ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2012 года по МПК H02M3/155 

Область техники

Настоящее изобретение относится к преобразователю постоянного тока (DCDC), подходящему для применения, например, в железнодорожном вагоне с электроприводом.

Предшествующий уровень техники

В целом, для железнодорожного вагона с электроприводом применяется конфигурация для накопления электрической энергии от контактного провода, контактного рельса или т.п. с помощью токоснимателя и возбуждения электродвигателя с помощью накопленной энергии.

В последние годы, поскольку рабочие характеристики элементов накопления энергии, таких как аккумуляторная батарея и конденсатор с двойным электрическим слоем, улучшаются, осуществляется разработка системы, в которой элементы накопления энергии устанавливаются в железнодорожный вагон с электроприводом, накопленная электрическая энергия сохраняется в элементах накопления энергии, и электродвигатель приводится в действие с помощью как электрической энергии, накопленной в элементах накопления энергии, так и электрической энергии, собираемой токоснимателем.

По существу, система, например, является устройством управления железнодорожным вагоном с электроприводом, раскрытым в патентном документе 1, Японская выложенная патентная заявка № 2007-274756, описанном ниже. В этом устройстве управления железнодорожным вагоном с электроприводом, чтобы управлять потоком энергии между контактным проводом и элементом накопления энергии, предусматривается преобразователь постоянного тока между токоснимателем и элементом накопления энергии.

Не предусмотренный в устройстве управления железнодорожным вагоном с электроприводом, раскрытом в патентном документе 1, в системе этого типа предусматривается дроссель между преобразователем постоянного тока и контактным проводом, и ослабление гармонического тока, выводимого из преобразователя постоянного тока к контактному проводу, выполняется схемой LC-фильтра, включающей в себя этот дроссель и входной конденсатор.

Однако было обнаружено, что, когда преобразователь постоянного тока работает, из-за электрического колебания, возникающего в схеме LC-фильтра, и из-за того, что входной конденсатор подвергается избыточному напряжению, в некоторых случаях обычное функционирование преобразователя постоянного тока не может быть выполнено.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание преобразователя постоянного тока, который подавляет электрическое колебание в схеме LC-фильтра и обеспечивает устойчивую работу.

Для преодоления вышеупомянутых проблем и решения указанной задачи, преобразователь постоянного тока согласно одному аспекту настоящего изобретения сконструирован таким образом, что он содержит схему входного фильтра, включающую в себя входной дроссель, соединенный с источником энергии постоянного тока (DC), и входной конденсатор, и преобразует напряжение постоянного тока входного конденсатора в произвольное напряжение постоянного тока, чтобы выводить напряжение постоянного тока, и дополнительно включает в себя: схему переключения, ко входу которой подключена схема входного фильтра, причем схема переключения включает в себя переключающий элемент верхнего плеча и переключающий элемент нижнего плеча; схему сглаживающего фильтра, соединенную с выходом переключающей схемы; и модуль управления, который возвращает значение состояния схемы сглаживающего фильтра и управляет включением и выключением схемы переключения, при этом модуль управления включает в себя модуль управления подавлением колебаний, который вычисляет, на основе напряжения входного конденсатора, степень подавления колебаний для регулирования значения состояния схемы сглаживающего фильтра.

Согласно настоящему изобретению схема переключения управляется на основе оптимальной степени подавления колебаний для управления электрическим колебанием, возникающем в схеме входного фильтра. Следовательно, достигается эффект, что возможно подавлять электрическое колебание, возникающее в схеме входного LC-фильтра, и осуществлять стабильную работу преобразователя постоянного тока.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает схему примера конфигурации преобразователя постоянного тока согласно первому варианту осуществления;

Фиг.2 изображает принципиальную блок-схему, в которой модуль главной схемы, показанной на фиг.1, упрощен;

Фиг.3 изображает блок-схему передаточной функции схемы, показанной на фиг.2;

Фиг.4 изображает принципиальную блок-схему, в которой нагрузка при постоянной мощности схемы, показанной на фиг.2, заменена резистором;

Фиг.5 изображает блок-схему передаточной функции схемы, показанной на фиг.4;

Фиг.6 изображает диаграмму изменений значений состояния внутри модуля управления подавлением колебаний и форм волн сигналов, согласно первому варианту осуществления;

Фиг.7 изображает схему примера конфигурации преобразователя постоянного тока, согласно второму варианту осуществления.

Фиг.8 изображает схему другого примера конфигурации преобразователя постоянного тока, согласно второму варианту осуществления.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Варианты осуществления преобразователя постоянного тока согласно настоящему изобретению поясняются подробно ниже со ссылками на чертежи. Настоящее изобретение не ограничивается вариантами осуществления, поясненными ниже.

Первый вариант осуществления

Фиг.1 изображает схему примера конфигурации преобразователя постоянного тока в первом варианте осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.1, преобразователь 100 постоянного тока электрически соединен с контактным проводом 1, который соединен с подстанцией (не показана), служащей в качестве источника энергии постоянного тока, через токосниматель 2. Преобразователь 100 постоянного тока также электрически соединен с рельсом 4, который соединен с подстанцией, через колесо 3, служащее в качестве обратной цепи для обратного тока.

Преобразователь 100 постоянного тока включает в себя модуль 200 главной схемы и модуль 300 управления, который управляет потоком энергии в модуле 200 главной схемы.

Сначала поясняется конфигурация модуля 200 главной схемы. На фиг.1 модуль 200 главной схемы включает в себя, в качестве основных компонентов, схему 8 входного фильтра, датчик 7 напряжения, схему 10 переключения, схему 27 сглаживающего фильтра, датчик 23 напряжения, датчик 21 тока и элемент 26 накопления энергии. Схема 10 переключения включает в себя переключающий элемент 11 верхнего плеча и переключающий элемент 12 нижнего плеча. Схема 8 входного фильтра включает в себя дроссель 5 в качестве входного дросселя и конденсатор 6 в качестве входного конденсатора. Схема 27 сглаживающего фильтра включает в себя сглаживающий дроссель 20.

Далее поясняются схематические функции модулей, включенных в модуль 200 главной схемы. Схема 10 переключения функционирует в качестве схемы преобразования энергии в двух направлениях от контактного провода 1 к элементу 26 накопления энергии и от элемента 26 накопления энергии к контактному проводу 1. Схема 8 входного фильтра подавляет протекание гармонического тока, формируемого от схемы 10 переключения, в сторону подстанции через токосниматель 2. Датчик 7 напряжения определяет напряжение EFC на обоих концах конденсатора 6. Элемент 26 накопления энергии аккумулирует требуемую электрическую энергию. Датчик 23 напряжения определяет напряжение BFC на выводах элемента 26 накопления энергии. Схема 27 сглаживающего фильтра выполняет фильтрацию пульсаций тока, формируемых от схемы 10 переключения. Датчик 21 тока определяет электрический ток, протекающий к сглаживающему дросселю 20 ISL (далее в данном документе называемый "током сглаживающего дросселя").

Далее поясняется конфигурация соединений модуля 200 главной схемы. Выходная сторона схемы 10 переключения соединена с элементом 26 накопления энергии через сглаживающий дроссель 20 и датчик 21 тока с концом соединения между переключающим элементом 11 верхнего плеча и переключающим элементом 12 нижнего плеча (одним концом переключающего элемента 11 верхнего плеча), используемым в качестве вывода. Входная сторона схемы 10 переключения соединена с контактным проводом 1 через схему 8 входного фильтра и токосниматель 2 с другим концом переключающего элемента 11 верхнего плеча, используемым в качестве входа.

В качестве элемента 26 накопления энергии может использоваться никель-водородная аккумуляторная батарея, литий-ионная аккумуляторная батарея, конденсатор с двойным электрическим слоем или т.п. Однако могут быть использованы другие элементы накопления энергии. В качестве источника энергии постоянного тока, который подает электрическую энергию в контактный провод 1, поясняется подстанция как пример. Однако источником энергии постоянного тока может быть другой источник энергии постоянного тока.

Далее поясняются конфигурация и функция модуля 300 управления. Модуль 300 управления включает в себя модуль 50 формирования управляющего сигнала и модуль 40 управления подавлением колебаний. Модуль 50 формирования управляющего сигнала включает в себя умножитель 34, вычитатель 35, контроллер 36 тока, схему 37 модуляции и модуль 40 управления подавлением колебаний.

Умножитель 34 выполняет умножение командного сигнала ISL* тока сглаживающего дросселя, подаваемого от главной системы управления (не показана), и степени DAMPCN подавления колебаний, поясняемой позже. Команда ISL* тока сглаживающего дросселя является значением командного сигнала тока ISL сглаживающего дросселя.

Вычитатель 35 вычитает ток ISL сглаживающего дросселя из выходного сигнала (ISL**) умножителя 34.

Контроллер 36 тока вводит выходной сигнал вычитателя 35 и выполняет пропорциональное интегральное управление. В качестве системы управления контроллера 36 тока может использоваться пропорциональное интегральное управление. Однако системой управления может быть пропорциональное управление. Контроллер 36 тока может быть сконфигурирован посредством широко известной технологии, независимо от того, какая из систем управления принята. Следовательно, пояснение системы управления здесь опускается.

Схема 37 модуляции выводит, на основе выходного сигнала контроллера 36 тока, напряжения EFC конденсатора 6 и напряжения BFC на выводах элемента 26 накопления энергии, управляющий сигнал схеме 10 переключения (далее в данном документе именуемый "переключающим сигналом") GSG.

Модуль 40 управления подавлением колебаний вводит напряжение EFC конденсатора 6 и выводит степень DAMPCN подавления колебаний. Конфигурация модуля 40 управления подавлением колебаний поясняется позже вместе с его работой.

Далее поясняется управление потоком энергии модуля 200 главной схемы посредством модуля 300 управления, сконфигурированного, как описано выше.

Командный сигнал ISL* тока сглаживающего дросселя является командным значением тока ISL сглаживающего дросселя, выводимым из главной системы управления (не показана), как пояснено выше. Когда заряд и разряд элемента 26 накопления энергии не нужны, ISL* устанавливается в 0, и модуль 300 управления управляет схемой 10 переключения модуля 200 главной схемы так, что ток ISL сглаживающего дросселя не протекает.

Когда необходим подзаряд элемента 26 накопления энергии, ISL* устанавливается в положительное значение, и модуль 300 управления управляет схемой 10 переключения модуля 200 главной схемы, чтобы выполнять операцию заряда так, что ток ISL сглаживающего дросселя изменяется на поток энергии со стороны контактного провода 1 в сторону элемента 26 накопления энергии.

Когда необходим разряд элемента 26 накопления энергии, ISL* устанавливается в отрицательное значение, и модуль 300 управления управляет схемой 10 переключения модуля 200 главной схемы, чтобы выполнять операцию разряда так, что ток ISL сглаживающего дросселя изменяется на поток энергии со стороны элемента 26 накопления энергии в сторону контактного провода 1.

Таким образом, преобразователь 100 постоянного тока функционирует как элемент управления источником тока, который управляет, согласно командному сигналу ISL* тока сглаживающего дросселя, выводимому из главной системы управления, током ISL сглаживающего дросселя, чтобы тот имел предварительно определенное значение и был способен при необходимости реализовать произвольный поток энергии.

Далее поясняется модуль 40 управления подавлением колебаний как основная часть этого варианта осуществления.

Перед конкретным описанием модуля 40 управления подавлением колебаний, показанного на фиг.1, кратко поясняется, со ссылкой на фиг.1-5, причина возникновения электрического колебания в LC-фильтре, включающем в себя схему 8 входного фильтра (дроссель 5 и конденсатор 6) модуля 200 главной схемы, показанного на фиг.1, и принцип подавления электрического колебания в качестве основы для конфигурации модуля 40 управления подавлением колебаний.

Сначала поясняется причина возникновения электрического колебания в LC-фильтре модуля 200 главной схемы, показанного на фиг.1. Фиг.2 изображает принципиальную блок-схему, в которой модуль 200 главной схемы, показанный на фиг.1, упрощен. На фиг.2 показаны контактный провод 1, токосниматель 2, колесо 3 и рельс 4, не показанные на фиг.1, а подстанция заменена источником 70 энергии постоянного тока. Дроссель 5 включает в себя индуктивную составляющую L и активную составляющую R. Емкость конденсатора 6 представлена как C.

Схема 10 переключения управляется так, что ток ISL сглаживающего дросселя поддерживается постоянным, даже если напряжение EFC конденсатора 6 пульсирует. Другими словами, даже если напряжение EFC конденсатора 6 пульсирует, поскольку входная мощность PDC схемы 10 переключения управляется так, чтобы оставаться неизменной, схема 10 переключения имеет постоянную характеристику мощности относительно пульсации в напряжении EFC конденсатора 6. Следовательно, модули, включающие в себя схему 10 переключения, сглаживающий дроссель 20 и элемент 26 накопления энергии, собраны как одна нагрузка, видимая со стороны LC-фильтра и установленная как нагрузка 80 с постоянной мощностью.

На фиг.2 нагрузка 80 с постоянной мощностью имеет характеристику отрицательного сопротивления, которая, если напряжение EFC конденсатора 6 растет, уменьшает входной ток IDC схемы 10 переключения и, если напряжение EFC конденсатора 6 падает, увеличивает входной ток IDC схемы 10 переключения. Обычный резистор (положительный резистор) имеет характеристику положительного сопротивления, которая, если напряжение растет, увеличивает электрический ток и, если напряжение падает, уменьшает электрический ток. Другими словами, нагрузка 80 с постоянной мощностью имеет характеристику, противоположную характеристике обычного резистора при изменении электрического тока относительно изменения напряжения.

Следовательно, если напряжение EFC конденсатора 6 растет и входной ток IDC схемы 10 переключения уменьшается, схема, показанная на фиг.2, работает, чтобы обеспечивать рост напряжения EFC конденсатора 6. Наоборот, если напряжение EFC конденсатора 6 падает и входной ток IDC схемы 10 переключения увеличивается, схема работает, чтобы обеспечивать падение напряжения EFC конденсатора 6. Следовательно, в схеме, показанной на фиг.2, подавление колебаний не действует на пульсацию в напряжении EFC конденсатора 6, электрическое колебание напряжения EFC конденсатора 6 происходит с резонансной частотой LC-фильтра, амплитуда возникающего электрического колебания увеличивается, и напряжение EFC продолжает колебаться. Вышеприведенное описание является качественным пояснением причины возникновения электрического колебания в LC-фильтрах модуля 200 главной схемы, показанного на фиг.1, и схемы, показанной на фиг.2.

Передаточная функция схемы, показанной на фиг.2, вычисляется и оценивается, и далее приводится количественное пояснение явления, качественно поясненного выше.

Во-первых, выражением соотношения входной мощности PDC схемы 10 переключения, входного тока IDC схемы переключения и напряжения EFC конденсатора 6 является следующая формула (1):

EFC×IDC=PDC(=константа) (1)

Поскольку формула (1) нелинейна, формула (1) линеаризуется. Когда напряжение и электрический ток в рабочей точке соответственно представляются как EFC0 и IDC0, около рабочей точки имеет силу следующая формула (2):

(2)

Следовательно, схема, показанная на фиг.2, представляется блок-схемой, показанной на фиг.3. Фиг.3 изображает блок-схему передаточной функции схемы, показанной на фиг.2. В блок-схеме передаточной функции, показанной на фиг.3, передаточная функция G(s) замкнутой системы от входного напряжения ES до напряжения EFC конденсатора 6 выражается следующей формулой (3):

(3)

Условием устойчивости замкнутой системы, показанной в передаточной функции G(s) замкнутой системы из формулы (3), является то, что все полюсы G(s) являются отрицательными. Другими словами, все решения характеристического уравнения, указанного следующей формулой (4), которая является знаменателем G(s), должны быть отрицательными.

(4)

Когда решения формулы (4) представляются как α и β, условные выражения, чтобы сделать и α и β отрицательными, являются следующими формулами (5) и (6) из соотношения между решениями и коэффициентами:

(5)

(6)

Вычисляется условное выражение для активной составляющей R дросселя 5 для стабилизации замкнутой системы, указанной передаточной функцией G(s) из формулы (3). Обратим внимание на формулу (5), поскольку формула (6) не включает в себя полезной информации. Когда формула (5) модифицируется, получается следующая формула (7) в качестве условного выражения активной составляющей R дросселя 5.

(7)

Согласно формуле (7), R, необходимый для стабилизации системы, может быть меньше, когда L меньше, C - больше, PDC - меньше и EFC0 - больше. В качестве примера, когда условия L=12 мГн, C=6600 мкФ, PDC=1000 КВт и EFC0=1500 В, которые являются обычными числовыми значениями, подставляются в формулу (7), величина активной составляющей R дросселя 5, которая может стабилизировать замкнутую систему, указанную передаточной функцией G(s) из формулы 3, равна R>0,8 (Ом).

В целом, активная составляющая, включенная в дроссель, очень мала, около нескольких десятков (мОм), и не может удовлетворять формуле (7). Следовательно, замкнутая система схемы, показанной на фиг.2, является нестабильной, и электрическое колебание происходит с резонансной частотой LC-фильтра. Другими словами, понятно, что, пока резистор, который удовлетворяет формуле (7), не будет добавлен к схеме, показанной на фиг.2, или стабилизация замкнутой системы реализуется в терминах управления, напряжение EFC конденсатора 6 колеблется и отклоняется от нормы. Фактически, добавление резистора увеличивает размер устройства и вызывает увеличение потерь. Следовательно, необходим другой способ реализации устойчивости в терминах управления.

Вышеприведенное описание является количественным пояснением причины возникновения электрического колебания с резонансной частотой LC-фильтров модуля 200 главной схемы, показанного на фиг.1, и схемы, показанной на фиг.2.

Далее поясняется принцип подавления электрического колебания в качестве технической основы для конфигурации модуля 40 управления подавлением колебаний согласно этому варианту осуществления.

Как пояснено выше, нагрузка 80 при постоянной мощности схемы, показанной на фиг.2, имеет характеристику отрицательного сопротивления. Если эта нагрузка при постоянной мощности имеет характеристику положительного сопротивления, можно стабилизировать замкнутую систему. Следовательно, количественное пояснение, такое же, что и выше, выполняется с помощью схемы цепи, в которой нагрузка 80 с постоянной мощностью схемы, показанной на фиг.2, заменяется резистором.

Фиг.4 изображает принципиальную блок-схему, в которой нагрузка 80 с постоянной мощностью из схемы, показанной на фиг.2, заменена резистором 60. Как показано на фиг.4, когда нагрузка рассматривается со стороны LC-фильтра, резистор 60, имеющий величину R0 сопротивления, подключен.

Фиг.5 изображает блок-схему передаточной функции схемы, показанной на фиг.4. Согласно блок-схеме передаточной функции, показанной на фиг.5, передаточная функция Gp(s) замкнутой системы от входного напряжения ES до напряжения EFC конденсатора представляется следующей формулой (8):

(8)

Характеристическое уравнение передаточной функции Gp(s) замкнутой системы, представленной выражением (8), выражается следующей формулой (9):

(9)

Когда вычисляется условие для создания всех отрицательных решений характеристического уравнения, представленного формулой (9), значение активной составляющей R дросселя 5 равно R≥0, и это условие всегда удовлетворяется. Другими словами, видно, что, как показано на фиг.4, когда нагрузка, рассматриваемая со стороны LC-фильтра, включает в себя резистор 60, замкнутая система всегда устойчива.

Как пояснено выше, видно, что схема, в которой резистор 60 соединен с LC-фильтром, соединенным с источником 70 энергии постоянного тока, всегда устойчива. Схема управления, поясненная в этом варианте осуществления выполнена с учетом этого принципа. В частности, схема управления управляет схемой 10 переключения так, что нагрузка 80 с постоянной мощностью схемы, показанной на фиг.2, имеет характеристику, эквивалентную характеристике положительного сопротивления относительно составляющей колебания напряжения EFC конденсатора 6.

Следовательно, достигается условие управления для нагрузки 80 с постоянной мощностью схемы, показанной на фиг.2, чтобы получать характеристику, эквивалентную характеристике положительного сопротивления относительно электрического колебания напряжения EFC конденсатора 6, возникающего с резонансной частотой LC-фильтра.

На фиг.4, когда напряжение конденсатора 6 - это EFC, а электрический ток, протекающий к резистору 60, - это IDC, электрическая мощность PR в резисторе 60 представляется следующей формулой (10):

(10)

Когда напряжение EFC конденсатора 6 пульсирует и увеличивается в n раз по сравнению с первоначальным напряжением, электрический ток IDC, протекающий к резистору 60, также увеличивается в n раз по сравнению с первоначальным электрическим током. Следовательно, электрическая мощность PRn в резисторе 60 в этот момент представляется следующей формулой (11):

(11)

Другими словами, электрическая мощность PRn в резисторе 60 пропорциональна квадрату частоты изменения напряжения EFC конденсатора 6. Следовательно, нагрузка 80 с постоянной мощностью управляется так, что соотношение формулы (11) сохраняется. Это делает возможным работу нагрузки 80 с постоянной мощностью такой, что имеется характеристика положительного сопротивления относительно пульсации напряжения EFC конденсатора 6.

С другой стороны, на фиг.2, когда потерями схемы 10 переключения пренебрегают, выходная мощность схемы 10 переключения равна входной мощности PDC схемы 10 переключения. Следовательно, следующая формула (12) выполняется для тока ISL сглаживающего дросселя, протекающего в элемент 26 накопления энергии, и напряжения BFC на выводах элемента 26 накопления энергии:

(12)

Напряжение BFC на выводах элемента 26 накопления энергии является величиной, которая изменяется согласно накопленной энергии элемента 26 накопления энергии.

Чтобы нагрузка 80 с постоянной мощностью работала так, чтобы имелась характеристика положительного сопротивления относительно пульсации напряжения EFC конденсатора 6, электрическая мощность PDCn в момент, когда напряжение EFC конденсатора 6 увеличивается в n раз, должно удовлетворять только соотношению следующей формулы (13) тем же образом, что и электрическая мощность PRn, удовлетворяющая формуле (11):

(13)

Резонансная частота LC-фильтра обычно равна 10-20 Герц, что равно по времени 50-100 миллисекундам по периоду. С другой стороны, напряжение BFC на выводах элемента 26 накопления энергии может рассматриваться как фиксированное в единичном интервале времени, равном нескольким десяткам секунд. Другими словами, при рассмотрении электрического колебания с резонансной частотой LC-фильтра предполагается, что напряжение BFC на выводах элемента 26 накопления энергии фиксировано.

Следовательно, когда напряжение EFC конденсатора 6 увеличивается в n раз, если схема 10 переключения управляется, чтобы умножать ток ISL сглаживающего дросселя на n², входная мощность PDC схемы 10 переключения может изменяться пропорционально квадрату частоты изменения напряжения EFC конденсатора 6. Нагрузка 80 с постоянной мощностью схемы, показанной на фиг.2, имеет характеристику, эквивалентную характеристике положительного сопротивления относительно электрического колебания напряжения EFC конденсатора 6, возникающего с резонансной частотой LC-фильтра.

Следовательно, в модуле 300 управления, показанном на фиг.1, значение, полученное посредством возведения частоты пульсации напряжения EFC конденсатора 6 во вторую степень, объединяется с командным сигналом ISL* тока сглаживающего дросселя. Это делает возможным подавление электрического колебания напряжения EFC конденсатора 6, возникающего с резонансной частотой LC-фильтра, и стабилизацию напряжения EFC.

Конкретная конфигурация для осуществления способа управления, поясненного выше, поясняется со ссылками на фиг.1 и 6. Фиг.6 изображает диаграмму изменений в значениях состояния внутри модуля 40 управления подавлением колебаний и форм волн сигналов в первом варианте осуществления.

Сначала конфигурация модуля 40 управления подавлением колебаний поясняется со ссылкой на фиг.1. Модуль 40 управления подавлением колебаний включает в себя высокочастотный фильтр (далее в данном документе именуемый как "HPF") 41, низкочастотные фильтры (далее в данном документе именуемые как "LPF") 42 и 43, сумматор 44, делитель 45, вычитатель 46, переключатель 47, оператор 48 возведения в квадрат и ограничитель 49.

Напряжение EFC конденсатора 6 подается на модуль 40 управления подавлением колебаний и делится на две системы.

HPF 41 и LPF 43 соединены с одной системой последовательно. Составляющая EFCa резонансной частоты, полученная посредством исключения, с помощью HPF 41 и LPF 43, ненужной низкочастотной составляющей и ненужной высокочастотной составляющей, включающей в себя составляющую постоянного тока напряжения EFC конденсатора 6, и извлечения только частотной составляющей рядом с резонансной частотой LC-фильтра, выводится. Например, как показано на фиг.6, когда напряжение EFC конденсатора 6 колеблется от 1650 В до 1350 В с 1500 В в центре, EFCa является сигналом, который пульсирует синхронно с составляющей резонансной частоты EFC в диапазоне от +150 В до -150 В.

LPF 42 соединяется с другой системой. Составляющая постоянного тока EFCd, полученная посредством извлечения только составляющей постоянного тока из напряжения EFC 6 с помощью LPF 42, выводится.

HPF 41, LPF 42 и LPF 43 являются фильтрами первого порядка, включающими в себя элементы задержки первого порядка. Пояснение конфигурации HPF 41, LPF 42 и LPF 43 опускается, поскольку конфигурация широко известна. Само собой разумеется, что HPF 41, LPF 42 и LPF 43 могут включать в себя фильтры второго или более высокого порядка. Однако существует неудобство в том, что конфигурация фильтров становится сложной.

Действия HPF 41 и LPF 43 поясняются более подробно.

LPF 43 необходим для исключения высокочастотной составляющей, которая является помехой для системы управления, включенной в напряжение EFC конденсатора. Однако нижнее ограничение высокочастотной составляющей, которое желательно исключить, равно нескольким сотням Гц и близко к диапазону резонансной частоты (обычно около 10-20 Гц) LC-фильтра, который является целью управления подавлением колебаний. Следовательно, нежелательно исключать высокочастотную составляющую с помощью только LPF 43, поскольку это вызывает задержку по фазе составляющей резонансной частоты LC-фильтра. Следовательно, HPF 41 добавляется последовательно и объединяется с LPF 43, чтобы компенсировать задержку по фазе диапазона резонансной частоты LC-фильтра, в то же время обеспечивая характеристику исключения высокочастотной составляющей такой же, что и была получена при независимом использовании LPF 43. Относительно характеристик HPF 41 и LPF 43, желательно регулировать частоту с помощью коэффициента, равного 1, до резонансной частоты (10-20 Гц) LC-фильтра.

Сумматор 44 добавляет составляющую постоянного тока EFCd к составляющей EFCa колебания диапазона резонансных частот LC-фильтра, вычисленной, как пояснено выше, и выводит EFCad.

Делитель 45 делит EFCad на составляющую постоянного тока EFCd, чтобы, таким образом, вычислять частоту пульсации составляющей колебания диапазона резонансных частот LC-фильтра, включенной в напряжение EFC конденсатора 6 (далее в данном документе просто именуемую "частотой пульсации") EFCfp.

Частота EFCfp пульсации делится на две системы. Одна система непосредственно выводится на переключатель 47, а другая система выводится на вычитатель 46. Вычитатель 46 вычитает частоту EFCfp пульсации из предварительно определенного значения (в примере этого варианта осуществления, значения "2") и выводит EFCfn, полученный инвертированием фазы составляющей колебания частоты RFCfp пульсации, на переключатель 47.

Когда поток энергии проходит в направлении со стороны контактного провода 1 в сторону элемента 26 накопления энергии, выбирается контакт на верхней стороне (стороне заряда) переключателя 47, и частота EFCfp пульсации вводится в оператор 48 возведения в квадрат.

С другой стороны, когда поток энергии проходит в направлении со стороны элемента 26 накопления энергии в сторону контактного провода 1, выбирается контакт на нижней стороне (стороне разряда) переключателя 47, и частота EFCfn пульсации вводится в оператор 48 возведения в квадрат.

Когда поток энергии проходит в направлении от элемента 26 накопления энергии к контактному проводу 1 (от выходной стороны к входной стороне), используется EFCfn, поскольку направление потока энергии противоположно направлению от контактного провода 1 к элементу 26 накопления энергии (от входной стороны к выходной стороне). В таком случае необходима работа в направлении уменьшения величины электрической энергии, если напряжение EFC конденсатора 6 увеличивается, и увеличения величины электрической энергии, если напряжение EFC конденсатора 6 уменьшается. Следовательно, необходима EFCfn, полученная инвертированием фазы EFCfp.

Оператор 48 возведения в квадрат возводит EFCfp или EFCfn во вторую степень и выводит EFCfp или EFCfn к ограничителю 49. Ограничитель 49 выводит, после ограничения верхнего предела и нижнего предела сигнала, выведенного из оператора 48 возведения в квадрат до произвольных значений по необходимости, сигнал умножителю 34 в качестве степени DAMPCN подавления колебаний. Другими словами, когда желательно ограничить величину кратковременной пульсации тока ISL сглаживающего дросселя, задействованного, например, в управлении подавлением колебаний, ограничитель 49 должен только устанавливать верхнее ограничение и нижнее ограничение для ограничения амплитуды.

Наконец, умножитель 34 объединяет степень DAMPCN подавления колебаний с командным сигналом ISL* тока сглаживающего дросселя и формирует командный сигнал ISL* тока сглаживающего дросселя.

Управление током сглаживающего дросселя выполняется согласно командному сигналу ISL** тока сглаживающего дросселя, полученному, как пояснено выше. Это делает возможным подавление колебания напряжения EFC конденсатора 6 и обеспечение устойчивой работы преобразователя 100 постоянного тока.

Как пояснено выше, преобразователь постоянного тока согласно первому варианту осуществления включает в себя модуль управления подавлением колебаний, который автоматически вычисляет, без регулировки коэффициента усиления и т.п., оптимальную степень подавления колебаний для подавления электрического колебания, возникающего в схеме входного фильтра. Преобразователь постоянного тока управляет схемой переключения на основе полученной степени подавления колебаний. Это делает возможным пресечение электрического колебания, возникающего в схеме входного LC-фильтра, и выполнение устойчивой работы преобразователя постоянного тока, функционирующего в качестве источника управляющего тока.

Преобразователь постоянного тока формирует командный сигнал тока сглаживающего дросселя, включающий в себя степень подавления колебаний, и управляет схемой переключения на основе полученного командного сигнала тока сглаживающего дросселя. Следовательно, электрический ток, протекающий к сглаживающему дросселю, оптимально управляется, чтобы подавлять электрическое колебание схемы входного фильтра, и возможно обеспечить устойчивую работу.

В конфигурации модуля управления подавлением колебаний частота пульсаций напряжения входного конденсатора вычисляется посредством деления напряжения входного конденсатора на составляющую постоянного тока входного конденсатора. Это делает возможным выполнение управления, соответствующего частоте пульсаций напряжения входного конденсатора.

В конфигурации модуля управления подавлением колебаний диапазоны, равные или выше, чем частота рядом с резонансной частотой LC-фильтра, разрешено пропускать посредством высокочастотного фильтра, а диапазоны, равные или меньше, чем частота рядом с резонансной частотой LC-фильтра, разрешено пропускать посредством низкочастотного фильтра. Это делает возможным отсечение ненужной высокочастотной составляющей, которая является помехой для системы управления, без возникновения задержки по фазе рядом с резонансной частотой LC-фильтра.

В конфигурации модуля управления подавлением колебаний частота пульсаций напряжения входного конденсатора возводится во вторую степень, чтобы вычислять степень подавления колебаний. Это делает возможным выполнение управления током сглаживающего дросселя, соответствующего уровню электрического колебания напряжения входного конденсатора.

В конфигурации модуля управления подавлением колебаний верхнее ограничение и нижнее ограничение степени подавления колебаний ограничиваются на заключительном этапе. Это делает возможным ограничение степени кратковременной пульсации тока сглаживающего дросселя, задействованного, например, в управлении подавлением колебаний.

Дополнительно, постоянная элемента схемы преобразователя постоянного тока не используется для вычисления степени DAMPCN подавления колебаний. Следовательно, также полезно то, что, даже когда постоянная элемента схемы изменяется, регулировка системы управления не нужна.

Второй вариант осуществления

В первом варианте осуществления в преобразователе постоянного тока, сконфигурированном для функционирования в качестве источника управляющего тока, который управляет током ISL сглаживающего дросселя, протекающим в элемент накопления энергии, чтобы тот был предварительно определенной величины, конфигурируется система управления, которая подавляет электрическое колебание, возникающее с резонансной частотой LC-фильтра, и допускает устойчивую работу. Однако во втором варианте осуществления в преобразователе постоянного тока, сконфигурированном, чтобы заменять элемент накопления энергии нагрузкой и работать в качестве источника управляющего напряжения, который управляет напряжением нагрузки, чтобы оно было предварительно определенной величины, конфигурируется система управления, которая подавляет электрическое колебание, возникающее с резонансной частотой LC-фильтра, и обеспечивает устойчивую работу.

Фиг.7 изображает схему примера конфигурации преобразователя постоянного тока во втором варианте осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.7, преобразователь 100a постоянного тока во втором варианте осуществления включает в себя модуль 200a главной схемы и модуль 300a управления, который управляет потоком энергии в модуле 200a главной схемы. Составляющие, такие же или эквивалентные составляющим в первом варианте осуществления, обозначены такими же ссылочными номерами и знаками, и детальное пояснение оставляющих опускается.

В модуле 200a главной схемы элемент 26 накопления энергии в первом варианте осуществления заменяется нагрузкой 24, и сглаживающий конденсатор 22, объединенный со сглаживающим дросселем 20 для конфигурирования схемы 27a сглаживающего фильтра, и датчик 25 тока, который определяет электрический ток, протекающий к нагрузке 24, предусматриваются в пост-каскаде датчика 21 тока со стороны нагрузки 24 схемы 10 переключения. Напряжение нагрузки 24 сглаживается сглаживающим фильтром, включающим в себя сглаживающий дроссель 20 и сглаживающий конденсатор 22.

Модуль 50a формирования управляющего сигнала включает в себя, в дополнение к компонентам первого варианта осуществления, вычитатель 31, контроллер 32 напряжения и сумматор 33 на предварительном каскаде умножителя 34.

Командный сигнал BFC* напряжения сглаживающего конденсатора в качестве значения командного сигнала напряжения сглаживающего конденсатора 22 вводится в модуль 50a формирования управляющего сигнала из главной системы управления (не показана). Другими словами, преобразователь 100a постоянного тока во втором варианте осуществления работает как источник управляющего напряжения, который управляет напряжением нагрузки 24, чтобы оно было предварительно определенного значения согласно командному сигналу BFC* напряжения сглаживающего конденсатора, выводимому из главной системы управления.

Вычитатель 31 вычитает напряжение BFC сглаживающего конденсатора 22 из BFC* и выводит BFC*. Контроллер 32 напряжения вводит выходной сигнал вычитателя 31 и выполняет пропорциональное интегральное управление. В качестве системы управления контроллера 32 напряжения подходит пропорциональное интегральное управление или пропорциональное управление. Поскольку контроллер 32 напряжения может быть сконфигурирован посредством широко известной технологии, независимо от того, какая из систем управления применяется, пояснение системы управления здесь опускается.

Сумматор 33 складывает выходной сигнал контроллера 32 напряжения и ток ILD нагрузки и выводит сложенные выходной сигнал и ток ILD нагрузки в умножитель 34 в качестве командного сигнала ISL* тока сглаживающего дросселя.

Умножитель 34 объединяет степень DAMPCN подавления колебаний с командным сигналом ISL* тока сглаживающего дросселя, выведенного из сумматора 33, и формирует командный сигнал ISL** тока сглаживающего дросселя.

Управление током сглаживающего дросселя выполняется согласно командному сигналу ISL** тока сглаживающего дросселя, полученному, как пояснено выше. Следовательно, колебание напряжения EFC конденсатора 6 подавляется, и возможно обеспечить устойчивую работу преобразователя 100a постоянного тока.

Даже когда преобразователь постоянного тока сконфигурирован, как показано на фиг.8, возможно выполнять управление так же, как управление выполняется посредством конфигурации, показанной на фиг.7. Фиг.8 изображает схему другого примера конфигурации преобразователя постоянного тока во втором варианте осуществления настоящего изобретения.

Как показано на фиг.8, конфигурация модуля 200a главной схемы в преобразователе 100b постоянного тока является такой же, что и показанная на фиг.7. Модуль 50b формирования управляющего сигнала модуля 300b управления добавляется к умножителю 30 на предварительном каскаде вычитателя 31 вместо умножителя 34 на пост-каскаде сумматора 33, показанного на фиг.7, и конфигурируется, чтобы умножать значение BFC* командного сигнала напряжения сглаживающего конденсатора 22 и степень DAMPCN подавления колебаний, формировать командный сигнал BFC** напряжения сглаживающего конденсатора и складывать командный сигнал BFC** напряжения сглаживающего конденсатора с током ILD нагрузки с помощью сумматора 33, чтобы, таким образом, формировать командный сигнал ISL** тока сглаживающего дросселя. Компоненты, отличные от поясненных выше, являются такими же, что и компоненты, показанные на фиг.7. Как и на фиг.7, существует эффект того, что колебание напряжения EFC конденсатора 6 подавляется, и возможно обеспечить устойчивую работу преобразователя 100b постоянного тока.

В конфигурациях, показанных на фиг.7 и 8, командный сигнал ISL** тока сглаживающего дросселя формируется с помощью тока ILD нагрузки, протекающего к нагрузке 24. Это делает возможным подавление пульсаций напряжения BFC сглаживающего конденсатора 22.

Как пояснено выше, преобразователь постоянного тока согласно второму варианту осуществления включает в себя модуль управления подавлением колебаний, который автоматически вычисляет, без регулировки коэффициента усиления и т.п., оптимальную степень подавления колебаний для подавления электрического колебания, возникающего в схеме входного фильтра. Преобразователь постоянного тока формирует командный сигнал тока сглаживающего дросселя, включающий в себя степень подавления колебаний, и управляет схемой переключения на основе полученного командного сигнала тока сглаживающего дросселя. Это делает возможным подавление электрического колебания, возникающего в схеме входного LC-фильтра и обеспечение устойчивой работы преобразователя постоянного тока, функционирующего в качестве источника управляющего напряжения.

Постоянная элемента схемы преобразователя постоянного тока не используется для вычисления степени DAMPCN подавления колебаний. Следовательно, также полезно то, что, даже когда постоянная элемента схемы изменяется, регулировка системы управления не нужна.

Конфигурации, поясненные в первом и втором вариантах осуществления, являются примерами конфигурации настоящего изобретения. Само собой разумеется, что конфигурации могут быть объединены с другой широко известной технологией или могут быть изменены таким образом, например, что часть конфигураций опускается без отступления от духа настоящего изобретения.

Дополнительно в вариантах осуществления пояснение содержимого изобретения выполняется с предположением того, что преобразователь постоянного тока должен применяться к области электрифицированной железной дороги, установленной в качестве цели. Однако область применения не ограничивается этим. Само собой разумеется, что преобразователь постоянного тока может быть применен в различных промышленных областях применения.

Промышленная применимость

Как пояснено выше, преобразователь постоянного тока согласно настоящему изобретению используется в качестве изобретения, которое подавляет электрическое колебание, возникающее в схеме входного фильтра, и обеспечивает устойчивую работу.

Описание ссылочных позиций

1 Контактный провод

2 Токосниматель

3 Колесо

4 Рельс

5 Дроссель

6 Конденсатор

7 Датчик напряжения

8 Схема входного фильтра

10 Схема переключения

11 Переключающий элемент верхнего плеча

12 Переключающий элемент нижнего плеча

20 Сглаживающий дроссель

21 Датчик тока

22 Сглаживающий конденсатор

23 Датчик напряжения

24 Нагрузка

25 Датчик тока

26 Элемент накопления энергии

27, 27a Схемы сглаживающих фильтров

30 Умножитель

31 Вычитатель

32 Контроллер напряжения

33 Сумматор

34 Умножитель

35 Вычитатель

36 Контроллер тока

37 Схема модуляции

40 Модуль управления подавлением колебаний

41 HPF (высокочастотный фильтр)

42, 43 LPF (низкочастотные фильтры)

44 Сумматор

45 Делитель

46 Вычитатель

47 Переключатель

48 Оператор возведения в квадрат

49 Ограничитель

50, 50a Модули формирования управляющего сигнала

60 Резистор

70 Источник энергии постоянного тока

80 Нагрузка при постоянной мощности

100, 100a, 100b преобразователи постоянного тока

200, 200a Модули главной схемы

300, 300a, 300b Модули управления

Преобразователь постоянного тока включает в себя схему (10) переключения, к входу которой подключена схема входного фильтра, схему (27) сглаживающего фильтра, соединенную с выходом схемы (10) переключения и включающую в себя дроссель (5) и конденсатор (6), и модуль (300) управления, который возвращает значение состояния схемы (27) сглаживающего фильтра и управляет включением и выключением схемы (10) переключения. Модуль (300) управления включает в себя модуль (40) управления подавлением колебаний, который вычисляет на основе напряжения конденсатора (6) степень подавления колебаний для регулирования значения состояния схемы (27) сглаживающего фильтра. Технический результат - повышение устойчивости работы. 17 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Преобразователь постоянного тока, имеющий схему (8) входного фильтра, включающую в себя входной дроссель (5), соединенный с источником (70) энергии постоянного тока, и входной конденсатор (6), и преобразующий напряжение постоянного тока входного конденсатора в произвольное напряжение постоянного тока для вывода напряжения постоянного тока, причем преобразователь постоянного тока содержит:
схему (10) переключения, к входу которой подключена схема (8) входного фильтра, причем схема переключения включает в себя переключающий элемент (11) верхнего плеча и переключающий элемент (12) нижнего плеча; схему (27, 27а) сглаживающего фильтра, подключенную к выходу схемы переключения (10); и модуль (300, 300а) управления, который возвращает значение состояния схемы (27, 27а) сглаживающего фильтра и управляет включением и выключением схемы (10) переключения, при этом модуль (300, 300а) управления включает в себя модуль (40) управления подавлением колебаний, который вычисляет, на основе напряжения входного конденсатора, степень (DAMPCN) подавления колебаний для регулировки значения состояния схемы (27, 27а) сглаживающего фильтра.

2. Преобразователь постоянного тока по п.1, в котором, когда преобразователь постоянного тока имеет сглаживающий дроссель (20), один конец которого подключен к выходу схемы (10) переключения, в качестве схемы (27, 27а) сглаживающего фильтра, значением состояния схемы сглаживающего фильтра является электрический ток, протекающий к сглаживающему дросселю (20).

3. Преобразователь постоянного тока по п.2, в котором модуль (300, 300а) управления формирует командный сигнал (ISC*) тока сглаживающего дросселя, отражающий степень (DAMPCN) подавления колебаний, и управляет включением и выключением схемы (10) переключения на основе командного сигнала тока сглаживающего дросселя.

4. Преобразователь постоянного тока по п.2, в котором модуль (40) управления подавлением колебаний делит напряжение входного конденсатора (6) на составляющую постоянного тока напряжения входного конденсатора, чтобы, таким образом, вычислять частоту (EFCfp) пульсаций напряжения (EFC) входного конденсатора и вычислять степень (DAMPCN) подавления колебаний, соответствующую частоте пульсаций.

5. Преобразователь постоянного тока по п.2, в котором модуль (40) управления подавлением колебаний делит суммированный сигнал (EFcad) из сигнала (EFca), полученного посредством исключения ненужной высокочастотной составляющей, включенной в напряжение входного конденсатора, из напряжения (EFC) входного конденсатора, и составляющую постоянного тока (EFcd) напряжения входного конденсатора на составляющую постоянного тока, чтобы, таким образом, вычислять частоту (EFCfp) пульсаций напряжения входного конденсатора и вычислять степень (DAMPCN) подавления колебаний, соответствующую частоте пульсаций.

6. Преобразователь постоянного тока по п.2, в котором степень подавления колебаний вычисляется посредством возведения частоты (EFCfp) пульсаций напряжения входного конденсатора во вторую степень.

7. Преобразователь постоянного тока по п.2, в котором,
когда поток энергии проходит в направлении со стороны ввода в сторону вывода схемы (10) переключения, модуль (40) управления подавлением колебаний вычисляет, в качестве степени подавления колебаний, сигнал, получаемый посредством возведения частоты пульсаций напряжения входного конденсатора во вторую степень, и,
когда поток энергии проходит в направлении со стороны вывода в сторону ввода схемы (10) переключения, модуль (40) управления подавлением колебаний вычисляет, в качестве степени подавления колебаний, сигнал, получаемый посредством инвертирования фазы сигнала, полученного посредством возведения частоты пульсаций напряжения входного конденсатора во вторую степень.

8. Преобразователь постоянного тока по любому из пп.3-7, в котором модуль (40) управления подавлением колебаний ограничивает верхний и нижний пределы степени подавления колебаний с помощью ограничителя (49) и выводит степень подавления колебаний.

9. Преобразователь постоянного тока по п.1, в котором, когда преобразователь постоянного тока имеет, в качестве схемы (27, 27а) сглаживающего фильтра, сглаживающий дроссель (20), один конец которого подключен к выводу схемы (10) переключения, и сглаживающий конденсатор (22), соединенный с другим концом сглаживающего дросселя, значением состояния схемы (27, 27а) сглаживающего фильтра является электрический ток сглаживающего дросселя или напряжение сглаживающего конденсатора.

10. Преобразователь постоянного тока по п.9, в котором модуль (300, 300а) управления формирует командный сигнал (ISC*) тока сглаживающего дросселя, отражающий степень (DAMPCN) подавления колебаний, и управляет включением и выключением схемы (10) переключения на основе командного сигнала тока сглаживающего дросселя.

11. Преобразователь постоянного тока по п.9, в котором модуль (300, 300а) управления формирует командный сигнал (BFC*) напряжения сглаживающего конденсатора, отражающий степень подавления колебаний, формирует командный сигнал (ISC*) тока сглаживающего дросселя на основе командного сигнала (BFC*) напряжения сглаживающего конденсатора и управляет включением и выключением схемы переключения на основе командного сигнала (ISC*) тока сглаживающего дросселя.

12. Преобразователь постоянного тока по п.9, в котором модуль (40) управления подавлением колебаний делит напряжение входного конденсатора (6) на составляющую постоянного тока напряжения входного конденсатора, чтобы, таким образом, вычислять частоту (EFCfp) пульсаций напряжения (EFC) входного конденсатора и вычислять степень (DAMPCN) подавления колебаний, соответствующую частоте пульсаций.

13. Преобразователь постоянного тока по п.9, в котором модуль (40) управления подавлением колебаний делит суммированный сигнал (EFcad) из сигнала (EFca), полученного посредством исключения ненужной высокочастотной составляющей, включенной в напряжение входного конденсатора, из напряжения (EFC) входного конденсатора, и составляющую постоянного тока (EFcd) напряжения входного конденсатора на составляющую постоянного тока, чтобы, таким образом, вычислять частоту (EFCfp) пульсаций напряжения входного конденсатора и вычислять степень (DAMPCN) подавления колебаний, соответствующую частоте пульсаций.

14. Преобразователь постоянного тока по п.9, в котором степень подавления колебаний вычисляется посредством возведения частоты (EFCfp) пульсаций напряжения входного конденсатора во вторую степень.

15. Преобразователь постоянного тока по п.9, в котором,
когда поток энергии проходит в направлении со стороны ввода в сторону вывода схемы (10) переключения, модуль (40) управления подавлением колебаний вычисляет, в качестве степени подавления, сигнал, получаемый посредством возведения частоты пульсаций напряжения входного конденсатора во вторую степень, и,
когда поток энергии проходит в направлении со стороны вывода в сторону ввода схемы (10) переключения, модуль (40) управления подавлением колебаний вычисляет, в качестве степени подавления колебаний, сигнал, получаемый посредством инвертирования фазы сигнала, полученного посредством возведения частоты пульсаций напряжения входного конденсатора во вторую степень.

16. Преобразователь постоянного тока по любому из пп.10-15, в котором модуль (40) управления подавлением колебаний ограничивает верхний и нижний пределы степени подавления колебаний с помощью ограничителя (49) и выводит степень подавления колебаний.

17. Преобразователь постоянного тока по любому из пп.9-15, дополнительно содержащий модуль детектирования электрического тока, который детектирует ток нагрузки, протекающий к нагрузке, соединенной со сглаживающим конденсатором, и командный сигнал (ISC*) тока сглаживающего дросселя вычисляется с учетом тока нагрузки.

18. Преобразователь постоянного тока по п.16, дополнительно содержащий модуль детектирования электрического тока, который детектирует ток нагрузки, протекающий к нагрузке, соединенной со сглаживающим конденсатором, и командный сигнал (ISC*) тока сглаживающего дросселя вычисляется с учетом тока нагрузки.