УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
DEVICE TO CONTROL ELECTRIFIED TRANSPORT FACILITY POWER PLANT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству управления электрическим транспортным средством и, в частности, к устройству управления силовой установкой для электрического транспортного средства, которое заставляет электрическое транспортное средство перемещаться посредством энергии, подаваемой из элемента накопления энергии, когда энергия не может быть получена из подвесной контактной линии вследствие прерывания питания подвесной контактной линии или неисправности устройства снятия мощности.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В целом, электрическое транспортное средство снимает мощность с подвесной контактной линии через устройство снятия мощности и перемещается посредством возбуждения электродвигателя этой мощностью. В последние годы с улучшением рабочих характеристик элемента накопления энергии, такого как вторичная аккумуляторная батарея и электрический двухслойный конденсатор, стало прогрессировать развитие систем, в которых таковые установлены на электрическом транспортном средстве, и электрическое транспортное средство перемещается посредством возбуждения электродвигателя мощностью из элемента накопления энергии.
Традиционно, например, в устройстве управления электрическим транспортным средством, раскрытом в патентном документе 1 выложенная заявка на патент Японии, № 2006-014395, описанном ниже, когда мощность может быть получена из подвесной контактной линии (в дальнейшем, «в нормальном состоянии»), электродвигатель возбуждается мощностью из подвесной контактной линии подобно традиционной электрифицированной железной дороге. С другой стороны, когда мощность не может быть получена из подвесной контактной линии вследствие прерывания питания подвесной контактной линии или неисправности устройства снятия мощности (в дальнейшем, «в аварийном состоянии»), она сконфигурирована так, чтобы электрическое транспортное средство могло доехать до ближайшей станции посредством возбуждения электродвигателя мощностью из элемента накопления энергии, так что электрическое транспортное средство не окажется застрявшим на пути между станциями.
Пример перемещения посредством этого устройства управления электрическим транспортным средством является следующим. В нормальном состоянии токосъемник, который является устройством снятия мощности, поднят, мощность снимается с подвесной контактной линии и электродвигатель возбуждается, заставляя электрическое транспортное средство перемещаться, как на существующей электрифицированной железной дороге. В аварийном состоянии токоприемник опущен и электрическое транспортное средство перемещается посредством питания от элемента накопления энергии. Когда мощность может быть получена от подвесной контактной линии, мощность от подвесной контактной линии заряжает этот элемент накопления энергии посредством управления зарядкой, так что поддерживается мощность предварительно определенной величины.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Однако на современном технологическом уровне как удельная энергия, так и удельная мощность элемента накопления энергии невелики. Таким образом трудно установить элемент накопления энергии, который способен проявлять рабочие характеристики, равные случаю получения питания с подвесной контактной линии, на электрическое транспортное средство вследствие ограничения на монтажное пространство, вес и тому подобное. Поэтому в устройстве управления электрическим транспортным средством, раскрытым в вышеупомянутом патентном документе 1, когда электрическое транспортное средство вынуждено перемещаться посредством питания от элемента накопления энергии, подаваемая мощность для электродвигателя ограничена (недостаточна) по сравнению с ситуацией перемещения посредством получения мощности из подвесной контактной линии. Таким образом, рабочие характеристики, которые может проявлять электродвигатель, снижаются и таким образом уменьшается скорость транспортного средства. Такая ситуация ограничена аварийным состоянием, так что само уменьшение скорости транспортного средства приемлемо; однако, главным образом, могут возникать проблемы, описанные ниже.
В качестве первой проблемы, когда скорость транспортного средства снижается, инвертор, установленный в устройстве управления электрического транспортного средства, непрерывно эксплуатируется в диапазоне, в котором переключающие потери велики, так что инвертор перегревается. Для подробного пояснения этого, в целом, инвертор электрического транспортного средства приводится в действие в режиме многоимпульсной ШИМ (широтно-импульсной модуляции, PWM), в котором частота переключения составляет около 1000 Гц от пуска до скорости транспортного средства приблизительно 1/4 максимальной скорости. Затем, когда выходная частота инвертора становится высокой, для того чтобы избежать уменьшения количества импульсов, заключенных в полупериоде выходного напряжения инвертора и увеличения искажения формы сигнала, режим переключается в синхронный импульсный режим. В это время количество импульсов, включенных в полупериод выходного напряжения инвертора, имеет значение приблизительно 9, 5 и 3. Эти количества импульсов выбираются в зависимости от скорости. После того как скорость транспортного средства достигает приблизительно 1/3 максимальной скорости, для того чтобы максимизировать выходное напряжение инвертора, инвертор приводится в действие в одноимпульсном режиме. В это время количество импульсов, заключенных в полупериоде выходного напряжения инвертора, равно единице, что является минимумом, так что могут минимизироваться переключающие потери и охлаждающая пластина инвертора может быть сделана небольшой.
Чтобы дать пояснение касательно определенной скорости транспортного средства, в типичном пригородном поезде максимальная скорость составляет около 120 км/ч, так что пригородный поезд находится в режиме многоимпульсного ШИМ от пуска до тех пор, пока скорость транспортного средства не достигает 30 км/ч (1/4 максимальной скорости). После этого режим переключается в синхронный импульсный режим, а затем переключается в одноимпульсный режим на приблизительно 40 км/ч (около 1/3 максимальной скорости).
Однако при перемещении посредством питания от элемента накопления энергии, как описано выше, подаваемая мощность для электродвигателя ограничена, так что максимальная скорость составляет около 30 км/ч. Поэтому инвертор всегда переключен в режим многоимпульсного ШИМ около 1000 Гц и таким образом непрерывно эксплуатируется в состоянии, в котором переключающие потери велики. Таким образом, при охлаждающей пластине инвертора, которая сконструирована с учетом работы в одноимпульсном режиме, охлаждение недостаточно.
В качестве контрмеры для вышеприведенных проблем можно сконструировать инвертор специальным образом с улучшенным охлаждением, принимая во внимание работу на низкой скорости; однако это вызывает увеличение веса, размера, стоимости и тому подобного у устройства инвертора.
В качестве второй проблемы, для того чтобы заставить двигаться электрическое транспортное средство, мощность необходимо подавать на нагрузки, такие как компрессор, который вырабатывает сжатый воздух для приведения в действие тормоза, защитное устройство и устройство управления. В нормальном состоянии вспомогательное устройство питания преобразует мощность, подаваемую с подвесной контактной линии, в низковольтную мощность приблизительно 400 В переменного тока и приблизительно 100 В постоянного тока и подает ее на нагрузку.
С другой стороны, в аварийном состоянии вспомогательное устройство питания становится неспособным функционировать, так что мощность не может быть подана на каждую нагрузку. Более точно, компрессор прекращает работу, в силу чего сжатый воздух для тормоза не может обеспечиваться и электрическое транспортное средство не может перемещаться.
Для обеспечения электрическому транспортному средству возможности ехать продумана конфигурация, заставляющая вспомогательное устройство питания работать посредством питания от элемента накопления энергии и подающая питание на каждую нагрузку; однако, когда входное напряжение вспомогательного устройства питания выходит за пределы диапазона напряжения, которое принимается с подвесной контактной линии в нормальном состоянии, возникает проблема в том, что вспомогательное устройство питания не может поддерживать заданное выходное напряжение и останавливается. Поэтому необходимо вспомогательное устройство питания, которое спроектировано специально для обеспечения получения как напряжения от подвесной контактной линии, так и напряжения от элемента накопления энергии, что вызывает увеличение веса, размера и стоимости.
Настоящее изобретение было сделано ввиду вышеприведенного. Задача настоящего изобретения заключается в создании устройства управления силовой установкой для электрического транспортного средства, способного к надлежащему обеспечению перемещения электрического транспортного средства посредством использования мощности из элемента накопления энергии в аварийном состоянии, таком как прерывание питания подвесной контактной линии, при этом с исключением увеличения веса, размера и стоимости инвертора, который возбуждает электродвигатель, и из вспомогательного устройства питания, которое выполняет подачу питания на нагрузку.
Для решения задачи, описанной выше, и достижения цели устройство управления силовой установкой для электрического транспортного средства, которое включает в себя инвертор, который преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, элемент накопления энергии и преобразователь постоянного тока в постоянный ток, подключенный к элементу накопления энергии, включает в себя: блок селектора цепи, который выбирает любое одно из питания, подаваемого из внешнего источника питания через устройство снятия мощности, и питания, подаваемого из элемента накопления энергии, и выводит его на инвертор; и блок управления связью, который управляет по меньшей мере преобразователем постоянного тока в постоянный ток и блоком селектора цепи связным образом, при этом блок управления связью вводит сигнал управления по меньшей мере в каждый преобразователь постоянного тока в постоянный ток и блок селектора цепи и управляет ими связным образом в соответствии с каждым случаем, когда электрическое транспортное средство перемещается, получая питание из внешнего источника питания, и случаем, когда электрическое транспортное средство перемещается посредством питания от элемента накопления энергии.
В устройстве управления силовой установкой для электрического транспортного средства согласно настоящему изобретению конфигурация такова, что в состав включены блок селектора цепи, который выбирает одно из питания, подаваемого из внешнего источника питания, и питания, подаваемого из элемента накопления энергии, и подает питание на инвертор, и блок управления связью, который управляет преобразователем постоянного тока в постоянный ток и блоком селектора цепи связным образом, причем преобразователь постоянного тока в постоянный ток и блок селектора цепи управляются связным образом, так что управление перемещением электрического транспортного средства с использованием питания из элемента накопления энергии может надлежащим образом выполняться в аварийном состоянии, таком как прерывание питания подвесной контактной линии, наряду с исключением увеличения веса, размера и стоимости инвертора и вспомогательного устройства питания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схему устройства управления силовой установкой для электрического транспортного средства согласно настоящему варианту осуществления;
Фиг.2 изображает схему инвертора согласно настоящему варианту осуществления;
Фиг.3 изображает схему преобразователя постоянного тока в постоянный ток согласно настоящему варианту осуществления;
Фиг.4 изображает схему элемента накопления энергии согласно настоящему варианту осуществления;
Фиг.5 изображает схему вспомогательного устройства питания согласно настоящему варианту осуществления;
Фиг.6 изображает схему диаграммы соотношения между выходным напряжением инвертора, скоростью транспортного средства и импульсным режимом согласно настоящему варианту осуществления.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Примерный вариант осуществления устройства управления силовой установкой для электрического транспортного средства согласно настоящему изобретению будет подробно пояснен ниже со ссылками на чертежи. Изобретение не ограничено этим вариантом осуществления.
Вариант осуществления
Фиг.1 изображает схему устройства управления силовой установкой для электрического транспортного средства согласно настоящему варианту осуществления. Устройство управления силовой установкой для электрического транспортного средства, показанное на фиг.1, сконфигурировано, чтобы включать в себя в качестве основных компонентов вспомогательное устройство 20 питания, нагрузку 31, преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток, переключатель 70 селектора цепи, который является блоком селектора цепи, элемент 60 накопления энергии, инвертор 50 и электродвигатель 71. Более того, в состав включены блок 11 детектирования состояния снятия мощности, который детектирует состояние соединения подвесной контактной линии 1 и устройства 2 снятия мощности или состояние устройства 2 снятия мощности, и переключатель 10 размыкания/замыкания, который является блоком размыкания/замыкания, который отделяет подвесную контактную линию 1 от системы питания устройства управления силовой установкой для электрического транспортного средства.
Как показано на фиг.1, устройство управления силовой установкой для электрического транспортного средства получает питание от подвесной контактной линии 1, которая является внешним источником питания, подключенным к подстанции (не показанной) через устройство 2 снятия мощности. Питание, подаваемое от подвесной контактной линии 1, подается на каждое из вспомогательного устройства 20 питания, преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток и переключателя 70 селектора цепи через переключатель 10 размыкания/замыкания. Фиг.1 иллюстрирует воздушный провод в качестве подвесной контактной линии 1 и токосъемник в качестве устройства 2 снятия мощности; однако они не ограничены этим, и, например, могут использоваться третий рельс и устройство снятия мощности для третьего рельса, используемые в метрополитене, или тому подобное.
Вспомогательное устройство 20 питания является устройством, которое преобразует питание (типично около от 600 В до 3000 В постоянного тока, которое является напряжением подвесной контактной линии 1), получаемое между входными клеммами P-N от устройства 2 снятия мощности или от преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток, в низковольтное питание (типично около 400 В переменного тока или 100 В постоянного тока), и выводит его, а его выходы подключены к нагрузке 31. Фиг.1 иллюстрирует единственную форму выведения трехфазного переменного тока, в которой выходными клеммами вспомогательного устройства 20 питания являются U-V-W; однако типично присутствует множество систем вывода, включающих в себя выход постоянного тока, таким образом давая возможность приспосабливаться к различным формам питания.
Нагрузка 31 является компрессором, который формирует источник воздуха для тормоза электрического транспортного средства, защитным устройством, устройством управления, кондиционированием воздуха, бортовым освещением и тому подобным, и работает от низковольтного питания, выдаваемого из вспомогательного устройства 20 питания. Сумма этих нагрузок, например, составляет около 400 кВт в примере 10-вагонного пригородного поезда. Среди них сумма важных нагрузок, необходимых для передвижения электрического транспортного средства, таких как компрессор, который формирует источник воздуха для тормоза, защитное устройство, устройство управления и тому подобное, имеет значение около 50 кВт.
Устройство 200 управления связью сконфигурировано так, чтобы сигнал HC управления вводился снаружи, а сигналы C1, C2, C3 и C4 управления выводились из него на переключатель 10 размыкания/замыкания, переключатель 70 селектора цепи, преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток и инвертор 50 для управления этими устройствами связным образом. Для блока 200 управления связью проиллюстрирована конфигурация, в которой выходные сигналы C1, C2, C3 и C4 управления выводятся на один переключатель 10 размыкания/замыкания, один переключатель 70 селектора цепи, один преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток, один инвертор 50 соответственно; однако, когда количество каждых из этих устройств является большим, чем один, конфигурация может быть такой, что каждый из сигналов C1, C2, C3 и C4 управления выводится на соответствующие устройства, количество которых является большим, чем два. Сигнал HC управления является сигналом, который, например, формируется посредством приведения в действие кнопки водителем электрического транспортного средства или внешним органом, таким как центр управления работой, который расположен вне электрического транспортного средства и выдает команды и управляет работой поезда, и является сигналом, формируемым, когда электрическое транспортное средство не может перемещаться посредством питания от подвесной контактной линии 1 в ситуации прерывания питания подвесной контактной линии 1 или неисправности устройства 2 снятия мощности. Сигнал C1 управления является сигналом, который заставляет переключатель 10 размыкания/замыкания размыкаться и замыкаться, а сигнал C2 управления является сигналом, который выполняет управление переключением переключателя 70 селектора цепи. Более того, сигнал C3 управления является сигналом, который включает в себя переключение режима управления, а также команды приведения в действие и останова блока 48 управления преобразователем постоянного тока в постоянный ток, который будет описан позже. Более того, сигнал C4 управления является сигналом, который выполняет изменение настройки защитной заданного значения, имеющей отношение к входному напряжению блока 59 управления инвертором, который будет описан позже. Сигнал C4 управления не имеет важного значения, что будет описано позже.
Блок 200 управления связью может быть предусмотрен внутри устройства управления силовой установкой для электрического транспортного средства, такой как инвертор 50 и преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток, или может быть предусмотрен вне устройства управления силовой установкой для электрического транспортного средства. Более того, устройство 200 управления связью может быть таким, что все функции установлены на одном устройстве или функции поделены на множество групп, которые должны устанавливаться на каждом из множества устройств, таких как инвертор 50 и преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток. Другими словами, нет ограничения на физическую компоновку до тех пор, пока переключатель 10 размыкания/замыкания, переключатель 70 селектора цепи, преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток и инвертор 50 могут управляться связным образом.
Фиг.2 изображает схему инвертора согласно настоящему варианту осуществления. Инвертор 50, показанный на фиг.2, сконфигурирован с возможностью включать в себя входной фильтр, включающий в себя реактор 51 и конденсатор 52 фильтра, инверторную схему 53, образованную мостовой схемой, включающей в себя полупроводниковые переключающие элементы с 53a по 53f, и блок 59 управления инвертора, включающий в себя блок 59a контроля входного напряжения и блок 59b функции защиты.
Инвертор 50 получает питание постоянного тока, выводимое от переключателя 70 селектора цепи (фиг.1) через входной фильтр, и преобразует питание постоянного тока в питание переменного тока инверторной схемой 53. Преобразованное питание переменного тока выводится с клемм U-V-W. Электродвигатель 71 подключен к клеммам U-V-W инвертора 50.
Фиг.2 иллюстрирует типичную трехфазную двухуровневую инверторную схему с ШИМ в качестве инверторной схемы 53 и ее работа является известной технологией, так что ее подробности опущены. В этой связи инверторная схема 53 не ограничена трехфазной двухуровневой инверторной схемой с ШИМ и, например, количество фаз может быть иным, чем три фазы, и может использоваться трехуровневая инверторная схема.
Способ охлаждения полупроводниковых переключающих элементов с 53a по 53f, установленных на охлаждающей плите, является следующим. Например, охлаждающая платина, выполненная на одном конце блока переноса тепла, такого как тепловая трубка, вставленная в охлаждающую плиту, принимает относительный воздушный поток электрического транспортного средства. Тепло, выработанное из полупроводниковых переключающих элементов с 53a по 53f, излучается с охлаждающей пластины через охлаждающую плиту и блок переноса тепла. Следовательно, полупроводниковые переключающие элементы с 53a по 53f охлаждаются.
Фиг.3 изображает схему, иллюстрирующую пример конфигурации преобразователя постоянного тока в постоянный ток согласно настоящему варианту осуществления. Преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток, показанный на фиг.3, сконфигурирован с возможностью включать в себя входной фильтр, включающий в себя реактор 41 и конденсатор 42 фильтра, переключающую схему 43, образованную схемой плеча, включающей в себя полупроводниковый переключающий элемент 43a и полупроводниковый переключающий элемент 43b, реактор 45, детектор 47 тока и блок 48 управления преобразователем постоянного тока в постоянный ток.
Преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток имеет режим управления током, обеспечивающий соответствие тока реактора 45, детектированного детектором 47 тока, предварительно определенному командному значению, и режим управления напряжением, обеспечивающий соответствие напряжения конденсатора 42 фильтра предварительно определенному командному значению, и способен к переключению между этими режимами, описанными выше, посредством сигнала C3 управления. Поэтому питание постоянного тока, подаваемое через входной фильтр, преобразуется в питание постоянного тока изменяющегося напряжения посредством переключающей схемы 43 и реактора 45, и выводится из клемм P2-N.
Более того, преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток имеет способность преобразования, необходимую для зарядки элемента 60 накопления энергии. Способность преобразования преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток определяется на основании времени, требуемого для элемента 60 накопления энергии в состоянии, в котором накопленная мощность была израсходована, полностью заряжаться. Например, необходимо завершать зарядку за несколько часов ввиду работы электрического транспортного средства. Если оно сконструировано, чтобы полностью заряжаться за 2 часа, способность преобразования преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток получается делением накопленной электроэнергии элемента 60 накопления энергии на время зарядки, то есть 100 кВт/2 часа = 50 кВт.
Более того, в аварийном состоянии преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток повышает напряжение питания, подаваемое от элемента 60 накопления энергии, до значения, близкого к расчетному (номинальному) напряжению подвесной контактной линии 1 или значения в пределах нормального диапазона колебаний напряжения подвесной контактной линии 1 и подает его на вспомогательное устройство 20 питания. Нагрузочная способность нагрузки 31, подключенной к вспомогательному устройству 20 питания, определена около 50 кВт, подразумевая только важные нагрузки, необходимые для перемещения. Другими словами, нагрузочная способность является приблизительно такой же, как описанная выше способность преобразования.
Фиг.3 иллюстрирует типичную схему двунаправленного понижающего прерывателя, такую как схема преобразователя постоянного тока в постоянный ток, и ее работа является известной технологией, так что подробное пояснение опущено. В этой связи, что касается схемы преобразователя постоянного тока в постоянный ток, известно множество конфигураций схем, иных чем эта, и ее конфигурация является произвольной до тех пор, пока может быть реализована подобная функция.
Фиг.4 изображает схему элемента накопления энергии согласно настоящему варианту осуществления. Элемент 60 накопления энергии сформирован элементом накопления энергии, таким как никель-металлогидридная вторичная аккумуляторная батарея, литий-ионная вторичная аккумуляторная батарея и электрический двухслойный конденсатор, и его тип произволен. Более того, элемент 60 накопления энергии сформирован последовательно-параллельным соединением множества ячеек 61 накопления энергии и может регулировать напряжение между выходными клеммами +/- посредством регулирования количества ячеек 61 накопления энергии, соединенных последовательно. Более того, накопленная электроэнергия может регулироваться посредством регулирования количества ячеек 61 накопления энергии, соединенных параллельно. Тип ячейки 61 накопления энергии может быть иным, чем вышеприведенный.
Элемент 60 накопления энергии сконструирован с учетом того, что следует перемещать электрическое транспортное средство, которое, например, является 10-вагонным пригородным поездом, приблизительно несколько километров до ближайшей станции в аварийном состоянии, и имеет накопленную электроэнергию около 100 кВт.ч. Более того, напряжение между клеммами +/- элемента 60 накопления энергии регулируется так, что инвертор 50 может работать в одноимпульсном режиме при рабочей скорости, которая близка к скорости перемещения в аварийном состоянии, посредством регулирования количества ячеек 61 накопления энергии, соединенных последовательно.
Более точно, хотя это зависит от накопленной энергии элемента 60 накопления энергии, когда расчетным (номинальным) напряжением подвесной контактной линии 1 является 1500 В, напряжение между клеммами +/- элемента 60 накопления энергии устанавливается в диапазоне от 300 В до 750 В. Когда расчетным (номинальным) напряжением подвесной контактной линии 1 является 600 В, напряжение между клеммами +/- элемента 60 накопления энергии устанавливается в диапазоне от 120 В до 300 В. Другими словами, напряжение между клеммами +/- элемента 600 накопления энергии предпочтительно устанавливается в диапазоне от 20% до 50% расчетного (номинального) напряжения подвесной контактной линии 1. Соотношение между напряжением между клеммами + /- элемента 60 накопления энергии, скоростью транспортного средства и импульсным режимом будет описано позже.
В переключателе 70 селектора цепи сторона A подключена к стороне устройства 2 снятия мощности, сторона B подключена к стороне элемента 60 накопления энергии, а общая клемма C подключена к клемме P инвертора 50. Источник питания может переключаться переключением точки соединения в переключателе 70 селектора цепи, так что инвертор 50 может возбуждать электродвигатель 71 в режиме работы посредством питания, подаваемого от устройства 2 снятия мощности, или в режиме работы посредством питания, подаваемого из элемента 60 накопления энергии. Электродвигатель 71 является электродвигателем переменного тока, таким как трехфазный асинхронный двигатель и синхронный двигатель на постоянных магнитах, и посредством приведения в движение колеса 3 электродвигателем 71 обеспечивается движение электрического транспортного средства.
Фиг.5 изображает схему вспомогательного устройства питания согласно настоящему варианту осуществления. Вспомогательное устройство 20 питания, показанное на фиг.5, сконфигурировано с возможностью включать в себя входной фильтр, включающий в себя реактор 21 и конденсатор 22 фильтра, и инверторную схему 23, сформированную мостовой схемой, включающей в себя полупроводниковые переключающие элементы с 23a по 23f. Более того, вспомогательное устройство 20 питания включает в себя фильтр 29 переменного тока и трансформатор 30.
Вспомогательное устройство 20 питания принимает питание постоянного тока, выводимое от устройства 2 снятия мощности или из преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток через входной фильтр и преобразует питание постоянного тока в питание переменного тока посредством инверторной схемы 23. Преобразованное питание переменного тока, после того как переключающие пульсации удалены фильтром 29 переменного тока, изолируется трансформатором 30, регулируется к предварительно определенному напряжению (обычно около 400 В переменного тока) и с клемм U-V-W выводится к нагрузке 31.
Фиг.5 иллюстрирует типичную двухуровневую трехфазную инверторную схему с ШИМ в качестве инверторной схемы 23, и ее работа является известной технологией, так что ее подробности опущены. В этой связи инверторная схема 23 не ограничена трехфазной двухуровневой инверторной схемой с ШИМ и, например, количество фаз может быть иным, чем три фазы, и может использоваться трехуровневая инверторная схема.
Далее, работа вспомогательного устройства 20 питания поясняется примерами специфичных числовых значений.
Например, в случае подвесной контактной линии, у которой расчетным (номинальным) напряжением является 1500 В, напряжение подвесной контактной линии 1 колеблется в диапазоне приблизительно от 1000 В до 1800 В, так что напряжение между входными клеммами P-N вспомогательного устройства 20 питания также меняется подобным образом. Эта величина колебания напряжения поглощается в инверторной схеме 23, которая включает в себя полупроводниковые переключающие элементы с 23a по 23f. Более точно, когда входное напряжение вспомогательного устройства 20 питания имеет значение 1000 В, то есть минимальное значение, вспомогательное устройство 20 питания повышает коэффициент модуляции инверторной схемы 23 до значения, близкого к максимальному значению, а когда входное напряжение имеет значение 1800 В, то есть максимальное значение, вспомогательное устройство 20 питания уменьшает коэффициент модуляции инверторной схемы 23, тем самым выполняя управление по поддержанию напряжения входной стороны (первичной стороны) трансформатора 30 постоянным. Напряжение входной стороны (первичной стороны) трансформатора 30 имеет значение около 600 В, а напряжение выходной стороны (вторичной стороны) имеет значение около 400 В.
Когда входное напряжение падает до менее чем 1000 В, коэффициент модуляции инверторной схемы 23 становится максимальным значением и не может увеличиваться выше такого значения, так что выходное напряжение инверторной схемы 23 падает пропорционально падению входного напряжения. Другими словами, напряжение входной стороны (первичной стороны) трансформатора 30 не может поддерживаться у заданного значения (около 600 В в вышеприведенном примере), а выходное напряжение на нагрузке 31 также не может поддерживаться у заданного значения (около 400 В в вышеприведенном примере). Следовательно, активизируется непоказанная защитная функция, и вспомогательное устройство 20 питания останавливается.
Даже когда входное напряжение падает до менее чем 1000 В, для того чтобы поддерживать выходное напряжение на нагрузке 31 у заданного значения (около 400 В в вышеприведенном примере), необходимо устанавливать напряжение входной стороны (первичной стороны) трансформатора 30 в низкое напряжение, например 500 В, чтобы иметь допустимый запас от верхнего предела в коэффициенте модуляции инверторной схемы 23. Однако, если напряжение входной стороны (первичной стороны) трансформатора 30 установлено низким, значение тока становится большим для получения той же самой мощности, так что объем, вес и стоимость полупроводниковых переключающих элементов с 23a по 23f и трансформатора 30 увеличивается. В конфигурации по настоящему варианту осуществления прекращение работы вспомогательного устройства 20 питания может быть исключено без учета такой специальной конструкции.
Каждая из клеммы N вспомогательного устройства 20 питания, клеммы N преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток, одной клеммы элемента 60 накопления энергии и клеммы N инвертора 50 подключены к колесу 3, так что обратный ток, выводимый с каждой клеммы, возвращается на подстанцию (не показана) через рельс 4.
В числе вышеприведенных соответственных компонентов множество произвольных компонентов может рассматриваться в качестве устройства управления силовой установкой для электрического транспортного средства. В качестве альтернативы каждый из компонентов может рассматриваться в качестве устройства управления силовой установкой для электрического транспортного средства.
На фиг.1 каждый компонент из вспомогательного устройства 20 питания, преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток, элемента 60 накопления энергии, инвертора 50, электродвигателя 71 и тому подобного проиллюстрирован в качестве одного устройства; однако каждый из них может быть разделен на множество блоков.
Затем расчетная нагрузочная способность каждого устройства пояснена с типичным пригородным поездом, имеющим около 10 вагонов, в качестве модели. Даже если количество вагонов изменяется, относительное соотношение между нагрузочными способностями соответственных компонентов по существу сохраняется.
В качестве расчетного (номинального) напряжения подвесной контактной линии 1 главным образом присутствуют 600 В постоянного тока, 750 В постоянного тока, 1500 В постоянного тока, 3000 В постоянного тока и тому подобное. Как описано выше, нагрузочная способность имеет около 400 кВт в сумме. Поэтому нагрузочная способность преобразования вспомогательного устройства 20 питания находится около 400 кВт. Как описано выше, сумма важных нагрузок составляет около 50 кВт.
Электродвигатель 71 обеспечивает приблизительно 150 кВт на единицу, и четыре электродвигателя 71 предусмотрены в одном вагоне с электроприводом. В ситуации 10-вагонного поезда присутствуют около четырех вагонов с электроприводом, так что количество электродвигателей 71, установленных на поезде, составляет 16. Таким образом, сумма выходных мощностей электродвигателей 71 составляет около 2400 кВт.
Блок 11 детектирования состояния снятия мощности детектирует состояние соединения подвесной контактной линии 1 и устройства 2 снятия мощности или состояние устройства 2 снятия мощности. Детектированное состояние вводится в блок 200 управления связью. Блок 200 управления связью начинает операцию по запуску преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток, повышению напряжения элемента 60 накопления энергии и подаче питания на вспомогательное устройство 20 питания после проверки, что устройство 2 снятия мощности надежно отделено от подвесной контактной линии 1. При этой операции напряжение, повышенное в преобразователе 40 постоянного тока в постоянный ток, не попадает на подвесную контактную линию 1 через устройство 2 снятия мощности, так что, когда имеется неисправность, такая как короткое замыкание в подвесной контактной линии 1, исключаются подача напряжения, повышенного в преобразователе 40 постоянного тока в постоянный ток, к месту неисправности и распространение повреждения.
Переключатель 10 размыкания/замыкания расположен между участками соединения, к которым подключены вспомогательное устройство 20 питания и преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток, и устройством 2 снятия мощности и может отделять вспомогательное устройство 20 питания и преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток от устройства 2 снятия мощности. Состояние переключателя 10 размыкания/замыкания вводится в блок 200 управления связью. При условии, что переключатель 10 размыкания/замыкания разомкнут, блок 200 управления связью начинает операцию по запуску преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток, повышению напряжения из элемента 60 накопления энергии и подаче питания на вспомогательное устройство 20 питания. При этой операции напряжение, повышенное в преобразователе 40 постоянного тока в постоянный ток, не попадает на подвесную контактную линию 1 через устройство 2 снятия мощности, так что, когда имеется неисправность, такая как короткое замыкание в подвесной контактной линии 1, исключаются подача напряжения, повышенного в преобразователе 40 постоянного тока в постоянный ток, к месту неисправности и распространение повреждения.
Обычно перенимается конфигурация, в которой четыре электродвигателя 71 параллельно подключены к каждому инвертору 50 и каждый инвертор 50 возбуждает четыре электродвигателя 71 совместно. Поэтому нагрузочная способность преобразования каждого инвертора 50 имеет значение около 600 кВт. Четыре инвертора 50 установлены на электрическом транспортном средстве, имеющем 10 вагонов.
Как описано выше, элемент 60 накопления энергии содержит электроэнергию около 100 кВт·ч при условии, что следует перемещать электрическое транспортное средство приблизительно на несколько километров до ближайшей станции в аварийном состоянии. Как описано выше, нагрузочная способность преобразования преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток имеет значение 50 кВт (100 кВт/2 часа).
Таким образом, нагрузочная способность преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток может быть нагрузочной способностью, допускающей подачу питания на важные нагрузки, подключенные к вспомогательному устройству 20 питания, и может быть меньше, чем нагрузочная способность вспомогательного устройства 20 питания. В устройстве управления силовой установкой для электрического транспортного средства, проиллюстрированного в настоящем варианте осуществления, преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток может быть сконфигурирован как устройство малой нагрузочной способности, так что возможны снижение размера и веса и снижение стоимости устройства управления силовой установкой.
Затем пояснена работа устройства управления силовой установкой для электрического транспортного средства. Работа в нормальном состоянии является следующей. Переключатель 70 селектора цепи выбирает сторону A. Вспомогательное устройство 20 питания подает питание на нагрузку 31 посредством питания, подаваемого с подвесной контактной линии 1.
Между тем инвертор 50 возбуждает электродвигатель 71 питанием, подаваемым с подвесной контактной линии 1. Как описано выше, питание, подаваемое на электродвигатель 71, имеет значение около 2400 кВт в сумме. Преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток заряжает элемент 60 накопления энергии посредством питания, подаваемого с подвесной контактной линии 1.
Работа в аварийном состоянии является следующей. Переключатель 70 селектора цепи выбирает сторону B. Преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток повышает напряжение из элемента 60 накопления энергии до значения, близкого к расчетному (номинальному) напряжению подвесной контактной линии 1 или в пределах нормального диапазона колебаний напряжения подвесной контактной линии 1, и подает его на вспомогательное устройство 20 питания. Вспомогательное устройство 20 питания возбуждает нагрузку 31 питанием, подаваемым из преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток. Мощность, подаваемая в нагрузку 31, имеет значение около 50 кВт, при котором могут приводиться в действие важные нагрузки.
Между тем инвертор 50 возбуждает электродвигатель 71 питанием, подаваемым из элемента 60 накопления энергии без преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток. Мощность, которая может подаваться на электродвигатель 71, типично имеет значение около пятикратной величины (500 кВт) энергетической нагрузочной способности (100 кВт·ч) элемента 60 накопления энергии, хотя она зависит от характеристик (плотности мощности) элемента 60 накопления энергии. Поэтому мощность, которая может подаваться на электродвигатель 71, имеет значение около 20% нормального состояния (2400 кВт). В этом случае скорость транспортного средства у электрического транспортного средства становится низкой, а ускорение и максимальная скорость показывают значения, меньшие, чем нормальное состояние; однако электрическое транспортное средство может перемещаться посредством питания, подаваемого на нагрузку 31 и электродвигатель 71.
Затем поясняется работа блока 200 управления связью.
Когда сигнал HC управления, который должен вводиться снаружи, выключен, электрическое транспортное средство определяет, что электрическое транспортное средство может перемещаться посредством получения питания с подвесной контактной линии 1 (нормальное состояние), включает переключатель 10 размыкания/замыкания сигналами с C1 по C3 управления, подключает переключатель 70 селектора цепи к стороне A и задействует преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток в режиме управления током, обеспечивая соответствие тока реактора 45 предварительно определенному командному значению. Более того, установка значения настройки защиты, имеющего отношение к входному напряжению в инверторе 50, выполняется на основании сигнала C4 управления.
Инвертор 50 включает в себя блок 59a контроля входного напряжения, который контролирует входное напряжение (напряжение конденсатора 52 фильтра), используя блок 54 детектирования напряжения. Более того, инвертор 50 включает в себя блок 59b функции защиты, который останавливает инвертор 50, когда входное напряжение выпадает из пределов заданного диапазона. Когда электрическое транспортное средство перемещается, принимая питание с подвесной контактной линии 1, блок 59a контроля входного напряжения устанавливает заданный диапазон приблизительно от 1000 В до 1900 В в случае, когда номинальным напряжением подвесной контактной лини 1 является 1500 В.
При этой конфигурации питание с подвесной контактной линии 1 может непосредственно вводиться в инвертор 50 и вспомогательное устройство 20 питания. Более того, с преобразователем 40 постоянного тока в постоянный ток элемент 60 накопления энергии может заряжаться до предварительно определенного значения. Более того, когда напряжение из подвесной контактной линии 1 находится в заданном значении, инвертор 50 может работать стабильно, а когда напряжение с подвесной контактной линии 1 вне заданного значения, инвертор 50 может быть немедленно остановлен.
Когда сигнал HC управления, введенный снаружи, активен, электрическое транспортное средство определяет, что электрическое транспортное средство не может перемещаться посредством получения питания с подвесной контактной линии 1 (аварийное состояние), выключает переключатель 10 размыкания/замыкания сигналами с C1 по C3 управления, подключает переключатель 70 селектора цепи к стороне B и задействует преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток в режиме управления напряжением для обеспечения соответствия напряжения конденсатора 42 предварительно определенному командному значению. Работа преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток начинается при условии, что переключатель 10 размыкания/замыкания выключен. Более того, изменение установки значения настройки защиты, имеющего отношение к входному напряжению в инверторе 50, выполняется на основании сигнала C4 управления.
Как описано выше, инвертор 50 включает в себя блок 59a контроля входного напряжения, и когда электрическое транспортное средство перемещается, получая питание из элемента 60 накопления энергии, блок 59a контроля входного напряжения устанавливает заданный диапазон в приблизительно от 400 В до 700 В в случае, когда номинальным напряжением элемента 60 накопления энергии является 600 В.
При этой конфигурации, когда напряжение из элемента 60 накопления энергии находится в заданном значении, инвертор 50 может работать стабильно, а когда напряжение элемента 60 накопления энергии вне заданного значения, инвертор 50 может быть немедленно остановлен. Более того, питание с элемента 60 накопления энергии может непосредственно вводиться в инвертор 50. Поэтому накопленная мощность элемента 60 накопления энергии может подаваться на электродвигатель 71 через инвертор 50 без потерь. Более того, питание из элемента 60 накопления энергии может повышаться до предварительно определенного значения и подаваться на вспомогательное устройство 20 питания преобразователем 40 постоянного тока в постоянный ток.
Конфигурация может быть такой, что значения настройки защиты, имеющие отношение к входному напряжению, установленному для блока 59b функции защиты и блока 59a контроля входного напряжения, устанавливаются независимо в инверторе 50, и значение настройки защиты не обязательно устанавливается на основании сигнала C4 управления. Например, конфигурация может быть такой, что значение настройки защиты определяется и устанавливается на основании среднего значения входной величины.
Блок 200 управления связью сконфигурирован для вывода команды управления на кондиционер воздуха (не показан), который находится в цепи подачи питания вспомогательного устройства 20 питания и установлен на электрическом транспортном средстве, и предпочтительно сконфигурирован с возможностью, когда электрическое транспортное средство перемещается посредством питания от элемента 60 накопления энергии, остановки кондиционера воздуха посредством выдачи команды останова в кондиционер воздуха. При этой конфигурации потребляемая мощность в кондиционере воздуха может быть снижена, так что мощность из элемента 60 накопления энергии может максимально использоваться для перемещения.
Блок 200 управления связью сконфигурирован с возможностью вывода команды управления на кондиционер воздуха (не показан), который находится в цепи подачи питания вспомогательного устройства 20 питания и установлен на электрическом транспортном средстве, и предпочтительно сконфигурирован с возможностью, когда электрическое транспортное средство перемещается посредством питания от элемента 60 накопления энергии, выдачи команды останова для компрессора сжатия хладагента (не показан) в кондиционере воздуха и обеспечения непрерывной работы отдельно предусмотренного нагнетательного вентилятора (не показан) для внутренней части электрического транспортного средства. При этой конфигурации нагнетание внутрь электрического транспортного средства может поддерживаться наряду со снижением потребляемой мощности в компрессоре сжатия хладагента, который является причиной большей части потребляемой мощности в кондиционере воздуха, так что мощность из элемента 60 накопления энергии может использоваться максимально для перемещения без значительного ухудшения условий в транспортном средстве.
Таким образом, блок 200 управления связью имеет функцию управления переключателем 10 размыкания/замыкания, переключателем 70 селектора цепи, преобразователем 40 постоянного тока в постоянный ток и инвертором 50, установленным в устройстве управления силовой установкой для электрического транспортного средства связным образом посредством выдачи сигналов C1, C2, C3 и C4 управления в эти устройства. Поэтому блок 200 управления связью является центром для обеспечения оптимальной работы в нормальном состоянии или в аварийном состоянии в отношении системы устройства управления силовой установкой для электрического транспортного средства согласно настоящему варианту осуществления.
В аварийном состоянии напряжение конденсатора 42 фильтра, которое повышается и регулируется преобразователем 40 постоянного тока в постоянный ток, предпочтительно устанавливается в значение, близкое к нижнему пределу (например, около 1200 В в случае, когда расчетным (номинальным) напряжением подвесной контактной линии 1 является 1500 В) нормального диапазона изменения подвесной контактной линии 1. Это напряжение приблизительно равно нижнему пределу допустимого входного напряжения вспомогательного устройства 20 питания. При этой настройке коэффициент повышения напряжения преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток делается небольшим, так что может быть уменьшен шум от реактора 45.
Преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток имеет заданное значение электроэнергии, которая должна быть накоплена в элементе 60 накопления энергии, и имеет функцию выполнения операции зарядки/разрядки, так что реальная накопленная электроэнергия элемента 60 накопления энергии соответствует этому заданному значению накопленной электроэнергии. Отношение текущей накопленной электроэнергии к максимально накапливаемой электроэнергии элемента 60 накопления энергии называется SOC (состоянием заряда). В течение времени, когда электрическое транспортное средство перемещается, для заданного значения накопленной электроэнергии SOC установлено в максимум, то есть приблизительно 100%. Это происходит потому, что, если электрическое транспортное средство становится неспособным перемещаться при получении питания от подвесной контактной линии 1 во время работы, расстояние перемещения может быть обеспечено максимальным значением посредством максимального использования рабочих характеристик элемента 60 накопления энергии. С другой стороны, после того, как электрическое транспортное средство заканчивает работу, SOC, например, уменьшается до 80% или меньше, что является значением, меньшим, чем во время работы, и поддерживается. Это происходит потому, что, если SOC элемента 60 накопления энергии поддерживается в значении около 100% в течение длительного времени, развивается снижение эффективности работы внутренней части элемента 60 накопления энергии, что исключается вышеприведенной установкой. Таким образом, элемент 60 накопления энергии может использоваться в течение длительного времени, продлевая его срок службы, благодаря установке SOC как можно ниже. Что касается заданного значения накопленной электроэнергии, рассмотрена конфигурация, в которой SOC устанавливается близким к 100% при условии, что электрическое транспортное средство запускается и снижается в течение предварительно определенного времени ночью согласно информации о времени, включенной в преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток.
Более того, конфигурация может быть такой, что заданное значение накопленной электроэнергии вводится в преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток в качестве сигнала управления из внешнего блока 200 управления связью. При этой конфигурации, например, когда множество преобразователей 40 постоянного тока в постоянный ток и элементов 60 накопления энергии присутствуют в вагонах электрического транспортного средства, их работа может управляться совместно.
Более того, когда предполагается, что электрическое транспортное средство не должно использоваться в течение длительного времени, заданное значение накопленной электроэнергии предпочтительно понижается. Более точно, конфигурация предпочтительно такова, что заданное значение накопленной электроэнергии устанавливается таким образом, что рабочее состояние (питание, состояние торможения, состояние тока и тому подобное) инвертора 50 контролируется, и когда инвертор 50 не работает в течение некоторого периода времени, определяется, что электрическое транспортное средство поставлено на стоянку в вагонном депо, и SOC уменьшается. Не нужно говорить, что конфигурация может быть такой, что заданное значение накопленной электроэнергии устанавливается снаружи, к примеру, из центра управления работой, который совместно управляет информацией о работе поездов.
Затем ниже пояснены преимущества устройства управления силовой установкой для электрического транспортного средства согласно настоящему варианту осуществления.
Во-первых, не нужно рассмотрение специальной конструкции для инвертора 50. Фиг.6 изображает пример зависимости между выходным напряжением инвертора, скоростью транспортного средства и импульсным режимом согласно настоящему варианту осуществления. Вертикальная ось графика, проиллюстрированного на верхней стороне фиг.6, указывает выходное напряжение инвертора 50, а горизонтальная ось указывает скорость электрического транспортного средства. На графике, в качестве примера, проиллюстрирована характеристика выходное напряжение - скорость, когда расчетное (номинальное) напряжение (1500 В) подвесной контактной линии 1 приложено к инвертору 50, и характеристика выходное напряжение - скорость, когда напряжение на клеммах (600 В) элемента 60 накопления энергии приложено к инвертору 50.
В нижней части фиг.6 проиллюстрировано состояние изменения в импульсном режиме, когда расчетное (номинальное) напряжение (1500 В) подвесной контактной линии 1 приложено к инвертору 50. Более того, проиллюстрировано состояние изменения в импульсном режиме, когда напряжение между клеммами (600 В) элемента 60 накопления энергии приложено к инвертору 50.
В нормальном состоянии, когда инвертор 50 возбуждается питанием, подаваемым с устройства 2 снятия мощности, выходное напряжение инвертора 50 линейно возрастает от 0 В до 1170 В (= 1500 В × √6/π; известное уравнение). Инвертор 50 работает в режиме многоимпульсного ШИМ, указанном символом A, и синхронном импульсном режиме, указанном символом B.
Выходное напряжение инвертора 50 достигает максимального значения 1170 В на скорости около 40 км/ч, и инвертор 50 работает в одноимпульсном режиме, указанном символом C. Рабочая скорость электрического транспортного средства в нормальном состоянии составляет от 80 км/ч до 100 км/ч, так что инвертор 50 работает в одноимпульсном режиме большую часть времени за исключением времени разгона и замедления.
С другой стороны, в аварийном состоянии, когда инвертор 50 возбуждается питанием из элемента 60 накопления энергии, при котором напряжение между клеммами установлено в 600 В, выходное напряжение инвертора 50 линейно возрастает от 0 В до 468 В (= 600 В × √6/π; известное уравнение). Инвертор 50 работает в режиме многоимпульсного ШИМ, указанном символом A, и синхронном импульсном режиме, указанном символом B.
Выходное напряжение инвертора 50 достигает максимального значения 468 В на скорости около 16 км/ч, и инвертор 50 работает в одноимпульсном режиме, указанном символом C. Рабочая скорость электрического транспортного средства в аварийном состоянии обычно составляет около 30 км/ч, так что инвертор 50 может работать в одноимпульсном режиме большую часть времени за исключением времени ускорения и замедления. Другими словами, количество импульсов в полупериоде выходного напряжения инвертора 50 составляет один, что является минимумом, и потери на переключение также становятся минимальными.
Если напряжение между клеммами элемента 60 накопления энергии установлено в 1500 В подобно напряжению подвесной контактной линии 1, даже если максимальной скоростью электрического транспортного средства является приблизительно 30 км/ч, инвертор 50 всегда работает на частоте переключения (около 1000 Гц) в импульсном режиме, полученном из характеристики выходное напряжение - скорость, соответствующей входному напряжению инвертора 50, то есть в режиме многоимпульсного ШИМ, посредством питания, подаваемого на инвертор 50 из элемента 60 накопления энергии, в аварийном состоянии. Если инвертор 50 работает в состоянии, где потери на переключение велики, с охлаждающей пластиной, которая сконструирована с учетом работы в одноимпульсном режиме, характеристика охлаждения недостаточна, так что возникает проблема в том, что инвертор 50 перегревается.
В качестве контрмеры против вышеприведенной проблемы можно специально сконструировать инвертор с улучшенной характеристикой охлаждения, принимая во внимание работу на низкой скорости; однако это вызывает увеличение веса, размера, стоимости и тому подобного у устройства инвертора.
В устройстве управления силовой установкой для электрического транспортного средства согласно настоящему варианту осуществления в конфигурации, в которую включен переключатель 70 селектора цепи, который выбирает одно из питания, подаваемого от подвесной контактной линии 1, и питания, подаваемого от элемента 60 накопления энергии, и выводит его на инвертор 50, в нормальном состоянии питание подвесной контактной линии 1 подается на инвертор 50, а в аварийном состоянии питание с элемента 60 накопления энергии подается на инвертор 50, напряжение, подаваемое с элемента 60 накопления энергии на инвертор 50, устанавливается низким по сравнению с напряжением, подаваемым с подвесной контактной линии 1 на инвертор 50, так что даже при перемещении на низкой скорости посредством питания, подаваемого с элемента 60 накопления энергии, инвертор 50 может работать в одноимпульсном режиме. Поэтому инвертору с улучшенной характеристикой охлаждения не требуется специальной конструкции, так что увеличение веса, размера, стоимости и тому подобного у инвертора 50 может быть исключено.
Когда электрическое транспортное средство перемещается по восходящему склону, или в других случаях, если скорость электрического транспортного средства уменьшается, например, до 16 км/ч или меньше, инвертор 50 выполняет переключение в режим многоимпульсной ШИМ. В этом случае, как описано выше, инвертор 50 может перегреваться вследствие недостаточной характеристики охлаждения. Чтобы избежать этого, более предпочтительно осуществлять конфигурирование так, чтобы выходное напряжение инвертора 50 изменялось в соответствии с температурой полупроводниковых переключающих элементов с 53a по 53f, образующих инвертор 50, чтобы управлять возможностью обеспечения работы инвертора 50 в одноимпульсном режиме.
Более точно, когда температура полупроводниковых переключающих элементов с 53a по 53f, образующих инвертор 50, повышается до предварительно определенного значения или более, инвертор 50 управляется из условия, чтобы выходное напряжение инвертора 40 увеличивалось для работы инвертора 50 в одноимпульсном режиме на скорости, меньшей, чем вышеприведенная конфигурация.
Выходное напряжение инвертора 50 предпочтительно увеличивается до тех пор, пока инвертор 50 не начинает выполнять операцию переключения в одноимпульсный режим.
В качестве способа повышения выходного напряжения инвертора 50 эффективным является увеличение команды тока возбуждения для электродвигателя 71 в блоке управления электродвигателем (не показанном) в инверторе 50, чтобы поднимать выходное напряжение инвертора 50. Когда выходное напряжение инвертора 50 увеличивается, напряжение, более высокое, чем нормальное, прикладывается к электродвигателю 71 на той же самой скорости (частоте), и электродвигатель 71 работает в так называемом перевозбужденном состоянии, в котором ток возбуждения электродвигателя 71 становится большим, чем расчетный рабочий. Следовательно, температура электродвигателя 71 поднимается; однако электродвигатель 71 имеет тепловую постоянную времени, большую чем инвертор 50, поэтому не возникает проблемы в ситуации обеспечения перемещения электрического транспортного средства до ближайшей станции.
Во-вторых, потери в системе всего устройства управления силовой установкой для электрического транспортного средства, включающего в себя инвертор 50, могут быть минимизированы. С переключателем 70 селектора цепи элемент 60 накопления энергии может непосредственно подключаться к инвертору 50, так что схема преобразования напряжения (и тому подобное) не должна быть предусмотрена между элементом 60 накопления энергии и инвертором 50. Поэтому нет никаких потерь мощности вследствие схемы преобразования напряжения и тому подобного, и потери в системе всего устройства управления силовой установкой для электрического транспортного средства, включающего в себя инвертор 50, могут быть минимизированы, так что накопленная электрическая энергия элемента 60 накопления энергии может максимально использоваться.
В-третьих, не требуется рассмотрение специальной конструкции для вспомогательного устройства 20 питания. Преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток может повышать напряжение с элемента 60 накопления энергии до значения, близкого к расчетному (номинальному) напряжению подвесной контактной линии 1, или в пределах нормального диапазона колебаний напряжения подвесной контактной линии 1 в аварийном состоянии и может заставлять вспомогательное устройство 20 питания работать в режиме источника питания, таком же, как нормальное состояние. Поэтому вспомогательному устройству 20 питания, например, не требуется конструкция для понижения настройки напряжения входной стороны (первичной стороны) трансформатора 30 во вспомогательном устройстве 20 питания, а объем, вес и стоимость полупроводниковых переключающих элементов с 23a по 23f и трансформатора 30 не увеличиваются.
В-четвертых, может эффективно использоваться преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток, используемый для изменения элемента 60 накопления энергии. Нагрузочная способность преобразования преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток такова, что нагрузочная способность, необходимая для повышения напряжения и подачи питания на вспомогательное устройство 20 питания, и нагрузочная способность, необходимая для полной зарядки элемента 60 накопления энергии за предварительно определенный период времени, приблизительно одинаковы (50 кВт в вышеприведенном варианте осуществления). Поэтому преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток может заряжать элемент 60 накопления энергии в нормальном состоянии и выполнять повышение напряжения и подачу питания на вспомогательное устройство 20 питания в аварийном состоянии без добавления специального устройства к преобразователю 40 постоянного тока в постоянный ток. Другими словами, может использоваться преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток, предусмотренный для зарядки элемента 60 накопления энергии в устройстве управления силовой установкой для электрического транспортного средства.
Устройство управления силовой установкой для электрического транспортного средства согласно настоящему варианту осуществления сконфигурировано с возможностью включения в состав блока 11 детектирования состояния снятия мощности и запуска операции повышения напряжения преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток после проверки, что устройство 2 снятия мощности надежно отделено от подвесной контактной линии 1, так что напряжение, повышенное в преобразователе 40 постоянного тока в постоянный ток, может предохраняться от попадания на подвесную контактную линию 1 через устройство 2 снятия мощности и, таким образом, повреждение, распространенное в замкнутом накоротко месте, или тому подобное у подвесной контактной линии 1 может быть исключено.
Более того, устройство управления силовой установкой для электрического транспортного средства согласно настоящему варианту осуществления сконфигурировано с возможностью включения в состав переключателя 10 размыкания/замыкания между участками соединения, к которому подключены вспомогательное устройство 20 питания и преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток, устройство 2 снятия мощности и запуска операции повышения напряжения преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток при условии, что переключатель 10 размыкания/замыкания разомкнут, так что напряжение, повышенное на преобразователе 40 постоянного тока в постоянный ток, может быть предохранено от попадания на подвесную контактную линию 1 через устройство 2 снятия мощности, в силу этого напряжение, повышенное в преобразователе 40 постоянного тока в постоянный ток, может предохраняться от попадания на подвесную контактную линию 1 через устройство 2 снятия мощности, таким образом, повреждение, распространенное в замкнутом накоротко месте, или тому подобное у подвесной контактной линии 1 может быть исключено.
При вышеприведенной конфигурации можно предоставить устройство управления силовой установкой для электрического транспортного средства, пригодное для побуждения электрического транспортного средства перемещаться посредством питания, подаваемого от элемента 60 накопления энергии в аварийном состоянии, таком как прерывание питания подвесной контактной линии, наряду с исключением увеличения веса, размера и стоимости инвертора 50, который осуществляет управление для возбуждения электродвигателя 71 и вспомогательного устройства 20 питания, которое подает питание на нагрузку 31.
Конфигурация устройства управления силовой установкой для электрического транспортного средства, проиллюстрированного в настоящем варианте осуществления, иллюстрирует один из примеров настоящего изобретения, и ненужно говорить, что конфигурация может быть скомбинирована с разной широко известной технологией и, например, может быть изменена исключением ее части, не выходя из сущности настоящего изобретения.
Как пояснено выше, согласно устройству управления силовой установкой для электрического транспортного средства в настоящем варианте осуществления конфигурация такова, что включены в состав переключатель 70 селектора цепи, который выбирает одно из питания, подаваемого из внешнего источника питания, и питания, подаваемого из элемента 60 накопления энергии, и подает питание на инвертор 50, и блок 200 управления связью, который управляет инвертором 50, преобразователем 40 постоянного тока в постоянный ток и переключателем 70 селектора цепи связным образом, а инвертор 50, преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток и блок 70 селектора цепи управляются связным образом, так что управление перемещением электрического транспортного средства с использованием питания из элемента 60 накопления энергии может надлежащим образом выполняться в аварийном состоянии, таком как прерывание питания подвесной контактной линии, наряду с исключением увеличения веса, размера и стоимости инвертора 50 и вспомогательного устройства 20 питания.
Более того, конфигурация такова, что элемент 60 накопления энергии может быть непосредственно подключен к инвертору 50 переключателем 70 селектора цепи, и схема преобразования напряжения и тому подобное не должно предусматриваться между элементом 60 накопления энергии и инвертором 50, в силу чего потери в системе всего устройства управления силовой установкой для электрического транспортного средства, включающего в себя инвертор 50, могут быть минимизированы, а потому накопленная электрическая энергия элемента 60 накопления энергии может максимально использоваться.
Более того, преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток сконфигурирован с возможностью повышать напряжение из элемента 60 накопления энергии до значения, близкого расчетному (номинальному) напряжению подвесной контактной линии 1, или в пределах нормального диапазона колебаний напряжения подвесной контактной линии 1 в аварийном состоянии и заставляет вспомогательное устройство 20 питания работать в состоянии подачи питания, таком же как нормальное состояние, так что вспомогательное устройство 20 питания не должно быть предназначено, например, для снижения настройки напряжения входной стороны (первичной стороны) трансформатора во вспомогательном устройстве 20 питания, а увеличение объема, веса и стоимости полупроводниковых переключающих элементов с 23a по 23f и трансформатора 30 может быть предотвращено.
Более того, способность преобразования преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток является такой, что способность, необходимая для повышения напряжения и подачи питания на вспомогательное устройство 20 питания, и напряжение, необходимое для полной зарядки элемента 60 накопления энергии за предварительно определенный период времени, являются приблизительно такими же (50 кВт в вышеприведенном варианте осуществления), так что преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток может заряжать элемент 60 накопления энергии в нормальном состоянии и выполнять повышение напряжения и подачу питания на вспомогательном устройстве 20 в аварийном состоянии без добавления специального устройства к преобразователю 40 постоянного тока в постоянный ток.
Более того, устройство управления силовой установкой для электрического транспортного средства согласно настоящему варианту осуществления сконфигурировано с возможностью включения в состав блока 11 детектирования состояния снятия мощности и запуска операции повышения напряжения преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток после проверки, что устройство 2 снятия мощности надежно отделено от подвесной контактной линии 1, так что напряжение, повышенное в преобразователе 40 постоянного тока в постоянный ток, может предохраняться от попадания на подвесную контактную линию 1, таким образом, повреждение, распространенное в замкнутом накоротко месте, или тому подобное у подвесной контактной линии 1 может быть исключено.
Более того, устройство управления силовой установкой для электрического транспортного средства согласно настоящему варианту осуществления сконфигурировано с возможностью включения в состав переключателя 10 размыкания/замыкания между участками соединения, к которому подключены вспомогательное устройство 20 питания и преобразователь 40 постоянного тока в постоянный ток, и устройство 2 снятия мощности, и запуска операции повышения напряжения преобразователя 40 постоянного тока в постоянный ток при условии, что переключатель 10 размыкания/замыкания разомкнут, так что напряжение, повышенное на преобразователе 40 постоянного тока в постоянный ток, может быть предохранено от попадания на подвесную контактную линию 1, таким образом, повреждение, распространенное в замкнутом накоротко месте, или тому подобное у подвесной контактной линии 1 может быть исключено.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Как описано выше, устройство управления силовой установкой для электрического транспортного средства согласно настоящему изобретению полезно в качестве устройства управления силовой установкой для электрического транспортного средства, которое заставляет электрическое транспортное средство перемещаться посредством питания, подаваемого из элемента накопления энергии в аварийном состоянии, таком как прерывание питания подвесной контактной линии.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ БУКВЕННЫХ И ЦИФРОВЫХ НАДПИСЕЙ
1 Подвесная контактная линия
2 Устройство снятия мощности
3 Колесо
4 Рельс
10 Переключатель размыкания/замыкания (блок размыкания/замыкания)
11 Блок детектирования состояния снятия мощности
20 Вспомогательное устройство питания
21, 41, 45, 51 Реактор
22, 42, 52 Конденсатор фильтра
23, 53 Инверторная схема
23a, 23b, 23c, 23d, 23e, 23f, 43a, 43b, 53a, 53b, 53c, 53d, 53e, 53f Полупроводниковый переключающий элемент
29 Фильтр переменного тока
30 Трансформатор
31 Нагрузка
40 Преобразователь постоянного тока в постоянный ток
43 Переключающая схема
54 Блок детектирования напряжения
59a Блок контроля входного напряжения
47 Детектор тока
48 Блок управления преобразователем постоянного тока в постоянный ток
50 Инвертор
59 Блок управления инвертором
59b Блок функции защиты
60 Элемент накопления энергии
70 Переключатель селектора цепи (блок селектора цепи)
71 Электродвигатель
200 Блок управления связью
C1, C2, C3, C4, HC Сигнал управления