УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ДВИГАТЕЛЕМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
CONTROL DEVICE FOR VEHICLE WITH AC MOTOR

Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к устройству управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока, а конкретнее к устройству управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока, которое, при простой конфигурации, вызывает работу статического инвертора (именуемого далее просто «СИ») в качестве вспомогательного источника питания, который подает электрическую мощность на транспортное средство даже во время потери мощности от контактной сети, например, из-за отскока пантографа или перехода секции.
Предшествующий уровень техники
Что касается конфигурации устройства управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока, то в прошлом СИ соединяли с промежуточной связывающей схемой постоянного тока основного преобразующего устройства, то есть, с преобразователем-инвертором (именуемом далее просто «ПИ»), который представляет собой контроллер двигателя. В устройстве управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока эта конфигурация дает возможность совместно использовать преобразователь переменного тока в постоянный для СИ и преобразователь переменного тока в постоянный ПИ и делает ненужным обеспечение третичной обмотки основного трансформатора. Поэтому можно реализовать уменьшение габаритов и веса электрического компонента в целом.
С другой стороны, когда транспортное средство с электрическим двигателем переменного тока теряет мощность от контактной сети из-за отскока пантографа или прохода секции и т.п., устройство управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока обычно останавливает работу ПИ с помощью функции обнаружения прерывания обслуживания. В результате, СИ также прекращает работу. Вместе с тем, поскольку СИ это устройство, которое подает всю мощность на транспортное средство, желательно в как можно большей степени не останавливать работу СИ. Чтобы предотвратить останов работы СИ, необходимо принять меры, например, для увеличения емкости конденсатора сглаживающего фильтра (именуемого далее просто конденсатором фильтра или КФ), соединенного с промежуточной связывающей схемой постоянного тока.
В известном техническом решении, раскрытом в патентном документе 1, описываемом ниже, предложен способ продолжения работы СИ путем соединения средства аккумулирования энергии с промежуточной связывающей схемой постоянного тока. В частности, средство аккумулирования энергии включает в себя блок аккумулирующих элементов, включающий в себя конденсатор, который поглощает и аккумулирует энергию во время работы в режиме мощности и работы в регенеративном режиме. Средство аккумулирования энергии имеет такую конфигурацию, что оно способно продолжать работу с использованием энергии, аккумулируемой в блоке аккумулирующих элементов в состоянии, в котором мощность оказывается недостаточной, например, в случае отскока пантографа или прерывания обслуживания.
Патентный документ 1: Выложенная заявка на патент Японии № 2003-199354.
Краткое изложение сущности изобретения
Задача, решаемая изобретением
Однако для продолжения работы СИ во время потери мощности от контактной сети, в известном техническом решении, раскрытом в патентом документе 1, возникает проблема, заключающаяся в том, что требуется увеличить габариты или дополнительно установить аппаратные средства, например, приходится увеличивать емкость КФ или приходится вводить средство аккумулирования энергии.
Данное изобретение разработано ввиду вышеизложенного, и цель данного изобретения состоит в том, чтобы получить устройство управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока, которое может обеспечить продолжение работы СИ во время потери мощности от контактной сети, предотвращая увеличение габаритов и дополнительную установку аппаратных средств.
Средства решения задачи
Чтобы решить вышеупомянутые проблемы и достичь вышеупомянутой цели, устройство управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока в соответствии с одним аспектом данного изобретения выполнено включающим в себя: преобразователь, который преобразует напряжение переменного тока, подводимое от провода контактной сети переменного тока через трансформатор, в напряжение постоянного тока, инвертор, который преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, и двигатель, приводимый в действие и управляемый инвертором, причем устройство управления включает в себя: блок вычисления команды крутящего момента, который вычисляет значение команды крутящего момента двигателя и выдает значение команды крутящего момента в инвертор; и статический инвертор, который подает электрическую мощность на нагрузку, установленную на транспортном средстве с электрическим двигателем переменного тока, причем, когда напряжение переменного тока не прикладывается к преобразователю, блок вычисления команды крутящего момента вычисляет значение команды регенеративного крутящего момента, соответствующего мощности, потребляемой статическим инвертором, на основании частоты ротора двигателя, входного тока статического инвертора и входного напряжения статического инвертора, а инвертор, в соответствии со значением команды регенеративного крутящего момента, подает регенерированную мощность, генерируемую двигателем, на статический инвертор.
Эффект изобретения
В соответствии с данным изобретением, устройство управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока включает в себя блок вычисления команды крутящего момента регенеративного торможения, включающий в себя один из первого блока арифметической обработки, который, во время потери мощности от контактной сети из-за отскока пантографа или по аналогичной причине вычисляет на основании входного тока СИ, напряжения постоянного тока и частоты ротора первое значение команды регенеративного крутящего момента для компенсации мощности, потребляемой СИ, и второго блока арифметической обработки, который вычисляет на основании напряжения постоянного тока и команды постоянного тока второе значение регенеративного крутящего момента, при котором напряжение постоянного тока становится постоянным. Поэтому возникает тот эффект, что появляется возможность продолжать работу СИ во время потери мощности от контактной сети и при этом предотвращать увеличение габаритов и дополнительную установку аппаратных средств.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена функциональная блок-схема, на которой показана главным образом конфигурация блока вычисления команды крутящего момента регенеративного торможения в соответствии с первым вариантом осуществления.
На фиг.2 представлена функциональная блок-схема, на которой показана главным образом конфигурация блока вычисления команды крутящего момента регенеративного торможения в соответствии со вторым вариантом осуществления.
Пояснение буквенно-цифровых обозначений на чертежах
1 Пантограф
2 Основной трансформатор
3 Преобразователь
4 Инвертор
5 Конденсатор фильтра
6 Основной двигатель
7 Статический инвертор
8 Датчик тока
9 Контактор
10 Промежуточная связывающая схема постоянного тока
11 Блок вычисления команды крутящего момента регенеративного торможения
12 Блок вычисления команды крутящего момента в режиме мощности или команды крутящего момента регенеративного торможения
13 Переключатель
21 Блок вычитания
22 Блок умножения
23 Блок деления
24 Блок пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулирования
25 Сумматор с усилением
26 Сумматор
30 Первый блок арифметической обработки
31 Второй блок арифметической обработки
Ec* Команда напряжения постоянного тока (опорное значение напряжения постоянного тока)
EcO Напряжение постоянного тока
FM Частота ротора (частота двигателя)
СИ
I Входной ток СИ
TP1 Первое значение команды регенеративного крутящего момента
TP2 Второе значение команды регенеративного крутящего момента
TRQ1, TRQ2 Значение команды регенеративного крутящего момента
Лучший способ (лучшие способы) осуществления изобретения
Теперь, со ссылками на прилагаемые чертежи, будет приведено подробное пояснение вариантов осуществления устройства управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока. Данное изобретение не ограничивается этими вариантами осуществления.
Первый вариант осуществления
Конфигурация устройства управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока
На фиг.1 представлена функциональная блок-схема, на которой показана главным образом конфигурация блока вычисления команды крутящего момента регенеративного торможения в соответствии с первым вариантом осуществления. Система привода транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока показана в верхней части чертежа. Блок 11 вычисления команды крутящего момента регенеративного торможения (именуемый дальше просто «блоком 11 вычисления») и блок 12 вычисления команды крутящего момента режима мощности/команды крутящего момента регенеративного торможения (именуемый далее просто «блоком 12 вычисления»), образующие систему управления регенеративным крутящим моментом, показаны в нижней части чертежа.
Система привода транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока включает в себя в качестве основных компонентов пантограф 1, к которому подводится мощность переменного тока от провода контактной сети переменного тока, основной трансформатор 2, который на входе принимает мощность переменного тока, подаваемую от пантографа 1, преобразователь 3, к которому прикладывается напряжение переменного тока от основного трансформатора 2 и который преобразует это напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, инвертор 4, который преобразует напряжение постоянного тока, выдаваемое из преобразователя 3, в трехфазный переменный ток, КФ 5, который предусмотрен на стороне выхода постоянного тока инвертора 4 и сглаживает напряжение постоянного тока преобразователя 3, основной двигатель 6, который приводится в действие напряжением переменного тока инвертора 4, статический инвертор 7 (именуемый далее просто «СИ»), соединенный с промежуточной связывающей схемой 10 постоянного тока, датчик тока (именуемый далее просто «ДТ»), который предусмотрен на входной стороне СИ 7 и получает ток нагрузки, и контактор 9 в качестве размыкающего и замыкающего блока, который разъединяет основной трансформатор 2 и преобразователь 3.
Один конец стороны первичной стороны трансформатора 2 соединен с проводом контактной сети переменного тока посредством пантографа 1, а другой конец соединен с рельсом, имеющий потенциал «земли», посредством непоказанных колес. Иными словами, трансформатор 2 выполнен с возможностью приема, через провод контактной сети переменного тока, пантограф 1, колеса и рельс, электрической мощности, передаваемой от непоказанной электрической подстанции. Устройство управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока осуществляет преобразование мощности, поясненное выше, и приводит в действие основной двигатель 6 во время работы транспортного средства с электрическим двигателем в режиме мощности. Однако во время торможения устройство управления заставляет основной двигатель 6 работать как генератор. Инвертор 4 работает в режиме электрического торможения и заставляет работать регенеративный тормоз.
Блок вычисления команды крутящего момента регенеративного торможения
Блок 11 вычисления включает в себя в качестве основных компонентов первый блок 30 арифметической обработки, второй блок 31 арифметической обработки и сумматор 26. Кроме того, первый блок 30 арифметической обработки включает в себя блок 22 умножения, блок 23 деления и сумматор 25 с усилением. Второй блок 31 арифметической обработки включает в себя блок 21 вычитания и блок 24 пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулирования. Блок 11 вычисления, выполненный таким образом, вычисляет значение TRQ1 команды регенеративного крутящего момента для того, чтобы вызвать продолжение работы СИ 7 во время потери мощности от контактной сети. Блок 12 вычисления вычисляет значение команды крутящего момента в режиме мощности или значение команды регенеративного крутящего момента во время нормальной работы. Переключатель 13 переключает выходы блока 11 вычисления и блока 12 вычисления.
Ниже поясняется работа устройства управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока во время потери мощности от контактной сети. Когда мощность от контактной сети теряется из-за отскока пантографа или перехода секции, эта потеря мощности от контактной сети обнаруживается не показанным детектором прерывания обслуживания, преобразователь 3 прекращает работать, а контактор 9 размыкается. С другой стороны, инвертор 4 продолжает работать в режиме электрического торможения, переключатель 13 переключает выход устройства управления с выхода в нормальное время, на выход во время прерывания обслуживания, и для управления инвертором 4 выдается значение TRQ1 команды регенеративного крутящего момента, вычисленное блоком 11 вычисления.
CИ
Ниже приводится подробное пояснение операций первого блока 30 арифметической обработки и второго блока 31 арифметической обработки. В первом блоке 30 арифметической обработки, блок 22 умножения перемножает входной ток I СИ, который получается из ДТ 8 и вводится в СИ 7, и напряжение EcO постоянного тока, обнаруживаемое из КФ 5, и вычисляет мощность, потребляемую СИ 7.
Блок 23 деления делит мощность, потребляемую СИ 7, на частоту FM ротора (эквивалентную скорости транспортного средства) основного двигателя 6, выдавая эквивалентную величину выходного крутящего момента. Сумматор 25 с усилением вводит коэффициент G1 усиления в эквивалентную величину выходного крутящего момента. В результате, в сумматор 26 выдается первое значение TP1 команды регенеративного крутящего момента для компенсации мощности, потребляемой СИ 7. Местом обнаружения напряжения EcO постоянного тока должна быть только промежуточная связывающая схема 10 постоянного тока, но не ограничивается лишь КФ 5.
Во втором блоке 31 арифметической обработки, блок 21 вычитания вычисляет отклонение между предопределенной командой Ec* напряжения постоянного тока, которая представляет собой опорное напряжение постоянного тока, и напряжением EcO постоянного тока. На основании этого отклонения, блок 24 ПИД-регулирования получает второе значение TP2 команды регенеративного крутящего момента, при котором значение напряжения EcO постоянного тока, прикладываемого к СИ 7, поддерживается постоянным. Использование блока 24 ПИД-регулирования упомянуто в качестве примера. Однако блок регулирования не обязательно должен быть таким и может быть блоком пропорционально-дифференциального (ПД) регулирования или аналогичным средством. Первое значение TP1 команды регенеративного крутящего момента и второе значение TP2 команды регенеративного крутящего момента складываются сумматором 26 для получения значения TRQ1 команды блок 31 арифметической обработки крутящего момента для непрерывной работы СИ 7.
Таким образом, в устройстве управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока в соответствии с этим вариантом осуществления, когда напряжение переменного тока не прикладывается к преобразователю 3, блок 11 вычисления вычисляет значение TRQ1 команды регенеративного крутящего момента, соответствующее потребляемой мощности СИ 7, значение TRQ1 команды регенеративного крутящего момента является выходным сигналом на инвертор 4, а инвертор 4, в соответствии со значением TRQ1 команды регенеративного крутящего момента, подает регенерированную мощность, генерируемую двигателем 6, в промежуточную связывающую схему 10 постоянного тока. Таким образом, СИ 7 может продолжать работу, даже если потеряна мощность от контактной сети.
СИ
Как пояснялось выше, устройство управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока в соответствии с этим вариантом осуществления включает в себя блок 11 вычисления, включающий в себя первый блок 30 арифметической обработки, который во время потери мощности от контактной сети из-за отскока пантографа или по аналогичной причине вычисляет на основании входного тока I СИ, напряжения EcO постоянного тока и частоты FM двигателя 6, значение TRQ1 команды регенеративного крутящего момента для компенсации мощности, потребляемой СИ 7, и второй блок 31 арифметической обработки, который вычисляет на основании напряжения EcO постоянного тока и команды Ec* напряжения постоянного тока значение TRQ2 команды регенеративного крутящего момента, при котором напряжение EcO постоянного тока становится постоянным. Следовательно, поскольку регенерируемая электроэнергия, соответствующая мощности, потребляемой СИ 7, подается на промежуточную связывающую схему 10 постоянного тока в соответствии с управлением инвертором 4 без увеличения емкости КФ 5 или введения специальных аппаратных средств (не показаны), таких как средство аккумулирования энергии, появляется возможность точно управлять СИ 7 и заставлять СИ 7 продолжать работать. Поскольку появляется возможность заставлять СИ продолжать работать, эффективно используя регенерированную мощность, то оказывается возможным снижение подачи энергии от провода контактной сети и снизить потребляемую мощность по сравнению с этими показателями в известных технических решениях.
Второй вариант осуществления
Устройство управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока выполнено так, что оно способно получать те же эффекты, что и в первом варианте осуществления, даже если один из первого блока 30 арифметической обработки и второго блока 31 арифметической обработки исключен из блока 11 вычисления, соответствующего первому варианту осуществления. Ниже приводится пояснение конфигурации и работы устройства управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока в соответствии с этим (вторым) вариантом осуществления. Компоненты, идентичные компонентам в первом варианте осуществления, обозначены теми же цифровыми и буквенными позициями, а подробное описание этих компонентов опущено.
На фиг.2 представлена функциональная блок-схема, на которой показана главным образом конфигурация блока вычисления команды крутящего момента регенеративного торможения в соответствии со вторым вариантом осуществления. Как пояснялось выше, на фиг.2 отсутствуют первый блок 30 арифметической обработки и сумматор 26, показанные на фиг.1. Например, когда СИ 7 потребляет электрическую мощность, напряжение EcO постоянного тока падает в нерабочем состоянии преобразователя 3. Следовательно, если регенерированная энергия инвертора 4 увеличивается в соответствии с падением напряжения EcO постоянного тока, то получаются функции, эквивалентные функциям в первом варианте осуществления.
Ниже приводится пояснение конкретных операций устройства управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока во время потери мощности от контактной сети. Когда происходит потеря мощности от контактной сети из-за такого фактора, как отскок пантографа или переход секции, потеря мощности от контактной сети обнаруживается не показанным детектором прерывания обслуживания, преобразователь 3 прекращает работать, а контактор 9 размыкается. С другой стороны, инвертор 4 продолжает работать в режиме электрического торможения, а переключатель 13 переключает выход устройства управления с выхода в нормальное время на выход во время прерывания обслуживания. Во втором блоке 31 арифметической обработки, как и в первом варианте осуществления, блок 21 вычитания вычисляет отклонение между командой Ec* постоянного тока и напряжением EcO постоянного тока, и на основании этого отклонения, блок 24 ПИД-регулирования получает второе значение TRQ2 команды регенеративного крутящего момента.
Конфигурация устройства управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока в соответствии с этим вариантом осуществления не сводится к конфигурации, в которой исключены первый блок 30 арифметической обработки и сумматор 26. Устройство управления может включать в себя первый блок 30 арифметической обработки вместо второго блока 31 арифметической обработки. Когда преобразователь 3 прекращает работать во время потери мощности от контактной сети, СИ 7 в основном потребляет мощность. Поэтому очевидно, что даже если второй блок 31 арифметической обработки исключен, можно получить функции, эквивалентные тем с помощью первого блока 30 арифметической обработки.
Как пояснялось выше, поскольку устройство управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока в соответствии с этим вариантом осуществления имеет такую конфигурацию, что включает в себя один из первого блока 30 арифметической обработки и второго блока 31 арифметической обработки, имеется возможность заставить СИ 7 продолжать работу, как в первом варианте осуществления во время потери мощности от контактной сети из-за отскока пантографа или по аналогичным причинам. Имеется возможность упрощения конфигурации устройства управления, так как ДТ 8 может быть исключен. Когда устройство управления включает в себя только первый блок 30 арифметической обработки, появляется возможность реализовать дополнительное упрощение устройства управления и надлежащую подачу мощности на СИ 7. Когда устройство управления включает в себя только второй блок 31 арифметической обработки, команду TRQ2 регенеративного крутящего момента можно генерировать только в соответствии с информацией о напряжениях. Поэтому возможно реализовать дополнительное упрощение устройства управления и быструю подачу мощности на СИ 7.
Устройства управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока, поясненные с помощью первого и второго вариантов осуществления показывают примеры состава данного изобретения. Излишне говорить, что можно также объединять эти устройства управления друг с другом по известной технологии, или можно также предусмотреть конфигурацию, обуславливающую изменение устройств управления, например, исключение части этих устройств управления, не выходя за рамки сущности настоящего изобретения.
Промышленная применимость
Как пояснялось выше, данное изобретение применимо к устройству управления для транспортного средства с электрическим двигателем переменного тока и, в частности, полезно в качестве изобретения, позволяющего при простой конфигурации заставить статический инвертор, который подает электрическую мощность на транспортное средство, непрерывно работать даже во время потери мощности от контактной сети.