ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА Российский патент 2013 года по МПК B60L7/14 

Область техники

Настоящее изобретение относится к преобразователю электрической энергии, установленному для выполнения управления поступательным движением электрического железнодорожного подвижного состава.

Предшествующий уровень техники

Как правило, электрический железнодорожный подвижной состав имеет конструкцию, чтобы принимать электрическую энергию от контактной сети с помощью токосъемника и использовать принятую энергию и вызывать приведение в действие электродвигателя с помощью преобразователя электрической энергии, такого как устройство инвертора. Во время применения тормоза вагона подвижного состава, применяется так называемое рекуперативное торможение, в котором тормозное усилие получается посредством рекуперативного действия электродвигателя. Рекуперативная электрическая энергия, сгенерированная в это время, подается, через контактную сеть, третий рельс или т.п., другим движущимся от электрической энергии транспортным средствам или нагрузкам движущихся от электрической энергии транспортных средств, которые находятся поблизости от рассматриваемого электрического железнодорожного подвижного состава, и потребляется ими.

Однако в ранние утренние часы, в течение ночи или на спокойном участке железной дороги, по которому движется мало поездов, случается ситуация, когда поблизости от рассматриваемого электрического железнодорожного подвижного состава отсутствует другое транспортное средство (рекуперативная нагрузка недостаточна), что приводит к ситуации, когда рекуперативная электрическая энергия, сгенерированная посредством рекуперативного торможения, потребляется в недостаточной степени. Если рекуперативная электрическая энергия в рассматриваемом электрическом железнодорожном подвижном составе превышает электрическую энергию, потребляемую в других транспортных средствах, тогда напряжение контактной сети повышается. Это может приводить к тому, что различные устройства, подключенные к контактной сети, автоматически выключаются или выходят из строя вследствие перенапряжения.

В этом отношении, устройство инвертора, которое установлено в электрическом железнодорожном подвижном составе, включает в себя датчик напряжения для детектирования напряжения контактной сети или т.п. (напряжения контактного провода или, например, напряжения конденсатора фильтра на входной стороне устройства инвертора, сопоставимого с контактной сетью). Когда напряжение контактной сети или т.п. увеличивается выше предварительно определенного значения, устройство инвертора выполняет управление для уменьшения рекуперативного крутящего момента, в котором рекуперативное тормозное усилие управляется для ограничения генерирования рекуперативной электрической энергии и гарантирования того, что напряжение контактной сети или т.п. не увеличится до указанного значения или больше.

Здесь, в случае, когда указанное входное напряжение устройства инвертора, функционирующего как второй блок преобразования электрической энергии, ниже, чем напряжение контактной сети (например, указание 600 В), предполагается конфигурирование главной цепи, в которой устройство преобразователя, функционирующее как первый блок преобразования электрической энергии, подключается к входной стороне устройства инвертора и используется для подачи напряжения устройству инвертора с выполнением управления пошаговым понижением напряжения или управления неизменным напряжением контактной сети.

Например, для системы, имеющей номинальное значение напряжения контактной сети в 1500 В постоянного тока, известна конфигурация, в которой устройство преобразователя пошагово понижает свое выходное напряжение приблизительно до 600 В постоянного тока и выполняет управление неизменным напряжением перед подведением этого напряжения к устройству инвертора (например, патентный документ 1, Японская выложенная патентная заявка № 2002-252902).

В системе, имеющей такую конфигурацию главной цепи, даже когда рекуперативная нагрузка недостаточна, что приводит, таким образом, к увеличению напряжения в контактной сети, управление неизменным напряжением выполняется так, чтобы поддерживать выходное напряжение устройства преобразователя на уровне неизменного напряжения. Таким образом, входное напряжение устройства инвертора не изменяется, и управление уменьшением рекуперативного крутящего момента не инициируется. По этой причине, рекуперативная электрическая энергия становится избыточной, что приводит, таким образом, к возрастанию входного напряжения устройства преобразователя и приводит в результате к перенапряжению на входе устройства преобразователя. Таким образом, устройство преобразователя может детектировать перенапряжение и автоматически выключаться, и/или устройства, подключенные к контактной сети, могут быть повреждены.

Краткое изложение существа изобретения

В системе, раскрытой в патентном документе 1, не раскрыт способ управления уменьшением рекуперативного крутящего момента, в котором входное напряжение устройства инвертора соответствует напряжению контактной сети, и который предназначен для ситуации, когда напряжение контактной сети пошагово понижается устройством преобразователя, чтобы вводить результат в устройство инвертора.

Настоящее изобретение было выполнено, с учетом вышеупомянутых проблем. Задачей настоящего изобретения является предоставление преобразователя электрической энергии для электрического железнодорожного подвижного состава, который делает возможным выполнение подходящего управления уменьшением рекуперативного крутящего момента в случае, когда сконфигурирована главная цепь, в которой устройство преобразователя, функционирующее в качестве первого блока преобразования электрической энергии, подключается к входной стороне устройства инвертора и используется для подачи напряжения устройству инвертора с выполнением управления пошаговым понижением напряжения или управления неизменным напряжением контактной сети.

Для того, чтобы разрешить вышеупомянутые проблемы и решить задачу, настоящее изобретение предоставляет преобразователь электрической энергии электрического железнодорожного подвижного состава, содержащий: первый блок преобразования электрической энергии, который принимает напряжение постоянного тока и выводит напряжение постоянного тока, управляемое до предварительно определенного значения; и второй блок преобразования электрической энергии, который подключен к выходной стороне первого блока преобразования электрической энергии и приводит в действие электродвигатель, при этом первый блок преобразования электрической энергии включает в себя первый блок управления, который, на основе своего входного напряжения, генерирует управляющую команду для управления состоянием выходного напряжения первого блока преобразования электрической энергии.

Согласно настоящему изобретению, становится возможным выполнять подходящее управление уменьшением рекуперативного крутящего момента в случае, когда сконфигурирована главная цепь, в которой устройство преобразователя, функционирующее в качестве первого блока преобразования электрической энергии, подключено к входной стороне устройства инвертора и используется для подачи напряжения устройству инвертора с выполнением управления пошаговым понижением напряжения или управления неизменным напряжением контактной сети.

Краткое описание чертежей

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

фиг. 1 изображает схему, иллюстрирующую пример конфигурации преобразователя электрической энергии электрического железнодорожного подвижного состава согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 2 изображает схему, иллюстрирующую пример конфигурации блока управления преобразователя согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 3 изображает схему, иллюстрирующую пример конфигурации блока управления инвертора согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 4 изображает схему, иллюстрирующую пример конфигурации преобразователя электрической энергии электрического железнодорожного подвижного состава согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 5 изображает схему, иллюстрирующую пример конфигурации блока управления инвертора согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Варианты осуществления преобразователя электрической энергии электрического железнодорожного подвижного состава согласно настоящему изобретению описываются ниже подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи. Отметим, что настоящее изобретение не ограничивается вариантами осуществления.

Первый вариант осуществления

Фиг. 1 изображает схему конфигурации преобразователя электрической энергии электрического железнодорожного подвижного состава согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Электрическая энергия от трансформаторной подстанции (не показана) вводится в блок 10 преобразователя, который функционирует в качестве первого блока преобразования электрической энергии, через токосъемник 2 из контактной сети 1. Обратный ток от блока 10 преобразователя соединяется с рельсом 4 через колесо 3 и протекает обратно к отрицательному выводу трансформаторной подстанции (не изображена).

Блок 10 преобразователя включает в себя входной фильтр, имеющий дроссель 11 и конденсатор 12, схему 13 преобразователя, подключенную последовательно к входному фильтру, и блок 14 управления преобразователя, функционирующий в качестве первого блока управления. В качестве схемы 13 преобразователя подходит двухсторонняя схема прерывателя с пошаговым повышением/понижением. Поскольку конфигурация двухсторонней схемы прерывателя с пошаговым повышением/понижением широко известна, ее объяснение опущено. Более того, в целом, схема 13 преобразователя включает в себя схему выходного фильтра, состоящую из дросселя и конденсатора с целью сглаживания выходного напряжения или тока схемы 13 преобразователя.

В блок 14 управления преобразователя вводятся входное напряжение ESD блока 10 преобразователя, напряжение EFCD конденсатора 12 и выходное напряжение BES схемы 13 преобразователя. Блок 14 управления преобразователя выводит управляющий сигнал GD, предназначенный для переключающего элемента внутри схемы 13 преобразователя.

Блок 14 управления преобразователя выполняет управление так, что выходное напряжение BES схемы 13 преобразователя имеет предварительно определенное значение. Подробности описаны ниже.

К выходу блока 10 преобразователя подключается блок 30 инвертора, который функционирует в качестве второго блока преобразования электрической энергии. Блок 30 инвертора включает в себя входной фильтр, имеющий дроссель 31 и конденсатор 32, схему 33 инвертора, подключенную последовательно к входному фильтру, и блок 34a управления инвертора, функционирующий в качестве второго блока управления. В качестве схемы 33 инвертора подходит схема PWM-инвертора (ШИМ-инвертора) напряжения. Поскольку конфигурация схемы ШИМ-инвертора напряжения широко известна, ее объяснение опущено.

В блок 34a управления инвертора вводятся входное напряжение ESD блока 30 инвертора, напряжение EFC конденсатора 32 и выходной ток IM схемы 33 инвертора. Блок 34a управления инвертора выводит управляющий сигнал GI, предназначенный для переключающего элемента внутри схемы 33 инвертора.

Блок 34a управления инвертора управляет выходным током и выходным напряжением схемы 33 инвертора таким образом, что электродвигатель 40 (описан ниже), генерирует крутящий момент согласно команде крутящего момента. Подробности описаны ниже.

Ниже объясняется конфигурация блока 14 управления преобразователя. Фиг. 2 изображает схему, иллюстрирующую пример конфигурации блока 14 управления преобразователя согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. В блок 14 управления преобразователя вводится напряжение EFCD конденсатора или входное напряжение ESD. Блок 14 управления преобразователя включает в себя блок 14 обработки команды напряжения, который генерирует команду VREF выходного напряжения, которая является управляющей командой для управления состоянием выходного напряжения первого блока преобразования электрической энергии, и блок 16 управления напряжением, который выполняет управление напряжением на основе команды VREF выходного напряжения таким образом, что выходное напряжение BES блока 10 преобразователя соответствует команде VREF выходного напряжения.

Например, в области, в которой напряжение EFCD конденсатора равно или меньше 1750 В, блок 15 обработки команды напряжения задает команду VREF выходного напряжения в 600 В, что представляет нормальное значение, а также представляет первое заданное значение.

Когда напряжение EFCD конденсатора превышает 1750 В, например, блок 15 обработки команды напряжения повышает команду VREF выходного напряжения с 600 В, а когда напряжение EFCD конденсатора становится 1800 В, блок 15 обработки команды напряжения повышает команду VREF выходного напряжения до 700 В, что представляет второе заданное значение.

Здесь, все значения являются примерными и не являются какими-либо ограничениями. Предпочтительно, при условии, что команда VREF выходного напряжения увеличивается в ответ на повышение напряжения EFCD конденсатора или входного напряжения ESD выше предварительно определенного значения, может быть реализована любая конфигурация.

Ниже объясняется конфигурация блока 34a управления инвертора. Фиг. 3 изображает схему, иллюстрирующую пример конфигурации блока 34a управления инвертора согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. В блок 34a управления инвертора вводится напряжение EFC конденсатора или входное напряжение ES блока 30 инвертора. Блок 34a управления инвертора включает в себя: блок 35a вычисления величины уменьшения рекуперативного крутящего момента, который генерирует величину VDT уменьшения крутящего момента на основе напряжения EFC конденсатора или входного напряжения ES; вычитатель 36, который выводит команду PTR крутящего момента, вычитая величину VDT уменьшения крутящего момента из требуемого крутящего момента PTRS, который является требуемым значением крутящего момента рекуперативного торможения, сгенерированным во внешнем блоке управления (не изображен); и блок 37 управления крутящим моментом, который выполняет управления крутящим моментом на основе команды PTR крутящего момента таким образом, что электродвигатель 40 генерирует рекуперативный крутящий момент согласно команде PTR крутящего момента.

Например, в области, в которой напряжение EFC конденсатора или входное напряжение ES равно или меньше 650 В, блок 35a вычисления величины уменьшения рекуперативного крутящего момента задает величину VDT уменьшения крутящего момента равной нулю. В этом случае условие "требуемый крутящий момент PTRS = команде PTR крутящего момента" выполняется.

В области, в которой напряжение EFC конденсатора или входное напряжение ES больше 650 В, например, блок 35a вычисления величины уменьшения рекуперативного крутящего момента повышает величину VDT уменьшения крутящего момента, и в момент времени, когда напряжение EFC конденсатора или входное напряжение ES становится равным 700 В, блок 35a вычисления величины уменьшения рекуперативного крутящего момента повышает величину VDT уменьшения крутящего момента до тех пор, пока она не станет равной требуемому крутящему моменту PTRS, и затем задает команду PTR крутящего момента равной нулю. Здесь, все значения являются примерными и не являются полученными посредством какого-либо ограничения. Предпочтительно, при условии, что величина VDT уменьшения крутящего момента возрастает в ответ на повышение напряжения EFC конденсатора или входного напряжения ES выше предварительно определенного значения, может быть реализована любая конфигурация.

Ниже дается объяснение операций в случае, когда электрический железнодорожный подвижной состав применяет рекуперативный тормоз, т.е. когда блок 30 инвертора выполняет рекуперативную работу электродвигателя 40. В это время рекуперативная электрическая энергия от электродвигателя 40 вводится в блок 10 преобразователя через блок 30 инвертора. Блок 10 преобразователя поддерживает выходное напряжение BES на неизменном, предварительно определенном значении, в то же время он пропускает электрическую энергию со своей выходной стороны на свою входную сторону, и возвращает рекуперативную электрическую энергию в контактную сеть 1.

В это время, например, если возникает ситуация, когда другое транспортное средство в контактной сети 1, которое ускорялось, прекращает свое ускорение, приводя, таким образом, к уменьшению потребляемой рекуперативной электрической энергии (далее в данном документе представленное как рекуперативная нагрузка) до такой степени, что рекуперативная нагрузка падает ниже рекуперативной электрической энергии электродвигателя 40, тогда входное напряжение ESD или напряжение EFCD конденсатора блока 10 преобразователя возрастает. Если это состояние остается как есть, тогда входное напряжение ESD или напряжение EFCD конденсатора возрастает, так что блок 10 преобразователя детектирует перенапряжение и автоматически выключается, и устройства, подключенные к контактной сети, повреждаются.

Как правило, на электрической железной дороге, для которой контактная сеть 1 имеет номинальное напряжение 1500 В постоянного тока, необходимо гарантировать, что напряжение контактной сети 1 не превышает 1750-1800 В. Для этого, когда напряжение EFCD конденсатора становится равным или больше предварительно определенного значения (на фиг. 2 1750 В или более), блок 15 обработки команды напряжения блока 14 управления преобразователя повышает команду VREF выходного напряжения с нормального управляющего значения 600 В, и в момент времени, когда напряжение EFCD конденсатора равно 1800 В, блок 15 обработки команды напряжения повышает команду VREF выходного напряжения до 700 В. В ответ на это выходное напряжение BES блока 10 преобразователя повышается с 600 В до 700 В.

Таким образом, повышая выходное напряжение BES, блок 14 управления преобразователя может передавать энергию конденсатора 12 на выходную сторону блока 10 преобразователя. Это позволяет сдерживать повышение напряжения EFCD конденсатора.

Кроме того, поскольку блок 34a управления инвертора выполняет операции, которые описаны ниже, чтобы сдерживать рекуперативную электрическую энергию, становится возможным сдерживать повышение напряжения EFCD конденсатора. Если выходное напряжение BES блока 10 преобразователя возрастает, входное напряжение ES или напряжение EFC конденсатора блока 30 инвертора возрастает. На основе повышения напряжения EFC конденсатора или входного напряжения ES блок 35a вычисления величины уменьшения рекуперативного крутящего момента генерирует величину VDT уменьшения крутящего момента и сводит к нулю команду PTR крутящего момента (управление уменьшением рекуперативного крутящего момента).

В блоке 35a вычисления величины уменьшения рекуперативного крутящего момента, в момент времени, когда напряжение EFC конденсатора или входное напряжение ES становится 700 В, величина VDT уменьшения крутящего момента задается равной требуемому крутящему моменту PTRS. Следовательно, команда PTR крутящего момента становится нулевой, и рекуперативный крутящий момент электродвигателя 40 управляется, чтобы быть нулевым. Как результат, рекуперативная электрическая энергия от электродвигателя 40 становится нулевой, и входное напряжение блока 10 преобразователя удерживается от повышения. Входное напряжение блока 10 преобразователя не становится равным или больше 1800 В.

Как описано выше, когда рекуперативная нагрузка недостаточна, приводя, таким образом, к увеличению напряжения в контактной сети, преобразователь электрической энергии электрического железнодорожного подвижного состава согласно настоящему варианту осуществления увеличивает выходное напряжение BES блока 10 преобразователя так, чтобы увеличивать входное напряжение блока 30 инвертора, и работает, чтобы гарантировать то, что блок 34a управления инвертора выполняет уменьшение рекуперативного крутящего момента. Следовательно, становится возможным избегать ситуации, в которой входное напряжение блока 10 преобразователя возрастает вследствие излишка рекуперативной электрической энергии, таким образом, приводя к перенапряжению в блоке 10 преобразователя и автоматическому выключению устройства и/или повреждению устройства.

Кроме того, в конфигурации согласно первому варианту осуществления, поскольку не существует передачи управляющих сигналов между блоком 10 преобразователя и блоком 30 инвертора, становится возможным уменьшить аппаратную разводку.

Между тем, блок 14 управления преобразователя может иметь такую конфигурацию, что, только когда направление электрической энергии, проходящей через блок 10 преобразователя, является направлением с выходной стороны к входной стороне блока 10 преобразователя (только когда электродвигатель 40 выполняет рекуперативную работу), блок 14 управления преобразователя повышает команду VREF выходного напряжения в ответ на возрастание входного напряжения блока 10 преобразователя.

С такой конфигурацией, например, если напряжение контактной сети 1 возрастает, в то время как электродвигатель 40 приводится в действие от электрической энергии, необходимость повышения выходного напряжения BES блока 10 преобразователя устраняется. Следовательно, становится возможным предотвратить повышение потерь в схеме блока 30 преобразователя (потери на переключение в схеме 33 инвертора), которые могут возникать вследствие повышения напряжения.

Между тем, в описании, данном выше, объясняется случай управления командной VREF выходного напряжения в качестве управляющей команды. Однако также возможно управлять другими командами. Например, хотя не проиллюстрировано на чертежах, команда выходного тока, которая является командой для выходного тока схемы 13 преобразователя, также может быть управляемой. Это обусловлено тем, что, даже управляя выходным током, можно косвенно управлять выходным напряжением BES.

Второй вариант осуществления

Фиг. 4 изображает схему, преобразователя электрической энергии электрического железнодорожного подвижного состава согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Здесь, фиг. 4 с фиг. 1, и, таким образом, объяснение дается только относительно отличий от фиг. 1.

Конфигурация, изображенная на фиг. 4, отличается от конфигурации, изображенной на фиг. 1, тем, что входное напряжение ESD и напряжение EFCD конденсатора блока 10 преобразователя вводятся в блок 34b управления инвертора блока 30 инвертора.

Ниже объясняется конфигурация блока 34b управления инвертора. Фиг. 5 изображает схему, иллюстрирующую пример конфигурации блока 34b управления инвертора согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. В блок 34b управления инвертора вводится напряжение EFCD конденсатора или входное напряжение ESD блока 10 преобразователя. Блок 34b управления инвертора включает в себя: блок 35b вычисления величины уменьшения рекуперативного крутящего момента, который генерирует величину VDT уменьшения крутящего момента на основе напряжения EFCD конденсатора или входного напряжения ESD; вычитатель 36, который выводит команду PTR крутящего момента, вычитая величину VDT уменьшения крутящего момента из требуемого крутящего момента PTRS, который является требуемым значением крутящего момента рекуперативного торможения, сгенерированного во внешнем блоке управления (не изображен); и блок 37 управления крутящим моментом, который выполняет управление крутящим моментом на основе команды PTR крутящего момента таким образом, что электродвигатель 40 генерирует рекуперативный крутящий момент согласно команде PTR крутящего момента.

Например, в области, в которой напряжение EFCD конденсатора или входное напряжение ESD равно или меньше 1750 В, блок 35b вычисления величины уменьшения рекуперативного крутящего момента задает величину VDT уменьшения крутящего момента равной нулю. В этом случае удовлетворяется условие "требуемый крутящий момент PTRS = команде PTR крутящего момента".

Например, в области, в которой напряжение EFCD конденсатора или входное напряжение ESD больше 1750 В, блок 35b вычисления величины уменьшения рекуперативного крутящего момента повышает величину VDT уменьшения крутящего момента, и в момент времени, когда напряжение EFCD конденсатора или входное напряжение ESD становится равным 1800 В, блок 35b вычисления величины уменьшения рекуперативного крутящего момента повышает величину VDT уменьшения крутящего момента до тех пор, пока она не станет равной требуемому крутящему моменту PTRS, и затем задает команду PTR крутящего момента равной нулю. Здесь, все значения являются примерными и не должны рассматриваться как ограничивающие. Предпочтительно, при условии, что величина VDT уменьшения крутящего момента возрастает в ответ на повышение напряжения EFCD конденсатора или входного напряжения ESD выше предварительно определенного значения, может быть реализована любая конфигурация.

Ниже дается объяснение операций в случае, когда электрический железнодорожный подвижной состав применяет рекуперативный тормоз, т.е. когда блок 30 инвертора выполняет рекуперативную работу электродвигателя 40. В это время рекуперативная электрическая энергия от электродвигателя 40 вводится в блок 10 преобразователя через блок 30 инвертора. Блок 10 преобразователя поддерживает выходное напряжение BES в неизменном, предварительно определенном значении, в то же время он пропускает электрическую энергию со своей выходной стороны на свою входную сторону, и регенерирует рекуперативную электрическую энергию в контактную сеть 1.

В это время, например, если возникает ситуация, когда другое транспортное средство, которое ускорялось по контактной сети 1, прекращает ускорение, приводя, таким образом, к уменьшению потребляемой рекуперативной электрической энергии (далее в данном документе представленное как рекуперативная нагрузка) до такой степени, что рекуперативная нагрузка падает ниже рекуперативной электрической энергии электродвигателя 40, тогда входное напряжение ESD или напряжение EFCD конденсатора блока 10 преобразователя возрастает. Если это состояние остается как есть, тогда входное напряжение ESD или напряжение EFCD конденсатора дополнительно возрастает, так что блок 10 преобразователя детектирует перенапряжение и автоматически выключается, за счет чего устройства, подключенные к контактной сети 1, повреждаются.

В конфигурации согласно второму варианту осуществления входное напряжение ESD или напряжение EFCD конденсатора блока 10 преобразователя вводится в блок 34b управления инвертора и, на основе повышения напряжения EFCD конденсатора или входного напряжения ESD, блок 35b вычисления величины уменьшения рекуперативного крутящего момента генерирует величину VDT уменьшения крутящего момента и сводит к нулю команду PTR крутящего момента (управление уменьшением рекуперативного крутящего момента).

В блоке 35b вычисления величины уменьшения рекуперативного крутящего момента, в момент времени, когда напряжение EFCD конденсатора или входное напряжение ESD становится равным 1800 В, величина VDT уменьшения крутящего момента задается равной требуемому крутящему моменту PTRS. Следовательно, команда PTR крутящего момента становится нулевой, и рекуперативный крутящий момент электродвигателя 40 управляется, чтобы быть нулевым. Как результат, рекуперативная электрическая энергия от электродвигателя 40 становится нулевой, и входное напряжение блока 10 преобразователя удерживается от повышения. Здесь, входное напряжение блока 10 преобразователя не становится равным или больше 1800 В.

Как описано выше, когда рекуперативная нагрузка недостаточна, приводя, таким образом, к увеличению напряжения в контактной сети, преобразователь электрической энергии электрического железнодорожного подвижного состава согласно настоящему варианту осуществления гарантирует, что блок 34b управления инвертора выполняет уменьшение рекуперативного крутящего момента. Следовательно, становится возможным избегать ситуации, в которой входное напряжение блока 10 преобразователя возрастает вследствие излишка рекуперативной электрической энергии, что ведет к перенапряжению блока 10 преобразователя и автоматическому выключению устройства или является причиной повреждения устройства.

Между тем, в конфигурации согласно второму варианту осуществления, с одной стороны, становится необходимым прокладывать проводку для управления между блоком 10 преобразователя и блоком 30 инвертора. Однако, с другой стороны, конфигурация для повышения выходного напряжения BES блока 10 преобразователя, которая требуется для конфигурации в первом варианте осуществления, не является необходимой. Это делает возможным упрощение конфигурации блока 14 управления преобразователя.

Между тем, только когда направление электрической энергии, проходящей через блок 30 инвертора, является направлением от выходной стороны к входной стороне блока 30 инвертора (только когда электродвигатель 40 выполняет рекуперативную работу), блок 34a управления инвертора может быть сконфигурирован, чтобы сводить к нулю команду PTR крутящего момента в ответ на повышение входного напряжения блока 10 преобразователя.

С такой конфигурацией, например, даже если напряжение контактной сети 1 возрастает, в то время как электродвигатель 40 приводится в действие от электрической энергии, становится возможным предотвратить повышение потерь в схеме блока 30 инвертора (потери на переключение в схеме 33 инвертора).

Третий вариант осуществления

В первом и втором вариантах осуществления объяснение дано для случая, в котором, когда рекуперативная нагрузка контактной сети 1 уменьшается, в то время как электродвигатель 40 находится в рекуперативной работе, входное напряжение блока 10 преобразователя удерживается от повышения. Однако, пока электродвигатель 40 находится в режиме приведения в действие от электрической энергии, возникают следующие проблемы.

Возможен случай, когда трансформаторная подстанция (не изображена), которая подает электрическую энергию в контактную сеть 1, является небольшой по емкости, случай, когда расстояние от трансформаторной подстанции до электрического железнодорожного подвижного состава большое, и, таким образом, перепад напряжения контактной сети 1 является большим, и случай, когда напряжение контактной сети 1 уменьшается, в то время как электродвигатель находится в режиме приведения в действие от электрической энергии. В таких случаях, если мощность потребляемой энергии электродвигателя 40 сохраняется как есть, и/или больше электрической энергии дополнительно потребляется для ускорения, тогда напряжение контактной сети 1 может уменьшаться слишком сильно, приводя, таким образом, к прекращению работы блока 10 преобразователя вследствие слишком низкого напряжения, и/или другие транспортные средства, получающие электричество из контактной сети 1, не могут двигаться вследствие низкого напряжения. Следовательно, после того как напряжение контактной сети 1 стало равным или меньше предварительно определенного значения, необходимо понижать крутящий момент вращения от электрической энергии и уменьшать электрическую мощность приведения в действие.

Как правило, на электрической железной дороге, для которой контактная сеть 1 имеет номинальное напряжение 1500 В постоянного тока, необходимо гарантировать, чтобы напряжение контактной сети 1 не падало ниже 1100 В. Однако блок 10 преобразователя выполняет управление неизменным напряжением, чтобы поддерживать свое выходное напряжение BES на уровне предварительно определенного напряжения. Следовательно, даже если входное напряжение ESD или напряжение EFCD конденсатора уменьшается, блок 10 преобразователя пытается управлять выходным напряжением BES до неизменного значения независимо от входного напряжения. По этой причине, блок 30 инвертора может не вычислять уменьшение напряжения контактной сети 1 и, следовательно, может не выполнять управление, например, чтобы уменьшать крутящий момент энергии вращения электродвигателя 40. В свою очередь, падение напряжения контактной сети 1 может быть неуправляемым.

Для этого, когда напряжение EFCD конденсатора или входное напряжение ESD равно или больше предварительно определенного значения (например, 1100 В), блок 14 управления преобразователя задает команду VREF выходного напряжения равной нормальному значению (например, 600 В), которое является третьим заданным значением, и, когда напряжение EFCD конденсатора или входное напряжение ESD падает ниже предварительно определенного значения (например, 1100 В), блок 14 управления преобразователя, на основе величины его уменьшения, уменьшает команду VREF выходного напряжения до четвертого заданного значения (например, 500 В), которое меньше третьего заданного значения.

Более того, когда входное напряжение ES или напряжение EFC конденсатора блока 30 инвертора падает ниже предварительно определенного значения (например, 550 В), блок 34a управления инвертора обращается к величине его уменьшения и соответственно понижает команду крутящего момента энергии вращения электродвигателя 40 так, чтобы выполнять управление уменьшением электрической энергии приведения в движение.

Как описано выше, во время уменьшения напряжения контактной сети 1 преобразователь электрической энергии электрического железнодорожного подвижного состава согласно настоящему варианту осуществления уменьшает выходное напряжение BES блока 10 преобразователя и работает, чтобы гарантировать, что блок 30 инвертора ограничивает крутящий момент энергии вращения электродвигателя 40. Следовательно, электрическая энергия приведения в движение электродвигателя 40 может быть уменьшена, и падение напряжения в контактной сети 1 может быть ограничено. Как результат, становится возможным избегать ситуации, в которой работа блока 10 преобразователя останавливается вследствие низкого напряжения, или другие транспортные средства, принимающие электричество из контактной сети 1, не могут перемещаться вследствие низкого напряжения.

Более того, в конфигурации согласно третьему варианту осуществления, поскольку не существует передачи управляющих сигналов между блоком 10 преобразователя и блоком 30 инвертора, становится возможным уменьшить их аппаратную разводку.

Между тем, только когда направление электрической энергии, проходящей через блок 10 преобразователя, является направлением от входной стороны к выходной стороне блока 10 преобразователя (только когда электродвигатель 40 выполняет операцию приведения в движение от энергии), блок 14 управления преобразователя может быть сконфигурирован с возможностью уменьшать команду VREF выходного напряжения в ответ на уменьшение входного напряжения блока 10 преобразователя.

В такой конфигурации, например, если напряжение контактной сети 1 уменьшается, в то время как электродвигатель 40 находится в режиме рекуперативной работы, необходимость уменьшения выходного напряжения BES блока 10 преобразователя устраняется. Следовательно, становится возможным избегать ситуации, в которой прикладываемое к электродвигателю 40 напряжение недостаточно вследствие уменьшения напряжения, таким образом, получая в результате уменьшение рекуперативного крутящего момента.

Кроме того, в описании, данном выше, объясняется случай управления командой VREF выходного напряжения в качестве управляющей команды, но могут быть использованы другие команды. Например, хотя не изображено на чертежах, команда выходного тока, которая является командой для выходного тока схемы 13 преобразователя, также может управляться. Это обусловлено тем, что, даже управляя выходным током, выходное напряжение BES может быть косвенно управляемо.

Четвертый вариант осуществления

Четвертый вариант осуществления, идентичным второму варианту осуществления образом, имеет такую конструкцию, что входное напряжение ESD и напряжение EFCD конденсатора блока 10 преобразователя вводятся в блок 34b управления инвертора блока 30 инвертора.

Когда напряжение EFCD конденсатора или входное напряжение ESD блока 10 преобразователя падает ниже предварительно определенного значения (например, 1100 В), блок 34b управления инвертора обращается к величине его уменьшения и соответственно уменьшает крутящий момент энергии вращения электродвигателя 40 (управление уменьшением крутящего момента энергии вращения) и работает, чтобы ограничивать электрическую энергию приведения в движение. Здесь, все значения являются примерными и не должны рассматриваться как ограничивающие. Предпочтительно, при условии, что крутящий момент энергии вращения электродвигателя 40 ограничивается в ответ на уменьшение напряжения EFCD конденсатора или входного напряжения ESD ниже предварительно определенного значения, может быть реализована любая конфигурация.

Как описано выше, во время, когда напряжение контактной сети 1 упало, преобразователь электрической энергии электрического железнодорожного подвижного состава согласно настоящему варианту осуществления гарантирует, что блок 34b управления инвертора блока 30 инвертора ограничивает крутящий момент энергии вращения электродвигателя 40. Следовательно, электрическая энергия приведения в движение электродвигателя 40 может быть уменьшена, и уменьшение напряжения в контактной сети 1 может быть ограничено. Как результат, становится возможным избегать ситуации, в которой работа блока 10 преобразователя останавливается вследствие низкого напряжения, или другие транспортные средства, принимающие электричество из контактной сети 1, не могут перемещаться вследствие низкого напряжения.

Отметим, что, только когда направление электрической энергии блока 10 преобразователя проходит в направлении от входной стороны к выходной стороне блока 10 преобразователя (только когда электродвигатель 40 выполняет операцию движения от энергии вращения), блок 34b управления инвертора может быть сконфигурирован, чтобы уменьшать крутящий момент энергии вращения электродвигателя 40 в ответ на уменьшение входного напряжения блока 10 преобразователя.

В такой конфигурации, например, если напряжение контактной сети 1 уменьшается, в то время как электродвигатель 40 находится в рекуперативном режиме работы, тогда становится возможным предотвращать излишнее уменьшение рекуперативного крутящего момента электродвигателя 40.

Кроме того, в конфигурации согласно четвертому варианту осуществления, с одной стороны, становится необходимым прокладывать проводку для управления между блоком 10 преобразователя и блоком 30 инвертора. Однако, с другой стороны, не требуется конфигурация, чтобы уменьшать выходное напряжение BES блока 10 преобразователя, требуемая в третьем варианте осуществления. Это делает возможным упрощение конфигурации блока 14 управления преобразователя.

Конфигурации, описанные в вышеприведенных вариантах осуществления, предназначены, чтобы показывать иллюстративные примеры выполнения настоящего изобретения, и излишне говорить, что они могут быть объединены с другими широко известными технологиями и могут быть модифицированы и/или частично подвергнуты пропуску без отступления от рамок изобретения.

Промышленная применимость

Таким образом, настоящее изобретение применимо для преобразователя электрической энергии, установленного с возможностью выполнять управление поступательным движением электрического железнодорожного подвижного состава, и особенно полезно как изобретение, которое допускает удобное управление уменьшением рекуперативного крутящего момента.

Список условных обозначений

1 Контактная сеть

2 Токосъемник

3 Колесо

4 Рельс

10 Блок преобразователя (первый блок преобразования электрической энергии)

11, 31 Дроссель

12, 32 Конденсатор

13 Схема преобразователя

14 Блок управления преобразователя (первый блок управления)

15 Блок обработки команды напряжения

16 Блок управления напряжением

30 Блок инвертора (второй блок преобразования электрической энергии)

33 Схема инвертора

34a, 34b Блок управления инвертора (второй блок управления)

35a, 35b Блок вычисления величины уменьшения рекуперативного крутящего момента

36 Вычитатель

37 Блок вычисления крутящего момента

40 Электродвигатель

BES Выходное напряжение

EFC, EFCD Напряжение конденсатора

ES, ESD Входное напряжение

GD, GI Управляющий сигнал

IM Выходной ток

PTR Команда крутящего момента

PTRS Требуемый крутящий момент

VDT Величина уменьшения крутящего момента

VREF Команда выходного напряжения.

Изобретение относится к преобразователям электрической энергии электрического железнодорожного подвижного состава с применением рекуперативного торможения. Преобразователь включает в себя: блок (10) (первый блок преобразования электрической энергии), который принимает напряжение постоянного тока и выводит напряжение постоянного тока, управляемое до предварительно определенного значения; и блок (30) инвертора (второй блок преобразования электрической энергии), который подключен к выходной стороне блока (10) преобразователя и приводит в действие электродвигатель (40). Блок преобразователя включает в себя блок (14) управления преобразователя (первый блок управления), который, на основе своего входного напряжения, генерирует команду (VREF) выходного напряжения, которая является управляющей командой для управления состоянием выходного напряжения блока (10) преобразователя. Технический результат заключается в обеспечении надежности пошагового управления с понижением напряжения при рекуперации. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Преобразователь электрической энергии электрического железнодорожного подвижного состава, содержащий первый блок (10) преобразования электрической энергии, который принимает напряжение постоянного тока и выводит напряжение постоянного тока, отрегулированное до предварительно определенного значения, и второй блок (30) преобразования электрической энергии, который подключен к выходной стороне первого блока (10) преобразования электрической энергии и приводит в действие электродвигатель (40), при этом первый блок (10) преобразования электрической энергии включает в себя первый блок (14) управления, который, на основе своего входного напряжения, генерирует управляющую команду для управления состоянием выходного напряжения первого блока (10) преобразования электрической энергии.

2. Преобразователь электрической энергии по п.1, в котором управляющая команда является командой выходного напряжения, т.е. командой для выходного напряжения первого блока (10) преобразования электрической энергии.

3. Преобразователь электрической энергии по п.1, в котором управляющая команда является командой выходного тока, т.е. командой для выходного тока первого блока (10) преобразования электрической энергии.

4. Преобразователь электрической энергии электрического железнодорожного подвижного состава, содержащий первый блок (10) преобразования электрической энергии, который принимает напряжение постоянного тока и выводит напряжение постоянного тока, отрегулированное до предварительно определенного значения; и второй блок (30) преобразования электрической энергии, который подключен к выходной стороне первого блока (10) преобразования электрической энергии и приводит в действие электродвигатель (40), при этом второй блок (30) преобразования электрической энергии принимает входное напряжение первого блока (10) преобразования электрической энергии и, на основе входного напряжения первого блока (10) преобразования электрической энергии, управляет крутящим моментом электродвигателя (40).

5. Преобразователь электрической энергии по п.1, в котором, когда входное напряжение увеличивается, первый блок (14) управления управляет управляющей командой так, что выходное напряжение первого блока (10) преобразования электрической энергии увеличивается.

6. Преобразователь электрической энергии по п.1, в котором, когда входное напряжение равно или меньше, чем предварительно определенное значение, первый блок (14) управления устанавливает управляющую команду в первое заданное значение и, когда входное напряжение превышает предварительно определенное значение, первый блок (14) управления устанавливает управляющую команду во второе заданное значение, которое больше, чем первое заданное значение, на основе величины его превышения.

7. Преобразователь электрической энергии по п.1, в котором, только когда направление электрической энергии, проходящей через первый блок (10) преобразования электрической энергии, является направлением от выходной стороны к входной стороне первого блока (10) преобразования электрической энергии, первый блок (14) управления управляет управляющей командой в ответ на увеличение входного напряжения первого блока (10) преобразования электрической энергии.

8. Преобразователь электрической энергии по п.1, в котором второй блок (30) преобразования электрической энергии включает в себя второй блок (34а, 34b) управления, который, когда его входное напряжение увеличивается, выполняет управление уменьшением рекуперативного крутящего момента так, чтобы уменьшить крутящий момент электродвигателя (40).

9. Преобразователь электрической энергии по п.4, в котором второй блок (34а, 34b) управления принимает входное напряжение первого блока (10) преобразования электрической энергии и, когда входное напряжение первого блока (10) преобразования электрической энергии возрастает выше предварительно определенного значения, выполняет управление уменьшением рекуперативного крутящего момента так, чтобы уменьшить крутящий момент электродвигателя (40).

10. Преобразователь электрической энергии по п.9, в котором, только когда направление электрической энергии, проходящей через второй блок (30) преобразования электрической энергии, является направлением от выходной стороны к входной стороне второго блока (30) преобразования электрической энергии, второй блок (34а, 34b) управления выполняет управление уменьшением рекуперативного крутящего момента в ответ на увеличение входного напряжения первого блока (10) преобразования электрической энергии.

11. Преобразователь электрической энергии по п.1, в котором, когда входное напряжение падает ниже предварительно определенного значения, первый блок (14) управления управляет управляющей командой.

12. Преобразователь электрической энергии по п.1, в котором, когда входное напряжение равно или больше, чем предварительно определенное значение, первый блок (14) управления устанавливает управляющую команду в третье заданное значение и, когда входное напряжение падает ниже предварительно определенного значения, первый блок (14) управления устанавливает управляющую команду в четвертое заданное значение, которое меньше, чем третье заданное значение, на основе величины его падения.

13. Преобразователь электрической энергии по п.1, в котором, только когда направление электрической энергии, проходящей через первый блок (10) преобразования электрической энергии, является направлением от входной стороны к выходной стороне первого блока (10) преобразования электрической энергии, первый блок (14) управления управляет управляющей командой в ответ на падение входного напряжения первого блока (10) преобразования электрической энергии ниже предварительно определенного значения.

14. Преобразователь электрической энергии по п.1, в котором второй блок (30) преобразования электрической энергии включает в себя второй блок (34а, 34b) управления, который, когда его входное напряжение падает ниже предварительно определенного значения, выполняет управление так, чтобы уменьшить крутящий момент энергии вращения электродвигателя (40).

15. Преобразователь электрической энергии по п.4, в котором второй блок (34а, 34b) управления принимает входное напряжение первого блока (10) преобразования электрической энергии и, когда входное напряжение первого блока (10) преобразования электрической энергии падает ниже предварительно определенного значения, выполняет управление уменьшением крутящего момента энергии вращения так, чтобы уменьшить крутящий момент энергии вращения электродвигателя (40).

16. Преобразователь электрической энергии по п.15, в котором, только когда направление электрической энергии, проходящей через второй блок (30) преобразования электрической энергии, является направлением от входной стороны к выходной стороне второго блока (30) преобразования электрической энергии, второй блок (34а, 34b) управления выполняет управление уменьшением крутящего момента энергии вращения в ответ на падение входного напряжения первого блока (10) преобразования электрической энергии ниже предварительно определенного значения.