УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ
POWER PLANT CONTROL DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к устройству управления силовой установкой для транспортного средства с электромотором переменного тока.
Уровень техники
[0002] Транспортные средства с электромотором, в общем, содержат вспомогательный источник питания для подачи электроэнергии, например, в системы освещения и кондиционирования воздуха. Нагрузки (например, системы освещения и кондиционирования воздуха) во вспомогательном источнике питания генерируют тепло (потери), независимо от скорости транспортного средства, в главном схемном элементе вспомогательного источника питания. Соответственно, необходимо охлаждение главного схемного элемента. Относительно системы охлаждения для главного схемного элемента вспомогательного источника питания, применим тип с естественной вентиляцией с использованием ветра от обдува, вызываемого посредством движущегося транспортного средства (ветра от движущегося транспортного средства), и тип с принудительным ветровым охлаждением с использованием вентилятора.
[0003] Поскольку сила ветра от движущегося транспортного средства зависит от скорости транспортного средства, охлаждающая способность, когда используется тип с естественной вентиляцией, снижается с уменьшением скорости транспортного средства и становится наименьшей во время остановки транспортного средства, в это время ветер от движущегося транспортного средства не может ожидаться. Соответственно, чтобы обеспечивать охлаждающую способность в наихудшем состоянии, охлаждение главного схемного элемента вспомогательного источника питания проектируется так, что безветренное состояние во время остановки транспортного средства выступает в качестве конструктивного требования.
[0004] С другой стороны, касательно конфигурации согласно системе преобразования электроэнергии транспортного средства с электромотором переменного тока, в случае конфигурации, в которой вспомогательный источник питания подключается к соединению промежуточного звена главного модуля преобразования (преобразователя-инвертора), входное напряжение вспомогательного источника питания является напряжением промежуточного звена в главном модуле преобразования. Поскольку напряжение, в общем, зависит от главного электромотора (электромотора для приведения в движение транспортного средства) в качестве нагрузки в главном модуле преобразования, напряжение задается равным более высокому уровню, и тем самым потери, формируемые в главном схемном элементе, зачастую становятся больше потерь в конфигурации, в которой электроэнергия получается непосредственно из силового трансформатора.
[0005] Традиционно, в качестве меры для уменьшения потерь, формируемых в главном схемном элементе системы преобразования электроэнергии, как раскрыто в патентном документе 1, Выложенная патентная публикация (Япония) 2006-121816 (стр.3-4, фиг.4), известен способ, в котором средство преобразования постоянного тока в переменный (инвертор) и средство преобразования переменного тока (преобразователь) управляется в ответ на электроэнергию нагрузки или входную электроэнергию и т.д., в качестве примера, входное напряжение инвертора изменяется на высокий или низкий уровень.
Сущность изобретения
[0007] Тем не менее, в случае вышеуказанной системы преобразования электроэнергии, имеющей конфигурацию, в которой вспомогательный источник питания подключается к соединению промежуточного звена, поскольку напряжение промежуточного звена задается равным более высокому уровню, потери, формируемые в главном схемном элементе вспомогательного источника питания, больше. Помимо этого, поскольку напряжение зависит от главного модуля преобразования в качестве главного модуля, управление входным напряжением инвертора (вследствие проблемы вспомогательного источника питания просто при использовании предшествующего уровня техники) также не может выполняться. Следовательно возникает проблема, что для того, чтобы повышать охлаждающую способность, модуль охлаждения должен быть увеличен по размеру.
[0008] Задача настоящего изобретения, состоит в том, чтобы предоставить устройство управления силовой установкой, в котором в случае конфигурации, в которой вспомогательный источник питания подключается к соединению промежуточного звена главного модуля преобразования, потери, формируемые в главном схемном элементе вспомогательного источника питания, уменьшаются.
[0009] Устройство управления силовой установкой согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что включает в себя преобразователь для преобразования переменного тока в постоянный ток, для его вывода; инвертор для преобразования постоянного тока, выводимого из преобразователя, в переменный ток, и подачи в электромотор, посредством использования способа управления VVVF, когда скорость транспортного средства не выше VVVF-ограниченной скорости, и способа управления CVVF, когда скорость транспортного средства выше VVVF-ограниченной скорости; конденсатор фильтра, обеспеченный в соединении промежуточного звена между преобразователем и инвертором; вспомогательный источник питания, подключенный к соединению промежуточного звена, охлаждаемому посредством системы естественной вентиляции; и модуль управления преобразователя, в который информация скорости транспортного средства вводится для снижения, на основе этой информации, напряжения в соединении промежуточного звена до значения, при котором возрастание температуры вспомогательного источника питания находится в рамках предела, когда скорость транспортного средства, указываемая посредством информации скорости транспортного средства, не выше предварительно определенной скорости, которая ниже VVVF-ограниченной скорости и ниже нижнего предела диапазона скорости транспортного средства, при этом входной ток в преобразователь является константой.
[0010] Согласно настоящему изобретению может предоставляться устройство управления силовой установкой, в котором в случае конфигурации, в которой вспомогательный источник питания подключается к соединению промежуточного звена главного модуля преобразования, потери, формируемые в главном схемном элементе вспомогательного источника питания, уменьшаются.
[0011] Фиг.1 изображает схему, иллюстрирующую пример конфигурации системы преобразования электроэнергии согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 изображает диаграмму, представляющую пример взаимосвязи между входным напряжением вспомогательного источника питания варианта 1 осуществления настоящего изобретения и потерями в инверторе в главном схемном элементе вспомогательного источника питания;
Фиг.3 изображает диаграмму, представляющую взаимосвязи между (a) скоростью транспортного средства и выходным тяговым усилием и (b) скоростью транспортного средства и выходным напряжением в обычном главном модуле преобразования;
Фиг.4 изображает диаграмму, представляющую область, в которой напряжение промежуточного звена является управляемым;
Фиг.5 изображает схему конфигурации, иллюстрирующую модуль управления инвертора согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения;
Фиг.6 изображает диаграмму, представляющую взаимосвязь между скоростью транспортного средства и входным током преобразователя в общем главном модуле преобразования;
Фиг.7 изображает пример вывода модуля формирования команд управления напряжением промежуточного звена согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения; и
Фиг.8 изображает диаграмму, представляющую примеры потерь, формируемых в главном схемном элементе вспомогательного источника питания, и возрастания температуры в нем.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
[0012] На фиг.1 показана схема примера конфигурации системы преобразования электроэнергии согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения. Система преобразования электроэнергии устанавливается в транспортное средствое с электромотором переменного тока, и переменный ток, передаваемый из электростанции через линию питания, вводится из пантографа 1. Силовой трансформатор 2 преобразует напряжение, выводимое из пантографа 1.
[0013] Преобразователь 3 преобразует вывод силового трансформатора 2 из переменного тока в постоянный ток. Напряжение, выводимое из преобразователя 3, является напряжением промежуточного звена. Инвертор 4 преобразует вывод преобразователя 3 из постоянного тока в трехфазный переменный ток. Конденсатор 5 фильтра размещен на стороне постоянного тока на выходе преобразователя 3, который исключает выходные шумы преобразователя 3 и сглаживает напряжение промежуточного звена. Трехфазный переменный ток вводится из инвертора 4 в главный электромотор 6, чтобы приводить в движение электромоторное транспортное средство. Вспомогательный источник 7 питания подключается к промежуточной схеме постоянного тока, которая является источником питания, который подает электроэнергию, например, в системы освещения и кондиционирования воздуха. Здесь, инвертор 4 выводит, независимо от напряжения промежуточного звена, электроэнергию согласно скорости электромоторного транспортного средства.
[0014] Модуль 8 формирования команд управления напряжением промежуточного звена создает команду Vd* управления напряжением промежуточного звена согласно частоте FM ротора главного электромотора 6 (согласно скорости транспортного средства). Модуль 9 управления напряжением преобразователя является модулем управления преобразователя для создания, посредством команды Vd* управления, сигналов стробирующих импульсов для фактического приведения в действие главного схемного элемента преобразователя 3. В модуль 10 управления инвертора вводится частота FM ротора главного электромотора 6; тем самым инвертор 4 управляется.
[0015] На фиг.1, устройство управления силовой установкой содержащий преобразователь 3, инвертор 4, конденсатор 5 фильтр, модуль 8 формирования команд управления напряжением промежуточного звена, модуль 9 управления преобразователя и модуль 10 управления инвертора.
[0016] Модуль 9 управления преобразователя принимает команду Vd* управления напряжением из модуля 8 формирования команд управления напряжением промежуточного звена и затем, например, работает следующим образом. Во-первых, модуль 9 управления преобразователя вычисляет значение команды управления напряжением преобразователя так, что напряжение промежуточного звена совпадает с командой Vd* управления напряжением, принимаемой из модуля 8 формирования команд управления напряжением промежуточного звена.
[0017] Кроме того, модуль 9 управления преобразователя создает сигналы стробирующих импульсов, приводящие в действие главный схемный элемент преобразователя 3, на основе значения команды управления напряжением, и управляет преобразователем 3 посредством передачи сигналов стробирующих импульсов в преобразователь 3. Согласно этой операции, вывод преобразователя 3 может управляться так, что напряжение Vd промежуточного звена совпадает с командой Vd* управления напряжением.
[0018] Традиционный модуль управления преобразователя системы преобразования электроэнергии для транспортного средства с электромотором переменного тока, в общем, управляет преобразователем 3 так, что он поддерживает напряжение промежуточного звена на постоянном уровне. В отличие от этого, в модуле 9 управления преобразователя системы преобразования электроэнергии согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения, как описано ниже, поскольку команда Vd* управления напряжением варьируется в зависимости от скорости транспортного средства, преобразователь 3 управляется так, что сигналы стробирующих импульсов создаются в соответствии с ней, и напряжение Vd промежуточного звена приводится в соответствии со скоростью транспортного средства.
[0019] Система охлаждения вспомогательного источника 7 питания согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения имеет тип естественной вентиляции. Главный схемный элемент вспомогательного источника 7 питания размещен на теплопроводящей пластине, и тепловая радиаторная пластина соединяется с теплопроводящей пластиной. Тепло, формируемое в главном схемном элементе, проводится из теплопроводящей пластины в тепловую радиаторную пластину и исходит из тепловой радиаторной пластины в атмосферу; тем самым выполняется охлаждение.
[0020] Поскольку сила ветра от движущегося транспортного средства зависит от скорости транспортного средства, охлаждающая способность модуля охлаждения снижается с замедлением скорости транспортного средства и становится наименьшей во время остановки транспортного средства, в это время ветер от движущегося транспортного средства не может ожидаться. Соответственно, чтобы обеспечивать охлаждающую способность в наихудшем состоянии, проектирование охлаждения выполняется, для главного схемного элемента вспомогательного источника 7 питания, так, что безветренное состояние во время остановки транспортного средства выступает в качестве конструктивного требования. В качестве способа повышения охлаждающей способности, может рассматриваться способ увеличения размера всего модуля охлаждения; тем не менее, вес модуля охлаждения увеличивается с увеличением размера, и при этом необходимо обеспечение большего пространства. Дополнительно, также увеличивается стоимость модуля охлаждения.
[0021] На фиг.2 показана диаграмма, представляющая пример взаимосвязи между входным напряжением вспомогательного источника 7 питания и потерями в инверторе главного схемного элемента во вспомогательном источнике 7 питания. На фиг.2, горизонтальная ось представляет входное напряжение вспомогательного источника 7 питания, в то время как вертикальная ось представляет потери в инверторе главного схемного элемента во вспомогательном источнике 7 питания. Как указано посредством стрелки на фиг.2, когда входное напряжение вспомогательного источника 7 питания снижается, потери в инверторе главного схемного элемента могут быть уменьшены. Тем не менее, в конфигурации согласно варианту 1 осуществления, в которой напряжение промежуточного звена задается равным входному напряжению вспомогательного источника 7 питания, входное напряжение вспомогательного источника 7 питания не может легко снижаться, следовательно, потери при выработке энергии не могут быть уменьшены.
[0022] Соответственно, в устройстве управления силовой установкой согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения, посредством варьирования напряжения промежуточного звена в зависимости от скорости транспортного средства, потери, формируемые в главном схемном элементе вспомогательного источника 7 питания, снижаются. В дальнейшем в этом документе этот момент поясняется подробнее.
[0023] На фиг.3 изображена диаграмма, представляющая взаимосвязи между скоростью транспортного средства и (a) выходным тяговым усилием и (b) выходным напряжением в общих главных модулях преобразования, включающих в себя главный модуль преобразования согласно варианту 1 осуществления. Горизонтальная ось представляет скорость транспортного средства, кривая (a) представляет выходное тяговое усилие главного электромотора 6, и кривая (b) представляет выходное напряжение инвертора 4, установленного в главном модуле преобразования. На фиг.3, сторона более высокой скорости точки A является областью CVVF (неизменяющегося постоянного напряжения и регулируемой частоты), в то время как сторона более низкой скорости является областью VVVF (регулируемого напряжения и регулируемой частоты). Скорость транспортного средства в точке A упоминается как VVVF-ограниченная скорость.
[0024] CVVF-область является областью, в которой инвертор 4 работает при максимальном коэффициенте модуляции, так что главный электромотор 6 выводит предварительно определенные рабочие характеристики, при этом выходное напряжение инвертора 4 является константой независимо от скорости транспортного средства. Поскольку операция варьирования напряжения промежуточного звена в этой области является эквивалентной варьированию выходного напряжения инвертора 4, эта операция не может быть выполнена.
[0025] С другой стороны, VVVF-область (область, в которой скорость транспортного средства не выше VVVF-ограниченной скорости) является областью, в которой выходное напряжение инвертора 4 управляется посредством задания коэффициента модуляции переменным, при этом выходное напряжение инвертора 4 варьируется в соответствии со скоростью транспортного средства. Напряжение промежуточного звена может варьироваться в этой области; тем самым операция варьирования промежуточного напряжения может быть выполнена.
[0026] На фиг.4 показана диаграмма, представляющая взаимосвязь между скоростью транспортного средства и напряжением промежуточного звена. Горизонтальная ось представляет скорость транспортного средства, в то время как вертикальная ось представляет напряжение промежуточного звена. На этом чертеже, номер 21 обозначает асинхронный режим модуляции в инверторе, в то время как номер 22 обозначает синхронный режим. В VVVF-области, в то время как допускается варьирование напряжения промежуточного звена, способ варьирования определяется при следующем условии.
[0027] Во-первых, поскольку напряжение промежуточного звена, управляемое посредством преобразователя 3, имеет нижний предел, напряжение промежуточного звена не должно быть ниже этого значения. Пример нижнего предела представлен посредством прямой линии (a) на фиг.4. Согласно этому ограничению, напряжение промежуточного звена должно иметь значение выше прямой линии (a) на фиг.4.
[0028] С другой стороны, поскольку верхний предел выходного коэффициента модуляции инвертора 4 в VVVF-области определяется посредством режима модуляции (импульсного режима) (например, приблизительно, 0,8-0,9 для асинхронного режима и 0,98-0,99 для синхронного режима), для напряжения промежуточного звена существует нижний предел для вывода выходного напряжения, указываемый посредством (b) на фиг.3. Пример этого нижнего предела представляется посредством кривой (b) на фиг.4.
[0029] В рамках этих имитаций, напряжение промежуточного звена может управляться в области 20, указываемой посредством наклонных линий на фиг.4.
[0030] Выходной коэффициент модуляции в модуле 10 управления инвертора вычисляется, как пояснено ниже, т.е. инвертор 4 управляется. Фиг.5 является схемой конфигурации, иллюстрирующей конфигурацию модуля 10 управления инвертора. Частота FM вводится из главного электромотора 6 в модуль 11 вычисления выходного напряжения, представленный на фиг.5. В VVVF-области модуль 11 вычисления выходного напряжения, в который введена частота FM ротора, вычисляет выходное напряжение инвертора 4 так, что оно находится вдоль пропорциональной прямой линии на фиг.3, и затем выводит выходное напряжение.
[0031] Модуль 12 вычисления величины компенсации вычисляет величину компенсации с использованием команды управления выходным током и своей обратной связи по выходному току и затем выводит величину компенсации. В модуле 13 вычисления операции суммирования, суммируется выходное напряжение, выводимое из модуля 11 вычисления выходного напряжения, и величина компенсации, выводимая из модуля 12 вычисления величины компенсации, и затем значение суммирования выводится в модуль 14 вычисления операции деления. В модуле 14 вычисления операции деления, выходной коэффициент модуляции вычисляется посредством деления значения суммирования, выводимого из модуля 13 вычисления операции суммирования, на фактическое значение определения напряжения Vd промежуточного звена, тем самым, выходное напряжение инвертора 4 управляется так, что это значение становится выходным коэффициентом модуляции.
[0032] Кроме того, ток, введенный в преобразователь 3, не варьируется, даже если напряжение Vd промежуточного звена варьируется, но выходной ток Id преобразователя (постоянный ток) варьируется. На фиг.6 представлена диаграмма, взаимосвязи между скоростью транспортного средства и входным током преобразователя в общих главных модулях преобразования, включающих в себя главный модуль преобразования согласно варианту 1 осуществления. Горизонтальная ось представляет скорость транспортного средства, кривая представляет входной ток преобразователя. В области 23 постоянной мощности, в которой входной ток преобразователя является константой, представленной на фиг.6, произведение напряжения Vd промежуточного звена и выходного тока Id преобразователя является постоянным значением. Помимо этого, поскольку каждая из таких деталей, как провода и контактные клеммы, в общем, проектируется при условии, что выходной ток Id преобразователя в области 23 постоянной мощности имеет свое максимальное значение, значение Id не может, в общем, увеличиваться больше этого значения в области 23 постоянной мощности. Следовательно, напряжение Vd промежуточного звена не может, в общем, снижаться в области 23 постоянной мощности.
[0033] С другой стороны, в области 24 постоянного крутящего момента, произведение напряжения Vd промежуточного звена и выходного тока Id преобразователя снижается со снижением скорости транспортного средства. Следовательно, в области 24 постоянного крутящего момента, снижение напряжения Vd ток Id преобразователя не превышает максимальное значение (значение выходного тока Id преобразователя в области 23 постоянной мощности).
[0034] Как описано выше, напряжение промежуточного звена может варьироваться в VVVF-области на фиг.3, например, как представлено на фиг.2, напряжение промежуточного звена может варьироваться пошагово от рабочей точки A до рабочей точки B. Фиг.7 изображает пример вывода модуля 8 формирования команд управления напряжением промежуточного звена согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения. Горизонтальная ось представляет скорость транспортного средства, в то время как вертикальная ось представляет напряжение промежуточного звена. Модуль 8 формирования команд управления напряжением промежуточного звена задается так, что напряжение промежуточного звена становится более низким во время движения транспортного средства на низкой скорости и остановки. Посредством задания таблицы, согласно фиг.7, в модуле 8 формирования команд управления напряжением промежуточного звена, проиллюстрированном на фиг.1, напряжение промежуточного звена управляется посредством преобразователя 3 при меньшем значении во время движения транспортного средства с более низкой скоростью и остановки; тем самым потери, формируемые во вспомогательном источнике 7 питания, могут быть уменьшены.
[0035] В таблице, соответствующей фиг.7, напряжение промежуточного звена управляется так, что оно снижается только в области 20, как указано посредством наклонных линий на фиг.4.
[0036] На фиг.8 показана диаграмма, представляющая пример взаимосвязей между потерями при выработке энергии и возрастанием температуры в главном схемном элементе вспомогательного источника 7 питания. Горизонтальная ось представляет потери в инверторе в главном схемном элементе вспомогательного источника 7 питания, в то время как вертикальная ось представляет значения возрастания температуры. Каждая из операций указывается, т.е. прямая линия (a) указывает случай неувеличения размера модуля охлаждения и более низкого уровня скорости транспортного средства, прямая линия (b) указывает случай неувеличения размера модуля охлаждения и более высокого уровня скорости транспортного средства, прямая линия (c) указывает случай увеличения размера модуля охлаждения и скорости транспортного средства которая идентична скорости, показанной прямой линией (a) (на более низком уровне), а прямая линия (d) указывает случай увеличения размера модуля охлаждения аналогично прямой линии (c) и скорости транспортного средства скорости, показанной прямой линией (b) (на более высоком уровне). Пунктирная линия (e) указывает линию потерь в инверторе в рабочей точке B на фиг.2, в то время как пунктирная линия (f) указывает линию потерь в инверторе в рабочей точке A на фиг.2. Кроме того, пунктирная линия (g) указывает предельную линию возрастания температуры главного схемного элемента.
[0037] На фиг.8, в случае модуля охлаждения с естественной вентиляцией, при котором может ожидаться ветер от движущегося транспортного средства, значение возрастания температуры выше на низкой скорости по сравнению с высокой скоростью для идентичных потерь в инверторе. Например, когда операция выполняется в рабочей точке A, указываемой посредством пунктирной линии (f), поскольку, как указано посредством прямой линии (a), значение возрастания температуры на низкой скорости в модуле охлаждения небольшого размера не может удовлетворяться с предельной линией (g), посредством увеличения размера модуля охлаждения, как указано посредством стрелки (h) на фиг.8, операция должна быть выполнена, как указано посредством прямой линии (c). Напротив, в настоящем изобретении, посредством управления главным модулем преобразования так, чтобы уменьшать потери в инверторе, как указано посредством стрелки (i), так что рабочая точка A на фиг.2 перемещается к рабочей точке B на фиг.2, значение возрастания температуры может подавляться до уровня не выше предельной линии (g); тем самым модуль охлаждения не обязательно должен увеличиваться по размеру.
[0038] Как описано выше, в системе преобразования электроэнергии, имеющей конфигурацию, в которой вспомогательный источник 7 питания подключается к соединению промежуточного звена главного модуля преобразования, устройство управления силовой установкой согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения может уменьшать потери, формируемые в главном схемном элементе вспомогательного источника 7 питания, когда тип с естественной вентиляцией используется в качестве системы для охлаждения полупроводника главной схемы вспомогательного источника 7 питания.
[0039] Увеличение размера модуля охлаждения не обязательно, и тем самым могут достигаться небольшие размеры и небольшой вес.
[0040] Дополнительно, может быть уменьшено возрастание температуры в случае вспомогательного источника 7 питания, и может быть реализовано повышение надежности и продление срока службы деталей.
[0041] В варианте 1 осуществления, частота FM ротора главного электромотора 6 используется в качестве информации скорости транспортного средства; тем не менее, вместо этого может быть использована другая информация, соответствующая скорости транспортного средства. Например, может быть использована число оборотов вала, используемое в системе защиты T-транспортного средства.
Пояснение номеров ссылок
[0042]
1: пантограф
2:силовой трансформатор
3: преобразователь
4: инвертор
5: конденсатор фильтра
6: главный электромотор
7:вспомогательный источник питания
8: модуль формирования команд управления напряжением промежуточного звена
9: модуль управления преобразователя
10: модуль управления инвертора
11: модуль вычисления выходного напряжения
12: модуль вычисления величины компенсации
13: модуль вычисления операции суммирования
14: модуль вычисления операции деления