянии, контактор 70 на стороне электродвигателя может оставаться в состоянии 'включено', как рассмотрено выше.
(4) Перегрузка по напряжению конденсатора (сокращение: FCOV)
Когда значение напряжения VDC, измеряемое датчиком 92 напряжения, становится равным или большим, чем заранее заданное значение, контроллер 100 системы определяет напряжение конденсатора 30 как избыточно большое и определяет напряжение как перегрузку по напряжению конденсатора (далее упоминается как "FCOV"). Считается, что это явление происходит, когда напряжение VDC конденсатора 30 не может нормально управляться из-за аномального управления преобразователем 20, или происходит из-за временного возмущения со стороны источника питания.
Контроллер 100 системы, когда детектируется "FCOV", отключает переключающие элементы 21-24 преобразователя 20 и переключающие элементы 61-66 инвертора 60 по сигналу CG и сигналу IG, соответственно, для остановки их операций переключения, так что они не выходят из строя под действием напряжения конденсатора VDC, если оно превышает напряжения, которые могут выдержать эти элементы. В это же время, контроллер системы включает цепь 50 разряда по сигналу OVG для разрядки конденсатора 30 через переключающее устройство 52 и резистор 51.
В этом случае, когда напряжение VDC конденсатора 30 становится ниже, чем напряжение на стороне источника питания преобразователя 20, ток протекает в конденсатор 30 и включенную цепь 50 разряда со стороны источника питания через антипараллельные диоды, встроенные в переключающие элементы 21-24 преобразователя 20, при этом резистор 51 мог бы быть поврежден из-за нагрева. По этой причине контактор 10 на стороне источника питания отключается по сигналу K.
Подобным же образом, когда напряжение VDC становится ниже, чем максимальное напряжение, генерируемое электродвигателем 80, ток протекает в конденсатор 30 и цепь 50 разряда со стороны электродвигателя 80 через антипараллельные диоды, встроенные в переключающие элементы 61-66 инвертора 60, при этом резистор 51 мог бы быть поврежден из-за нагрева. По этой причине контактор 70 на стороне электродвигателя отключается по сигналу MMK.
(5) Понижение напряжения конденсатора (сокращение: FCLV)
Когда значение напряжения VDC, измеряемое датчиком 92 напряжения, становится равным или более низким, чем первое заранее заданное значение, контроллер 100 системы определяет напряжение VDC конденсатора 30 как избыточно низкое и определяет напряжение как понижение напряжения конденсатора (далее упоминается как "FCLV"). Считается, что это явление происходит в основном в ситуациях, где напряжение воздушного провода 1 падает из-за большого значения его импеданса, например, когда электромоторный железнодорожный вагон движется далеко от трансформаторной подстанции, которая подает энергию на воздушный провод 1, или когда, одновременно, другой электромоторный железнодорожный вагон при движении с потреблением энергии находится на том же воздушном проводе, от которого вагон получает электрическую энергию.
Контроллер 100 системы, когда детектируется "FCLV", отключает переключающие элементы 21-24 и переключающие элементы 61-66 по сигналу CG и сигналу IG, соответственно, для остановки их операций переключения, для предотвращения дальнейшего падения напряжения конденсатора VDC, и подавляет падение напряжения VDC конденсатора 30 посредством уменьшения потребления энергии электродвигателем 80.
Когда падение напряжения VDC конденсатора 30 вызывается изменением импеданса воздушного провода 1, как рассмотрено выше, падение напряжения конденсатора VDC может подавляться с помощью рассмотренной выше операции. Однако если короткое замыкание происходит на обоих концах конденсатора 30 или по соседству с ними, а затем напряжение VDC конденсатора 30 уменьшается из-за разрядки, даже рассмотренная выше операция не может исключить падение напряжения конденсатора VDC. В этом случае напряжение VDC дополнительно понижается ниже, чем первое заранее заданное значение. Когда напряжение конденсатора VDC понижается ниже напряжения со стороны источника питания преобразователя 20, ток протекает в конденсатор 30 со стороны источника питания через внутренние антипараллельные диоды переключающих элементов 21-24 преобразователя 20, при этом ток поступает на короткозамкнутый участок, так что преобразователь мощности мог бы быть поврежден из-за нагрева. По этой причине, когда напряжение конденсатора VDC понижается ниже, чем второе заранее заданное значение, которое устанавливается более низким, чем первое заранее заданное значение, контактор 10 на стороне источника питания также отключается по сигналу K.
Кроме того, если напряжение VDC конденсатора 30 понижается ниже, чем максимальное напряжение, генерируемое электродвигателем 80, ток протекает в конденсатор 30 со стороны электродвигателя 80 через внутренние антипараллельные диоды переключающих элементов 61-66 инвертора 60, при этом ток поступает на короткозамкнутый участок, так что преобразователь мощности может быть поврежден из-за нагрева. По этой причине, когда напряжение конденсатора VDC понижается ниже, чем второе заранее заданное значение, контактор 70 на стороне электродвигателя также отключается по сигналу MMK.
Второе заранее заданное значение для отключения контактора 10 со стороны источника питания и значение для отключения контактора 70 на стороне электродвигателя могут устанавливаться как значения, отличные друг от друга. Кроме того, условия, необходимые для отключения контактора 10 на стороне источника питания и контактора 70 на стороне электродвигателя, могут изменяться, основываясь на напряжении со стороны источника питания VS или на скорости вращения электродвигателя 80. Например, когда электродвигатель 80 вращается при низкой скорости, второе заранее заданное значение устанавливается как более низкое значение, поскольку низкое напряжение, генерируемое электродвигателем 80, делает возможным соответствующее низкое значение напряжения конденсатора VDC, при котором контактор 70 на стороне электродвигателя должен отключаться. С помощью такого способа количество операций переключения контактора 10 на стороне источника питания и контактора 70 на стороне электродвигателя может быть уменьшено из-за уменьшения случаев, когда они должны работать, делая возможным подавление износа движущихся частей контакторов и, по этой причине, продление их сроков работы.
(6) Перегрузка по току электродвигателя (сокращение: MMOC)
Когда любое значение токов IU, IV и IW, измеренное датчиками 93, …, 95 тока, становится заранее заданным значением или превышает его, контроллер 100 системы определяет ток электродвигателя как избыточно большой и определяет ток как перегрузку по току электродвигателя (далее упоминается как "MMOC"). Считается, что это явление происходит из-за временного возмущения, такого как короткое замыкание между выходными линиями инвертора 60, короткого замыкания обмоток электродвигателя 80, нарушения функционирования управления инвертором 60 и внезапного изменения напряжения источника питания.
Когда контроллер 100 системы детектирует "MMOC", в частности, если это вызывается коротким замыканием между выходными линиями инвертора 60, ток, вызываемый напряжением, генерируемым электродвигателем 80, мог бы протекать в короткозамкнутом участке и увеличивать ее повреждение. По этой причине контроллер системы отключает переключающие элементы 61-66 инвертора 60 по сигналу IG для остановки их операций переключения и затем отключает контактор 70 на стороне электродвигателя по сигналу MMK.
Переключающие элементы 21-24 преобразователя 20 и контактора 10 на стороне источника питания могут также отключаться по сигналу CG и сигналу K, соответственно, для остановки их операций переключения.
(7) Аномалия цепи разряда (сокращение: OVCRFF)
Контроллер 100 системы, когда сигнал обратной связи OVF поступает на его вход от переключающего устройства 52 цепи 50 разряда, показывает аномалию переключающего устройства 52, определяет аномалию как аномалию цепи разряда (далее упоминается как "OVCRFF"). Аномалия переключающего устройства 52 обозначает любую ситуацию, когда происходит перегрузка по току во внутреннем переключающем элементе, встроенном в него (не показано), управляющее напряжение для переключающего элемента уменьшается, детектируется избыточная температура в переключающем элементе, и детектируется разница между операцией, осуществляемой переключающим элементом и командой 'включить'/'выключить'.
Когда контроллер 100 системы детектирует "OVCRFF", считается, что напряжение конденсатора VDC может потерять возможность разрядиться, или операция разряда может потерять возможность для остановки, прогнозируя ситуацию, где переключающее устройство 52 не может быть включено или не может быть выключено, в то же время оставаясь в состоянии 'включено'.
Когда напряжение конденсатора VDC не может разрядиться из-за невозможности включения переключающего устройства 52, напряжение конденсатора VDC может превышать напряжения, которые могут выдержать переключающие элементы 21-24 преобразователя 20 и переключающие элементы 61-66 инвертора 60, и вывести из строя эти переключающие элементы. Соответственно, контроллер системы отключает эти переключающие элементы 21-24 и 61-66 для остановки их операций переключения по сигналу CG и сигналу IG. В это же время контроллер системы изолирует сторону источника питания и сторону электродвигателя от цепи 50 разряда посредством отключения контактора 10 на стороне источника питания и контактора 70 на стороне электродвигателя по сигналу K и сигналу MMK соответственно, чтобы при этом устранить возможность роста напряжения конденсатора 30 из-за втекающего тока.
Когда операция разряда переключающего устройства 52 теряет возможность для остановки из-за невозможности ее отключения, при этом оставаясь в состоянии 'включено', напряжение VDC конденсатора 30 падает до нуля. В этом случае ток протекает в цепь разряда 50 со стороны источника питания через внутренние антипараллельные диоды переключающих элементов 21-24 преобразователя 20, при этом резистор 51 может быть поврежден из-за нагрева. Чтобы предотвратить это, контактор 10 на стороне источника питания отключается.
Кроме того, ток протекает в цепь 50 разряда со стороны электродвигателя 80 через внутренние антипараллельные диоды переключающих элементов 61-66 инвертора 60, при этом резистор 51 может быть поврежден из-за нагрева. Чтобы предотвратить это, контактор 70 на стороне электродвигателя также отключается.
(8) Аномалия зарядки (сокращение: CHGF)
При зарядке конденсатора 30, когда зарядка конденсатора 30 не завершается в пределах заранее заданного интервала времени, контроллер системы определяет эту неполноту как аномалию зарядки (далее упоминается как "CHGF"). В то время как конденсатор 30 заряжен, при запуске и перезапуске преобразователя электрической мощности, от третичной обмотки трансформатора 6 или с выхода вспомогательного источника питания (не показано) через зарядное устройство (не показано), которое состоит из трансформатора и выпрямителя, "CHGF" детектируется при условии, что значение напряжения VDC конденсатора 30 не достигает заранее заданного значения при прохождении заранее заданного промежутка времени после начала зарядки.
Когда детектируется "CHGF", замыкание на землю или короткое замыкание, вероятно, происходит в конденсаторе 30 или в части схемы вокруг него. Контроллер 100 системы, по этой причине, отключает переключающие элементы 21-24 и переключающие элементы 61-66 по сигналу CG и сигналу IG, соответственно, для остановки их операций переключения. В это же время контроллер системы отключает контактор 10 на стороне источника питания и контактор 70 на стороне электродвигателя по сигналу K и сигналу MMK, соответственно, для изоляции стороны источника питания и стороны электродвигателя от конденсатора 30, при этом предотвращается протекание тока в короткозамкнутом участке цепи со стороны источника питания или стороны электродвигателя 80.
(9) Аномалия микрокомпьютера (сокращение: WDT)
Когда аномалия внутреннего микрокомпьютера (далее упоминается как "миком") детектируется детектором аномалии микома (не показан), контроллер 100 системы определяет аномалию как аномалию микома (далее упоминается как "WDT").
Поскольку в известном уровне техники имеются различные способы детектирования аномалии микома, их подробные описания опускаются. Детектор аномалии микома состоит из компонентов аппаратного обеспечения, отличных от компонентов исполнительного программного обеспечения микома, и конфигурируется так, чтобы иметь возможность для отключения, не через миком, контактора 10 на стороне источника питания, контактора 70 на стороне электродвигателя, преобразователя 20 и инвертора 60 и включения цепи разряда 50. Считается, что аномальное явление микома возникает из-за аномального результата работы программного обеспечения микома под действием временного шума, при остановке работы программного обеспечения со стороны микома, которое останавливается из-за повреждения частей и тому подобное, на печатной плате, где установлен миком, или аппаратной ошибки и тому подобное в программном обеспечении, исполняемом микомом.
Когда детектируется "WDT", программное обеспечение могло бы исполняться аномально, так что контроллер 100 системы мог бы выдавать неправильный выходной сигнал преобразователю 20, инвертору 60, цепи 50 разряда, контактору 10 на стороне источника питания или контактору 70 на стороне электродвигателя, которые могут привести к выводу из строя переключающих элементов 21-24 и переключающих элементов 61-66. По этой причине детектор аномалии микома по сигналу CG, сигналу IG и сигналу OVG, а не через миком, отключает переключающие элементы 21-24 и переключающие элементы 61-66 для остановки их операций переключения и в то же время включает цепь 50 разряда для разряда конденсатора 30, при этом предотвращается приложение напряжения к этим переключающим элементам. Поскольку напряжение конденсатора 30 уменьшается при разрядке, ток протекает в цепи 50 разряда со стороны источника питания через внутренние антипараллельные диоды переключающих элементов 21-24 преобразователя 20, при этом резистор 51 мог бы быть поврежден из-за нагрева. По этой причине контактор 10 на стороне источника питания отключается по сигналу K. Подобным же образом, ток может также протекать в цепи 50 разряда со стороны электродвигателя 80 через внутренние антипараллельные диоды переключающих элементов 61-66 инвертора 60, при этом резистор 51 мог бы быть поврежден из-за нагрева. Контактор 70 на стороне электродвигателя по этой причине отключается по сигналу MMK.
(10) Аномалия управляемого источника питания (сокращение: PSLV)
Когда детектируется такая аномалия, что напряжение встроенного управляемого источника питания (не показан), которое выходит из заранее заданного диапазона, детектируется детектором аномалии управляемого источника питания (не показан) - низковольтный источник питания, который, как правило, выдает напряжения 15 В, 5 В и тому подобное для микома и электронных схем, - контроллер 100 системы определяет аномалию как аномалию управляемого источника питания (далее упоминается как "PSLV"). Когда возникает такая ситуация, где напряжение источника питания для каждой электромагнитной катушки 12 контактора 10 на стороне источника питания и контактора 70 на стороне электродвигателя и напряжение источника питания для приведения в действие переключающих элементов преобразователя 20 и переключающих элементов инвертора 60 падает до соответствующих заранее заданных значений или ниже, контроллер системы также определяет эти низкие напряжения как PSLV.
Когда детектируется "PSLV", миком мог бы не работать нормально, и переключающие элементы 21-24 и переключающие элементы 61-66 могли бы выйти из строя из-за уменьшения напряжения, если напряжение источника питания для приведения в действие переключающих элементов преобразователя 20 и переключающих элементов инвертора 60 уменьшается. В этом случае контроллер 100 системы непосредственно отключает переключающие элементы 21-24 и переключающие элементы 61-66 для остановки их операций переключения и в то же время включает цепь 50 разряда для разряда конденсатора 30, при этом предотвращается приложение напряжения к этим переключающим элементам. Поскольку напряжение конденсатора 30 уменьшается при разрядке, ток протекает в цепь 50 разряда со стороны источника питания через внутренние антипараллельные диоды переключающих элементов 21-24 преобразователя 20, при этом резистор 51 мог бы быть поврежден из-за нагрева. Контактор 10 на стороне источника питания по этой причине отключается по сигналу K. Подобным же образом, ток протекает также в цепь 50 разряда со стороны электродвигателя 80 через внутренние антипараллельные диоды переключающих элементов 61-66 инвертора 60, при этом резистор 51 мог бы быть поврежден из-за нагрева. Контактор 70 на стороне электродвигателя по этой причине отключается по сигналу MMK.
Поскольку цепь 50 разряда должна надежно включаться даже в ситуации, где подача энергии от управляемого источника питания полностью обрывается, контроллер 100 системы и цепь 50 разряда, каждый, имеют схему резервного источника питания (не показана), состоящую из элемента для аккумулирования энергии, такого как электролитический конденсатор, для поддержания напряжения управляемого источника питания после остановки подачи энергии от управляемого источника питания и для поддержания состояния 'включено' переключающего устройства 52 до завершения разряда (обычно в течение примерно трех секунд). При указанной выше конфигурации, даже если подача энергии от управляемого источника питания внезапно обрывается во время работы, конденсатор 30 может надежно разряжаться, и контактор 10 на стороне источника питания и контактор 70 на стороне электродвигателя могут отключаться, так что может быть предотвращен выход из строя преобразователя электрической мощности, включающего переключающие элементы 21-24 и переключающие элементы 61-66.
(11) Дисбаланс тока электродвигателя (сокращение: PUD)
Когда значение дисбаланса между токами электродвигателя IU, IV и IW, измеренное датчиками 93-95 тока, становится больше, чем заранее заданное значение, контроллер 100 системы определяет дисбаланс как дисбаланс тока электродвигателя (далее упоминается как "PUD").
Когда детектируется "PUD", может происходить выход из строя обмотки электродвигателя 80 или потеря фазы переключающим элементом (отказ включения). В этом случае контроллер 100 системы определяет, что продолжение работы преобразователя мощности является сложным, и отключает переключающие элементы 21-24 и переключающие элементы 61-66 для остановки их операций переключения, и отключает контактор 10 на стороне источника питания и контактор 70 на стороне электродвигателя по сигналу K и сигналу MMK соответственно.
(12) Аномалия датчика вращения (сокращение: RSD)
Когда сигнал положения θ, измеряемый датчиком 96 вращения, является аномальным, контроллер системы 100 определяет аномалию как аномалию датчика вращения (далее упоминается как "RSD"). Поскольку способы детектирования аномалии сигнала положения θ имеются в известном уровне техники, их описание здесь опускается.
Когда детектируется "RSD", управление током электродвигателя 80 не осуществляется нормально, и считается, что это явление представляет собой перегрузку по току электродвигателя из-за неправильного функционирования управления и повреждения переключающего элемента, связанного с этим, и перегрузки по напряжению напряжения конденсатора VDC из-за электрической энергии, генерируемой электродвигателем 80, протекающей в конденсаторе 30. По этой причине контроллер системы определяет, что продолжение работы преобразователя мощности является сложным, и отключает переключающие элементы 21-24 и переключающие элементы 61-66 для остановки их операций переключения, и отключает контактор 10 на стороне источника питания и контактор 70 на стороне электродвигателя по сигналу К и сигналу ММК соответственно.
(13) Замыкание на землю главной цепи (сокращение: GD)
Контроллер системы 100, когда сигнал IGS, поступающий на его вход от детектора 44 замыкания на землю, предусмотренного в цепи 40 заземления, показывает замыкание на землю главной цепи, определяет указание как замыкание на землю главной цепи (далее упоминается как "GD").
Здесь будет выполнено описание системы заземления преобразователя электрической мощности в соответствии с настоящим изобретением и явления замыкания на землю главной цепи. Фиг.3 представляет собой схему, иллюстрирующую систему заземления преобразователя электрической мощности для варианта осуществления 1 при нормальных условиях. Как показано на фиг.3, система заземления конфигурируется таким образом, что напряжение VDC конденсатора 30 разделяется элементами 41 и 42 импеданса, включенными в цепь 40 заземления, для заземления потенциала, промежуточного по отношению к напряжению VDC, на корпус 200 преобразователя электрической мощности/корпус железнодорожного вагона через элемент 43 импеданса. В такой конфигурации, поскольку большой ток, за исключением тока высокой частоты, связанного с операциями переключающих элементов 21-24 и переключающих элементов 61-66, не проходит через элемент 43 импеданса при нормальных условиях, сигнал IGS на входе в контроллер 100 системы от детектора 44 замыкания на землю показывает отсутствие большого замыкания на землю главной цепи.
Фиг.4 представляет собой схему, иллюстрирующую систему заземления преобразователя электрической мощности для варианта осуществления 1 при состоянии замыкания на землю главной цепи. На фиг.4 показан случай, как пример, в котором одна из трех линий фаз электродвигателя 80 заземлена на корпус 200 преобразователя электрической мощности/корпус железнодорожного вагона. В этом случае ток замыкания на землю протекает через элемент 43 импеданса, через корпус 200 преобразователя электрической мощности/корпус железнодорожного вагона, как показано с помощью прерывистой линии на фиг.4, и детектор 44 замыкания на землю информирует на этой основе контроллер 100 системы о замыкании на землю главной цепи по сигналу IGS, поступающему на вход контроллера.
Когда электромоторный железнодорожный вагон движется, в этом случае, даже несмотря на то что переключающие элементы 61-66 инвертора 60 отключены, ток замыкания на землю продолжает протекать через внутренние диоды переключающих элементов 61-66 из-за напряжения, генерируемого от вращения электродвигателя 80, повреждая преобразователь мощности. По этой причине контактор 70 на стороне электродвигателя должен быть отключен.
В случае, когда электромоторный железнодорожный вагон движется, даже несмотря на то что переключающие элементы 61-66 инвертора 60 отключены, ток замыкания на землю продолжает протекать через внутренние диоды переключающих элементов 61-66 из-за напряжения, генерируемого от вращения электродвигателя 80, повреждая преобразователь мощности. По этой причине контактор 70 на стороне электродвигателя должен быть отключен.
Когда происходит замыкание на землю, вокруг входного и выходного узлов преобразователя 20, иное, чем путь замыкания на землю, показанный на фиг.4, контактор 10 на стороне источника питания также должен отключаться для прерывания тока замыкания на землю на стороне источника питания. Кроме того, цепь 50 разряда включается для разряда конденсатора 30, который в ином случае мог бы представлять собой источник тока повреждения.
Как описано выше, контроллер 100 системы, когда детектирует "GD", отключает переключающие элементы 21-24 и переключающие элементы 61-66 и включает цепь 50 разряда по сигналу OVG для разряда конденсатора 30, и также выключает контактор 10 на стороне источника питания и контактор 70 на стороне электродвигателя по сигналу K и сигналу MMK соответственно.
(14) Аномалия контактора (сокращение: KD)
Когда случается следующая ситуация: хотя контроллер системы командует контактору 10 на стороне источника питания или контактору 70 на стороне электродвигателя включение по сигналу K или сигналу MMK соответственно, соответствующие главные контакты 11 и вспомогательные контакты 13, синхронизованные с ними, не включаются, и в результате такое состояние продолжается в течение заранее заданного интервала времени, когда сигнал обратной связи KF или сигнал обратной связи MMKF не показывают их состояния 'включено',
или, хотя контроллер командует любому из контакторов отключение по сигналу K или сигналу MMK, соответствующие главные контакты 11 и вспомогательные контакты 13, синхронизованные с ними, не отключаются, и в результате такое состояние продолжается в течение заранее заданного интервала времени, когда сигнал обратной связи KF или сигнал обратной связи MMKF не показывает их состояние 'отключено',
контроллер 100 системы определяет ситуацию как неправильное функционирование контактора 10 на стороне источника питания или контактора 70 на стороне электродвигателя и определяет ситуацию как аномалию контактора (далее упоминается как "KD"). Это связано с тем, что определение аномалии контактора осуществляется посредством детектирования возникновения конкретного явления, при котором время работы контакторов продлевается более заданного значения времени. С помощью детектирования, таким образом, такой аномалии могут приниматься меры до дальнейшего развития аномалии для достижения ситуации, где контактор не работает от команды для него.
В дополнение к этому детектирование такой аномалии контакта может осуществляться на основе блока контактора 10 на стороне источника питания и контактора 70 на стороне электродвигателя или осуществляться индивидуально для контактора 10u и 10v на стороне источника питания и контактора 70u, 70v и 70w на стороне электродвигателя.
Когда детектируется "KD", не только главная цепь не может работать нормально, но также электродвигатель 80 не может быть изолирован от инвертора 60, или преобразователь 20 не может быть изолирован на стороне источника питания, даже если такая изоляция необходима при возникновении каждой из аномалий, которые описаны, что может приводить преобразователь мощности в более поврежденное состояние.
По этой причине контроллер системы отключает переключающие элементы 21-24 и переключающие элементы 61-66 по сигналам CG и IG соответственно для остановки их операций переключения и включает цепь 50 разряда по сигналу OVG для разряда конденсатора 30, и отключает контактор 10 на стороне источника питания и контактор 70 на стороне электродвигателя по сигналам K и MMK соответственно.
В дополнение к этому, по отношению к контакторам, рассмотренным здесь, считается, что они могут включаться и отключаться, но их операции занимают более продолжительное время. Соответственно, по отношению к контактору 10 на стороне источника питания и контактору 70 на стороне электродвигателя считается, что они могут быть отключены. Когда детектируется аномалия контактора 10 на стороне источника питания, прерыватель 5 может также отключаться, принимая во внимание ситуацию, где контактор 10 на стороне источника питания не может отключаться.
(15) Аномалия переключающего элемента преобразователя (сокращение: IPMFDC)
Контроллер 100 системы отслеживает сигнал CGF, подаваемый на его вход от преобразователя 20, и, когда сигнал CGF показывает любую ситуацию, где происходит перегрузка по току в одном из переключающих элементов, уменьшается управляющее напряжение для переключающих элементов, детектируется избыточная температура в одном из переключающих элементов и детектируется несоответствие между состоянием 'включено'/'выключено' переключающих элементов и командой 'включить'/'выключить' для них, контроллер определяет ситуацию как аномалию переключающего элемента преобразователя (далее упоминается как "IPMFDC"). Любое из этих явлений могло бы привести к выводу из строя переключающих элементов.
Контроллер 100 системы, когда детектируется "IPMFDC", отключает переключающие элементы 21-24 преобразователя 20 по сигналу CG для остановки их операций переключения, так что они не выходят из строя, и в то же время включает цепь 50 разряда по сигналу OVG для разряда конденсатора 30 через переключающее устройство 52 и резистор 51. Кроме того, контроллер одновременно отключает переключающие элементы 61-66 инвертора 60 по сигналу IG для остановки их операций переключения.
В этом случае, когда напряжение VDC конденсатора 30 падает ниже напряжения на стороне источника тока преобразователя 20, ток протекает в конденсаторе 30 и в цепи 50 разряда со стороны источника питания через внутренние антипараллельные диоды переключающих элементов 21-24 преобразователя 20, при этом резистор 51 может быть поврежден из-за нагрева. Контактор 10 на стороне источника питания по этой причине отключается по сигналу K. Подобным же образом, когда напряжение VDC падает ниже максимального напряжения, генерируемого электродвигателем 80, ток протекает в конденсаторе 30 и в цепи 50 разряда со стороны электродвигателя 80 через внутренние антипараллельные диоды переключающих элементов 61-66 инвертора 60, при этом резистор 51 мог бы быть поврежден из-за нагрева. Контактор 70 на стороне электродвигателя по этой причине отключается по сигналу MMK.
(16) Аномалия переключающего элемента инвертора (сокращение: IPMFDI)
Контроллер 100 системы отслеживает сигнал IGF, поступающий на его вход от инвертора 60, а когда сигнал IGF показывает любую ситуацию, где перегрузка по току происходит в одном из переключающих элементов, управляющее напряжение для переключающих элементов уменьшается, детектируется избыточная температура в одном из переключающих элементов и детектируется несоответствие между состоянием 'включено'/'выключено' переключающих элементов и командой 'включить'/'выключить' для них, контроллер определяет ситуацию как аномалию переключающего элемента инвертора (далее упоминается как "IPMFDI"). Любое из этих явлений могло бы привести к выходу из строя переключающих элементов.
Контроллер 100 системы, когда детектирует "IPMFDI", отключает переключающие элементы 61-66 инвертора 60 по сигналу IG для остановки их операций переключения, так что они не выходят из строя, и в то же время включает цепь 50 разряда по сигналу OVG для разряда конденсатора 30 через переключающее устройство 52 и резистор 51. Кроме того, контроллер одновременно отключает переключающие элементы 21-24 преобразователя 20 по сигналу CG для остановки их операций переключения.
В этом случае, когда напряжение VDC конденсатора 30 падает ниже напряжения на стороне источника питания преобразователя 20, ток протекает в конденсаторе 30 и в цепи 50 разряда со стороны источника питания через внутренние антипараллельные диоды переключающих элементов 21-24 преобразователя 20, при этом резистор 51 мог бы быть поврежден из-за нагрева. Контактор 10 на стороне источника питания по этой причине отключается по сигналу K. Подобным же образом, когда напряжение VDC падает ниже максимального напряжения, генерируемого электродвигателем 80, ток протекает в конденсаторе 30 и в цепи 50 разряда со стороны электродвигателя 80 через внутренние антипараллельные диоды переключающих элементов 61-66 инвертора 60, при этом резистор 51 мог бы быть поврежден из-за нагрева. Контактор 70 на стороне электродвигателя по этой причине отключается по сигналу MMK.
На этом месте заканчивается описание способов детектирования каждого аномального явления и мер, которые должны приниматься против них. В дополнение к этому, контроллер 100 системы выполнен с возможностью регистрации в нем деталей, рассмотренных выше аномальных явлений, когда происходит любое из них, и в то же время информирует об аномалии внешнее устройство, предусмотренное в кабине водителя, или что-либо подобное. Такая конфигурация делает возможным быстрое выяснение причин аномальных явлений.
Когда конкретно происходит одна из аномалий, перечисленных ниже, главная цепь подвергается, вероятно, короткому замыканию или замыканию на землю, что может приводить к появлению большого тока повреждения. По этой причине прерыватель 5 дополнительно отключается.
(8) Аномалия зарядки (сокращение: CHGF)
(13) Замыкание на землю главной цепи (сокращение: GD)
(15) Аномалия переключающего элемента преобразователя (сокращение: IPMFDC)
(16) Аномалия переключающего элемента инвертора (сокращение: IPMFDI)
С другой стороны, следующие аномалии:
(11) Дисбаланс тока электродвигателя (сокращение: PUD)
(12) Аномалия датчика вращения (сокращение: RSD)
не происходили бы, или они оказывают малое влияние, если происходят во время движения железнодорожного вагона по инерции. Соответственно, процессы детектирования обеих аномалий могут быть остановлены с тем, чтобы не детектировать их во время движения по инерции железнодорожного вагона (то есть когда преобразователь 20 и инвертор 60 останавливаются).
Как описано выше, приводятся описания конкретных аномалий и деталей отказов, которые могут, возможно, происходить в преобразователе электрической мощности, который приводит в действие и управляет синхронным электродвигателем с постоянным магнитом, и производятся меры против конкретных деталей. Посредством создания контроллера системы, имеющего защитную функцию, который может предпринимать соответствующие меры против отказов, которые могут, возможно, происходить, можно предотвратить, например, сокращение срока работы контакторов из-за увеличения количества действий переключения, из-за избыточных операций защиты при возникновении аномалий, которые предусматривают время для перезапуска преобразователя мощности в связи со временем, необходимым для перезамыкания контакторов и зарядки конденсатора, и возмущающего обслуживания железнодорожного вагона из-за частых остановок преобразователя электрической мощности. Кроме того, может быть предотвращено увеличение повреждения аномального участка из-за несоответствующих мер. По этой причине может быть получен преобразователь электрической мощности, который может работать стабильно.
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением, является возможным создание преобразователя электрической мощности, который может осуществлять способ принятия мер против конкретных аномальных явлений, которые могли бы, возможно, происходить в преобразователях электрической мощности, которые приводят в действие и управляют синхронными электродвигателями с постоянным магнитом, и также имеют защитную функцию, имея возможность принятия соответствующих мер против различных аномальных явлений, которые могли бы, возможно, происходить.
Конфигурация, описанная в приведенном варианте осуществления, представляет собой пример предмета изобретения и может объединяться с другой технологией, известной из уровня техники, а также может модифицироваться, например частично опускаться, в рамках настоящего изобретения.
Хотя предметы настоящего изобретения описаны в описании для случая, когда преобразователь электрической мощности применяется для контроллера для электромоторного железнодорожного вагона, области применения не ограничиваются этим. Настоящее изобретение может также применяться в различных родственных областях, таких как электромобили и грузоподъемники.